阅读说明：本技术 钛合金蒙皮型面化铣的溶液、方法及样板制作方法 (Solution and method for titanium alloy skin molding surface chemical milling and sample plate manufacturing method ) 是由 孟莉莉 朱彦海 邵杰 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了钛合金蒙皮型面化铣的溶液、方法及样板制作方法,包括50～150g/L的硝酸,20～90g/L的氢氟酸,5～10g/L的添加剂,余量为水。硝酸和氢氟酸具有强腐蚀性能够对暴露的钛合金蒙皮进行腐蚀,添加剂加入能够确保化铣区的壁厚均匀,不会出现沟槽等缺陷,同时,也能够确保化铣胶在腐蚀过程中不会出现被腐蚀,保持不需要腐蚀区域的完整。水能够根据具体情况来稀释整体溶液,从而调整溶液的腐蚀性。从而,该溶液相对于现有技术中的溶液,能够改善蒙皮表面光洁度及壁厚均匀性以及保证了化铣过程中对化铣胶的稳定性。(The invention discloses a solution, a method and a sample plate manufacturing method for titanium alloy skin molding surface chemical milling, wherein the solution comprises 50-150g/L nitric acid, 20-90g/L hydrofluoric acid, 5-10g/L additive and the balance of water. Nitric acid and hydrofluoric acid have strong corrosivity and can corrode the exposed titanium alloy skin, and the addition of the additive can ensure that the wall thickness of a chemical milling area is uniform, so that the defects of grooves and the like can not occur, and meanwhile, the chemical milling glue can also ensure that the chemical milling glue can not be corroded in the corrosion process, and the completeness of an area which does not need to be corroded is kept. Water can dilute the bulk solution as the case may be, thereby adjusting the corrosivity of the solution. Compared with the solution in the prior art, the solution can improve the surface smoothness and the wall thickness uniformity of the skin and ensure the stability of chemical milling glue in the chemical milling process.)

钛合金蒙皮型面化铣的溶液、方法及样板制作方法

技术领域

本发明涉及表面工程技术，具体涉及钛合金蒙皮型面化铣的溶液、方法及样板制作方法。

背景技术

随着航空工业的发展，钣金零件的大型化和整体化趋势愈来愈明显，蒙皮是飞机钣金零件的重要组成部分，也是飞机研制的重大关键技术之一。飞机蒙皮受力复杂，直接接触外界，受载严重且对外形精度要求极高；同时，为了满足减重需求，飞机蒙皮一般为薄板零件，且被设计成不等厚度，有的区域甚至是连续变截面的。目前针对这些具有复杂的轮廓和几何外形的蒙皮零件，往往采用数控加工保证最终的精度要求。

众所周知，钛合金具有密度小、比强度高、抗断裂和耐蚀性好的综合性能，在航空、航天领域中广泛应用。尤其适用于飞机蒙皮加工，相对于传统铝合金材料，钛合金蒙皮能大幅度减轻飞机重量，提高飞机飞行性能，从而降低飞机的运营成本；此外，当飞机蒙皮的接触表面温度普遍高于200℃时，铝蒙皮已经不再适用，需要用钛合金取代。然而钛合金切削加工性能不好，由于其热导率小，切削加工时产生的热量不易散失，积蓄在刀具和工件上使刀具磨损很快，加工较大余量时易烧蚀。因此，对于薄壁、外形复杂的钛合金蒙皮零件，机械加工难度更大。为此，采用化学铣切方法代替常规的机械加工来加工钛合金复杂型面飞机蒙皮。

化学铣切(简称化铣)是将零件上需要加工的部位暴露在化学介质(溶液)中进行腐蚀，获得所需的形状和尺寸的一种特种加工方法，该方法既可以改善材料表面物理性能，又能减少加工中的刀具磨损，因而，在航空航天工业上得到了广泛的应用，且近年来随着我国航空、航天工业的迅猛发展，钛合金化学铣切工艺水平有了较大的提高，逐渐应用于各种形状的零件加工，如平板件、薄板件、筒形件、单曲率件等。

目前部分飞机用钛合金蒙皮零件结构复杂、具有明显的扭转和弯曲、曲率半径小、且化铣区筋宽窄，采用现有化铣工艺加工存在精度难以精确控制的问题。

第一，化铣液配比影响零件精度。采用现有化铣溶液配比化铣时，零件表面粗糙度基本能满足Ra≤3.2μm，但化铣区壁厚均匀性较差，往往存在沟槽等缺陷；此外，采用现有化铣溶液化铣过程中，化铣保护胶稳定性较差，故现有钛合金化铣溶液对于壁厚精度要求高的零件难以实现准确加工。

