帶閉合腔體金屬膠接口蓋成型工藝優(yōu)化

張靜 惠佳 李奇輝

摘要：金屬結(jié)構(gòu)膠接成型工藝在飛機(jī)零件的制造中已得到了廣泛應(yīng)用。該文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)某飛機(jī)短艙口蓋成型過(guò)程中存在的表面處理問(wèn)題、蒙皮定位問(wèn)題、外蒙皮凹痕問(wèn)題、膠接質(zhì)量問(wèn)題、固化后翹曲度超差問(wèn)題、金屬刮膠表面噴漆后針孔問(wèn)題等質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析討論，并對(duì)一系列改進(jìn)措施進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證，同時(shí)指出了后續(xù)此類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量提升的方向。

關(guān)鍵詞：閉合腔體??金屬膠接??成型工藝??膠接質(zhì)量

中圖分類號(hào)：V262?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Optimization?of?the?Forming?Process?for?Metal-Bonding?Covering?Caps?with?the?Closed?Cavity

ZHANG?Jing??HUI?Jia??LI?Qihui

（AVIC?Xi'an?Aircraft?Industry?Group?Company，?Ltd.，?Xi'an，?Shaanxi?Province，?710089?China）

Abstract：?Metal-bonding?forming?technology?has?been?widely?used?in?the?manufacture?of?aircraft?parts.?Combined?with?the?actual?production?situation，?;this?paper?analyzes?and?discusses?the?surface?treatment，?skin?positioning，?outer?skin?dent，?bonding?quality，?warpage?out-of-tolerance?after?curing，?pinhole?after?painting?on?the?metal?scraping?surface?and?other?quality?problems?in?the?forming?process?of?an?aircraft's?nacelle?hatch?cover，?verifies?a?series?of?improvement?measures?in?production，?and?points?out?the?direction?of?improving?the?quality?of?such?structural?products?in?the?future.

Key?Words：?Closed?cavity；Metal?bonding；Forming?process；Bonding?quality

金屬結(jié)構(gòu)膠接成型工藝自20世紀(jì)40年代開(kāi)始在飛機(jī)零件的制造中已得到了廣泛應(yīng)用。從成型的零件結(jié)構(gòu)上來(lái)分，金屬膠接結(jié)構(gòu)包括了板板膠接和板芯膠接兩類。迄今為止國(guó)內(nèi)外選用金屬膠接結(jié)構(gòu)的機(jī)種已達(dá)上百種。隨著新型膠粘劑的不斷研發(fā)和膠接工藝技術(shù)的不斷提升，金屬膠接結(jié)構(gòu)在耐久性和可靠性方面都取得了重要突破，在現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多。

我國(guó)某型機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙口蓋原為膠接點(diǎn)焊件，為提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及飛機(jī)表面質(zhì)量，產(chǎn)品設(shè)計(jì)在綜合考慮了各種連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)后將短艙口蓋改為了由外蒙皮和加筋內(nèi)蒙皮組成的帶閉合腔體的板板膠接結(jié)構(gòu)?？谏w的典型結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)筋局部剖視圖如圖1所示。外蒙皮、內(nèi)蒙皮和墊板材料均為L(zhǎng)Y12，蒙皮、墊板之間采用環(huán)氧膠粘劑體系高溫膠接而成，底膠為J-117，膠膜為J-116B。該文主要針對(duì)此類零件生產(chǎn)制造過(guò)程中存在的質(zhì)量問(wèn)題和工藝方法的優(yōu)化進(jìn)行討論。

1.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

短艙口蓋零件典型結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)筋局部剖視圖如圖1所示，內(nèi)、外蒙皮膠接后筋條內(nèi)部就形成了連通的閉合腔體。外蒙皮和內(nèi)蒙皮材料均為L(zhǎng)Y12，內(nèi)蒙皮加強(qiáng)筋條采用落壓成型工藝。內(nèi)、外蒙皮采用高溫固化的環(huán)氧膠粘劑體系膠接而成，膠膜選用黑石化研究所的J-116B高溫膠膜，底膠為黑石化研究所的J-117底膠。

