民用飛機(jī)鈦合金蒙皮成型表面缺陷的工程處置研究

孫競偉

【摘 要】鈦合金蒙皮成型表面缺陷是民用飛機(jī)制造過程中的常見偏離問題。本文研究了某民機(jī)的鈦合金蒙皮成型技術(shù)特性，梳理了結(jié)構(gòu)修理中鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題的分析思路和處置方法，提出了民用飛機(jī)鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題的工程處置流程。以某民機(jī)APU艙門鈦合金內(nèi)蒙皮成型表面缺陷問題為例，說明了該分析研究在結(jié)構(gòu)修理有一定的工程指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】鈦合金蒙皮；成型表面缺陷；工程處置

蒙皮是民機(jī)結(jié)構(gòu)的主要組成部分。蒙皮形成飛機(jī)外形，飛機(jī)在承受空氣動力作用后，通過蒙皮將作用力傳遞到機(jī)身骨架上。因此，對于蒙皮而言，不僅要求蒙皮具有較好的強(qiáng)度和塑性，還要求蒙皮表面光滑，滿足氣動要求。

鈦合金同其他結(jié)構(gòu)金屬相比，具有比強(qiáng)度高和耐腐蝕性能好兩個顯著優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)中。但鈦合金機(jī)械加工困難，成本比較高，在生產(chǎn)制造過程中表面容易產(chǎn)生劃傷、擦傷、刻痕、碰傷、磕傷等損傷情況，對其性能產(chǎn)生一定影響。

本文在對民機(jī)鈦合金蒙皮特性進(jìn)行了一定研究，并在此基礎(chǔ)上提出了鈦合金蒙皮表面損傷問題處置流程，并將該流程應(yīng)用到某民機(jī)APU艙門鈦合金內(nèi)蒙皮成型表面缺陷問題的工程處置之中。

1 鈦合金蒙皮成型的主要特性

在國內(nèi)，機(jī)身蒙皮應(yīng)用較為廣泛的材料有鋁合金、復(fù)合材料、鈦合金、不銹鋼等。隨著我國航空工業(yè)的不斷發(fā)展，鈦合金材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用不斷增多，尤其是用于飛機(jī)蒙皮材料，相對于傳統(tǒng)鋁合金材料，鈦合金能收到大幅度減輕飛機(jī)重量的效果，而減輕重量又可以提高飛機(jī)飛行性能，從而降低民用飛機(jī)的運(yùn)營成本。另外，當(dāng)接觸表面溫度普遍高于200℃是，鋁蒙皮已經(jīng)不再適用，需要用鈦合金取代。

蒙皮的表面成型效果對其結(jié)構(gòu)、氣動性能以及飛機(jī)外觀和使用壽命有很大影響。鈦合金薄板件在成型過程中對模具的表面質(zhì)量和周圍環(huán)境有很高的要求，因此，必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和檢查，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生表面損傷問題。

我國的鈦合金生產(chǎn)和應(yīng)用中，Ti-6Al-4V占主要地位，由于受到制造技術(shù)的限制，鈦合金蒙皮在航空工業(yè)中的應(yīng)用任然存在阻礙。Ti-6Al-4V合金板材具有一定的沖壓工藝性能，可以再加熱狀態(tài)下形成各種形狀的零件，但對于薄板曲面零件而言，容易由于不均勻冷卻產(chǎn)生翹曲和殘余應(yīng)力。若對鈦合金蒙皮成型過程中產(chǎn)生的表面缺陷不能妥善處理，則零件該零件的強(qiáng)度、外觀和功能都會受到影響。

本文中所涉及的APU艙門內(nèi)蒙皮是作為直接與APU艙內(nèi)高溫區(qū)域接觸的防火材料，因此其選用材料為Ti-6Al-4V。由于APU艙門內(nèi)表面外形為曲面，因此選用拉伸成型的方法對其外形進(jìn)行加工。在加工過程中，由于模具表面粗糙度和周圍環(huán)境質(zhì)量問題，以及加工工藝參數(shù)不成熟等問題，使得該鈦合金蒙皮在成型后表邊出現(xiàn)點蝕、橘皮和波紋度超差等缺陷。

