飛機(jī)前緣機(jī)動(dòng)襟翼蜂窩芯與金屬零件協(xié)調(diào)配合技術(shù)研究

陳爭(zhēng)新

海軍裝備部，四川 成都 610093

先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已有30多年的歷史[1]，目前國(guó)外軍用飛機(jī)復(fù)合材料的用量占總重的25%～40%，民用飛機(jī)達(dá)10%～15%，直升機(jī)則高達(dá)60%以上。復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度、高比剛度、最大抗疲勞性能，以及抗沖擊性能優(yōu)異和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)[2]。某型機(jī)的前緣機(jī)動(dòng)襟翼是全高度、全尺寸上下翼面多個(gè)臺(tái)階的無孔鋁蜂窩復(fù)材結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不但承受氣動(dòng)載荷而且要承受前襟梁耳片和高密度夾芯擴(kuò)散旋轉(zhuǎn)作動(dòng)器的集中載荷，蜂窩內(nèi)沒有嵌鑲件，因此蜂窩芯和梁、蒙皮的膠接質(zhì)量尤其重要。就膠接技術(shù)而言，因前襟上、下蒙皮為多臺(tái)階、厚薄變化大的化銑壁板，故與蜂窩芯膠接配合協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，公差配合要求嚴(yán)，導(dǎo)致膠接制造難度非常大。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，骨架零件包括鈑金成型的肋、數(shù)控加工的梁、化銑成型的蒙皮的超差或返修可能性較小，而蜂窩芯由于固持方式和數(shù)模設(shè)計(jì)的問題，一般出現(xiàn)超差的概率較大，同時(shí)設(shè)計(jì)允許對(duì)蜂窩零件采取局部修配或補(bǔ)償措施。因此，在正式開始生產(chǎn)前，通過對(duì)蜂窩芯零件的高度尺寸變化的補(bǔ)償性試驗(yàn)來研究蜂窩芯與其他金屬零件的協(xié)調(diào)配合問題具有實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)概述

蜂窩與骨架零件協(xié)調(diào)尺寸的理想狀態(tài)是比骨架零件高出0.1～0.2mm（單面），當(dāng)局部區(qū)域蜂窩零件比骨架零件高0.4mm或低0.1mm時(shí)，在實(shí)際結(jié)構(gòu)的預(yù)裝配工序中應(yīng)采取必要措施進(jìn)行協(xié)調(diào)：當(dāng)蜂窩零件為正差時(shí)，對(duì)局部高出的蜂窩芯端面采取手工修倒的方式，具體操作時(shí)，還要注意蜂窩芯零件被修正端面以外部分不可失穩(wěn)；當(dāng)蜂窩零件為負(fù)差時(shí)，采取局部用玻璃布加墊的方式，玻璃布采用厚度為0.1mm、0.2mm的平紋或斜紋均可，但必須經(jīng)脫蠟處理，視蜂窩需補(bǔ)償?shù)母叨葋泶_定鋪貼玻璃布的層數(shù)和厚度。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)擬選取5個(gè)蜂窩高度值進(jìn)行比較試驗(yàn)。（1）正常蜂窩高度：蜂窩高度無須補(bǔ)償，用以做基本數(shù)據(jù)。（2）蜂窩高度超差0.6mm：對(duì)蜂窩端面刮倒并壓平使之相對(duì)原高度低0.6mm。（3）蜂窩高度超差0.3mm：對(duì)蜂窩端面刮倒并壓平使之相對(duì)原高度低0.3mm。（4）蜂窩高度負(fù)差0.2mm：蜂窩端面加一層0.2mm厚玻璃布并加貼一層J-116A膜。（5）蜂窩高度負(fù)差0.4mm：蜂窩端面加2層0.2mm厚玻璃布并增貼2層J-116A膜。膠膜與玻璃布應(yīng)相間鋪貼，如圖1所示。

圖1 鋪貼示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)蜂窩芯的高度偏差的修復(fù)效果通常是通過典型夾層結(jié)構(gòu)件的承載能力的變化進(jìn)行考核，而對(duì)蜂窩元件的分項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)較少。為了考核蜂窩端面與面板材料的膠接性能，此次只進(jìn)行蜂窩的90°剝離試驗(yàn)及蜂窩的平面拉脫試驗(yàn)。蜂窩90°剝離試驗(yàn)及蜂窩的平面拉脫試驗(yàn)分別按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)《膠接鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)90°剝離試驗(yàn)方法》（GJB 130.8—86）、《膠接鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)平面拉伸試驗(yàn)方法》（GJB 130.4—86）進(jìn)行[3]，結(jié)果如表1所示。

表1 蜂窩高度補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)果分析

該試驗(yàn)中的剝離試樣和平拉試樣的破壞行事基本遵循一定的規(guī)律，即剝離試樣基本破壞在蜂窩與面板的界面上（用玻璃布補(bǔ)償?shù)脑嚇映猓?，呈J-116A膠膜的內(nèi)聚破壞；平拉試樣基本破壞在蜂窩芯材本身。玻璃布補(bǔ)償?shù)脑嚇樱瑒冸x破壞發(fā)生在玻璃布與蜂窩端面的膠層間，剝離強(qiáng)度極低；板—芯剝離強(qiáng)度均大于材料標(biāo)準(zhǔn)值6.5N/mm及設(shè)計(jì)要求值5.0N/mm。

