直升機(jī)板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件表面成型質(zhì)量研究

潘永生

(海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，哈爾濱 150066)

直升機(jī)板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件表面成型質(zhì)量研究

潘永生

(海軍駐哈爾濱地區(qū)航空軍事代表室，哈爾濱 150066)

對(duì)金屬板與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料件，成型后在板-板膠接區(qū)、蜂窩膠接區(qū)產(chǎn)生大量膠瘤的表面成型缺陷進(jìn)行了改進(jìn)。通過增加扒皮布、粘貼膠帶保護(hù)等方法，提高了產(chǎn)品的表面質(zhì)量，減少了產(chǎn)品表面的補(bǔ)加工，防止對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度、后續(xù)工序造成影響。

成型質(zhì)量；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；復(fù)合材料工藝; 粘接

1 引 言

近年來(lái)，復(fù)合材料在航空和航天各式飛行器上的使用已愈來(lái)愈廣泛，在直升機(jī)上應(yīng)用的比例越來(lái)越大。復(fù)合材料擁有比強(qiáng)度、比模量高，耐疲勞性好，減震性好，可設(shè)計(jì)性良好，加工工藝性良好，耐腐蝕性能良好等許多優(yōu)良特性。從非受力結(jié)構(gòu)件到受力結(jié)構(gòu)件，從尾翼到機(jī)身，從機(jī)身到機(jī)翼，在強(qiáng)度、質(zhì)量等各方面帶來(lái)的效益愈來(lái)愈顯著。以大型民用飛機(jī)為例，波音777飛機(jī)上復(fù)合材料占整個(gè)結(jié)構(gòu)件質(zhì)量約為10～15%，波音787達(dá)到50%，空客A380為25%，空客A350卻一躍為52%，公務(wù)機(jī)首相1號(hào)，其結(jié)構(gòu)件100%都是復(fù)合材料件。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)[1]作為航空復(fù)合材料中的主要組成部分，大量應(yīng)用于機(jī)體結(jié)構(gòu)中，用于減輕機(jī)體質(zhì)量，增加機(jī)體的架構(gòu)強(qiáng)度。

2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的基本特性

(1)質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，尤其是抗彎剛度高，同質(zhì)量的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料其抗彎剛度約為鋁合金的5倍。

(2)有極高的表面度和高溫穩(wěn)定性，易成型且不易變形，不僅能制造成平面面板，而且可以制造成單曲、雙曲等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的面板。

(3)優(yōu)良的耐腐蝕性能、絕緣性和環(huán)境適應(yīng)性，可適應(yīng)高原、海洋等惡劣的運(yùn)用環(huán)境。

(4)獨(dú)特的回彈性，可吸收震動(dòng)能量，具有良好的隔音降噪效果。

(5)防火等級(jí)高，具有良好的自熄性，放熱值較低，能夠形成耐火層，能降低釋放出的煙霧和有毒氣體。

(6)優(yōu)異的成型制造工藝性，可滿足直升機(jī)內(nèi)部零件形狀復(fù)雜、穩(wěn)定性高的要求。

3 表面缺陷

3.1 缺陷產(chǎn)生原因

因?yàn)榉涓C與金屬板之間采用載體膠膜粘接，在固化成型的高溫環(huán)境下膠膜上的樹脂膠熔化為流體形式的膠液，在熱壓罐及真空袋的正、負(fù)壓力下擠出流到產(chǎn)品表面，降溫后形成膠瘤、膠梗等表面缺陷。為了保證蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的粘接強(qiáng)度，膠液的溢出是無(wú)法避免的，若膠液溢出不足會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的粘接強(qiáng)度不足，產(chǎn)生弱膠接、脫粘等嚴(yán)重影響產(chǎn)品強(qiáng)度的缺陷。膠液溢出后根據(jù)溢出的量產(chǎn)生膠瘤、膠梗等缺陷。

3.2 缺陷清除

打磨為目前常用的膠瘤、膠梗清理方式，通過手工銼磨或氣動(dòng)工具打磨的方式清理膠瘤、膠梗。但是無(wú)論是手工或使用工具都極易對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的金屬表面產(chǎn)生損傷，即使對(duì)磨損區(qū)域使用阿洛丁處理，也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的強(qiáng)度造成影響，尤其是直升機(jī)用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的內(nèi)蒙皮的厚度極薄，主要集中在0.2～0.4 mm左右，最薄的內(nèi)蒙皮甚至只有0.1 mm，膠瘤的清理極易使蒙皮產(chǎn)生撕裂，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的強(qiáng)度。

4 試 驗(yàn)

為減小膠瘤、膠梗等對(duì)表面質(zhì)量的影響，通過開展試驗(yàn)，對(duì)比幾種工藝方案的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)確定合適的處理方式。

4.1 原材料

金屬蒙皮及型材：LY12CZ TH0.4-0.8

紙蜂窩：NH-1-1.83-48-15

膠膜：1113.06

膨脹膠膜：J-97

德莎膠帶：tesa50600

藍(lán)膠帶：AT160

真空袋薄膜：WRIGHTLON7400

透氣氈：AIRBLEED100

脫模薄膜：CYF-1000/D

密封條：GS213-3

4.2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件制造

在溫度 15～30 ℃的環(huán)境下對(duì)各鈑金件(封邊條，蒙皮，腹板等)在成型模上進(jìn)行預(yù)裝，將余量過大的封邊條及蒙皮經(jīng)過打磨修挫等方式處理，預(yù)裝合格后，將鈑金件進(jìn)行非封閉鉻酸陽(yáng)極化處理，并噴涂6726底膠，在膠接面上貼好膠膜1113.06，在封邊框立邊區(qū)域粘貼膨脹片J-97，在成型工裝上利用蒙皮與封邊條上的定位孔定位各零件，并放入數(shù)控加工完畢的蜂窩。使用脫模薄膜、透氣氈進(jìn)行隔離，糊制真空袋后入爐固化，經(jīng)歷升溫、保溫、加正壓、加負(fù)壓、降溫、降壓等過程制造蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件。

