钛合金薄板原材料对零件重量影响的研究

钛合金薄板原材料对零件重量影响的研究

韩钢 任涛

航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司 陕西 西安 710089

【摘要】本文以某型飞机钛合金隔板零件为例，通过分析影响零件重量的几个因素，分析出国标中的材料厚度公差与航标中的重量控制公差存在不匹配的问题。针对材料厚度对零件重量的影响，制定和实施了材料加严控制要求，并给出相应的解决方案。

关键词：零件 重量超差 原材料

1 引言

飞机重量是制造过程一环关键控制要素，飞机上的每项零件重量都需要进行精准控制，从而保证整体重量。零件重量偏差主要集中在加工工艺和原材料两个方面，其中原材料偏差引起的零件重量不合格情况也不断增加，由2016至2018年液压、冲压等零件的重量超差数据统计,原材料尺寸偏差引发的零件重量偏差超过了60%，严重影响飞机整体重量控制。

零件因为重量超差而延迟或不能交付经常困扰着生产和设计部门，相关人员必须花费时间和精力来重复处理这方面的事情。本文以某型机多频次重量超重的钛合金零件为例，分析零件重量超差原因，给出解决问题的方法，推动航空产品原材料尺寸公差要求和重量控制要求相匹配。

2 问题描述

飞机发动机唇口组件的隔板001是抗高温钛合金零件（如图1），其安装于发动机唇口内侧，主要作用为支撑连接；选用的是牌号TC1钛合金薄板，此材料综合性能优异，比强度高，抗疲劳和裂纹扩展。

图1 钛合金隔板零件

此零件厚度1.2mm，尺寸约1300×400mm，理论重量1.413kg，依据GJB2505A材料的厚度公差为±0.10mm，材料密度为4.55g/cm3。在生产中，该零件多频次超重，单批投产5件，其中4件重量超过了规定值上限，见表1，超差情况说明如图2所示。

表1 五个钛合金隔板零件实际重量

图2 钛合金隔板零件重量超差情况说明

3 重量超差原因分析

3.1 理论重量和加工工艺

该零件采用钛合金热成形工艺，将毛料和模具预加热到规定温度范围，再将同步预热的毛料放在模具上进行合模，完成零件成形。钛合金热成形工艺对零件大部分区域的厚度不产生影响，局部变形造成的重量变化非常微小，几乎可以忽略，不会造成零件重量超差。

3.2 原材料

依据GJB2505A，对5件零件毛料厚度进行测量，测量数据详见表1，材料厚度偏差相对较大，但符合标准要求；材料厚度存在不均匀，不同区域存在波动。依据HB5519的钣金件重量公差规定，该零件重量公差为±0.065kg，对应的重量相对公差为±4.60%。但是在零件毛料厚度合格的情况下，即该零件毛料厚度在材料厚度公差要求的范围内，重量最大偏差达到了8.33%。

图3 差异对比

零件重量相对公差、厚度公差内零件重量最大相对偏差以及零件实测重量相对偏差的差异对比见图3，可以看出，材料厚度公差相对于重量控制要求太过宽松，远不能满足零件重量公差控制要求，尤其对于面积较大的薄板毛料，由其制造的零件的重量势必超差。

3.3 厚度检查

钛合金薄板原材料厚度入厂采用抽样的方式进行检查，抽查也只是对材料边缘而非所有部位进行检查，当材料厚度不均匀时，无法进行全面有效检查。如果对所有材料，所有面进行全面检查，成本将大幅提升、效率大幅将降低，得不偿失。

4 改进方案

重量检验技术条件规定：未经重量检验的产品一律不准装机,未经超差处理、放行的重量超差产品一律不准进入下道工序。虽然按规定对原材料尺寸要求与重量公差要求不匹配的零件实施了重量检验和办理了重量超差处理手续，也采取了一定的减重手段，但是如果不从根本上解决问题，零件重量将一直超差，且持续地反复办理重量超差处理手续，另外，对在制品实施减重加工，这样持续衍生出的各种无价值工作，造成零件制造周期延长和制造成本增加,更影响后续组件的装配和交付。所以，在明确重量超差的根本原因的基础上，必须从源头想办法彻底解决问题，研究怎样和何种程度提高原材料尺寸控制要求，最终，使之与HB5519重量公差控制要求相匹配，彻底解决由原材料尺寸偏差导致的零件重量超差问题。

4.1 匹配材料厚度与重量公差

目前的钛合金薄板厚度公差与重量公差存在不匹配的问题，即符合厚度公差上限的材料生产出的零件无法满足重量公差控制要求，为了厚度公差较大衍生出的各类问题，应适度压缩原材料厚度公差，同时不应该造成材料成本明显提升。由图3可以看出，如果将材料厚度相对公差降低50%，零件重量相对偏差就能够控制在4.16%以内，即可完全满足HB5519重量控制要求。其它钛合金板的厚度问题类似，厚度公差压缩幅度基本一致。

材料、零件等制造工艺均在不断提升，国标和航标中的相关要求也在不断完善，各标准之间既相互促进，又相互制约，满足重量公差要求是飞机装机产品的一项重要质量指标。

4.2 材料采购改进

产品质量与设计和制造部门的工作责任和工作权限息息相关，原材料入厂应该是设计、工艺、冶金、采购等部门紧密合作和反馈闭环的结果，设计、工艺人员应有效地参与到材料采购的各个环节，一方面促进原材料质量的提高，另一方面，使产品制造过程中的材料问题及时得以反馈，从基础层面解决相关问题。

4.3 材料验收改进

来料检查对材料边缘进行厚度测量，当材料厚度不均时，无法有效检测整个板面，检查准确性和效率较低。由于钛板整板来料规格较统一，可直接按照整板按重量进行称重验收作为辅助，既可提升检查准确性，又能提升验收效率。

5 实施成果

5.1 材料标准提升

零件制造单位记录、统计了相关数据，用数据向公司冶金和采购部门反映零件重量超差情况和说明超差原因，各单位达成共识，出台《关于部分TC1薄板厚度公差加严要求的规定》，加严的厚度公差，并在钛板原材料板面上加注“加严”字样。

表2 材料厚度加严控制对比

5.1 验收

施行板料辅助称重验收后，既简便了操作，又有效的控制了材料的质量。

5.2 减重效果

对21项51件零件重量进行跟踪、材料厚度0.8mm和1.2mm的钛合金薄板零件，通过加严控制原材料厚度（加严控制对比见表2），钛合金薄板零件重量超差问题得到了有效控制，单机共减重约5公斤，减重效果明显。

6 结束语

产品重量是飞机零件的一项重要控制要素，每一位设计和工艺人员都应该秉持“为减轻每一克重量而奋斗”的宗旨，认真处理每一个零件的重量超差问题。飞机零件数以万计，原材料种类繁多，确定重量超差的原因，需要重视数据积累和习惯于用数据分析，以期消除各类零件重量超差问题，为整机减重做出显著贡献。

参 考 文 献

[1] GJB2505A，《航空用钛及钛合金板材和带材规范》，2008年

[2] HB5519，《飞机零组部件重量公差》，1989年