1.2技術(shù)要求

依據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)條件，金屬膠接口蓋零件主要有以下要求。

（1）配套零件在膠接前進(jìn)行貼合間隙檢查，貼合間隙要求：輕壓下不大于0.2?mm。

（2）膠接口蓋固化后翹曲變形要求：任何方向的翹曲度不大于5?mm/m。

（3）膠接口蓋固化后外表面波紋度要求：對(duì)于超出該文件要求但深度不大于1.2?mm的非突變凹痕，允許刮EC-2216B/A膠修平處理，保證型面光滑流線。

（4）膠接口蓋內(nèi)部質(zhì)量要求：對(duì)于空腔和邊緣缺膠，加強(qiáng)筋膠接面的空腔和邊緣缺膠長(zhǎng)度不大于25?mm，間距不大于150?mm，允許采用EC-2216B/A膠注膠填實(shí)，并增加鉚釘進(jìn)行加強(qiáng)。非加強(qiáng)膠接面的單個(gè)空腔直徑不大于10?mm，任何兩相鄰空腔間距不小于100?mm的空腔，允許采用EC-2216B/A膠注膠填實(shí)。

（5）膠接口蓋制造過(guò)程中必須進(jìn)行隨爐試板的制作。隨爐試板要求：隨爐試件類型包括搭接剪切和90°剝離，隨爐試件數(shù)量為每爐一件。

2成型工藝

2.1工藝流程

外蒙皮通過(guò)拉伸成型，將鋁合金薄板拉伸成零件外形。帶有加強(qiáng)筋條的內(nèi)蒙皮采用落壓成型工藝，一次加工出零件的外形和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，然后使用激光切割技術(shù)在指定區(qū)域開(kāi)出內(nèi)蒙皮減輕孔。然后內(nèi)、外蒙皮按以下工藝流程進(jìn)行膠接。具體口蓋膠接工藝流程為：工藝準(zhǔn)備→組建預(yù)裝→陽(yáng)極化→噴底膠→鋪膠膜→裝配→固化→啟模修整→噴丸→敲擊檢測(cè)→波紋度檢查→刮膠→涂密封膠→稱重→噴漆→標(biāo)識(shí)→總檢。

2.2工裝結(jié)構(gòu)

為了減小固化過(guò)程中零件與工裝熱膨脹系數(shù)的差異，口蓋零件膠接夾具選用鋁制框架結(jié)構(gòu)，貼膜面選擇零件外表面，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

內(nèi)蒙皮加強(qiáng)筋之間粘接區(qū)域放置勻壓板，勻壓板采用2?mm厚的鋁制勻壓板，采用分塊方式，勻壓板邊緣靠近加強(qiáng)筋位置距離加強(qiáng)筋根部留出1?mm間隙。

2.3固化參數(shù)

固化溫度：（180±5）℃；固化壓力：（0.3±0.02）MPa；固化時(shí)間：2.5～3.0?h；升降溫速率：≤3.0?℃/min。當(dāng)罐壓達(dá)到0.1?MPa時(shí)，真空管路通大氣。固化結(jié)束后在保壓狀態(tài)下降溫，降至60?℃以下時(shí)卸壓出罐。

3技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題及解決措施

3.1?表面處理

由于鋁合金零件在空氣中容易氧化在表面產(chǎn)生無(wú)孔非晶態(tài)Al2O3，因此為提高膠接強(qiáng)度，膠接前需對(duì)鋁合金零件進(jìn)行必要的處理[1-6]。短艙口蓋在實(shí)際生產(chǎn)中使用的表面處理方式為磷酸陽(yáng)極化。氧化過(guò)程中較多零件會(huì)出現(xiàn)表面夾雜的問(wèn)題，主要是蒙皮在落壓過(guò)程中，落壓模表面疏松物壓入零件所致。該壓入物在氧化過(guò)程中無(wú)法完全去除，在后續(xù)膠接過(guò)程中可能會(huì)影響零件膠接強(qiáng)度。

針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)開(kāi)展工藝試驗(yàn)，蒙皮在磷酸陽(yáng)極化前先進(jìn)行一次堿清洗和二酸脫氧，然后對(duì)零件表面狀態(tài)進(jìn)行檢查，對(duì)存在的壓入物進(jìn)行打磨去除，確保零件表面狀態(tài)滿足要求后再按照磷酸陽(yáng)極化處理的流程進(jìn)行表面處理。

3.2蒙皮定位問(wèn)題

部分口蓋零件內(nèi)蒙皮為兩部分構(gòu)成，組件膠接過(guò)程中需保證兩件內(nèi)蒙皮對(duì)縫間隙不大于5?mm。因此，內(nèi)蒙皮必須通過(guò)耳片定位，在其外邊緣一側(cè)帶2處定位耳片及定位孔，外蒙皮外邊緣兩側(cè)邊各帶2處定位耳片及定位孔，內(nèi)、外蒙皮狀態(tài)如圖4所示。