通過粘貼保護(hù)層(德砂膠帶、藍(lán)膠帶等)對(duì)膠液容易溢出的區(qū)域進(jìn)行隔離防護(hù)，并使用扒皮布對(duì)膠液溢出區(qū)域進(jìn)行隔離，保證膠液的溢出均勻，減少金屬板邊緣粘貼的膠膜邊緣等方式進(jìn)行分組試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果見表1-5。

表1 板板膠接區(qū)：通孔處

表2 板板膠接區(qū)：盲孔處

表3 板板膠接區(qū)：加強(qiáng)片處

表4 板板膠接區(qū)：邊緣處

表5 蜂窩膠接區(qū)：封邊框翻邊處

未采用上述措施生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)膠瘤實(shí)際情況見圖1-5。

圖1 板板膠接區(qū)通孔處

圖2 板板膠接區(qū)盲孔處

圖3 板板膠接區(qū)加強(qiáng)片處

圖4 蜂窩膠接區(qū)封邊框翻邊處

圖5 板板膠接區(qū)：邊緣

經(jīng)過試驗(yàn)，試驗(yàn)件實(shí)際情況見圖6-15。

圖6 通孔藍(lán)膠帶保護(hù)

圖7 通孔德砂膠帶保護(hù)

圖8 通孔增加扒皮布

圖9 蜂窩區(qū)增加扒皮布

圖10 板板區(qū)邊緣增加扒皮布

圖11 蜂窩區(qū)藍(lán)膠帶保護(hù)

圖12 單側(cè)孔藍(lán)膠帶保護(hù)

圖13 蜂窩區(qū)藍(lán)膠帶保護(hù)

圖14 盲孔增加扒皮布

圖15 板板區(qū)邊緣德砂膠帶保護(hù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1)增加扒皮布雖然使膠瘤均勻且平滑過渡，但是增加了膠瘤的面積，且在膠瘤上留有扒皮布的纖維痕跡，此方法無(wú)法改進(jìn)成型質(zhì)量。

(2)在距封邊框2 mm處的區(qū)域粘貼藍(lán)膠帶進(jìn)行保護(hù)，此方法雖然很好的改善了成型質(zhì)量，但是由于藍(lán)膠帶含膠量較大，膠帶粘接區(qū)域有明顯的輕微膠瘤痕跡，且由于膠液的殘留量較多，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的噴涂底漆的結(jié)合力產(chǎn)生很大的影響。

(3)在距封邊框2 mm處的區(qū)域粘貼德砂膠帶進(jìn)行保護(hù)，此方法很好的改善了成型質(zhì)量，由于膠帶本身的含膠量不大，沒有膠帶殘留，膠帶粘接區(qū)域無(wú)明顯的輕微膠瘤痕跡。

(4)在封邊框翻邊區(qū)域依據(jù)文件膠膜可以增加1～1.5 mm余量后，會(huì)增加膠瘤的面積，此方法只適用于溢膠量少的膠膜，對(duì)于1113.06膠膜等溢膠量較大的膠膜不適用。

5 結(jié) 語(yǔ)

為控制表面質(zhì)量，采用在距封邊框2 mm處的區(qū)域粘貼德砂膠帶進(jìn)行保護(hù)，非封邊框區(qū)域無(wú)間距粘貼德砂膠帶的方法可控有效。由于試驗(yàn)件為粘貼1層膠膜，但實(shí)際航空產(chǎn)品生產(chǎn)中有時(shí)會(huì)因?yàn)榱慵闹圃旃畹仍蛟斐赡z膜所需填充的間隙過大，需增加至2層膠膜，從而增加了溢膠量，盡管使用德砂膠帶，由于膠膜的厚度過厚還是會(huì)產(chǎn)生膠梗等表面質(zhì)量問題，該種情況下可在增加膠膜的粘接區(qū)域同時(shí)使用德砂膠帶及扒皮布，利用德砂膠帶對(duì)蒙皮進(jìn)行保護(hù)，利用扒皮布會(huì)使膠瘤平滑過渡及擴(kuò)大膠瘤面積的原理，從而減小膠瘤的厚度，保證航空產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

[1] 吳承恩.飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件成本問題的技術(shù)分析及改進(jìn)措施[J].航空制造技術(shù)，2009(15)：23-31.

Panel-Honeycomb Sandwich Structure Composite Part Surface Forming Quality

PAN Yongsheng

(Naval Military Representative Office in Harbin, Harbin, 150066)

For metal plate and honeycomb sandwich structure composite part improvement are made in panel-panel bonding area after forming, plenty of resin accumulation after curing surface forming defects. Surface quality has been improved by adding peel cloth, bonding tape etc., reduce the repair of product surface, prevent the impact of product strength and following process.

forming quality；honeycomb sandwich structure；composite materials technology；adhesion

2016-08-15)

潘永生(1978-)，男, 黑龍江人，研究生，工程師。研究方向：直升機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail：836356439@qq.com.