復(fù)合材料裝配工藝研究

李榮霞

摘 要：文章論述碳纖維復(fù)合材料零件裝配工藝過程，并對復(fù)合材料修合過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，著重分析了復(fù)合材料制孔的工藝要求，通過采取相應(yīng)的措施，提高了復(fù)合材料零件的裝配質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：順切；逆切；劈裂；鉸孔

中圖分類號：TB333 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0005-02

先進(jìn)復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度和高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、重量輕等優(yōu)良的性能，是最理想的結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料裝配工藝中的關(guān)鍵技術(shù)是修合、制孔和連接。而孔的質(zhì)量狀態(tài)能造成連接部位應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前破壞，對連接件的壽命影響極大。

1 研究內(nèi)容

復(fù)合材料裝配過程主要包括以下幾個(gè)方面：修合-制孔（鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪窩）-緊固件安裝。

2 復(fù)合材料的修合

復(fù)合材料壁板修合一般采用切割和修磨方法。修合量大時(shí)對壁板和蒙皮進(jìn)行切割，修合量小時(shí)采用修磨的方法。

2.1 復(fù)合材料的切割

復(fù)合材料切割一般包括機(jī)械切割、高壓水切割、激光切割和超聲波切割，在裝配生產(chǎn)中常用的方法為機(jī)械切割，機(jī)械切割包括順切和逆切。

2.1.1 順切和逆切

對復(fù)合材料壁板進(jìn)行機(jī)械切割時(shí)必須采用順切法，即刀具與壁板相接觸處的速度方向和壁板相對刀具移動(dòng)方向相同，一般不使用逆切法，如圖1所示。

2.1.2 切割刀具和切割參數(shù)

①切割刀具：金剛石薄片砂輪，規(guī)格φ150×φ20×1 mm、φ100×φ20×1 mm，砂輪粒度80 #。

②切割參數(shù)：切削速度（V）8～12m/s、進(jìn)給量（f）均勻。

2.1.3 切割中注意事項(xiàng)

①在切割過程中（包括進(jìn)刀、切削、中途退刀、切割完畢）刀具均不能停轉(zhuǎn)；

②應(yīng)均衡用力，切割刀具對零件的壓力不宜過大；

③切割時(shí)進(jìn)刀要平穩(wěn)，切割進(jìn)給量要均勻；

④復(fù)合材料余量的切割必須使用專用刀具進(jìn)行切割，嚴(yán)禁使用剪刀或用手折斷；

⑤若手工切割鋸加工不到的部位應(yīng)該用鋒利的鋸條鋸斷；

⑥當(dāng)余量快切割完畢時(shí)，要用手扶住余量部分，以免未被切割部分發(fā)生撕裂現(xiàn)象，R角部位在粗切之后，應(yīng)用細(xì)紗布修磨。

2.2 復(fù)合材料的修磨

2.2.1 修磨刀具

金剛石柱型砂輪，規(guī)格φ5 mm、φ10 mm、φ20 mm、φ25 mm；金剛石錐型砂輪；120#、180#棕剛玉砂布。

2.2.2 修磨中注意事項(xiàng)

①用金剛石砂輪或砂布進(jìn)行修磨，允許用砂布包在平銼上手工精修操作；

②修磨時(shí)必須順著表層纖維方向進(jìn)行修磨，禁止垂直于纖維鋪層修磨。

3 復(fù)合材料的制孔（鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪窩）

3.1 鉆 孔

3.1.1 刀具及工藝參數(shù)

刀具：選用Y330碳化鎢硬質(zhì)合金鉆頭。

工藝參數(shù)，見表1。

3.1.2 工藝要求

在碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件上鉆孔：

①在碳纖維復(fù)合材料壁板上鉆∮3～∮12的通孔時(shí)，使用硬質(zhì)合金鉆頭，推薦轉(zhuǎn)速為800～2 800 r/min，進(jìn)給量為0.01～0.06 mm/r。鉆頭幾何參數(shù)見表1。

②鉆孔時(shí)，為防止復(fù)合材料孔出口面劈裂，一方面當(dāng)接近鉆透時(shí)應(yīng)放慢進(jìn)給速度，一方面應(yīng)在孔出口面加墊板支撐，墊板材料為硬塑料板、夾布膠木板或鋁板，墊板應(yīng)與壁板貼嚴(yán)。

③當(dāng)鉆大于φ12的孔時(shí)，應(yīng)采用80～100粒度的金剛石空心鉆。為防止孔出口面劈裂，應(yīng)采用兩面鉆孔，即先制出中心孔，中心孔徑按空心鉆的導(dǎo)銷定，把空心鉆導(dǎo)銷插入中心孔內(nèi)，從零件的一面劃至零件厚度的三分之一或一半，再把空心鉆從零件的另一面插入在反面將孔鉆出。如無法兩面鉆孔，應(yīng)在孔出口端加墊板支撐?？招你@結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

