關(guān)于先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝的應(yīng)用研究

薛榮偉

【摘 ?要】通常先進(jìn)復(fù)合材料都具有很高的強(qiáng)度與剛度，而且材料較輕，既能夠耐高溫又能夠耐腐蝕，屬于非常好的結(jié)構(gòu)材料，我國(guó)有些航空公司就在機(jī)垂直尾翼的部分使用了復(fù)合材料，這項(xiàng)探究不僅為我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用打造了良好的平臺(tái)，而且還有效的提升了我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝的應(yīng)用。因此本文就重點(diǎn)研究了先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝的應(yīng)用情況，希望給我國(guó)的先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝應(yīng)用帶來(lái)積極的促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料;裝配工藝;應(yīng)用研究

一、引言

先進(jìn)復(fù)合材料因?yàn)榇嬖谳^大的強(qiáng)度和剛度，又具有極強(qiáng)的耐高溫性、耐腐蝕性以及材料輕等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)階段被視為最佳的結(jié)構(gòu)材料。作為典型的先進(jìn)復(fù)合材料的代表主要包括：聚合物基復(fù)合材料以及金屬基復(fù)合材料。其中，這些材料被廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星以及坦克等眾多的軍事設(shè)備當(dāng)中，而且規(guī)模還在不斷的擴(kuò)大。同時(shí)，我國(guó)還出現(xiàn)了將先進(jìn)復(fù)合材料使用在飛機(jī)上面的情況，這是由西飛公司首次研發(fā)的，該公司對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝應(yīng)用的探究是從20世紀(jì)的90年代開(kāi)始的，其將芳綸復(fù)合材料以及芳綸鋁合金層板材料一起使用在飛機(jī)的垂尾部分，這項(xiàng)研究有效增強(qiáng)了我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料裝配的工藝。

二、先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝應(yīng)用探究

（一）先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

此工藝主要包含的技術(shù)有預(yù)裝配、修合、制孔以及連接等。通過(guò)這幾年的大量研究以及對(duì)方案的不斷優(yōu)化使得工藝的質(zhì)量基本能夠得到保障。我們都知道即便復(fù)合材料存在極好的物理特性，不過(guò)到現(xiàn)在為止還無(wú)法如金屬材料一樣獲取普遍的使用，這主要原因有兩個(gè)，分別為：1.復(fù)合材料的成本較高。2.復(fù)合材料的加工性能差。特別是由芳綸纖維所構(gòu)成的復(fù)合材料，其屬于復(fù)合材料里極難加工的材料之一。所以先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝應(yīng)用還不是非常的普遍和廣泛。

（二）先進(jìn)復(fù)合材料加工過(guò)程中存在的問(wèn)題

在對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行加工時(shí)，通常會(huì)存在這兩個(gè)問(wèn)題：1.材料自身問(wèn)題。2.加工問(wèn)題。一般復(fù)合材料裝配的內(nèi)容為制孔與連接，但孔的質(zhì)量會(huì)直接影響連接接頭的使用年限，所以必須重視制孔環(huán)節(jié)。其中，涉及到孔的質(zhì)量方面的內(nèi)容有尺寸、圓度和粗糙度等，這些內(nèi)容都會(huì)導(dǎo)致連接位置的應(yīng)力匯合，從而使其發(fā)生損壞，如果是加工芳綸的復(fù)合材料，則結(jié)果會(huì)更加嚴(yán)峻。

三、先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝應(yīng)用的流程

第一，嚴(yán)格檢驗(yàn)復(fù)合材料配件。應(yīng)用的復(fù)合材料配件既應(yīng)該和圖紙相匹配，又應(yīng)該達(dá)到交付的狀態(tài)。

