常见表面处理对飞机结构装配尺寸的影响

曹红美

【摘 要】表面处理能形成与基体材料机械性能或化学性能不同的表面层，为了满足零部件的耐腐蚀性、耐磨性和装饰性等性能，同时利用普通材料降低制造成本，表面处理较广泛地应用在飞机零部件加工中。而由于表面处理层厚度极小，在零部件装配中极易忽略该尺寸，从而造成装配困难甚至失效。本文分析了飞机上采用常用的几类表面处理方法在零件表面处理后在实际装配中造成的影响，提出了相应的解决措施。

【关键词】结构装配;表面处理;喷漆;镀铬

中图分类号： TG754;TP391.72 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）25-0052-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.25.024

0 前言

表面工程是表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需表面性能的系统工程。[1]表面工程是材料处理的重要手段，表面工程的特色与优势主要体现在以高性能的表面与基体的配合获得更加优异的整体性能;以较少的能源和材料获得比基体材料更高的性能。[2]比基体材料薄得多的表面处理层能获得远远优于基体材料的机械性能、化学性能等，因此，表面处理是有效提高材料耐腐蚀、耐磨損、抵抗疲劳与蠕变等性能的手段，在飞机零部件中得到应用。常见的表面工程技术有：（1）物理表面处理，如机械打磨、喷丸、抛光、喷漆等;（2）化学/电化学表面处理，发蓝、发黑、阳极化、电镀等;（3）现代表面处理：化学气相沉积、离子注入、激光表面处理等。

民用飞机的减重一直是飞机设计的重要出发点，除了采用铝合金等轻金属合金外，在普通钢成型后进行表面处理也是重要方法。但由于部分表面处理工艺不易控制精确控制表面处理层的厚度，获得良好的耐腐蚀性和耐磨性后，其尺寸变化会对装配尺寸造成影响。

1 飞机零部件中常见表面处理方式及影响

民用飞机单机零件数量以万计，材料、尺寸、性能需求等呈现多样性。根据目前民用飞机制造装配过程中的使用频率，常见的表面处理方式主要有以下类别。

1.1 喷漆

民用飞机零组件采用喷漆方法，主要目的是提高零部件装饰性能和耐腐蚀性能，特定的功能涂料还能提高零组件的特殊性能，比如耐磨性能，抗冲击性能，导电性能等。从喷漆工序上来分，民用飞机上的零部件喷漆一般有底漆和面漆两种，而涉及到具体材料，主要有FR底漆，FR面漆，AKZO聚氨酯面漆相容底漆，AKZO聚氨酯面漆等。漆层喷涂过程中，一般会规定相应的厚度范围，部分通过工程图纸直接规定，大多数是参考对应的工艺规范。比如，FR底漆的厚度一般为0.02～0.03mm，FR面漆的厚度为0.03～0.04mm，这些厚度在飞机装配中极易产生影响。

全机90%以上的结构零件都采用了喷漆工艺。

1.2 铬酸阳极化

铬酸阳极化膜层具有较好的防护能力，适用于铝及其铝锂合金的防护和装饰方法。铬酸氧化膜与有机物的结合力良好，是较好的油漆底层[3]。而飞机中绝大多数结构零部件都需要喷漆，因此，飞机中采用铬酸阳极化处理工艺的情况非常普遍。铬酸氧化膜层厚度一般为0.003mm左右，对原零件的精度和表面粗糙度影响很小。

1.3 镀镉

在金属基体上镀一层均匀的光亮镉主要是为了提高金属的防腐蚀性能。在通常情况下，镀镉层属于阴极性镀层，在电化学保护方面作用不明显，但是在海洋和高温大气环境中，镀镉层属于阳极性镀层，能起到良好保护能力[4]。镀镉工艺在飞机的舱门、起落架等位置采用较多。镀镉层厚度一般为微米级，对原零件的尺寸影响较小。

1.4 镀硬铬

镀铬层的典型特点是硬度高，具有很好的耐磨性，从外观上看，镀层光亮，光滑[5]。镀铬一般分为普通镀铬和镀硬铬，为了充分发挥镀铬层的优势，飞机上舱门等运动机构的零件中较多采用镀硬铬，镀层常见厚度约0.03mm，对原零件的尺寸影响较大，因此对装配性能影响大。

