復(fù)合材料楔形蜂窩結(jié)構(gòu)二次膠接技術(shù)研究

張旭艷

摘 要：大型復(fù)合材料采用整體成型可以減少零件、緊固件的數(shù)量，從而達(dá)到減重目的，同時(shí)也可有效降低成本，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上普遍應(yīng)用。本文介紹了復(fù)合材料楔形蜂窩結(jié)構(gòu)件的研制過程，闡述了二次膠接的成型方法在楔形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)組件中的應(yīng)用以及二次膠接過程中易見的無損質(zhì)量問題，通過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了固化壓力提升、優(yōu)化尾緣處泡沫膠的填充范圍及放置壓力墊的工藝方法改進(jìn)對(duì)擾流板二次膠接質(zhì)量有較好的改善。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 二次膠接 缺陷 蜂窩夾層 楔形

中圖分類號(hào)：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（c）-0016-03

夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料通常采用先進(jìn)復(fù)合材料做面板，以蜂窩芯和泡沫為夾芯膠接而成。夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有高剛度/重量比的高效率結(jié)構(gòu)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上普遍應(yīng)用。大型復(fù)合材料采用整體成型可以減少零件、緊固件的數(shù)量，從而達(dá)到減重目的，同時(shí)也可有效降低成本。共固化、共膠接、二次膠接技術(shù)是復(fù)合材料整體成型最基本的方法，更是發(fā)揮復(fù)合材料減重、降低制造成本的主要技術(shù)途徑。二次膠接技術(shù)是已固化了的不同的復(fù)合材料制件通過膠粘劑再次固化膠接的過程[1]，其間僅有的化學(xué)或熱的反應(yīng)是膠粘劑的固化，這也是整體成型中要用到的技術(shù)[2]。

選取某型機(jī)復(fù)合材料擾流板作為典型結(jié)構(gòu)，該組件蜂窩芯型面復(fù)雜，次級(jí)零件較多，通過二次膠接工藝方案成型。在成型工藝過程中，膠接質(zhì)量是影響產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的重要因素。本文研究了該結(jié)構(gòu)組件在二次膠接過程中常見的缺陷，并針對(duì)缺陷制訂了相應(yīng)的解決措施，且得到了較好驗(yàn)證?？偨Y(jié)了二次膠接質(zhì)量控制途徑，對(duì)楔形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)組件的制造工藝及質(zhì)量控制有參考意義。

1 正文

1.1 典型結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造流程

1.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

單塊組件包括復(fù)合材料上下蒙皮、內(nèi)外梁、全高度芳綸紙蜂窩芯、內(nèi)外側(cè)角片、擋塊和墊板組成，尺寸約2300mm×1100mm，整體呈楔形，其組成圖如圖1所示。

其中，上蒙皮與蜂窩芯接觸面有加強(qiáng)區(qū)，加強(qiáng)區(qū)以中部U型開口區(qū)為中心呈臺(tái)階分布；下蒙皮與蜂窩芯接觸面為光滑面，外表面帶加強(qiáng)區(qū)，加強(qiáng)區(qū)以U型開口區(qū)為中心呈臺(tái)階分布；內(nèi)外段梁外側(cè)為包角結(jié)構(gòu)，裝配區(qū)有加強(qiáng)層；蜂窩芯為楔形結(jié)構(gòu)，厚度由2～100mm變化不等，與下蒙皮接觸面為光滑面，呈雙曲結(jié)構(gòu)；與上蒙皮接觸面帶下限，下限以U型開口區(qū)為中心呈臺(tái)階狀分布。

1.1.2 模具方案

由于上下蒙皮帶有加強(qiáng)型面，且下蒙皮呈雙曲結(jié)構(gòu)，考慮到復(fù)合材料與金屬的熱膨脹系數(shù)不同，如果采用常規(guī)金屬模具，蒙皮固化變形比較嚴(yán)重，而Invar合金（又稱殷鋼）材料熱膨脹系數(shù)與金屬模具相當(dāng)，采用Invar合金材料制作蒙皮模具，對(duì)控制蒙皮固化變形會(huì)起到積極作用。Invar合金材料的機(jī)械性能如表1所示[3]。

上、下蒙皮成型模和組件二次膠接夾具采用Invar合金材料，其中上蒙皮和組件二次膠接合用一套工裝，其他零件使用鋼制工裝。圖2為膠接夾具數(shù)模。

1.1.3 制造流程

上下蒙皮、內(nèi)外段梁帶余量數(shù)控下料、激光投影、單獨(dú)固化成型，零件成型后按成型模上鉆模位置鉆制定位孔，定位孔位置與二次膠接夾具上定位銷的位置協(xié)調(diào)。蜂窩芯通過數(shù)控銑切方式加工。內(nèi)外側(cè)角片、擋塊、墊板零件成型后，修整到凈尺寸，參與二次膠接。制造工藝流程如圖3、圖4所示。

1.2 組件膠接內(nèi)部質(zhì)量

1.2.1 內(nèi)部無損缺陷種類

成型后的組件內(nèi)部容易發(fā)生以下無損缺陷：板-芯脫粘、板-板脫粘、孔隙密集。經(jīng)對(duì)各批次組件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這3類缺陷發(fā)生的位置相對(duì)比較集中。其中，1#區(qū)域常見缺陷為板-板區(qū)脫粘，2#區(qū)域常見缺陷為板-芯區(qū)脫粘，3#區(qū)域常見缺陷為孔隙密集。擾流板常見缺陷位置分布如圖5所示。