關(guān)于蜂窩補(bǔ)償后高度尺寸的控制問題，蜂窩零件正差時(shí)，采取對(duì)蜂窩端面的修倒方式，發(fā)現(xiàn)固化后，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中蜂窩的實(shí)際尺寸較預(yù)計(jì)的數(shù)值小約0.1mm。這可能是因?yàn)橛昧烤邷y(cè)量蜂窩修配后的尺寸時(shí)，蜂窩端面承受的力與固化狀態(tài)蜂窩端面承受的力存在差異，故在精確控制結(jié)構(gòu)外形尺寸時(shí)應(yīng)對(duì)此予以考慮。蜂窩零件為負(fù)差時(shí)，采取加玻璃布及膠膜的方式，發(fā)現(xiàn)實(shí)際比玻璃布增厚約0.1mm。

4.1 試樣平拉強(qiáng)度的差異問題

根據(jù)前文所述，蜂窩平拉試樣基本破壞在蜂窩芯本身的斷面上。但從單個(gè)試樣的破壞載荷和平拉強(qiáng)度上看，各種情況的試樣存在較大差異，則蜂窩試樣的破壞強(qiáng)度的實(shí)際值與理論值的比較中也存在一定差異。

鋁蜂窩夾芯材料為L(zhǎng)F2Y，其拉伸強(qiáng)度極限為260MPa，材料厚度為0.05mm。經(jīng)計(jì)算，蜂窩斷面破壞的平面拉脫強(qiáng)度應(yīng)為10.2MPa。但所有試樣破壞強(qiáng)度均以此數(shù)值為極限。上述結(jié)果可能由以下原因所致。

平拉強(qiáng)度較低的試樣基本是蜂窩端面經(jīng)過修整的試樣。通過對(duì)試樣的觀察分析可以看到，蜂窩破壞的斷面形式基本不暴露蜂窩孔格，蜂窩端面修倒與未修的蜂窩其剝離強(qiáng)度差別不大，剝離強(qiáng)度均高于材料標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)要求值。

在平面拉脫強(qiáng)度測(cè)試的過程中可以觀察到，拉脫試樣破壞的瞬間極短，蜂窩斷面的破壞布可能同時(shí)發(fā)生。這也可能是正常拉脫破壞強(qiáng)度低于理論值的原因之一。

4.2 剝離強(qiáng)度的差異問題

J-116/J-117膠粘劑體系的面板與蜂窩芯間的破壞基本發(fā)生在蜂窩的端面，呈J-116A膜的內(nèi)聚破壞。由于膠膜在固化過程中對(duì)蜂窩端面有局部浸潤(rùn)，在蜂窩格孔較小的情況下，剝離破壞的蜂窩端面基本接近板—板剝離的情況，故剝離強(qiáng)度數(shù)值較高。用玻璃布補(bǔ)償?shù)脑嚇?，由于破壞發(fā)生在玻璃布與覆蓋蜂窩芯的J-116A膜之間，玻璃布表面基本沒膠，呈黏附破壞，因而剝離強(qiáng)度很低。為此，采用玻璃布補(bǔ)償?shù)姆绞剑瑧?yīng)預(yù)先用膠液進(jìn)行預(yù)浸處理。

5 試驗(yàn)應(yīng)用

（1）在前緣機(jī)動(dòng)襟翼的前期生產(chǎn)中，首先測(cè)出蜂窩芯與周邊骨架零件（梁、第一肋、端肋）的階差，再與理論階差相比較。若高于理論階差，則采用手工修倒蜂窩芯方式，并力求光滑過渡，而且被修端面以外部分不失穩(wěn)。雖然在某架次中第一肋有200mm范圍內(nèi)超差達(dá)到1.6mm，在只能采取手工修倒方式修配后，膠接質(zhì)量經(jīng)無損探傷仍然是合格的。

（2）蜂窩芯與蒙皮的修配難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蜂窩芯和骨架的修配。由于化銑蒙皮的特殊性（精度不高但返修難度很大），只能以蒙皮的內(nèi)型面為標(biāo)準(zhǔn)，用聚酯薄膜畫出蒙皮內(nèi)型面的臺(tái)階位置，作為蒙皮樣板。將蒙皮樣板覆蓋在蜂窩芯面上，并借用蒙皮和骨架上的定位孔來加固樣板的位置，然后檢查蒙皮臺(tái)階和蜂窩芯臺(tái)階的相對(duì)位置。若臺(tái)階之間有間隙，則按設(shè)計(jì)的要求在間隙位置增補(bǔ)J-116A-δ0.55的膠膜；若臺(tái)階有重合現(xiàn)象，則按蒙皮臺(tái)階位置將重合部位的蜂窩芯壓倒，并增補(bǔ)一層J-116A-δ0.55的膠膜。

在蜂窩芯臺(tái)階位置確定后，用塞尺檢查蜂窩芯的臺(tái)階高度。按試驗(yàn)中的方法進(jìn)行補(bǔ)償。蜂窩芯高度負(fù)差的情況只在某架次的左件中出現(xiàn)過。由于吸取了試驗(yàn)中的教訓(xùn)，故先將玻璃布用J-117充分浸潤(rùn)，之后將其作為修補(bǔ)材料補(bǔ)償蜂窩芯的高度差，但應(yīng)考慮到浸潤(rùn)了J-117的玻璃布在固化之后的單層厚度比固化前增加了約0.05mm。同時(shí)，制作了同條件的隨爐件測(cè)試其剝離強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，剝離強(qiáng)度值高于未加玻璃布的試驗(yàn)件。

6 結(jié)束語

綜上所述，通過試驗(yàn)研究的蜂窩局部修配和補(bǔ)償方案解決了金屬蜂窩芯與其他金屬零件的協(xié)調(diào)配合問題，該試驗(yàn)方法完全符合設(shè)計(jì)要求的氣動(dòng)外形和力學(xué)強(qiáng)度要求，對(duì)提升鋁蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造加工能力起著積極作用。上述方法已通過某型機(jī)設(shè)計(jì)部門的認(rèn)定，并將修配及補(bǔ)償方案納入部件的制造技術(shù)條件中。