機翼鈦合金蒙皮成型的問題及措施研究

李榮

摘要：隨著我國對飛機質量的不斷提高，其機翼鈦合金蒙皮作為一個重要的工序，直接關乎著飛機的使用壽命，所以，提高機翼鈦合金蒙皮成型的效果事關重要。文章主要針對機翼鈦合金蒙皮成型的問題研究相應的保障措施。分別從蒙皮加工過程和焊接工藝兩個方面進行優化，提高鈦合金蒙皮成型的精確度和質量。通過改進方案進行鈦合金蒙皮成型過程，然后實驗對比，得出改進后的蒙皮成型方式能夠較大的提高蒙皮成型的精確度。

關鍵詞：機翼;鈦合金蒙皮;成型;措施

中圖分類號：V275⁺.1;TG456.7文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0125-04

1機翼鈦合金蒙皮成型的問題及處理流程

隨著我國航空工業的快速發展，對于機翼蒙皮材料的要求也越來越高。機翼蒙皮采用較多的就是鈦合金，因為鈦合金的質量更輕，更能減小飛機的重量，而且鈦合金抵抗溫度的能力較強，不易受到影響。機翼鈦合金蒙皮成型效果是非常重要的，對其結構、氣動性能以及飛機外觀和使用壽命有很大影響。所以提高機翼鈦合金蒙皮成型效果對整個飛機的質量和運行都會有著重要的作用。

然而，在實際過程中，機翼鈦合金蒙皮成型過程中，容易出現各種問題，其中最重要的就是蒙皮變形問題，即出現凹坑或者凹陷，就會影響到蒙皮成型的精度要求。造成這種現象的原因也很多，比如蒙皮加工工藝出現問題、相關工作人員工作能力較差、焊接使出現問題、對機翼鈦合金蒙皮成型缺乏管理等等。

這些問題都會造成機翼鈦合金蒙皮成型之后機翼表面出現裂紋，當出現裂紋之后，就需要對機翼鈦合金蒙皮進行各種檢查，將問題進行解決，減少經濟損失。進行解決的流程如圖1所示。

2提高機翼鈦合金蒙皮加工效果的措施

前面分析的僅僅只是機翼鈦合金蒙皮成型表面遇到問題的解決流程，為了減少這些問題的發生，應該對其進行一定的改造措施使其在蒙皮時降低出現問題的概率，所以接下來提出兩種方案，一個是對機翼鈦合金蒙皮的加工階段，一個是在對機翼鈦合金蒙皮成型時焊接工藝的改進。從這兩個方面可以可以減少機翼鈦合金蒙皮成型的準確率，從而降低機翼蒙皮出現問題的概率。

2.1理論分析

鈦合金蒙皮成型過程中對于外形和位置準確度有著比較嚴格的要求。一般情況下為了達到準確度要求，會將鈦合金蒙皮的邊緣多留出一些量，為的是在裝配時，可以將其進行修配從而得到準確度非常高的位置。然而我國對于飛機的要求越來越高，其機翼外形的精度也隨之不斷升高，并且提出了無余量裝配理念，使得傳統的留出余量以達到準確度的要求不能再繼續使用。只能對鈦合金蒙皮進行高精度的外形加工，從而提高蒙皮裝配時的準確度，這就對鈦合金蒙皮成型工藝提出了更高的要求。

對于蒙皮外形的加工方式有很多，其中，激光切割具的使用較為頻繁，因其有非常多的優勢，比如說其加工精度比較高，工作效率也比較好，而且對蒙皮零件進行加工時影響比較小，不會對蒙皮產生變形的影響，另外，使用該方法的操作模式比較簡單，能夠生產出形狀一致的蒙皮零件。但是使用該方法的最大的一個問題就是將鈦合金蒙皮準確定位在切割夾具上，該定位過程過程比較復雜，非常容易定位不準確，就會對機翼在飛行中容易出現問題。

