雙曲率U型蜂窩夾芯金屬膠接件校驗(yàn)?zāi)ぶ圃旌湍z接工藝研究

楊波+郭守玉+李洪哲+林楠

摘 要：通過改變影響雙曲U型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接件膠接界面配合間隙的多個工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，分析對比校驗(yàn)了膜效果，確定了最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：固化壓力是影響雙曲U型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)金屬膠接件的主要因素。隨著固化壓力增加，膠接界面配合間隙減小。為提高固化壓力，采用自制硫化橡膠均壓板，所得金屬膠接件校驗(yàn)?zāi)ず细袂覞M足無損檢測要求。

關(guān)鍵詞：雙曲率；蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)；金屬膠接；校驗(yàn)?zāi)ぃ荒z接工藝

金屬膠接工藝是利用膠粘劑與被粘物之間的粘附力，將被粘物連接成為一個整體，并具有一定力學(xué)性能的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造工藝，包括金屬結(jié)構(gòu)膠接、非金屬結(jié)構(gòu)膠接、金屬與非金屬之間的膠接。采用金屬膠接工藝可以大量減少飛機(jī)零件之間的機(jī)械裝配和緊固環(huán)節(jié)，減少了裝配帶來的內(nèi)應(yīng)力，從而提高性能、降低成本、減輕飛機(jī)重量[1]。

國外某大型客機(jī)尾翼翼尖部位就采用了該種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

該金屬膠接件為外蒙皮-金屬蜂窩-內(nèi)蒙皮膠接結(jié)構(gòu)，為雙曲率U型結(jié)構(gòu)；零件開口極小，膠接區(qū)域最窄處（如圖1所示A處）開口僅為56mm；金屬蒙皮制造公差大，零件的型面回彈大，蒙皮-蜂窩之間配合極差；外蒙皮存在由于化銑臺階所帶來的厚度階梯變化，導(dǎo)致蜂窩-蒙皮在化銑臺階處配合差。上述特征導(dǎo)致膠接質(zhì)量不好控制，容易出現(xiàn)無損檢測空腔的情況。

本文就該類型鋁蜂窩夾層金屬膠接件所存在的上述問題進(jìn)行了研究，通過校驗(yàn)?zāi)さ男ｒ?yàn)方法對隔離材料的鋪貼方式、固化壓力等因素進(jìn)行研究，確定了雙曲U型蜂窩夾層金屬膠接件的膠接工藝。

1 制造方案

1.1 校驗(yàn)?zāi)ぶ圃炝鞒?/p>

預(yù)裝→鋪貼→組裝封袋→固化→脫模清理→校驗(yàn)?zāi)?/p>

依據(jù)此工藝流程，我們進(jìn)行了該類型金屬膠接結(jié)構(gòu)件的校驗(yàn)?zāi)ぴ囼?yàn)，并對其進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

1.2 膠接件制造流程

預(yù)裝→待膠接蒙皮陽極化→噴漆→鋪貼→組裝封袋→固化→脫模清理→無損檢測→噴漆→成品

依據(jù)此工藝流程和通過校驗(yàn)?zāi)ご_定的工藝參數(shù)，我們進(jìn)行了零件的試制，并進(jìn)行了無損檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠膜隔離膜鋪貼方式的選擇

采用膠接用的膠膜作為校驗(yàn)?zāi)ぃ褂脮r在膠膜兩側(cè)鋪貼隔離膜，其作用是防止膠膜粘結(jié)蜂窩和蒙皮。

該零件為雙曲率U型結(jié)構(gòu)，隔離膜在鋪貼時極易出現(xiàn)褶皺和架橋，對褶皺和架橋區(qū)域進(jìn)行了拼接處理。為了防止膠膜固化時沿拼接處流入蜂窩，拼接處使用壓敏膠帶進(jìn)行密封，圖2即為隔離膜的拼接鋪貼方式，圖3為該種方式所得校驗(yàn)?zāi)?。從圖3可以看出，所得的校驗(yàn)?zāi)ど像薨櫽『勖黠@，且印痕不清晰。通過該校驗(yàn)?zāi)o法分辨出該褶皺為隔離褶皺還是膠膜褶皺，同時亦不能依據(jù)印痕判斷蒙皮-蜂窩之間的配合狀態(tài)。

為了減少隔離膜鋪貼褶皺對校驗(yàn)?zāi)づ袛嗟挠绊?，研究中采用密封膠條封制隔離膜，然后抽真空，使FEP膜完全貼合到蒙皮/蜂窩上，圖4即為采用抽真空方式鋪貼隔離膜，圖5即為所得校驗(yàn)?zāi)?。從圖5可以看出，采用該種方式所得校驗(yàn)?zāi)ひ褵o隔離膜褶皺和架橋影響，可以通過該校驗(yàn)?zāi)づ袛嗝善?蜂窩之間配合狀態(tài)。