第二，修合預(yù)裝配。通常情況下復(fù)合材料的配件交付情況都是滿足圖紙的尺寸要求，不過(guò)還為了達(dá)到裝配的協(xié)調(diào)性，就會(huì)在配件的旁邊設(shè)有一些空余。而修合預(yù)裝配工作實(shí)質(zhì)上就是把復(fù)合材料配件裝配在準(zhǔn)確的地方，先定好位置，然后去掉配件旁邊的空余，以達(dá)到圖紙的要求。因復(fù)合材料自身所具有的特殊屬性，所以在去掉空余時(shí)通常會(huì)發(fā)生分層、脫離等情況，所以必須采用專業(yè)的器具與良好的工藝措施來(lái)去除空余。

第三，制孔。要想得到最佳的孔徑，就必須滿足裝配的規(guī)定。因此在制孔的時(shí)候，需特別關(guān)注以下的工藝過(guò)程：1.制孔之前的準(zhǔn)備工作。復(fù)合材料與金屬材料不一樣，在制孔的過(guò)程中規(guī)定必須采用一次性的支撐底板或者鉆孔墊板，而且墊板的材料應(yīng)和配件的材料一樣，也可以應(yīng)用其他材料，但是最好一樣。另外，墊板需穩(wěn)定的夾住制孔物的后部，必要時(shí)還應(yīng)加層填料，以保證復(fù)合材料配件和墊板的縫隙全部補(bǔ)填完整，如此就能夠充分避免制孔的出口處發(fā)生剝落和損壞情況發(fā)生。2.刀具的選擇。因?yàn)槠胀ㄣ@頭與擴(kuò)孔鉆不適合用在芳綸的復(fù)合材料制孔，所以通常采用三刃麻花鉆來(lái)制孔。由于芳綸纖維材料的主要成分為芳綸纖維，如果使用兩刃麻花鉆頭的話，很難切斷材料，并且還會(huì)把纖維弄在孔的表面處。而采用三刃麻花鉆正轉(zhuǎn)變了此種狀況，其主切削刃和副切削刃所形成的夾角由鈍角變成了銳角，這樣就會(huì)使刀具變得更加銳利，在制孔時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)偏差、不圓潤(rùn)以及損傷等問(wèn)題。對(duì)于鉆孔的刀具應(yīng)該使用硬質(zhì)的合金，這樣能夠有效增強(qiáng)刀具的使用壽命。3.鉆孔工藝。首先，應(yīng)按照制孔之前的準(zhǔn)備工作來(lái)進(jìn)行，在配件的后部放一塊支撐板或者鉆孔墊塊，并精確的定位，100%的夾緊。其次，制孔過(guò)程必須選用合適的專業(yè)刀具。然后，根據(jù)切削的實(shí)際參數(shù)來(lái)制孔，使鉆孔-擴(kuò)孔的準(zhǔn)確度達(dá)到H10。最后，要是芳綸的復(fù)合材料和相連的金屬材料無(wú)法直接進(jìn)行鉆孔，就需要先依照上面的要求獨(dú)立在復(fù)合材料配件上面鉆孔，之后再和金屬配件結(jié)合夾緊，并在復(fù)合材料配件的一側(cè)采用通用鉆孔工序來(lái)鉆孔。當(dāng)鉆孔經(jīng)過(guò)金屬配件時(shí)，要極其注意，以防止在復(fù)合材料上面發(fā)生邊緣載荷。

第四，锪窩。在锪窩的時(shí)候，應(yīng)采用專業(yè)的锪窩鉆，并保證锪窩鉆的上面有緊固件的轉(zhuǎn)角半徑，同時(shí)還應(yīng)采用锪窩限位器。

第五，連接。飛機(jī)裝配的連接工藝主要應(yīng)用的是鉚接或螺接，此工藝形式同樣也適合對(duì)復(fù)合材料配件的裝配。不過(guò)由于復(fù)合材料所具有的特殊屬性，使得大多數(shù)的主要部位都應(yīng)用的是螺接，并不適合鉚接，這主要是由于鉚接的過(guò)程復(fù)合材料配件在遇到?jīng)_壓與膨脹時(shí)會(huì)使孔壁的內(nèi)部構(gòu)造發(fā)生損壞。原先對(duì)復(fù)合材料配件的裝配和連接都是應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)物件，通過(guò)間隙來(lái)配合，這對(duì)復(fù)合材料配件的夾緊力都沒(méi)有要求。

四、應(yīng)用實(shí)例

某公司所研發(fā)的復(fù)合材料裝配工藝是對(duì)飛機(jī)的垂尾部分應(yīng)用了聚合物基芳綸復(fù)合材料以及金屬基芳綸鋁合金層板，這樣做是為了增強(qiáng)飛機(jī)的強(qiáng)度以及抗老化性能，并充分減輕飛機(jī)垂尾部分的重量。

（一）芳綸復(fù)合材料垂尾前緣的裝配

為確保復(fù)合材料垂尾前緣的裝配良好，就必須經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)了解工藝的參數(shù)。但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果還不能全面保證適合生產(chǎn)線，不過(guò)還規(guī)定垂尾前緣在型架上和前梁點(diǎn)定位100%夾緊，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：應(yīng)使用幾何尺寸小的工藝試片，這樣裝夾比較便捷，環(huán)境比較開(kāi)闊，但芳綸復(fù)合材料垂尾前緣配件的裝配工藝會(huì)受到飛機(jī)框架與型架的限制。經(jīng)過(guò)深究后可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變裝配的順序以及產(chǎn)品孔定位的夾緊，來(lái)處理存在的問(wèn)題，最后裝配成功。

（二）方向舵芳綸鋁合金層板蒙皮的裝配

芳綸鋁合金層板屬于金屬基的復(fù)合材料，我國(guó)是首次應(yīng)用在航空領(lǐng)域當(dāng)中。此層板可依照傳統(tǒng)的鋁合金材料加工法進(jìn)行加工，對(duì)此層板的裝配件實(shí)施下料、修邊、鉆孔、锪窩以及鉚接等工藝。通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)由軟的基體以及高強(qiáng)的纖維所構(gòu)成的芳綸鋁合金層板不適于 開(kāi)展制孔與鉚接，所以就需探究專業(yè)的連接工藝，來(lái)完成蒙皮裝配。

五、總結(jié)

通過(guò)上述的內(nèi)容我們能夠知道：先進(jìn)復(fù)合材料在我國(guó)的航空領(lǐng)域取得了快速的進(jìn)展，不過(guò)和發(fā)達(dá)國(guó)家比，還具有很大的差距。為此必須加大力度深入的研究，多引用一些國(guó)外的先進(jìn)復(fù)合材料裝配工藝技術(shù)。所以現(xiàn)階段我們應(yīng)該根據(jù)企業(yè)的特征，來(lái)實(shí)施工藝的探究，并將國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和改善，以研發(fā)出適合我國(guó)復(fù)合材料裝配工藝的技術(shù)，使更多的復(fù)合材料應(yīng)用到航空領(lǐng)域當(dāng)中，以全面推動(dòng)我國(guó)科技和技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1] 刁恩曉.基于三蝶烯結(jié)構(gòu)含氟二胺改性的雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂和新型聚酰亞胺材料的合成與性能研究[D].南昌大學(xué) 2015.

[2] 劉剛，張朋，李偉東，胡曉蘭，包建文，益小蘇.結(jié)構(gòu)化增韌層增韌RTM復(fù)合材料預(yù)成型體的滲透特性[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào).2015（02）.

[3] 徐福泉，高大偉.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程中的制孔和連接[J].航空制造技術(shù).2010（17）.

[4] 張桂書(shū).飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件裝配間隙補(bǔ)償研究[D].南京航空航天大學(xué) 2015.

[5] 范玉青，張麗華.超大型復(fù)合材料機(jī)體部件應(yīng)用技術(shù)的新進(jìn)展——飛機(jī)制造技術(shù)的新跨越[J].航空學(xué)報(bào).2009（03）

（作者單位：哈爾濱哈飛空客復(fù)合材料制造中心有限公司）