2 表面損傷處置流程

在了解鈦合金蒙皮表面成型特性的基礎(chǔ)上，可以對鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題的特點和結(jié)構(gòu)修理方法進(jìn)行分析和研究，總結(jié)該類問題處置的一般流程，見圖1。

對于鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題，首先要判斷該缺陷是何種類型的缺陷，一般的缺陷類型有三種，即凹坑、凹陷和波紋度超差。

波紋度超差這類缺陷，首先根據(jù)超差所處區(qū)域判斷該處超差是否能滿足功能性要求，如果對飛機(jī)的氣動外形影響可接受且滿足功能性需求的前提下，則認(rèn)為該波紋度超差的缺陷可以接受。如果不能滿足功能性要求或者對飛機(jī)的氣動外形影響不可接受，則需要對波紋度超差區(qū)域進(jìn)行校形。

凹坑和凹陷這兩種類型的缺陷，首先應(yīng)判斷該缺陷處蒙皮是否已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，如果沒有產(chǎn)生裂紋則對缺陷處進(jìn)行打磨，打磨范圍和打磨半徑需滿足工藝文件要求，并在打磨后按原圖紙要求進(jìn)行表面保護(hù)。

對于的三種缺陷情況，若是在檢測過程中發(fā)現(xiàn)缺陷處出現(xiàn)裂紋，則必須去除蒙皮上裂紋區(qū)域，并對其進(jìn)行后續(xù)修理以及強(qiáng)度校核。若不滿足強(qiáng)度要求，則需要對修理區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)處理，如用加強(qiáng)板對該缺陷區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)等。補(bǔ)強(qiáng)后再次進(jìn)行強(qiáng)度校核，以及補(bǔ)充氣動校核，并對氣動校核不滿足的區(qū)域進(jìn)行填平處理，直到滿足強(qiáng)度和氣動要求為止。最后再對修理后的表面按工程需要進(jìn)行表面保護(hù)。

3 應(yīng)用案例

某民機(jī)APU艙門鈦合金內(nèi)蒙皮表面存在多條波紋，波峰波谷最大深度0.3mm，且在非波紋區(qū)域有兩處凹坑，深度0.2mm，一處凸起，高度0.2mm，材料厚度無減薄，缺陷情況如圖2所示。通過工程分析，缺陷產(chǎn)生的主要原因為該鈦合金蒙皮在制造過程中由于加工工藝不成熟導(dǎo)致。通過對該區(qū)域的結(jié)構(gòu)和功能特點分析，結(jié)合問題產(chǎn)生的原因，明確了如下結(jié)構(gòu)修理方案。

首先對波紋度不滿足要求的區(qū)域進(jìn)行校形，以減小波紋度缺陷，并對凹坑和凸起處進(jìn)行打磨，打磨范圍包括打磨長度、打磨寬度和打磨深度，打磨范圍要覆蓋碰傷區(qū)域。校形及打磨后，對校形區(qū)域、凹坑區(qū)域和凸起區(qū)域分別進(jìn)行裂紋檢查，通過檢測報告發(fā)現(xiàn)，缺陷區(qū)域并沒有出現(xiàn)裂紋。然后對缺陷區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度評估，打磨深度占零件總厚度的百分比較小，對強(qiáng)度的影響可接受。最后再對工程處置后的蒙皮外形進(jìn)行氣動性能評估，由于該鈦合金蒙皮應(yīng)用于飛機(jī)的內(nèi)表面，對飛機(jī)的氣動性能無影響，故可以判定可以使用因此，經(jīng)過一系列分析評估，可以使用校形和打磨的方案對該損傷問題進(jìn)行工程處置。

4 結(jié)語

表面損傷問題是民用飛機(jī)蒙皮的典型制造偏離之一。本文在探討鈦合金蒙皮成型表面特性的基礎(chǔ)上，通過一系列的分析，總結(jié)歸納了民用飛機(jī)鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題在結(jié)構(gòu)修理中的一般處置方法，提出了民用飛機(jī)鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題處置流程。在實際的工程處置過程中，該分析研究可以為鈦合金蒙皮成型表面缺陷問題處置提供清晰的思路和方法，提高該類結(jié)構(gòu)制造偏離的處置效率。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint