航空有機(jī)玻璃定向修形工藝方法的研究

徐夢 張勇勇

摘要：航空有機(jī)玻璃成品件因外形尺寸超差無法進(jìn)行裝配，嚴(yán)重制約飛機(jī)修理周期。通過對YB-2玻璃進(jìn)行力學(xué)分析，研究出對玻璃施加定向外力并退火消除內(nèi)應(yīng)力的工藝方法可使玻璃形成定向塑性變形，有效縮短了因退換貨造成的生產(chǎn)周期延誤，減少了外購成品玻璃報廢的成本損失。

關(guān)鍵詞：航空有機(jī)玻璃；定向；修形

Keywords：aeronautical perspex；directional；modification

0 前言

航空有機(jī)玻璃是飛機(jī)上一類具有特殊功能的部件，是機(jī)體結(jié)構(gòu)的組成部分，不僅提供良好的視野，還起到維持飛機(jī)氣動外形的作用。

某型飛機(jī)連續(xù)多次出現(xiàn)觀測窗外購有機(jī)玻璃的外形與機(jī)體不貼合情況，裝配后玻璃與機(jī)體單邊間隙達(dá)10mm以上。通過對玻璃的外形尺寸超差缺陷進(jìn)行統(tǒng)計，該玻璃缺陷主要集中在玻璃上方（安裝方向），通過調(diào)整玻璃裝配位置及方法后，玻璃凸弧與機(jī)體框架凸弧不一致（見圖1），有11mm左右的間隙。

由于該玻璃（YB-2航空有機(jī)玻璃）為外購成品玻璃，采購周期長、成本高，如無法安裝，將導(dǎo)致座艙氣密試驗等工作無法推進(jìn)，報廢成本高昂，對生產(chǎn)周期有很大影響，開展故障研究勢在必行。

1 航空有機(jī)玻璃定向修形的可行性分析

1.1 航空有機(jī)玻璃定向修形試驗力學(xué)分析

為了對航空有機(jī)玻璃進(jìn)行定向修形，需要對玻璃尺寸超差處銑切面施加定向外力，以消除玻璃凸弧與機(jī)體框架凸弧的間隙，簡化模型如圖2所示。

該型飛機(jī)玻璃采用經(jīng)典的靜強(qiáng)度設(shè)計，對玻璃力學(xué)性能簡化分析時，忽略玻璃整體在外力載荷條件下的受力情況，僅對玻璃受力點進(jìn)行極限力學(xué)分析，以確保外力載荷不對玻璃造成不可逆的損壞。

根據(jù)YB-2玻璃彈性模量與溫度的關(guān)系及拉伸強(qiáng)度與溫度的關(guān)系，確定室溫（20℃）條件下，YB-2有機(jī)玻璃彈性模量為3GPa，YB-2有機(jī)玻璃拉伸強(qiáng)度為70MPa。根據(jù)彈性變形胡克定律，若施加外力使玻璃發(fā)生11mm的變形量，玻璃受力點的極限應(yīng)力值小于玻璃拉伸強(qiáng)度時，理論上不會對玻璃造成破壞性損傷。

1.2 航空有機(jī)玻璃定向修形內(nèi)應(yīng)力的消除

為了消除彈性變形導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力并保持玻璃的整體外形不被破壞，將變形后的玻璃加溫至玻璃的應(yīng)變點至軟化點之間的溫度進(jìn)行低溫退火，可使玻璃發(fā)生定向塑性變形。

因此，在室溫（20℃）對玻璃施加小于其拉伸強(qiáng)度的外力，使玻璃發(fā)生彈性變形，并通過退火消除彈性變形內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到玻璃可控塑性變形的目的，在理論上是可行的。

2 YB-2航空有機(jī)玻璃定向修形工藝方法的研究

通過對YB-2航空有機(jī)玻璃制作過程的分析，將定向修形試驗分為定向拉伸、退火、安裝方法優(yōu)化等三個步驟開展。

2.1 定向拉伸

1）外觀檢查

對玻璃銑切面進(jìn)行初磨及外觀檢查，防止銑切面存在其他缺陷導(dǎo)致施加外力時出現(xiàn)破損等情況。

2）定位工藝孔

a. 玻璃上機(jī)驗裝，調(diào)整玻璃安裝位置，使玻璃與機(jī)身窗框的匹配程度最佳，并用記號筆在玻璃上畫出粗加工基準(zhǔn)線，按照粗加工基準(zhǔn)線進(jìn)行銑加工，使銑切面圓滑過渡。

b. 再次上機(jī)驗裝，使玻璃與機(jī)身窗框的匹配程度最佳，在玻璃凸弧與機(jī)體框架凸弧間隙最大處做記號，在對應(yīng)銑切面鉆10mm的定位工藝孔（見圖3）。