第二，化铣区刻型方法影响零件精度。目前对化铣区域刻型通用的有两种方法，一种是手工刻型；另外一种是用激光与数字化制造工艺相结合的激光刻型。对于手工刻型通常需要辅助化铣样板，常用的化铣样板是采用薄壁类金属板材加工而成，对于结构复杂的零件如果采用薄壁型样板，其刚性较小，使用过程中样板与零件贴合不紧密，会出现样板变形导致定位不准的情况；激光刻型的精度较高，但对于结构复杂、曲率半径较小的零件，现有的激光刻型机上的***会卡滞在零件内部无法定位，不能采用激光刻型。

因此，本发明提供钛合金蒙皮型面化铣的溶液、方法及样板制作方法来解决上述问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供钛合金蒙皮型面化铣的溶液、方法及样板制作方法，以解决现有技术中化铣溶液对钛合金蒙皮的腐蚀不均匀出现沟槽、在化铣溶液中化铣保护胶稳定性差、手工刻型中化铣样板刚性小以及化铣样板与蒙皮贴合不紧密出现样板变形导致定位不准的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种钛合金蒙皮型面化铣的溶液，包括硝酸和氢氟酸的混合酸性溶液、添加剂和水。

优选的，还包括可溶解的四价钛离子。

优选的，所述硝酸浓度为50～150g/L，所述氢氟酸浓度为20～90g/L。

优选的，所述添加剂为乙二醇单丁醚、十二烷基硫酸钠、尿素、活性剂HY-12中的一种或几种。

优选的，所述硝酸浓度为50～150g/L，氢氟酸浓度为20～90g/L，所述添加剂浓度为5-10g/L。

本发明另一方面还提供了一种钛合金蒙皮型面化铣样板的制作方法，包括以下步骤：

S1：设计好化铣样板模胎，所述化铣样板模胎型面的尺寸、外形与蒙皮型面外表面的尺寸、外形一致；

S2：所述化铣样板模胎上开设有定位孔，定位孔上穿销钉固定衬套；

S3：在所述化铣样板模胎上刷涂上预期厚度的树脂形成树脂样板，让树脂样板固化；

S4：计算浸蚀比，通过浸蚀比确定蒙皮化铣区的缩放量，然后对固化后的树脂样板化铣区进行机械加工形成化铣样板，完成后取下化铣样板。

优选的，步骤S3中，每刷涂一层树脂，在相对应的树脂层上再铺上一层玻璃纤维，以满足化铣样板的韧性。

优选的，所述化铣区的平滑区域内设置有加强筋，以满足化铣样板的刚性和稳定性；所述树脂为环氧树脂。

优选的，步骤S4中，浸蚀比的计算公式为：

式中：

E——浸蚀比；

D₁——化铣前切面的宽度，单位为毫米(mm)；

D₂——化铣后切面的宽度，单位为毫米(mm)；

D₃——化铣深度，单位为毫米(mm)。

本发明另一方面还提供了一种钛合金蒙皮型面化铣的方法，包括以下步骤：

a.除油，先用清洁剂对蒙皮表面进行清洗，然后用流动的清水将蒙皮表面的清洁剂清洗干净，最后用洁净的空气将蒙皮吹干；

b.涂胶，将化铣胶刷涂在蒙皮表面上；

c.刻型，采用手工刻型，利用化铣样板上的定位孔将化铣样板与蒙皮贴合在一起并固定，在刻线过程中，刀具垂直化铣面，紧密贴合化铣样板，刻型后清除蒙皮化铣区的化铣胶；

d.化铣，将刻型后的蒙皮放在化铣溶液中；

e.检验，对化铣后的蒙皮进行检验。

优选的，步骤d中，不断的调整蒙皮化铣的角度和方向，以避免产生气袋；开启压缩空气对溶液进行搅拌，以确保蒙皮化铣区壁厚的均匀性。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明的化铣溶液包括硝酸、氢氟酸、添加剂和水，硝酸和氢氟酸具有强腐蚀性能够对暴露的钛合金蒙皮进行腐蚀，添加剂加入能够确保化铣区的壁厚均匀，不会出现沟槽等缺陷，同时，也能够确保化铣胶在腐蚀过程中不会出现被腐蚀，保持不需要腐蚀区域的完整。水能够根据具体情况来稀释整体溶液，从而调整溶液的腐蚀性。后期化铣过程中，不断的调整蒙皮化铣的角度和方向，同时还开启了压缩空气对溶液进行搅拌，从而，该溶液相对于现有技术中的溶液，能够改善蒙皮化铣区表面光洁度及壁厚均匀性以及保证了化铣过程中对化铣胶的稳定性。

