楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉚接工藝優(yōu)化

李 靜，高 巖，王 倩，屈力剛，周欣康

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110136；2.中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 復(fù)合材料加工廠，成都 610092）

0 引言

復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫、耐腐蝕、阻尼減震性好、性能可設(shè)計(jì)等特性[1]，先進(jìn)飛機(jī)越來(lái)越多地應(yīng)用復(fù)合材料，飛機(jī)的機(jī)翼、安定面和操作面的特點(diǎn)是縱向厚度較低，橫截面呈斜面形狀，為了達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度和特殊要求，許多采用了斜面夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式，且均采用雙面埋頭鉚接[2]。在實(shí)際裝配中，由于復(fù)合材料耐沖擊性、耐壓性較差[3]，而普通錘鉚是利用沖擊力使釘桿鐓粗，形成墩頭，這種鉚接方式會(huì)造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷。目前國(guó)內(nèi)航空技術(shù)領(lǐng)域還沒有形成關(guān)于楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的雙面埋頭鉚接工藝規(guī)范，在生產(chǎn)中遇到這類問題之后采還沒有合適的解決措施，致使斜面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜[4]。西北工業(yè)大學(xué)曹增強(qiáng)教授提出了在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配上采用電磁鉚接的方法，但新的工藝的應(yīng)用還需系統(tǒng)的研究[5]，電磁鉚接設(shè)備復(fù)雜并不一定完全適用于所有的楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鉚接，故對(duì)楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉚接存在的安裝損傷問題，提出了新的解決思路。

1 楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中鉚接的問題

圖1為本研究過(guò)程中的結(jié)構(gòu)，其中碳纖維復(fù)合材料為ZT7H/QY9611高溫固化復(fù)材板，楔形夾層為碳?xì)郑T釘為HB 6478-1990 100°沉頭純鈦鉚釘。

實(shí)際裝配中出現(xiàn)的問題有以下兩點(diǎn)。

1.1 斜面制孔锪窩

圖1 楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

楔形夾層結(jié)構(gòu)要求所制孔的軸線垂直于楔形結(jié)構(gòu)的角平分線[6]。由于鉆孔的刀具初始受力不均勻，導(dǎo)致刀具彎曲變形[2]，降低了孔的精度和刀具的使用壽命。在實(shí)際鉆孔操作時(shí)，斜面結(jié)構(gòu)的角平分線也不容易找到。由于鉆孔軸線和锪窩軸線存在一定的角度，所以不能采用一次鉆孔锪窩的工藝。在锪窩的過(guò)程中由于前端導(dǎo)向桿的存在，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)墩頭窩向一個(gè)方向偏斜和劃傷孔內(nèi)壁的問題。并且斜面結(jié)構(gòu)釘桿與釘頭會(huì)成一定角度[7]。如圖2所示。

圖2 鉚釘釘頭偏斜

1.2 斜面鉚接

采用手工錘鉚方法鉚接斜面結(jié)構(gòu)，錘鉚是在鉚釘?shù)牧硪欢擞身旇F頂住，利用沖擊力使釘桿鐓粗，形成墩頭，鉚釘釘桿過(guò)分膨脹擠壓復(fù)合材料導(dǎo)致復(fù)合材料損傷，錘鉚還有可能直接打擊在復(fù)合材料上導(dǎo)致復(fù)合材料損傷，同時(shí)鉚釘墩頭可能出現(xiàn)裂紋[8]，造成鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定。

2 鉚接技術(shù)改進(jìn)

2.1 制孔軸線的選擇

垂直于楔形部位一面鉆孔，如圖3所示。

圖3 釘孔軸線

鉆孔時(shí)需使用垂直鉆套，并且垂直鉆套應(yīng)該與相應(yīng)鉆頭和鉸刀相匹配，以保證孔的軸線直于楔形部位一面。實(shí)際裝配中兩種制孔軸線對(duì)比如圖4所示，其中1號(hào)為制孔軸線垂直于楔形部位一面，2號(hào)制孔軸線為垂直于楔形部位的角平分線。