為保證組件裝配過(guò)程中內(nèi)、外蒙皮定位孔協(xié)調(diào)，要求蒙皮成型模具耳片定位孔與組件膠接夾具定位孔位置協(xié)調(diào)。裝配過(guò)程中，內(nèi)、外蒙皮通過(guò)耳片定位孔在膠接夾具上進(jìn)行定位，并對(duì)內(nèi)蒙皮對(duì)縫間隙進(jìn)行檢查，若有不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，及時(shí)對(duì)蒙皮對(duì)縫邊進(jìn)行修配，保證對(duì)縫間隙。一般情況下，預(yù)裝狀態(tài)下檢查內(nèi)蒙皮對(duì)縫間隙要求在2～3?mm，才可保證固化后對(duì)縫間隙不會(huì)超出設(shè)計(jì)圖紙要求。

3.3外蒙皮凹痕問(wèn)題

短艙口蓋自研制初，組件固化后外蒙皮加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)位置會(huì)出現(xiàn)不同程度的凹痕，造成表面波紋度超差的問(wèn)題。設(shè)計(jì)技術(shù)條件中要求，深度不超過(guò)1.2?mm的凹痕允許使用EC2216B/A進(jìn)行刮平。

外蒙皮固化后存在凹痕主要是由于該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊，存在薄壁封閉空腔結(jié)構(gòu)。從產(chǎn)品固化后凹痕深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，橫縱筋結(jié)合部位腔體體積較大的地方凹陷較嚴(yán)重；另外，加強(qiáng)筋越高、越寬，加強(qiáng)筋之間距離越小，凹陷深度越深[7]。

實(shí)際生產(chǎn)中，內(nèi)外蒙皮在抽真空的狀態(tài)下，由于真空吸力作用，外蒙皮在加強(qiáng)筋對(duì)應(yīng)的位置會(huì)向內(nèi)蒙皮一側(cè)產(chǎn)生凹陷變形，真空作用力釋放后外蒙皮的變形會(huì)回彈并恢復(fù)至原狀態(tài)。但內(nèi)、外蒙皮在實(shí)際膠接的過(guò)程中，組件進(jìn)入熱壓罐后，當(dāng)真空度達(dá)到0.08?MPa時(shí)，向罐內(nèi)開(kāi)始加壓，當(dāng)罐壓達(dá)到0.1?MPa時(shí)，真空管路通大氣。而此時(shí)膠層溫度仍處于室溫狀態(tài)。真空管路通大氣后，外蒙皮在彈性形變會(huì)產(chǎn)生回彈，但由于此時(shí)已經(jīng)施加了0.1?MPa的罐壓，同時(shí)由于內(nèi)外蒙皮之間存在膠膜，使內(nèi)、外蒙皮間發(fā)生相對(duì)滑移的阻力增大。在罐壓和膠膜阻力的共同影響下，真空管路通大氣后，外蒙皮的彈性變形無(wú)法完全恢復(fù)。

同時(shí)，組件固化時(shí)加強(qiáng)筋在高溫高壓條件下會(huì)下壓外擴(kuò)變形，此時(shí)膠層仍未完全固化，加強(qiáng)筋邊緣以外內(nèi)外蒙皮貼合部位會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移。固化結(jié)束后在保壓狀態(tài)下降溫，降至60?℃以下時(shí)卸壓出罐。當(dāng)組件冷卻后，加強(qiáng)筋在彈性形變作用下會(huì)回彈，由于內(nèi)外蒙皮已經(jīng)膠接到一起，內(nèi)蒙皮帶動(dòng)外蒙皮向加強(qiáng)筋一側(cè)收縮，由于外蒙皮外側(cè)有工裝阻擋，所以外蒙皮只能向腔體一側(cè)位移，從而引起外蒙皮凹陷。具體分析結(jié)果見(jiàn)圖5[7]。