對蒙皮成型在裝配過程中，直接在蒙皮上進行鉆定位孔，這種方式的誤差將回比較大，尤其是對大曲率蒙皮，誤差將會更大。所以該定位方式的準確度不符合要求，不能使用，需要相處另一種準確度較高的方式對其進行定位鉆孔。該方法就是用數字化加工，第一步就是蒙皮的工藝裝備上安裝壓點機構，在蒙皮成型過程中讓定位孔的中心出現凹坑;第二部就是將凹坑制定成φ5.2mm的定位孔，用這樣的方式將定位孔進行定位，就可以提高定位準確率。使用激光切割具進行加工蒙皮時就可以將蒙皮零件準確的地位在切割夾具上，從而提高激光切割具的加工質量。

2.2過程描述

對鈦合金蒙皮成型過程中，采用優化之后的激光切割具的步驟如下所示。

1）對蒙皮制作進行審請數據集，圖2即為三維制造數據集，圖2所示在曲線程度較小的地方，然后在形成加壓的方向與曲面的法線一致的方向盡可能的多制定2-3個定位孔和耳片。

2）通過上一步的數據集，可以制作熱成型模，在模型下面的定位孔制作一個φ8mm的通孔，在模型的表面處將孔的大小增大到φ16mm，然后就可以將尖點銷放人到該孔中，圖3即為尖點銷結構平面圖，從圖中可以看出，尖點銷由3個部分組成，頂部是由一個椎體組成，中間只一個大一些的圓柱體，下面是小圓柱體。該結構正好可以將其安裝到孔中，在安裝時要能夠將尖點銷凸出工藝裝備0.5～0.8mm。尖點銷出現問題時，因其良好的結構在更換時比較方便。而且尖點銷也比較容易出現問題，因為尖點銷是在高溫時對鈦合金表面進行壓制，就會產生非常大的磨損，所以尖點銷容易出現問題。

3）就是在蒙皮熱成型時，該模具需在熱成型設備上進行固定，然后將該設備進行加溫，將溫度升至高達600～700℃，對材料進行3-5min的遇預熱，然后再對材料進行合膜壓縮，需要18min左右才能將毛坯取出來，最后對定位孔進行凹坑處理，凹坑直徑為φ2mm。

4）就是根據凹坑制作φ5.2mm的定位孔。本文沒有使用手工鉆孔，因為容易出現較大的誤差，從而影響蒙皮的裝配和使用，所以通過使用鉆模來鉆孔，從而接下來就需要制作鉆模，需要注意的是玻璃鋼蓋板要蓋在鉆模上。

5）就是制作切割夾具，要用比較重的沙袋對蒙皮進行壓制，使其完全貼合。夾具上面還需要設置3個圓點，圓點的直徑為φ0.2mm，該圓點的作用就是作為基準點，以防出現誤差。最后就是將毛坯放在夾具上，利用數字模型方式切割蒙皮形狀。

這就是利用優化后的激光切割具對蒙皮進行成型的方式，利用該方式可以提高蒙皮成型的準確度，讓蒙皮在安裝時更加精確，更有利于機翼的飛行，減少故障率的發生。

3改進機翼鈦合金蒙皮成型焊接工藝的措施

鈦合金蒙皮成型過程中焊接是一項非常重要的工藝，當焊接出現問題時，就會影響到鈦合金蒙皮成型，從而影響到在機翼上的運行情況。于是本文將某型號的機翼上鈦合金蒙皮焊接進行了一定的優化，可以提高鈦合金蒙皮成型的質量和準確度。

對某種型號的飛機機翼蒙皮骨架進行激光點固，然后再將其激光焊接成型。該型號的蒙皮骨架是用雙面對稱接頭，為了減小蒙皮變形，對優化路徑進行優化是比較重要的。通過實驗研究的方法，得出蒙皮焊接的步驟如下：

