提高钛合金蒙皮外形准确度的方法研究

于家鹤

（沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110850）



提高钛合金蒙皮外形准确度的方法研究

于家鹤

（沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110850）

摘 要：本次研究是以数字化制造为基础，通过在热成型模上增加一套定位压点结构，利用高温下钛合金强度降低，而压点销强度相对较大这一特点，使钛合金板材在热成形的过程中同时标记出多个定位点，此定位点可以达到与零件曲面外形极高的一致性和连续性；然后通过钻模等辅助工装，将定位点钻制成定位孔；再借助激光切割等高精度切割设备，以定位孔作为定位基准，准确加工出零件外形。通过这种方法以实现钛合金蒙皮零件的精确制造，满足飞机无余量装配的要求。

关键词：压点结构 数字化 激光切割 无余量装配

引言

钛合金材料具有强度高、重量轻、耐腐蚀等特点，在航空领域被大量应用。由于钛合金板材仅在高温下才具有较好的塑性，常温下的外形不易改变，所以对钛合金板材，尤其是蒙皮类零件的外形准确度和位置准确度要求较高。通常的做法是蒙皮零件边缘都留有一定的余量，在装配时，通过修配找出蒙皮最佳位置。但随着新一代飞机对外形精度要求的不断提高，以及锯齿形蒙皮的大量出现和无余量装配概念的提出，使传统蒙皮定位方法无法满足要求，必须在零件加工时就准确加工出零件外形，以保证蒙皮装配的准确度，所以，如何提高蒙皮零件的外形准确度就成为了一个新的课题。

1 理论分析

蒙皮外形的精加工有多种工艺方法，其中，激光切割具有加工精度高，切削效率高，热影响区小，切割后零件不会发生变形，操作方便，将零件定位在工装上，通过基准点定位便可按固定程序切割，切割出的零件一致性高等特点，因而被广泛应用。此技术已经比较成熟，但如何将钛合金蒙皮准确定位在切割夹具上便成为问题的难点。

对蒙皮类零件，尤其是大曲率蒙皮，通过零件外形在工装上定位钻制定位孔误差较大，恐无法满足装配要求。为此，需要寻找一种更为准确的定位方法，使零件外形与定位孔能完全协调起来。初步的想法是通过数字化加工，在零件数模及零件的热成型工装上安装压点机构，使零件在成形的过程中将定位孔中心处压制出凹坑，然后再借助钻模等辅助工装将凹坑钻制成φ5.2mm定位孔，以此定位孔进行定位，便可将零件准确第定位在切割夹具上。

2 过程描述

（1）申请零件制造数据集，在曲度平缓、曲面法线方向与成形加压方向一致的位置尽量增加2～3个定位耳片及定位孔，零件三维制造数据集见图1。

（2）按制造数据集加工零件热成型模，在下模定位孔处按内型面法线方向开φ8mm的通孔，靠近型面处孔径扩至φ16mm，将尖点销镶嵌于此。尖点销成阶梯型结构，顶部为椎体，中、下部分别为直径不同的圆柱体，使其可正好安装到孔内，并保证尖点销凸出工装表面0.5～0.8mm。由于尖点销在高温下压制钛合金表面，其磨损较快，所以设计成此结构，以便随时更换尖点销。尖点销结构见图2。

图1 零件三维制造数据集

图2 尖点销结构图

（3）在热成形时，将热成形模固定在热成形设备上，升温至600℃～700℃，将材料放到炉中预热3～5min，然后将材料放入工装定位器中，合模加压，保温保压15～20min后取出毛坯。此时，毛坯外形便成形，且在定位孔处会压出直径约为φ2mm的凹坑。

（4）按毛坯上的凹坑钻制φ5.2mm的定位孔。若采用手工钻制，钻孔时，孔心容易出现偏差，影响定位孔位置精度，且3个定位孔偏差方向不定，会影响后续定位协调，故需借助钻模来钻制定位孔。按制造数据集加工钻模，钻模需带玻璃钢盖板，用于压紧零件，使其完全贴胎。将毛坯放到钻模上，将钻模板与毛坯上的凹坑对正，按钻模钻制定位孔。

