多層金屬粘接殼體設計與加工研究

江　暉　徐東鳴　宋志坤

(①中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽　621999；②中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621999)

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多層金屬粘接殼體設計與加工研究

江暉①徐東鳴②宋志坤②

(①中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽621999；②中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621999)

以一種多層金屬粘接殼體結(jié)構(gòu)，通過有限元分析軟件Ansys Workbench進行膠層應力分析，并與相應的膠種強度測定數(shù)據(jù)進行對比，確定了該膠種的可行性。最后通過制定合理可行的工藝措施及粘接方案，完成該復雜多層金屬粘接殼體加工。

多層金屬；粘接殼體；Ansys Workbench

在航空航天、武器研制、物理實驗裝置等生產(chǎn)領域，粘接技術(shù)因其操作方便，適用于不易鉚焊等金屬材料和非金屬材料，已得到廣泛的應用，其中環(huán)氧樹脂膠粘劑在結(jié)構(gòu)膠中占有突出的地位[1]。

本文以一種鋼-錫-鋼三層金屬粘接殼體為設計模型，運用有限元分析軟件Ansys Workbench，模擬膠層受到外界壓力，獲得膠層強度應力分布圖以及粘接殼體易發(fā)生脫粘的區(qū)域。通過設計粘接接頭，對相應膠種強度進行測定、對比，確定該膠種的可行性。最后通過制定合理可行的工藝措施和粘接方案，完成該復雜多層金屬粘接殼體加工，精測結(jié)果滿足設計要求。

1　結(jié)構(gòu)設計與分析

1.1結(jié)構(gòu)設計

如圖1所示，粘接殼體由外鋼殼、內(nèi)鑲殼、內(nèi)鋼殼及兩層0.2 mm厚膠層粘接而成，材料分別為45#鋼、錫合金、45#鋼及膠粘劑。膠粘劑采用雙組分環(huán)氧樹脂膠，牌號為E51。組件花邊法蘭處分布12處M8螺栓，其擰緊力矩為25 N·m。

環(huán)氧樹脂膠粘劑具有粘接強度高，一般剪切強度為15～25 MPa[2]。由于錫合金很軟，是一種較難粘接的金屬，粘附力比一般的金屬要差。在12枚M8螺栓擰緊力的作用下，端面膠層可能出現(xiàn)脫粘、斷裂現(xiàn)象。因此需開展鋼-錫粘接結(jié)構(gòu)膠層強度試驗研究來確認環(huán)氧樹脂膠粘劑是否滿足設計要求。

1.2有限元模型建立

45#鋼、錫合金及環(huán)氧樹脂膠粘劑的主要力學性能參數(shù)如下：45#鋼密度為7.85 g/cm3、泊松比為0.27、彈性模量為210 GPa；錫合金密度為5.765 g/cm3、泊松比0.4、彈性模量44.3 GPa；E51環(huán)氧樹脂密度為1.16 g/cm3、泊松比0.45、彈性模量約1 GPa。

整個實體模型主要采用六面體單元劃分，在膠層接觸面上采用1 mm網(wǎng)格密度，這樣對分析更為有利。研究模型僅受到12枚M8螺栓擰緊力作用，每枚螺栓的擰緊力約為1.5×104N。由于Φe止口底部平面(基準B面)為機械結(jié)合面，因此需對其進行固定約束。

1.3仿真計算與分析

經(jīng)仿真計算后，環(huán)氧樹脂膠層的應力圖如圖2所示。

由圖2可見，在內(nèi)鑲殼與外鋼殼之間膠層出現(xiàn)最大應力5.7 MPa，在靠近法蘭花邊端面處膠層均出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象。內(nèi)鑲殼與內(nèi)鋼殼之間的膠層應力基本在1 MPa以內(nèi)。

如果粘接用的E51環(huán)氧樹脂膠粘劑的強度低于或者接近分析得出的應力值，則內(nèi)鑲殼與外鋼殼之間容易出現(xiàn)脫粘、斷裂現(xiàn)象。因此需通過下面設計鋼-錫粘接接頭，對E51環(huán)氧樹脂膠粘劑進行強度測定。

2　膠層強度測試試驗

2.1粘接接頭設計

因為錫合金較軟，如果按《膠粘劑高溫拉伸強度試驗方法(標準號GJB 445-1988)》、《膠粘劑對接接頭拉伸強度的測定(標準號：GB/T 6329-1996)》及《膠粘劑拉伸剪切強度測定方法(標準號：GB/T 7124-2008)》等要求，做成鋼-錫搭接結(jié)構(gòu)，其中錫合金在強度測定時會因夾具的夾持和拉伸而變形，降低測定膠層試樣強度的精確度。本文中自行設計一種鋼-錫-鋼粘接接頭[3]，即如圖3所示的膠層剪切強度接頭和圖4所示的拉伸強度接頭。兩端的夾具都夾在鋼接頭上，鋼接頭不會出現(xiàn)夾持變形等問題，從而不會影響試樣剪切和拉伸強度的測定精度。兩種鋼接頭均采用45#鋼，夾持端為φ15 mm圓柱。剪切強度接頭中的錫片為長方體，厚度5 mm，膠粘面積為320 mm2。拉伸強度接頭中錫片為圓形，厚度2 mm，膠粘面積為314 mm2。每組試驗用的接頭個數(shù)不少于5個，并足以提供5個有效試驗結(jié)果。