通過上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該類大曲率金屬膠接件校驗(yàn)?zāi)ぴ囼?yàn)時，為了降低隔離膜褶皺和架橋?qū)πｒ?yàn)?zāi)そY(jié)果的影響，隔離膜宜采用抽真空方式鋪貼。

2.2 熱壓罐壓力對膠接界面配合的影響

為了研究壓力大小對校驗(yàn)?zāi)さ木唧w影響情況并獲得適用于該結(jié)構(gòu)零件的最佳膠接壓力，我們在相同條件下，選擇了三組熱壓罐壓力進(jìn)行了校驗(yàn)?zāi)ぴ囼?yàn)，熱壓罐壓力分別為200KPa、310KPa、600KPa。圖6即為不同熱壓罐壓力條件下的校驗(yàn)?zāi)y試結(jié)果。

從上述結(jié)果可以得出，在其他條件不變的情況下，隨著熱壓罐壓力的升高，蒙皮-蜂窩之間的配合間隙減小，所得校驗(yàn)?zāi)ど嫌『塾忧逦覠o印痕區(qū)域面積縮小。但由于該零件采用陰模成型，其模具一端為封閉結(jié)構(gòu)，較大的壓力增加了真空袋泄露的幾率。因此，該類零件壓力不易過大，本研究中將固化壓力確定為310KPa。然而，從圖6（b）可以看到，該熱壓罐壓力下所得校驗(yàn)?zāi)ど嫌泻艽蟛糠譄o印痕。這表明該處蒙皮-蜂窩配合間隙很大，熱壓罐壓力不足以使蒙皮-蜂窩配合。

2.3 橡膠輔助增壓工裝的使用

考慮到橡膠具有很大的熱膨脹系數(shù)，在受熱時橡膠的體積膨脹受到真空袋內(nèi)材料的限制，會在真空袋內(nèi)產(chǎn)生一定的壓力。熱膨脹壓力依據(jù)橡膠的熱膨脹系數(shù)和彈性模量確定。橡膠在封閉環(huán)境下的熱膨脹壓力P可按如下公式進(jìn)行計算[2]。

式中：P-膨脹壓力，MPa；

k-彈性模量，MPa；

A-體積膨脹系數(shù)，K-1×10-6；

t-最終溫度，℃；

t0-初始溫度，℃；

本研究中使用未硫化橡膠制造均壓板，并在橡膠中施加玻璃纖維預(yù)浸料進(jìn)行增強(qiáng)，以提高橡膠的重復(fù)使用次數(shù)，并在一定溫度和壓力下進(jìn)行硫化。圖7即為硫化后所得均壓板。

膠接時，將均壓板放置在內(nèi)蒙皮底部，然后封制真空袋，進(jìn)罐固化。圖8顯示了均壓板的使用示意，圖9即為所得校驗(yàn)?zāi)?。從校?yàn)?zāi)そY(jié)果來看，校驗(yàn)?zāi)び『矍逦揖鶆颍褂孟鹉z均壓板可顯著提高膠接界面的配合度。

2.4 膠接試驗(yàn)

使用上述分析所得到的工藝技術(shù)條件，去除隔離膜，進(jìn)行正式膠接、固化，脫模后進(jìn)行無損檢測。圖10即為無損檢測結(jié)果，從結(jié)果來看，蜂窩印痕清晰可見，膠接界面無分層或空腔，滿足了設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

本文通過改變工藝方法，采用不同的隔離膜鋪貼方式對校驗(yàn)?zāi)みM(jìn)行了試驗(yàn)，研究出了固化壓力、輔助增壓均壓板對鋁合金蒙皮和蜂窩之間配合關(guān)系的影響，并將所得固化壓力和均壓板運(yùn)用在正式膠接過程中，獲得了滿足無損檢測要求的雙曲率U型蜂窩夾芯金屬膠接件。

（1）雙曲U型蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)金屬膠接件在進(jìn)行校驗(yàn)?zāi)ばｒ?yàn)時，隔離膜宜采用抽真空方式鋪貼。

（2）隨著固化壓力的增加，鋁合金蒙皮和蜂窩之間的配合間隙減小，有利于膠接界面粘合。

（3）考慮到該類零件為尖端封閉結(jié)構(gòu)，壓力亦不應(yīng)過大，在310KPa的固化壓力下，通過合理的工藝方法，可以得到膠接界面良好的膠接件。

（4）采用硫化橡膠均壓板可以有效地減小鋁合金蒙皮和蜂窩之間的配合間隙，提高膠接界面膠接質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]《航空制造工程手冊》總編委會.航空制造工程手冊·金屬結(jié)構(gòu)件膠接[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.

[2]肖少伯.復(fù)合材料成型新工藝-熱脹成型法[J].宇航材料工藝，1996（6）：10.