圖4 制孔軸線對(duì)比圖

2.2 锪窩鉆的選擇

采用球頭短導(dǎo)銷锪窩鉆配合锪窩限位器[6]，不僅可以保證埋頭窩的軸線垂直與復(fù)合材料表面，墩頭窩不出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象，而且可以提高埋頭窩內(nèi)表面質(zhì)量，有利于鉚釘材料的塑性流動(dòng)，同時(shí)還可以起到擠壓強(qiáng)化的效果，內(nèi)表面不容易分層和劈裂。

2.3 工藝墊板

工藝墊板的主要作用是壓緊復(fù)合材料，在鉆孔時(shí)減少孔內(nèi)分層和入口及出口處的材料劈裂現(xiàn)象。工藝墊板一般采用聚氯乙烯硬塑料板[9]。

2.4 膠鉚混合連接技術(shù)

本研究采用膠鉚混合連接技術(shù)。楔形復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)采用膠鉚混合連接工藝有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)[10]：

1）復(fù)合材料與夾層結(jié)構(gòu)預(yù)先膠接在一起，可以省去制孔后的層間清理工序，層與層之間不會(huì)存留鉆屑。

2）能夠起到定位和緊固的作用，保證相對(duì)位置精度；抑制復(fù)合材料板變形的作用。

3）可以減少孔的應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

2.5 鉚接方式為機(jī)器壓鉚

鉚接方式為機(jī)器壓鉚，即能夠適用楔形結(jié)構(gòu)的壓鉚機(jī)。壓鉚是利用靜壓力鐓粗鉚釘桿，形成墩頭。壓鉚的鉚接質(zhì)量穩(wěn)定，與操作者技術(shù)水平關(guān)系較小，不會(huì)多次錘擊而意外導(dǎo)致復(fù)合材料損傷，鉚接后鉚接件和鉚釘?shù)谋砻尜|(zhì)量好，工作效率高。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 壓鉚試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)準(zhǔn)備包括試驗(yàn)件制備、制孔锪窩、鉚釘選擇等。

3.1.2 試驗(yàn)件制備工藝要求

制孔前將復(fù)合材料與夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行膠接。

刀具推薦選用三尖兩刃整體硬質(zhì)合金復(fù)合材料專用鉆頭。對(duì)于復(fù)合材料制孔，一般選用低速進(jìn)給和較大的轉(zhuǎn)速為好，推薦轉(zhuǎn)速為3800r/min～4500r/min，進(jìn)給量為0.1mm/r。鉸孔推薦采用500r/min的速度。锪窩時(shí)使用硬質(zhì)合金或金剛石锪窩鉆，配合锪窩限位器使用。為防止復(fù)合材料表面纖維劈裂，锪窩鉆必須旋轉(zhuǎn)后接觸試驗(yàn)件。

制孔锪窩后，對(duì)試驗(yàn)件表面和孔內(nèi)進(jìn)行清理。

3.1.3 鉚接

在楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中鉚釘?shù)耐馍炝康目刂剖潜ＷC鉚接質(zhì)量重要的因素之一[11]。根據(jù)文獻(xiàn)[6]提出斜面鉚接選擇鉚釘長(zhǎng)度公式：

其中L為鉚釘長(zhǎng)度；ΔH為孔深；（0.6～0.8）d系數(shù)，一般情況選較小值；d為鉚釘直徑。

這里僅選取部分直徑為4mm的鉚釘進(jìn)行分析介紹，測(cè)量試驗(yàn)件的夾層厚度h，如圖5所示，并確定孔位，根據(jù)公式選擇鉚釘長(zhǎng)度，然后求出理論值的孔深，測(cè)量試驗(yàn)件鉚釘孔的深度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析并求出理論計(jì)算值與真實(shí)測(cè)量值的相對(duì)誤差。試驗(yàn)表格如表1所示。