首先將蒙皮與骨架用激光點焊的方式將其固定，然后再在點的基礎上將其激光焊接成型。利用該方法經過反反復復的實驗，得出先將骨架和蒙皮選取關鍵點進行點固，再用筋條搭接電焊，最后一步就是將骨架和蒙皮的四周鎖底點焊。用這種方式的鈦合金蒙皮成型能夠將變形控制在很小的范圍，該效果是非常好的。圖4即為該方法的示意圖。

上面的雙面點焊屬于鈦合金蒙皮成型激光焊接的第一個步驟，第二個步驟就是蒙皮與骨架搭接焊和鎖底焊，這兩個焊接是比第一步還重要的步驟，該步驟也很難對變形進行控制，所以需要非常精確的焊接方式。

然后通過很多次對焊接路徑的優化，選擇了兩面四次焊接路徑是最為有效的一種的方式，該方式能夠對變形進行很好的控制。該方式的步驟分為4步，如圖5所示，①對機翼的正面蒙皮進行筋條搭接焊，②對機翼的反面蒙皮進行筋條搭接焊，③對機翼的正面蒙皮四周進行鎖底焊，④對機翼的反面蒙皮4周進行鎖底焊。

當所有的焊接完成之后，就需要對機翼鈦合金蒙皮的變形量進行測試。本文是針對機翼鈦合金蒙皮的尖尖點，假設為A點進行測試。選擇A點的原因在于機翼鈦合金蒙皮在A點位置的變形量是最大的，所以通過研究A點就可以知道機翼鈦合金蒙皮整體的變形效果。焊接之后的A點高度高于原始的則為正，低于則為負。

表1即為5次焊接試驗的變形量結果，

I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別代表著圖5的4個步驟，H1到H5為A點變形量的H值，從圖中可以看出，第四個步驟的A點位置變形量的在0～0.2mm。圖1中每個步驟的變形量變化的原因在于：①通過焊接時，激光熱源比較強，將蒙皮表面進行了熔化凝固，再加上熱應力，就發生了向上的變形。②是對反面進行焊接，就會發生向下的變形，正好①的變形產生抵消的作用，就可以減小蒙皮變形。②和③的變化是與①和②步驟是一樣的。所以通過;兩面四次焊接路徑就可以減小蒙皮變形。

如果對機翼的鈦合金蒙皮正反兩面全部采用滿焊的方式，將會出現密閉腔，所以為了防止該現象的形成，可以將焊接的正面進行滿焊的方式，方面使用間斷焊接，圖6即為間斷焊接的位置分布圖。

完成了上述的焊接步驟之后，即蒙皮和框架的焊接完成，然后需要對完成后的焊接進行測試，看是否會取得好的變形效果。在三坐標儀工作臺選擇三組實驗樣品進行實驗，使用測球與機翼鈦合金蒙皮的A點接觸，接觸其正反兩面的A點，將焊接前的蒙皮測試值作為變形參考。表2即為3組樣本的變形測試結果，從圖中可以看出，采用優化后的焊接工藝，3個樣本的最大變量量是0.13mm，最小的變形量是0.04mm，與0.2mm的變形量相比，此方法的在變形效果上有了很大的提高，保證了機翼鈦合金蒙皮成型時使用焊接工藝造成的變形控制，變形度大大減少。

4結語

綜上所述，對機翼鈦合金蒙皮成型造成問題的因素有很多，還包含著人為的因素、施工工藝的因素等，文章主要從鈦合金蒙皮加工過程和焊接過程這兩個方面進行優化，提高蒙皮成型的精確度。因為在造成鈦合金蒙皮成型出現問題的一個重要原因就是蒙皮成型過程中的精度不夠高，從而影響到成型的質量，如果當精度滿足要求時，就會更有利于蒙皮成型的質量，從而減少蒙皮出現問題的概率。通過對本文的而研究，優化蒙皮加工工序和焊接工藝可以很大程度上增加蒙皮成型的精確度。