3）外力拉伸工具選擇及裝配方法

選用槽鋁（LY-12）作基底，使用螺栓及配套蝶形螺母、緩沖材料，按照圖4、圖5進(jìn)行裝配，調(diào)節(jié)緩沖材料厚度，使玻璃銑切面與鋼材基底間隙為11mm。雖然經(jīng)過測算，定向拉伸力不會對玻璃造成破壞性損傷，但為了減小定位孔處的壓力，在鋼材與玻璃兩端以及蝶形螺母與玻璃之間增加了緩沖材料，同時也減少了定向拉伸工具對玻璃外觀質(zhì)量可能造成的損傷。

4）外力施加方法

通過理論計算，極限外力值在飛機(jī)有機(jī)玻璃的拉伸強(qiáng)度范圍內(nèi)。但為了防止出現(xiàn)玻璃破損情況，將施加外力分為兩個步驟，一是在低溫退火前直接施加外力，將玻璃凸弧與機(jī)體框架凸弧間隙減小至6mm，二是在低溫退火階段將螺栓擰到底，使玻璃凸弧與機(jī)體框架凸弧間隙減小至0mm。

2.2 低溫退火

1）退火溫度及退火時間選擇

查詢材料手冊，YB-2玻璃的退火溫度為（70～80）℃，加熱時間為6h。根據(jù)手冊要求及實際工作經(jīng)驗，將定向拉伸后的玻璃低溫退火溫度設(shè)定在80℃，退火時間設(shè)定為6h。

2）退火步驟

a. 將施加外力的飛機(jī)有機(jī)玻璃放入預(yù)熱80℃的烘箱，開始計時。

b. 加熱2h后，打開烘箱，迅速將加力裝置的螺栓擰到底，使玻璃凸弧與機(jī)體框架凸弧間隙減小至0mm，關(guān)閉烘箱。

c. 總加熱6h后關(guān)閉烘箱，不允許打開烘箱門，隨爐冷卻后，取出玻璃。

2.3 定向拉伸玻璃的檢驗

1）外形尺寸

經(jīng)測量，隨爐冷卻后的玻璃變形有所反彈，玻璃銑切面與鋼材基底間隙為3mm，塑性變形量為8mm。

2）外觀質(zhì)量檢查

對定向修形后的有機(jī)玻璃進(jìn)行外觀檢查，無布紋等典型表觀缺陷，玻璃下方（基準(zhǔn)為安裝方向）有一個小于0.5mm的點狀缺陷，符合技術(shù)要求。

對定向修形后的有機(jī)玻璃進(jìn)行光學(xué)性能檢查，采用30°角目視檢查，距其實際邊框10mm以外無明顯的波紋影像、弧形折光影像、球形折光影像等缺陷，符合技術(shù)要求。

2.4 安裝方法優(yōu)化

1）機(jī)上驗裝

a. 將玻璃再次上機(jī)驗裝，以玻璃原缺陷處銑切面定位孔為安裝基準(zhǔn)進(jìn)行固定，在此基礎(chǔ)上通過調(diào)整安裝位置，消除玻璃銑切面與機(jī)體框架的剩余間隙影響。對照飛機(jī)安裝面，在玻璃四周其余螺釘孔位置鉆取Φ4mm螺釘孔，取下玻璃后在原螺釘孔位置用120o劃窩鉆頭重新鉆取Φ10mm的安裝孔，同時在安裝孔的外側(cè)邊緣用細(xì)木工帶鋸機(jī)鋸成與安裝孔等寬約10mm的豁口，用400#的水砂紙除去毛刺。

b. 鉆孔完畢的玻璃再次上機(jī)驗裝，玻璃各邊間隙符合要求后進(jìn)行外觀處理。

2）外觀處理

取下玻璃，用中性肥皂水或中型清洗劑水溶液清洗整個表面，再用清潔的溫水清洗。清洗后用潔凈的軟絨布擦干，或用干燥、清潔的壓縮空氣吹干，并裝配。

3 結(jié)束語

航空有機(jī)玻璃定向修形工藝方法已在發(fā)現(xiàn)缺陷的飛機(jī)上使用，裝配間隙符合要求，廠內(nèi)經(jīng)過氣密試驗、水密試驗等均未發(fā)現(xiàn)漏氣、漏水問題。出廠飛機(jī)經(jīng)質(zhì)量回訪，目前使用效果良好。

通過對有機(jī)玻璃板YB-2制成的玻璃定向修形工藝的研究，確認(rèn)在特定條件下對成品件玻璃施加一定的定向外力可改變玻璃外形，提高裝配質(zhì)量的方法具有可行性，緩解了因玻璃制造缺陷延誤飛機(jī)維修周期的局面，減少了玻璃報廢的成本損失。

參考文獻(xiàn)

[1]史偉琪，黃正云，李躍進(jìn).航空有機(jī)玻璃的力學(xué)性能和溫度的關(guān)系[J].材料工程，1988（3）：3-8.

[2]師昌緒，顏鳴皋.工程材料實用手冊[M].第2版.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

作者簡介

徐夢，工程師，主要從事飛機(jī)非金屬修理及噴涂工藝研究、工程技術(shù)及質(zhì)量管理工程。

張勇勇，助理工程師，主要從事飛機(jī)非金屬修理及噴涂工藝研究。