2.2膠層強度測試過程

膠液配制的重量比為E51環(huán)氧樹脂：793胺固化劑=100：(28～30)。將稱好的環(huán)氧樹脂倒入燒杯內(nèi)，一邊添加固化劑一邊攪拌，添加完固化劑后再攪拌均勻，避免膠液中出現(xiàn)氣泡。粘接前用丙酮或者酒精清洗鋼接頭與錫片的被粘接表面，揮發(fā)干凈后再在粘接表面上涂膠，膠層厚度控制為0.1 mm。將已涂膠的鋼-錫-鋼粘接件壓緊、固化，固化時間均為10天。

膠層強度測定試驗環(huán)境按GB/T 2918-1998推薦的在(23±1)℃和(50±5)%相對溫濕度下進行。把粘接接頭對稱地固定在拉力機夾持器上，然后開動拉力機，記錄粘接接頭破壞時的最大作用力作為破壞載荷，即可換算出膠層拉伸強度及剪切強度。

2.3試驗結(jié)果與分析

圖5為膠層拉伸強度及剪切強度測試結(jié)果，最小值為8.9 MPa，均值分別約為13.2 MPa和11.7 MPa，剪切強度略低于拉伸強度。結(jié)合圖2膠層應力來看，設計模型中的膠層應力小于膠層強度測定結(jié)果，可以判定設計模型的膠層不會發(fā)生脫粘、斷裂現(xiàn)象。

此外，人為對膠層造成空膠區(qū)粘接缺陷，膠層強度測試表明：空膠區(qū)直徑在φ5 mm以上，膠層強度逐步下降明顯?？漳z區(qū)越大，膠層就越容易出現(xiàn)脫粘、斷裂。

3　工藝方案及效果

3.1工藝難點分析

工藝難點主要有：

(1)組件止口底部平面度要求在0.02 mm以內(nèi)，各金屬殼體之間的位置精度在SR0.05 mm以內(nèi)，各金屬殼體內(nèi)外同軸度要求在φ0.06 mm以內(nèi)，各金屬殼體及組件形位公差要求高。

(2)內(nèi)鑲殼、內(nèi)鋼殼均為薄壁殼體，結(jié)構(gòu)剛性差。尤其是內(nèi)鑲殼采用較軟的錫合金，結(jié)構(gòu)剛性更差。

(3)粘接過程中各殼體容易出現(xiàn)不同心，粘接質(zhì)量要求高，難度大[4]。

3.2工藝措施及路線

工藝措施主要有：

(1)內(nèi)鑲殼采用加內(nèi)襯方法提高結(jié)構(gòu)剛性，減小裝夾變形?？紤]到加固材料的切削性能，選用壁厚為5 mm鋁合金球殼。

(2)裝夾方式上采用真空負壓吸緊裝置。吸緊力大小可以自由控制，能有效避免因裝夾力過大造成工件變形。

(3)加工工藝基準應與設計基準一致，即φe止口及底部平面作為工藝基準，可保證形位公差精度要求。

(4)設計含多處定位基準的吸具用于粘接定位。粘接過程中通過采取多種有效措施，避免膠層出現(xiàn)氣泡、空膠等缺陷。

(5)工藝路線上采取“粘接一層加工一層”方案，即內(nèi)鑲殼、內(nèi)鋼殼應在粘接后完成內(nèi)型面精加工。除內(nèi)鋁襯外，其余內(nèi)型面精加工切削余量最好控制在0.15 mm以內(nèi)。

工藝路線如圖6所示。

由于為金屬粘接殼體，加工過程中切削力不宜過大，切削溫度不宜過高，否則造成膠層局部斷裂、軟化，最終膠層脫粘。宜選用切削輕快的刀具及水性切削液冷卻。刀具可選用較大的前角20°及合適的后角5°～10°，這樣刀具刃口鋒利，切削輕快，減小切削力和切削溫度。

