加筋蒙皮金屬膠接結(jié)構(gòu)表面凹陷分析

張 靜

中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠，陜西西安 710089

加筋蒙皮金屬膠接結(jié)構(gòu)表面凹陷分析

張 靜

中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠，陜西西安 710089

隨著膠接工藝技術(shù)的不斷提高和新型膠粘劑的不斷開發(fā)，金屬膠接結(jié)構(gòu)在可靠性、耐久性、結(jié)構(gòu)減重等方面的優(yōu)越性日益凸顯，在現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用越來越多。本文主要通過工藝試驗(yàn)，對加筋蒙皮金屬膠接結(jié)構(gòu)表面凹陷產(chǎn)生的機(jī)理及影響因素進(jìn)行了分析，為加筋蒙皮金屬膠接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及成型工藝的改進(jìn)提供依據(jù)。

加筋蒙皮；金屬膠接；表面凹陷

金屬膠接結(jié)構(gòu)于20世紀(jì)40年代開始在飛機(jī)上應(yīng)用，至今國內(nèi)外采用了這種連接結(jié)構(gòu)的機(jī)種已達(dá)百種以上。與焊接、鉚接、螺接等傳統(tǒng)機(jī)械連接方式相比，金屬膠接結(jié)構(gòu)在減輕結(jié)構(gòu)重量、大幅延長疲勞壽命、有效避免熱應(yīng)力以及產(chǎn)生的變形等方面具有明顯的優(yōu)勢[1-3]。同時(shí)，隨著膠接工藝技術(shù)不斷提高和新型膠粘劑的不斷開發(fā)，金屬膠接結(jié)構(gòu)在可靠性及耐久性方面已取得了重要突破，在現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用越來越多[4]。

我國某型機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙口蓋原為膠接點(diǎn)焊件，為提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及飛機(jī)表面質(zhì)量，產(chǎn)品設(shè)計(jì)在綜合考慮了各種連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)后將短艙口蓋改為了金屬膠接結(jié)構(gòu)。口蓋由外蒙皮、帶加強(qiáng)筋的內(nèi)蒙皮組成，部分口蓋在內(nèi)、外蒙皮之間帶有墊板?？谏w的典型結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)筋局部剖視圖如圖1所示。外蒙皮、內(nèi)蒙皮和墊板材料均為LY12，蒙皮、墊板之間采用環(huán)氧膠粘劑體系高溫膠接而成，底膠為J-117，膠膜為J-116B。

發(fā)動(dòng)機(jī)短艙口蓋作為飛機(jī)的氣動(dòng)外形面，設(shè)計(jì)對產(chǎn)品外表面的波紋度有嚴(yán)格要求：對于深度不大于0.8mm的非突變凹陷，允許刮膠修平，保證型面光滑流線。但實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)品成型后外表面在加強(qiáng)筋對應(yīng)位置會(huì)出現(xiàn)較大凹陷，最大波紋度達(dá)到了2.0mm以上。

為了簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，本文選取內(nèi)、外蒙皮之間不帶墊板的一項(xiàng)膠接口蓋組件為對象，主要通過工藝試驗(yàn)對外蒙皮表面凹陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，為加筋蒙皮金屬膠接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及成型工藝的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 工藝流程及參數(shù)

外蒙皮通過鋁合金薄板拉伸成零件外形。內(nèi)蒙皮采用落壓成型工藝，一次加工出零件的外形和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，然后在指定區(qū)域開減輕孔。內(nèi)、外蒙皮及墊板按下述工藝流程進(jìn)行膠接成型，如圖2。

進(jìn)行膠接固化時(shí)，在真空壓力達(dá)到0.08MPa時(shí)，向罐內(nèi)加壓，當(dāng)罐壓達(dá)到0.1MPa時(shí)，真空管路通大氣。繼續(xù)升壓至0.3±0.02MPa時(shí)保壓。從向罐內(nèi)加壓時(shí)起以≤3.0℃/min的速率升溫至180±5℃時(shí)保溫。膠接制件溫度達(dá)到175℃時(shí)開始計(jì)算固化時(shí)間，固化2.5h～3.0h。固化結(jié)束后在保壓下以≤3.0℃/min的速率降溫，降至60℃以下時(shí)卸壓出罐。

圖1

2 工藝試驗(yàn)

2.1冷抽狀態(tài)下觀察外蒙皮表面狀態(tài)

2.1.1試驗(yàn)方法

將內(nèi)、外蒙皮預(yù)裝在一起，制軟袋子，抽真空至0.08MPa，觀察冷抽過程中外蒙皮表面狀態(tài)的變化。在抽至0.08MPa后放掉真空，如此循環(huán)五次，再持續(xù)抽真空0.08MPa后保持2天。