在碳纖維復(fù)合材料與鋁或鈦組合的構(gòu)件上鉆孔：

①從復(fù)合材料面鉆入，可不加墊板支撐，用硬質(zhì)合金麻花鉆按鉆鋁或鈦的轉(zhuǎn)速鉆削，直至鉆通為止。為防止金屬切屑劃傷復(fù)合材料孔壁，應(yīng)注意斷屑，見圖三

如圖3所示。

③在碳纖維復(fù)合材料與鋁組合的構(gòu)件上鉆孔時(shí)轉(zhuǎn)速1 500

～3 500 r/min。在碳纖維復(fù)合材料與鈦和鋼組合的構(gòu)件上鉆孔時(shí)轉(zhuǎn)速500～1 800 r/min。

3.2 擴(kuò) 孔

復(fù)合材料在制孔過程中，為避免分層和劈裂，通常不進(jìn)行擴(kuò)孔。但當(dāng)螺栓孔在φ6 mm以上時(shí)，由于不能一次加工到位，則必須進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔要求與鉆孔基本一致，為避免復(fù)合材料分層和劈裂，擴(kuò)孔前需在鉆出初孔φ3.1 mm后，用φ2.5×120 °金剛石锪鉆進(jìn)行倒角，如圖4所示，倒角尺寸應(yīng)小于鉸孔前孔徑，按鉸孔前孔徑用硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行一次擴(kuò)孔，再用鉸刀鉸孔至最終尺寸。

3.3 鉸 孔

3.3.1 刀 具

選用Y330碳化鎢硬質(zhì)合金類。

3.3.2 工藝要求

鉆孔時(shí)應(yīng)留出鉸孔余量0.15～0.4 mm，每級鉸削量為 0.1 mm，然后用硬質(zhì)合金鉸刀鉸至最后尺寸，推薦轉(zhuǎn)速為500 r/min，鉸孔次數(shù)，見表2。

3.4 锪 窩

①高速鋼電鍍金剛石锪窩鉆、硬質(zhì)合金锪窩鉆。

②使用硬質(zhì)合金锪窩鉆轉(zhuǎn)速為500～800 r/min，金剛石锪窩鉆的轉(zhuǎn)速為800～1 400 r/min。為防止表面纖維劈裂，锪窩鉆必須在旋轉(zhuǎn)以后接觸工件。

③锪窩深度應(yīng)用锪窩限位器控制，試锪合格后方可使用。

④孔需要倒角時(shí)，用金剛石锪窩鉆，倒角轉(zhuǎn)速為500 r/min。

4 安裝緊固件

4.1 螺接工藝

①由于復(fù)合材料層間強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度低以及抗沖擊性差，一般只能采取間隙配合，既H8/f8、H9/f9配合；孔與復(fù)合材料壁板的垂直度偏差在2 °以內(nèi)，鉸孔后必須用孔垂直度量規(guī)檢查孔的垂直度；

②除非傳力構(gòu)件外，螺栓的螺紋部分不允許處在孔的擠壓部位，既螺紋不允許處在夾層內(nèi)；為此，在裝配中應(yīng)使用夾層厚度以選擇具有合適光桿長度的螺栓；

③裝配中，一般采用濕連接，即螺栓涂膠或涂漆后安裝。裝配中螺母必須在膠的施工期內(nèi)擰緊。

④沉頭螺栓螺栓頭不允許下凹，允許螺栓頭突出0.15 mm。

⑤高鎖螺栓、大底角螺紋抽釘擰斷螺母、螺桿后，螺紋不得凹在螺母或套環(huán)內(nèi)，至少應(yīng)露出螺紋1～2扣；

⑥螺母、螺桿擰斷后，應(yīng)對剪斷后的表面進(jìn)行保護(hù)，防止腐蝕；

⑦對沉頭螺栓，將0.05 mm厚的千分墊插入間隙時(shí)，允許在圓周的40%以內(nèi)存在間隙，但不應(yīng)觸到頭部和桿部的交接處；

⑧多螺栓連接安裝時(shí)，由于復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度低，不宜逐一的將單個(gè)螺栓一次擰緊，而應(yīng)均衡、對稱的將所有螺栓分若干次擰緊，直至達(dá)到規(guī)定的擰緊力矩值。

4.2 鉚接工藝

①鉚接應(yīng)盡可能選用壓鉚工藝，在無法壓鉚時(shí)，應(yīng)采用沖擊力小的鉚槍正鉚，嚴(yán)禁使用大功率鉚槍；

②當(dāng)鉚釘鐓頭部位為復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)在鐓頭形成部位加鈦合金墊圈或不銹鋼墊圈。

5 結(jié) 語

先進(jìn)的復(fù)合材料在國內(nèi)航空制造業(yè)中得到了迅速的發(fā)展，但在實(shí)際裝配中也存在一定的問題。加大研制力度、提高復(fù)合材料制造技術(shù)是我們的責(zé)任。我們必須結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，深入開展工藝試驗(yàn)研究，不斷創(chuàng)新，找到最優(yōu)工藝方案，將復(fù)合材料優(yōu)良性能最大范圍地用于航空產(chǎn)品中。

參考文獻(xiàn)：

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