3.3粘接及加工過程

以粘接三層殼體為例(圖6星號處)，其中外鋼殼和內(nèi)鑲殼已完成粘接。如圖7所示，設計一種吸具工裝用于多層殼體粘接。為保證三層粘接殼體形位公差要求，在吸具上設置三處定位基準，主要有外止口A面和C面、定位平面B面。A面與C面同軸度在φ0.02 mm以內(nèi)，并分別與外鋼殼和內(nèi)鋼殼的內(nèi)止口采用小間隙配合，配合間隙在0.02 mm以內(nèi)。B面平面度在0.01 mm以內(nèi)，并分布多處溢膠槽。

粘接及加工過程如下：

首先用丙酮清洗內(nèi)鋼殼外型面和內(nèi)鑲殼內(nèi)型面(待粘接面)及定位面，再進行試裝配，檢查殼體之間是否有干涉過盈現(xiàn)象。為了改善粘接強度及粘附率，可通過手工輕輕打磨待粘接面，提高粗糙度[5]。將內(nèi)鋼殼放在吸具上，找正并確定外圓在0.01 mm以內(nèi)，吸住內(nèi)鋼殼，真空壓力控制在0.8 MPa以內(nèi)。然后根據(jù)待粘接面尺寸計算所需膠液重量的1.2倍配制膠液，其中多出的20%重量為膠液損耗重量。為了便于空氣的排出，膠液在待粘接面涂成扇形花瓣狀。將已粘接好的外鋼殼和內(nèi)鑲殼輕輕裝入內(nèi)鋼殼外面，待B面貼緊后輕輕回轉(zhuǎn)殼體以使膠層均勻。最后用壓環(huán)及重物壓住粘接殼體，固化24 h。

固化結(jié)束后，拆卸壓環(huán)及吸具，去除止口A面和B

面殘膠。然后在車床上通過真空負壓吸緊裝置吸住粘接殼體并找正A面和B面在0.02 mm以內(nèi)。由圖2膠層應力圖可知，端面處膠層出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象。一旦端面膠層出現(xiàn)空膠，膠層強度會明顯下降，影響膠層整體粘接性能。因此，在車床上需對止口B面處進行“補膠”，不僅能有效填補膠層間隙，并且避免切削液滲入膠層內(nèi)部。最后精車內(nèi)鋼殼內(nèi)型面、止口A面及B面(留量很小)，完成多層粘接殼體加工。

3.4加工效果

形位公差精測結(jié)果為：平面度為0.013 mm，同軸度最大為φ0.04 mm，位置度最大值為SR0.035 mm，滿足設計要求。

裝配后拆卸，用0.02 mm厚度塞尺對端面膠層檢測，沒有發(fā)現(xiàn)膠層因空膠、脫粘產(chǎn)生的間隙。

4　結(jié)語

(1)通過有限元分析并結(jié)合E51環(huán)氧樹脂膠粘劑強度測試試驗，判定E51環(huán)氧樹脂膠粘劑適合本文中鋼-錫-鋼三層金屬粘接殼體，膠層結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)脫粘、斷裂現(xiàn)象。

(2)由于錫合金較軟，自行設計一種鋼-錫-鋼粘接接頭測定膠層強度。鋼接頭不會因夾持變形影響膠層強度的測定精度。

(3)針對三層金屬粘接殼體加工，提出“粘接一層加工一層”工藝路線及合理可行的粘接方案，精測結(jié)果表明滿足設計要求。

[1]馬長福.簡明粘接技術(shù)手冊[M].上海：上?？茖W技術(shù)文獻出版社,2012.

[2]張玉龍.粘接技術(shù)手冊[M].北京：中國輕工業(yè)出版社,2001.

[3]楊強,袁明康,李明珍,等.γ輻照對環(huán)氧樹脂鋼鉛鋼粘接件力學性能的影響[J].輻射研究與輻射工藝學報,2005,25(6):371-372.

[4]孔金星,岳曉斌.曲面多層殼體粘接精度控制技術(shù)研究[J].工具技術(shù),2003,37(6):5-8。

[5]楊強,袁明康,李明珍,等.環(huán)氧樹脂鋼鉛鋼粘接工藝優(yōu)化程度評價方法 [J].材料科學與工藝,2007,15(6):839-843.

(編輯孫德茂)

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Research on design and machining of multi-layer metal adhesive shell

JIANG Hui①, XU Dongming②, SONG Zhikun②

(①Institute of Systems Engineering, CAEP, Mianyang 621999, CHN;②Institute of Mechanical Manufacturing Technology, CAEP, Mianyang 621999, CHN)

Aimed at a research model of the multi-layer metal adhesive shell, the stress of the adhesive layer was analyzed by the finite element analysis software Ansys Workbench. By comparing with the measurement data of epoxy resin’s strength, we confirmed that the reliability of this adhesive structure was good. In the end, the complex multi-layer metal adhesive shell machining is completed by setting up the reasonable and feasible processing technology and adhesive solution.

multi-layer metal; adhesive shell; Ansys Workbench

TH16

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.024

2015-12-28)

160640