(2)本发明提供的钛合金蒙皮型面化铣样板的制作方法所选用的材质为环氧树脂，环氧树脂具有可塑性和良好的可加工性，能够更好地贴合蒙皮的表面，并且化铣区的平滑区域内设置有加强筋，能够增大化铣样板的刚性和稳定性，相对于现有技术采用的金属板来说，利用环氧树脂制作的化铣样板能够更精确的贴合蒙皮并能更准确地对蒙皮进行手工刻型，有效的提高了化铣定位的精度以及化铣区域的轮廓度。

附图说明

图1为本发明钛合金蒙皮型面化铣的方法及样板制作方法中制作化铣样板的结构示意图；

图2为本发明钛合金蒙皮型面化铣的方法及样板制作方法中蒙皮的结构示意图；

图3为本发明钛合金蒙皮型面化铣的方法及样板制作方法中一种化铣样板的结构示意图。

图4本发明钛合金蒙皮型面化铣的方法及样板制作方法中另一种化铣样板的结构示意图。

图中：1、化铣样板模胎；2、化铣样板；3、化铣样板化铣区；4、定位孔；5、蒙皮化铣区；6、蒙皮；7、加强筋。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-3所示，本发明提供了一种钛合金蒙皮型面化铣的溶液，包括硝酸和氢氟酸的混合酸性溶液、添加剂和水。

上述实施例中，硝酸与氢氟酸都具有强腐蚀性，硝酸与氢氟酸的混合酸性溶液共同作用能够将钛合金蒙皮表面的金属腐蚀掉，添加剂的加入能够确保蒙皮化铣区的壁厚均匀，不会出现沟槽等缺陷，同时，也能够确保化铣胶在腐蚀过程中不会出现被腐蚀，保持不需要腐蚀区域的完整。水能够根据具体情况来稀释整体溶液，调整溶液的腐蚀性。从而，该溶液的配比能保证化铣后壁厚精度与表面质量。

具体地，化铣溶液中可含有可溶解的四价钛离子。

具体地，硝酸浓度为50～150g/L，所述氢氟酸浓度为20～90g/L；添加剂为乙二醇单丁醚、十二烷基硫酸钠、尿素、活性剂HY-12中的一种或几种，添加剂浓度为5-10g/L，并且化洗溶液中可含有可溶解的四价钛离子，余量为水。

本发明另一方面还提供了一种钛合金蒙皮型面化铣样板的制作方法，包括以下步骤：

S1：设计好化铣样板模胎1，化铣样板模胎1型面的尺寸、外形与蒙皮型面外表面的尺寸、外形一致；

S2：在化铣样板模胎1上开设有定位孔，定位孔上穿销钉固定衬套；

S3：在化铣样板模胎1上刷涂上预期厚度的树脂形成树脂样板，让树脂样板固化；

S4：计算浸蚀比，通过浸蚀比确定蒙皮化铣区5的缩放量，然后对固化后的树脂样板化铣区进行机械加工形成化铣样板，完成后取下化铣样板。

在上述实施例中，步骤S1中，化铣样板模胎1的设计可以在成型模胎的基础上进行，化铣样板模胎1中化铣区型面与成型模胎的化铣区型面一致；步骤S2中，化铣样板模胎1上开设的定位孔穿有销钉固定衬套，在刷涂树脂的过程中销钉固定衬套会与树脂粘在一起，最后销钉固定衬套会随树脂固化留在化铣样板上形成定位孔4，该销钉固定衬套能起到固定化铣样板的作用。

具体地，步骤S3中，在刷涂树脂的过程中铺上玻璃纤维，每刷涂一定厚度的树脂后,在相对应的树脂层上再铺上一定厚度的玻璃纤维，以满足化铣样板的韧性。刷涂树脂的厚度与铺上玻璃纤维的厚度需要根据实际情况来确定，以满足化铣样板的韧性和厚度为准。