后續(xù)通過(guò)工藝改進(jìn)試驗(yàn)，在加強(qiáng)筋上增加透氣孔后，固化后組件凹陷深度有一定改善，但仍未能徹底避免外蒙皮凹陷。

3.4膠接質(zhì)量問(wèn)題

研制初期口蓋組件固化后空腔和邊緣缺膠問(wèn)題較為突出。一方面，從配套零件預(yù)裝狀態(tài)來(lái)看，內(nèi)蒙皮表面質(zhì)量較差，落壓后零件表面折痕、凹坑、鼓包問(wèn)題較多，需在組件預(yù)裝工序?qū)?nèi)蒙皮進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)敲修。同時(shí)，為避免膠接后零件出現(xiàn)空腔，在膠膜鋪貼過(guò)程中，針對(duì)口蓋零件要求鋪放兩層J-116B膠膜。另一方面，從口蓋組件結(jié)構(gòu)來(lái)看，內(nèi)蒙皮上存在復(fù)雜加筋結(jié)構(gòu)，固化過(guò)程中加強(qiáng)筋之間壓力傳遞不均，會(huì)造成減輕腔邊緣位置缺膠問(wèn)題。裝配過(guò)程中通過(guò)在減輕腔位置增加鋁制勻壓條以及硅橡膠壓力墊，避免真空袋局部架橋，更加方便操作人員制袋，改進(jìn)后減輕腔邊緣膠梗連續(xù)，膠接質(zhì)量得到了顯著提升。

另外，在部分存在Π型缺口的口蓋零件固化后，在Π型區(qū)域局部存在輕微鼓包，主要分布在加強(qiáng)筋根部位置。為避免該問(wèn)題，在Π型區(qū)域使用AIRCAST?3700制作壓力墊，內(nèi)外蒙皮裝配完成后在Π型區(qū)域放置壓力墊，固化后該區(qū)域平整度明顯得到了改善。

3.5固化后組件翹曲度超差問(wèn)題

部分曲率較大的口蓋在固化后與膠接夾具的貼合間隙一般在10～20?mm，大大超出了設(shè)計(jì)技術(shù)要求（不大于5?mm/m）。針對(duì)該問(wèn)題，在組件固化后對(duì)翹曲度超差的零件進(jìn)行噴丸校型。在噴丸過(guò)程中，對(duì)內(nèi)蒙皮對(duì)縫位置需使用噴丸保護(hù)膠帶及時(shí)進(jìn)行防護(hù)，以免噴丸過(guò)程中彈丸進(jìn)入加強(qiáng)筋內(nèi)部造成多余物難以清理。

3.6金屬刮膠表面噴漆后針孔問(wèn)題

實(shí)際生產(chǎn)中，口蓋零件固化后在外蒙皮凹陷位置需要刮EC2216B/A膠粘劑。刮膠后表面在噴漆后存在較多針孔，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品表面質(zhì)量。

噴漆后表面針孔主要是刮膠形成的。一方面，刮膠過(guò)程中無(wú)法一次刮到位，必須反復(fù)刮2～3遍，膠層之間容易夾裹空氣；另一方面，膠粘劑固化過(guò)程的過(guò)程是放熱反應(yīng)，夾裹的空氣無(wú)法完全溢出時(shí)就在膠層中形成了氣孔。針對(duì)該問(wèn)題，開(kāi)展了刮膠表面針孔修復(fù)工藝試驗(yàn)，使用針孔膩?zhàn)?8-C-1對(duì)刮膠區(qū)域表面進(jìn)行修復(fù)，處理后表面噴漆質(zhì)量有了顯著提升。

4?結(jié)語(yǔ)

此類結(jié)構(gòu)的零件目前已處于穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品的性能滿足使用要求，但從整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題來(lái)看，仍然存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）異形加筋結(jié)構(gòu)鋁合金蒙皮的成型質(zhì)量難以達(dá)到金屬膠接件的容差要求，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)敲修工作量極大，但敲修后蒙皮仍然存在褶皺、鼓包等表面質(zhì)量問(wèn)題，不能完全符合膠接零件的要求，導(dǎo)致固化后膠接組件無(wú)法避免弱粘接的問(wèn)題。后續(xù)可考慮使用充液成型工藝成型內(nèi)蒙皮，以提升產(chǎn)品表面質(zhì)量和膠接質(zhì)量。

（2）薄壁封閉腔體采用金屬結(jié)構(gòu)膠接工藝成型后表面凹陷問(wèn)題仍無(wú)法徹底解決。該問(wèn)題產(chǎn)生的根源在于產(chǎn)品的特殊結(jié)構(gòu)，因此徹底解決該問(wèn)題仍需從設(shè)計(jì)源頭對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。

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