圖5 夾層厚度

表1 孔深ΔH （單位：mm）

通過(guò)計(jì)算得出相對(duì)誤差的平均值為1.50%，誤差較小。

選取良好的試驗(yàn)件分別進(jìn)行手工錘鉚和機(jī)器壓鉚。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)鉚接后質(zhì)量分：1）外觀質(zhì)量和；2）拉脫測(cè)試兩個(gè)部分進(jìn)行檢查，最終得出結(jié)論。

3.2.1 外觀質(zhì)量檢查

檢查結(jié)果分析如下：

由鉚接后的試驗(yàn)件圖6與圖7可以看出，錘鉚后鉚釘墩頭的表面粗糙度比壓鉚的大，并且1和4號(hào)鉚釘有裂紋產(chǎn)生，由于手工錘鉚采用多次鉚接使鉚釘成形，即多次錘擊鉚釘使釘桿鐓粗，形成墩頭，墩頭處常有裂紋產(chǎn)生；錘鉚后墩頭窩周圍復(fù)材有明顯的凸起情況，這是因?yàn)槭止ゅN鉚與操作者技術(shù)水平有關(guān)，難免會(huì)有操作失誤導(dǎo)致直接錘擊在復(fù)材表面上，從而導(dǎo)致復(fù)材損傷?？傮w來(lái)看壓鉚后的試驗(yàn)件外觀質(zhì)量非常良好。

圖6 錘鉚試驗(yàn)件

圖7 壓鉚試驗(yàn)件

3.2.2 拉脫測(cè)試試驗(yàn)

查閱文獻(xiàn)[12]后，本研究采用拉脫試驗(yàn)驗(yàn)證兩種不同鉚接方式的軸向抗拉強(qiáng)度，從而衡量鉚接質(zhì)量。在相同的條件下，手工錘鉚和機(jī)器壓鉚各進(jìn)行8次試驗(yàn)。

圖8 剪切強(qiáng)度力-位移曲線

表2 鉚釘剪切破壞載荷 （單位：N）

從表2和圖8中可以看出，壓鉚的軸向承載能力大于普通錘鉚。其原因是壓鉚是由穩(wěn)定的壓力整體對(duì)鉚釘桿進(jìn)行鐓粗，一次成形，墩頭對(duì)夾層形成的壓緊力穩(wěn)定；錘鉚是多次打擊鉚釘桿成形，在鉚接過(guò)程中墩頭與夾層多次相互作用，產(chǎn)生的壓緊力不穩(wěn)定，降低了其破壞載荷。因此，采用機(jī)器壓鉚的試驗(yàn)件拉脫強(qiáng)度要優(yōu)于手工錘鉚試驗(yàn)件的拉脫強(qiáng)度。

4 結(jié)論

根據(jù)研究?jī)?nèi)容，結(jié)合現(xiàn)有鉚接工藝?yán)碚摵同F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)復(fù)材的材料特性，優(yōu)化雙面埋頭存鈦鉚釘?shù)男ㄐ螐?fù)合材料鉚接工藝，確保復(fù)合材料在鉚接過(guò)程中不被損傷的情況下，達(dá)到合格的鉚接質(zhì)量。

本文針對(duì)楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的鉚接，做了一系列研究和試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

1）使楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制孔軸線為垂直于楔形部位一面，能夠解決鉚釘釘頭偏斜問題。

2）相對(duì)于手工錘鉚，機(jī)器壓鉚對(duì)楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷小，其表面質(zhì)量更好。

3）通過(guò)鉚接件拉脫測(cè)試試驗(yàn)，機(jī)器壓鉚和手工錘鉚的剪切強(qiáng)度的平均值分別為2724.5N和2278.6N。故機(jī)器壓鉚比手工錘鉚鉚接能夠承受的軸向承載能力高。

4）針對(duì)楔形復(fù)合材料雙面埋頭鉚接，建議鉚釘長(zhǎng)度選取按照公式L=ΔH+（0.6～0.8）d。

5）采用優(yōu)化后的鉚接工藝能夠解決楔形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鉚接存在的安裝損傷問題。

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