除了上述应用广泛的表面处理方法，目前飞机上使用较多的表面处理方法还有转化膜层（无色的CC膜层和多色的MC膜层）、钝化（耐蚀钢钝化、钛合金钝化）等。

2 实例分析

通过上文统计分析，目前飞机上使用较多的表面处理方法主要为物理表面处理和化学表面处理两大类。下文以典型的对尺寸影响较大的方法对装配造成的影响进行分析。

2.1 物理表面处理尺寸变化对装配的影响

喷漆是机械表面处理中飞机上使用最多的表面处理，从结构上来看，有整机喷漆、大部件喷漆、零件喷漆等，而为了增强漆层结合力，通常需要先喷底漆再喷面漆，或者只喷底漆。以常见的漆层在飞机上的应用来看，技术规范中关于底漆和面漆的厚度存在相关规定，但均为厚度范围。以货舱门手柄内部结构为例，早期的结构中曲柄、曲柄轴等零件在实际装配过程中存在干涉情况。经过测量，机构架上MS27641-8轴承内径为12.70mm，曲柄轴对应外径为12.78mm，去除漆层后，曲柄轴与机构架才顺利完成装配。

MS27641-8轴承内径理论值为0.5"即12.7mm，而对应的曲柄轴外径设计值为12，相比于实际尺寸12.78mm，可知漆层厚度的叠加造成曲柄轴外径超差，但实际加工过程中，喷漆层厚度较难精确控制，现场严格控制的是零件表面处理前的尺寸。从利于装配的角度出发，轴类零件的加工应尽量做下偏差，但实际加工过程中，不会选择准确加工到下偏差的高难度加工，因此零件加工后留下表面加工余量会相应减小。

2.2 化学/电化学表面处理尺寸变化对装配的影响

化学/电化学表面处理中常见的有镀镉和镀铬，是飞机零件加工中常用的增强耐腐蚀性、耐磨性的重要方法，微米级的镀层能使零件获得远优于基体材料的性能。运动机构、易腐蚀等零件中常应用较多。常见于舱门的止动螺钉、止动块、轴承等零件。通过工艺参数控制、尺寸链计算等方法可以使镀镉、镀铬等电化学表面处理工艺厚度得到比较精确控制[6-7]。

在无二次处理的情况下，其尺寸本身对装配带来的误差影响较小，但由于环境、设备等因素，电化学表面处理的厂家较偏远，对二次加工后仍需补充该工艺的情形造成一定装配周期困难。以某机型飞机的登机门、服务门等舱门的止动螺钉为例，打磨等二次加工后重新外协镀镉所需要的周期通常为20天左右。

3 结论

表面处理带来的尺寸变化相对于飞机总体尺寸来说，都是微小尺寸，但飞机零部件的装配精度要求高，小的尺寸变化累积会对结构装配造成大的影响。常见的表面处理尺寸变化对装配的影响类型主要有：

1）表面处理工艺本身尺寸精确控制难度大，不同批次零件的尺寸误差大，对装配产生直接影响。这一类表面处理方法应严格避免在精度要求高的配合零部件上使用。

2）表面处理周期等成本高，返工难度大。这一类表面处理应尽量用在稳定的产品结构上，尽量避免需二次加工的零部件采用。

【参考文献】

[1]徐滨士，张振学，马世宁，等.新世纪表面工程展望[J].中国表面工程，2000，13（1）：2-10.

[2]徐滨士，谭俊，陈建敏.表面工程领域科学技术发展[J].中国表面工程，2011，24（2）：1-5.

[3]穆强，于文刚，卢刚，等.铝及铝合金的铬酸阳极化[J].山东化工，2016，45（5）：26-28.

[4]李博.无氰镀镉替代氰化镀镉工艺研究[J].电镀与精饰，2016，38（4）：32-35.

[5]张旭.直八直升机发动机传动系部件表面镀铬工艺与理论研究[D].哈尔滨理工大学，2007.

[6]周杨，郭囡囡.轴承连接件电镀镉工艺改进[J].工业技术创新，2016，3（5）：849-851.

[7]王建英.运用工艺尺寸链计算得到制造尺寸[J].机械研究与应用，2017，30（1）：161-163.