1.2.2 原因分析

經(jīng)分析，我們認(rèn)為造成無損脫粘缺陷的主要原因有兩點(diǎn)：（1）蜂窩芯的銑切方案不合理，專用銑具出現(xiàn)變形，導(dǎo)致銑切完畢后，蜂窩芯型面局部超差；（2）2#區(qū)域組件型面局部變化劇烈，固化過程中，此處固化壓力不足，造成無損缺陷產(chǎn)生。

針對(duì)尾緣孔隙密集缺陷，我們分析產(chǎn)生該缺陷的主要原因?yàn)椋海?）尾緣處蜂窩芯很薄，只有約2mm，便從板-芯區(qū)過渡至板-板區(qū)，泡沫膠的填充量及填充位置可能對(duì)孔隙的產(chǎn)生有影響；（2）尾緣部位，下蒙皮帶雙曲型面，傳壓均勻性不足。

1.3 工藝改進(jìn)試驗(yàn)

在原工藝方案、模具方案不變的前提下，為了提升組件的二次膠接質(zhì)量，我們根據(jù)脫粘缺陷的原因分析對(duì)組件膠接過程采取了針對(duì)性的措施，進(jìn)行了工藝改進(jìn)試驗(yàn)。

（1）提升固化壓力。

針對(duì)組件外形局部變化劇烈，壓力不足的問題，將組件的固化壓力由0.20MPa±0.035MPa，提升為0.22MPa±0.035MPa。通過提升整體固化壓力，保證外形局部變化劇烈處壓力滿足膠接要求。

（2）優(yōu)化泡沫膠填充范圍。

針對(duì)尾緣處易出現(xiàn)孔隙超差的問題，優(yōu)化泡沫膠的填充范圍，降低泡沫膠填充寬度，由約35mm改為約30mm，并且，將鋪貼區(qū)域向蜂窩芯方向移動(dòng)約5mm，將部分泡沫膠放置在蜂窩芯上表面。

（3） 放置壓力墊。

針對(duì)尾緣處易出現(xiàn)孔隙超差的問題，制袋時(shí)，在此處放置1層壓力墊airpad（未固化），起到均勻傳導(dǎo)壓力的作用。

（4）改進(jìn)蜂窩芯銑切方案。

針對(duì)蜂窩芯在銑切過程中頻繁出現(xiàn)型面超差的問題，數(shù)控技術(shù)人員重新制定了蜂窩芯銑切方案，并申請(qǐng)了新的銑切夾具。

1.4 工藝改進(jìn)效果評(píng)估

經(jīng)過上述工藝改進(jìn)試驗(yàn)，出現(xiàn)無損缺陷的組件數(shù)量、發(fā)生概率明顯降低，參見圖9可以看出在工藝改進(jìn)試驗(yàn)后無損不合格率呈下降并穩(wěn)定趨勢(shì)，擾流板組件二次膠接質(zhì)量有了很好的改善。

2 結(jié)論（結(jié)束語）和建議

（1）擾流板組件典型結(jié)構(gòu)為楔形制件，組裝完成后下蒙皮與上蒙皮形成封閉結(jié)構(gòu)將蜂窩芯包裹在內(nèi)，二次膠接中僅有的化學(xué)或熱的反應(yīng)是膠粘劑的固化，固化過程中是否存在揮發(fā)性氣體造成零組件板-芯脫粘還需進(jìn)一步驗(yàn)證；封閉的結(jié)構(gòu)對(duì)熱能及氣體的流動(dòng)路徑也造成一定的阻礙，或?qū)_流板膠接質(zhì)量有較大影響。

（2）組合膠接時(shí)，充分考慮固化壓力對(duì)蜂窩芯的影響、膠粘劑性能的發(fā)揮，經(jīng)試驗(yàn)0.22MPa±0.035 MPa的固化壓力對(duì)擾流板典型結(jié)構(gòu)組件膠接效果較佳。

（3）楔形蜂窩芯在尾緣處高度為2mm，膠接時(shí)要用發(fā)泡膠和預(yù)浸料碳布將2mm臺(tái)階過渡，該區(qū)域?yàn)榘?芯和板-板過渡區(qū)、發(fā)泡膠和膠膜補(bǔ)償交接區(qū)，容易發(fā)生孔隙密集缺陷；優(yōu)化尾緣處泡沫膠的填充范圍及放置壓力墊的工藝方法對(duì)尾緣孔隙密集缺陷有很好的改善。

參考文獻(xiàn)

[1] 段正才，郭紹華，冉安國. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)二次膠接技術(shù)研究[A].第17屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文[C].2012.

[2] 陳紹杰.淺談復(fù)合材料的整體成型技術(shù)[J].高科技纖維與應(yīng)用，2005（2）：6-9.

[3] 常海峰，梁憲珠，李黎.復(fù)合材料前機(jī)身典型結(jié)構(gòu)整體成型[J].航空制造技術(shù)，2009（S1）：48-52.