圖2　工藝流程

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果

在抽真空過程中，當(dāng)真空度達(dá)到0.05MPa以上時(shí)，外蒙皮就會(huì)出現(xiàn)目視可以觀測到的凹陷，隨著真空度的增大，凹陷增大。真空度達(dá)到0.08MPa時(shí)，持續(xù)抽真空10min后釋放真空，如此循環(huán)三次，外蒙皮凹陷可以完全回彈。在持續(xù)抽真空2天后釋放真空，外蒙皮凹陷仍可以回彈。

2.1.3結(jié)果分析

外蒙皮在無支撐的狀態(tài)下，受到0.05MPa以上的真空作用，即可發(fā)生變形。而且，在真空作用下發(fā)生的變形為彈性變形，在外力取消后變形即可恢復(fù)。

2.2固化壓力的影響

2.2.1試驗(yàn)方法

在工藝文件允許的范圍內(nèi)，分別在0.5MPa、0.3MPa、0.2MPa的固化壓力下膠接內(nèi)、外蒙皮，觀察固化后內(nèi)蒙皮加強(qiáng)筋的變化以及外蒙皮表面的凹陷情況。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果

0.5MPa固化壓力下，內(nèi)蒙皮加強(qiáng)筋局部出現(xiàn)壓塌現(xiàn)象，外蒙皮最大波紋度達(dá)到了2.0mm。0.3MPa固化壓力下，內(nèi)蒙皮加強(qiáng)筋無壓塌現(xiàn)象，外蒙皮最大波紋度1.1mm。0.2MPa固化壓力下，內(nèi)蒙皮加強(qiáng)筋無壓塌現(xiàn)象，外蒙皮最大波紋度0.9mm。

2.2.3結(jié)果分析

減小固化壓力，一定程度上可以改善外蒙皮凹陷程度。但實(shí)際生產(chǎn)中，固化壓力對產(chǎn)品膠接強(qiáng)度有一定影響，調(diào)整固化壓力后需重新開展首件鑒定。

2.3外蒙皮局部粘接加強(qiáng)條

2.3.1試驗(yàn)方法

在零件預(yù)裝、氧化、底膠噴涂完成后，將40mm寬、長度不等的加強(qiáng)條（LY12-CZ-δ0.6mm）用膠膜J-116B粘接在外蒙皮待粘接表面上加強(qiáng)筋的對應(yīng)位置（具體分布見圖3），進(jìn)行一次膠接。固化后局部加強(qiáng)的外蒙皮零件再與內(nèi)蒙皮組裝后進(jìn)行二次膠接。試驗(yàn)中兩次膠接固化時(shí)選取的固化壓力與批產(chǎn)狀態(tài)一致，均為0.3MPa。

圖3　加強(qiáng)條分布示意圖

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果

局部加強(qiáng)后外蒙皮凹陷測量結(jié)果見圖4。批產(chǎn)中零件外蒙皮凹陷通常會(huì)出現(xiàn)在整條加強(qiáng)筋下對應(yīng)的外蒙皮上，范圍較大，凹陷較深，最大波紋度在1.2mm。從圖3的凹陷分布可見：外蒙皮局部加強(qiáng)后，整個(gè)表面凹陷區(qū)域及凹陷位置波紋度明顯減少，而且從加強(qiáng)條不同分布的改善效果來看，加強(qiáng)區(qū)域面積越大，凹陷改善效果越好。見圖4。

圖4　局部膠接加強(qiáng)條試驗(yàn)件外蒙皮凹陷分布

2.3.3結(jié)果分析

外蒙皮局部加強(qiáng)后，該區(qū)域剛度增大，抵抗變形的能力增強(qiáng)，凹陷程度有所減小。但實(shí)際生產(chǎn)中若采取這種方法，一方面會(huì)有增重的問題，另一方面加強(qiáng)條的定位難度較大。

2.4將1.2mm厚的外蒙皮改為兩層0.6mm厚的外蒙皮

2.4.1試驗(yàn)方法

將1.2mm厚的外蒙皮改為兩層相同材料0.6mm厚的蒙皮，在零件預(yù)裝、氧化、底膠噴涂完成后，先將兩層0.6mm厚的外蒙皮進(jìn)行一次膠接，固化后再與內(nèi)蒙皮進(jìn)行二次膠接。試驗(yàn)中兩次膠接固化時(shí)選取的固化壓力與批產(chǎn)狀態(tài)一致，均為0.3MPa。

2.4.2試驗(yàn)結(jié)果

與前期批產(chǎn)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，外蒙皮凹陷區(qū)域及凹陷位置波紋度均有明顯減少，最大波紋度0.8mm。