具体地，化铣区的平滑区域内设置有加强筋7，以满足化铣样板的刚性和稳定性，确保制作出来的化铣样板能够使用与加工；树脂为环氧树脂。

具体地，步骤S4中，浸蚀比的计算公式为：

式中：

E——浸蚀比；

D₁——化铣前切面的宽度，单位为毫米(mm)；

D₂——化铣后切面的宽度，单位为毫米(mm)；

D₃——化铣深度，单位为毫米(mm)。

计算浸蚀比应该通过实验来计算，通过实验计算好浸蚀比再计算好蒙皮化铣区5的缩放量，最后根据缩放量来对化铣样板的化铣区3进行机械加工。

本发明另一方面还提供了一种钛合金蒙皮型面化铣的方法，包括以下步骤：

a.除油，先用清洁剂对蒙皮6表面进行清洗，然后用流动的清水将蒙皮6表面的清洁剂清洗干净，最后用洁净的空气将蒙皮吹干；

b.涂胶，将化铣胶刷涂在蒙皮6表面上；

c.刻型，采用手工刻型，利用化铣样板2上的定位孔4将化铣样板与蒙皮6贴合在一起并固定，在刻线过程中，刀具垂直化铣面，紧密贴合化铣样板2，刻型后清除蒙皮化铣区5的化铣胶；

d.化铣，将刻型后的蒙皮放在化铣溶液中；

e.检验，对化铣后的蒙皮进行检验。

具体地，步骤d中，蒙皮在化铣的过程中，采用辅助工装不断的调整蒙皮的角度和方向，以避免产生气袋；必要的时候开启压缩空气对溶液进行搅拌，以确保腐蚀均匀，保证蒙皮化铣区5壁厚的均匀性。同时在蒙皮6的化铣过程中，注意观察化铣胶的完整性，避免出现因化铣胶的不完整而导致不需要加工的区域被腐蚀。

如图2所示的钛合金蒙皮，存在扭转和弯曲，曲率半径为85mm，最小筋宽为8mm，厚度由2.5mm化铣至1.2mm。采用本发明提出的化铣液配方及树脂化铣样板辅助手工刻型，进行蒙皮化铣，实施步骤如下所示：

1.化铣溶液配制

化铣溶液包括50-150g/L的硝酸，20-90g/L的氢氟酸，5-10g/L的添加剂，余量为水。其中化学药品为分析纯，水质满足HB 5472对水质的要求；该方法在实施过程中，采用的药品的纯度和水质的级别，如果实际生产中未达到上述要求，可能会有杂质，可能会影响到化铣的质量。

2.计算浸蚀比

通过试验，在本发明配置的化铣液中进行试样化铣。确定化铣浸蚀比为0.85，进而计算出蒙皮化铣区刻型尺寸缩放量；

3.化铣样板设计及制作

设计化铣样板模胎，在模胎上预留化铣样板的定位孔，定位孔上穿销钉固定衬套，即衬套预埋在化铣样板上；

在模胎上刷涂环氧树脂胶，为保证化铣样板的韧性，每刷涂一层环氧树脂胶，再铺一层玻璃纤维，直至满足要求的化铣样板厚度8mm，固化待用。通过浸蚀比确定蒙皮化铣区域的缩放量，对固化后的树脂样板化铣区域进行机械加工，完成后取下样板；

4.化铣

1)除油

先用清洗剂对零件表面进行清洗，然后用流动的水把零件表面清洗干净并用洁净的空气吹干零件。

2)涂胶

将化铣胶刷涂在零件表面上，单面刷涂三遍，胶膜实测0.2～0.3mm。

3)刻形

采用手工刻形，化铣样板与零件贴合在一起准确定位并固定；刻线过程刀具垂直于化铣面，紧密贴合样板，刻型后清除蒙皮化铣区域的保护胶。

4)化铣

复杂型面蒙皮在化铣的过程中采用辅助工装不断的调整零件化铣的角度和方向，同时开启压缩空气对腐蚀液进行搅拌，有效地保证零件壁厚的均匀性，化铣过程中胶膜的完整性良好。

5)检验

化铣后对复杂型面蒙皮进行检查，化铣后胶膜覆盖完好，未出现开胶、起泡、剥落等现象；化铣后壁厚实测1.2(±0.05)mm、轮廓度实测满足±0.5mm；表面状态光滑一致，未出现沟槽等缺陷，粗糙度Ra≤1.6μm，通过三坐标测定的型面点位均在±0.8mm之内。

本发明对于简单性蒙皮和复杂性蒙皮都试用，尤其用于复杂性蒙皮时，相对于现有技术来说效果更加突出

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。