（5）按制造数据集加工激光切割夹具，特制金属砂袋用于压紧零件，使其完全贴胎，激光切割夹具上要加工出3 个φ0.2mm的圆点，作为激光切割的基准点。以定位孔定位，将毛坯安装到激光切割夹具上，通过工装上的基准点确定空间位置，按数字模型切割零件外形。

通过上述加工过程，可精确加工出蒙皮零件的边缘，并保证其与零件曲面外形相对位置偏差不大于0.3mm。

3 尖点销材料的选择

在上述加工过程中，对热成型模增加压点机构是整个过程中的关键，也是一次全新的尝试。其必须满足以下特点：第一，具有良好的高温机械性能和抗蠕变性能，在高温条件下，要在钛合金表面压出清晰的凹坑；第二，保证压制过程，尖点销材料的热稳定性好，不会对钛合金表面有所污染；第三，压出凹坑后，尖点销不会被破坏，至少要能重复使用30次以上，这样才能满足批量生产的需要。因此，尖点销材料的选择至关重要，其必须具备耐高温、高温条件下强度要明显高于钛合金、不易生锈、热膨胀系数略大于中硅钼球墨铸铁（热成型模材料）等特点。

通过理论分析和实践验证，最终选择的材料为35Cr24Ni7SiN，此材料为耐高温不锈钢，高温性能好，从其铸造成本、机械性能等方面综合考量，相比其他材料有一定优势，并已大量应用于超塑模具的制造。通过图3可以看出TC4材料在700℃时强度为200MPa，而35Cr24Ni7SiN在700℃时强度可达500MPa左右，满足高温条件下在钛合金表面的压点要求。对于热膨胀系数，中硅钼球墨铸铁的热膨胀系数在700℃时为（18～20）×10-6，35Cr24Ni7SiN的热膨胀系数为14×10-6，热膨胀之后孔呈缩小趋势，销呈放大趋势，因此，可以保证高温下尖点销不会松动，满足使用要求。

图3 温度对TA2、TC1和TC4强度的影响

4 结论

经实践验证，尖点销在使用过程中可以清晰地压制出凹坑，满足使用要求，其有效使用次数不少于30次。通过使用此加工方法可以精确加工出零件外缘，其外缘加工精度可达±0.15mm，蒙皮相对位置精度可达±0.3mm，能满足新一代飞机齿形蒙皮对接及无余量装配的要求。

实践过程中发现了该加工方法的不足和需要注意的地方：第一，尖点销虽然可以实现压点功能，但尖点磨损较快，一般只能压制30次左右，即仅可以满足一个批次飞机的用量，尖点销用量较大；第二，在将压出的凹坑钻制成φ5.2mm的定位孔时，仍需使用钻模等辅助工装，再加上每个零件都要配有专用的热成型模和激光切割夹具，工装用量较大；第三，由于尖点销高出热成型模内型面，所以在工装合模、存放时要注意加垫板保护，否则，一旦操作不当，尖点销的尖点便会被压伤，以致无法使用。

综上所述，虽然此加工方法受到诸多因素的影响，但按此方法可以加工出高精度蒙皮零件，能满足新一代飞机齿形蒙皮对接以及无余量装配的要求。此工艺方法的使用不但可以有效提高钛合金蒙皮加工精度，而且为今后钛合金蒙皮加工的高精度要求提供了一个新思路。

参考文献

[1]《航空制造工程手册》总编委会.航空制造工程手册（飞机钣金工艺）[M].北京：航空工业出版社，1992.

[2]林慧国，林钢，马跃华.世界钢号手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

Study on the Method of Improving the Shape Accuracy of Titanium Alloy Skin

YU Jiahe
(Shenyang aircraft industry (Group) Co., Ltd.,Shenyang 110850)

Abstract:This study is based on digital manufacturing, by in thermoforming mould increased a pos itioning pressing structure, using reduced titanium alloy s trength at elevated tem perature, and pressure pin strength is relatively large the characteristics, titanium alloy plate in hot forming process and mark the location points, the positioning point can reach and parts of curve shape of high consistency and continuity; and then through the jigs and other auxiliary tool, the p ositioning drill into the p ositioning hole. Then by using the laser cutting high precision cutting equipment, to locate the holes as the locating datum, accurate processing out the appearance of the part. Through this method to realize the precise manufacture of titanium alloy cover parts, meet the requirements of aircraft no allowance assembly.

Key words:pressure point structure, digital, laser cutting, non margin assembly