2.4.3 結(jié)果分析

兩層蒙皮進(jìn)行一次膠接后，增加了一層膠膜，厚度約為0.1mm?？偤穸扰c單層1.2mm厚的蒙皮相比相差不大。但增加了一層膠膜，組件剛度增加較大，增強(qiáng)了外蒙皮抵抗變形的能力。這種方法在實(shí)際生產(chǎn)中使用也存在增重的問題，同時(shí)外蒙皮厚度增加了0.1mm，會(huì)引起裝配階差。

3 表面凹陷形成的機(jī)理分析

從冷抽狀態(tài)下外蒙皮表面狀態(tài)的變化可以看出：在抽真空的狀態(tài)下，由于真空的吸力外蒙皮加強(qiáng)筋對應(yīng)位置會(huì)向內(nèi)蒙皮一側(cè)變形，產(chǎn)生凹陷，真空釋放后外蒙皮的變形會(huì)回彈并恢復(fù)。但內(nèi)、外蒙皮在膠接過程中，進(jìn)入熱壓罐后，在真空度達(dá)到0.08MPa時(shí)，開始向罐內(nèi)加壓，當(dāng)罐壓達(dá)到0.1MPa時(shí)，真空管路通大氣。此時(shí)膠層溫度仍處于室溫狀態(tài)。真空管路通大氣后，外蒙皮在彈性形變作用下應(yīng)回彈，但由于此時(shí)已經(jīng)施加了0.1MPa的罐壓，同時(shí)由于內(nèi)外蒙皮之間存在膠膜，使內(nèi)、外蒙皮間發(fā)生相對滑移的阻力增大。在罐壓和膠膜阻力的共同影響下，真空管路通大氣后，外蒙皮的彈性變形無法完全回復(fù)。

當(dāng)組件溫度達(dá)到固化溫度180±5℃，壓力達(dá)到固化壓力0.3MPa±0.020MPa時(shí)，加強(qiáng)筋在高溫高壓條件下會(huì)發(fā)生圖5（a）所示的外擴(kuò)變形，固化壓力越大，變形量越大（壓力和溫度變化導(dǎo)致的形變結(jié)果理論上是一致的）。此時(shí)膠層仍未完全固化，加強(qiáng)筋邊緣以外的內(nèi)、外蒙皮膠接區(qū)域會(huì)發(fā)生相對滑移。固化結(jié)束后在保壓狀態(tài)下降溫，降至60℃以下時(shí)卸壓出罐。當(dāng)組件冷卻后，加強(qiáng)筋在高溫高壓作用下發(fā)生的變形會(huì)回彈，此時(shí)內(nèi)、外蒙皮已經(jīng)膠接固化，內(nèi)蒙皮加強(qiáng)筋回彈會(huì)帶動(dòng)外蒙皮相應(yīng)位置出現(xiàn)一定收縮。由于外蒙皮外側(cè)有工裝阻擋，所以外蒙皮只能向腔體一側(cè)收縮，從而引起外蒙皮凹陷，具體如圖5（b）所示。

同時(shí)，內(nèi)蒙皮在降溫卸壓后，其加強(qiáng)筋變形回彈的程度會(huì)受到外蒙皮剛度的影響。從外蒙皮局部加強(qiáng)的試驗(yàn)件以及雙層0.6mm厚蒙皮膠接的試驗(yàn)件表面凹陷分布來看：外蒙皮剛度增大，可以有效改善表面凹陷程度。也就是說，外蒙皮剛度越好，會(huì)從一定程度上阻止內(nèi)蒙皮加強(qiáng)筋的變形回彈，變形回彈量越少，外蒙皮對應(yīng)位置凹陷程度越小。

4 結(jié)論

本文通過工藝試驗(yàn)和固化過程分析，研究了加筋蒙皮金屬膠接結(jié)構(gòu)表面凹陷產(chǎn)生的機(jī)理及影響因素，得出以下結(jié)論：

1）加筋蒙皮金屬膠接結(jié)構(gòu)固化后外蒙皮表面凹陷與這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有著必然聯(lián)系。

2）增加外蒙皮剛度可以有效減小外蒙皮凹陷程度。

3）固化壓力的大小對外蒙皮凹陷程度有一定影響。固化壓力越小，外蒙皮凹陷程度越小。但實(shí)際生產(chǎn)中固化壓力的調(diào)整必須通過首件鑒定，確認(rèn)產(chǎn)品的粘接性能是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5　固化過程中（a）及固化后（b）內(nèi)、外蒙皮的變形

[1]馬明倫，等.金屬膠接結(jié)構(gòu)制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[2]胡建國，等.金屬結(jié)構(gòu)件膠接[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.

[3]翁熙祥，梁志杰，等.金屬粘接技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]劉昌發(fā).Al-Li合金航空板材膠接工藝及接頭強(qiáng)度分析[D].長沙：中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012：6.

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A

1674-6708（2016）171-0253-03

張靜，中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司復(fù)合材料廠。