摘要:蜂窝结构主要由面板、蜂窝芯和胶结剂组成,其典型结构是上下两层面板之问夹蜂窝芯,由胶粘剂粘接并经过压、拉、热合等加工方法复合而成。面板材料主要有玻璃纤维、Kevlar纤维、碳纤维等复合材料和各种金属。铝合金及大幅宽铝箔的轧制,使蜂窝芯材的质量提高到了一个新的水平,铝蜂窝芯的拉伸、压缩、剪切强度等方面性能都得到了大幅提高。
关键词:航空蜂窝夹层结构;制造工艺;
蜂窝芯与增强纤维面板构成的夹层结构具有比强度、比刚度高(约为钢的9倍),密度低并可根据需要在较大范围内进行选择与调整,且具有耐腐蚀、抗冲击、吸振、抗疲劳性和热稳定性好,以及优良的绝缘性能和透电磁波等一系列优良特性,因此,在航空、航天等高科技尖端工业中得到了广泛应用。
一、蜂窝夹芯结构共固化成型难点
根据蜂窝夹层结构零件的外形和结构特点、材料、质量要求等和复合材料制造工艺特点,其制造难点如下:(1)蜂窝芯的边缘发泡工艺及加工工艺;(2)蜂窝夹层结构的共固化工艺参数的确定;(3)蜂窝夹层结构零件在成型过程中蜂窝变形控制措施;(4)预浸料对共固化夹芯结构质量影响;(5)上下蒙皮内部质量的控制措施。
二、航空用蜂窝夹层结构
产生蜂窝夹层结构实际上用于航空机的辅助翼结构,由于开发了非金属用粘接焊接技术的进步以及轻质材料的出现,使蜂窝夹层结构性能急速地得到了提高,现在除作为航空机的主翼、机身、操纵面等一次性结构材料使用外,广泛用于直升飞机的旋转翼、大型贮罐上等。组合材料也多种多样,蒙皮除铝合么不锈钦合金等金属材料外、胶合抵加工纸等,根据每种用途,可以使用的芯材有硬术发泡材、铝、塑料、加工纸的蜂窝芯材等,对于芯材来说,要求腰部要轻质高强,其等效比重与硬木材非常轻,即铝蜂窝而且芯材除了承担横向剪切作用外,也有保持蒙皮间的间隔这一重要作用。因此,硬木材的直木纹的薄木片做蜂窝材料的壁面,此壁面与蒙皮垂直相交。蜂窝材料是事先把带状板和箔材在局部部位进行层合粘接后,沿厚度方向拉伸,粘接部分和非粘接部分形成六角形的边。因为它怡似蜂窝,所以由此而得名。蜂窝夹层结构断面莱的每单位密度的弯曲刚性,与没有芯材直接两张蒙皮的梁的弯盆啼度走:较如下;这里,因为芯材的重量小,两者重量大致相等。蜂窝夹层结构具有极大的弯曲刚性.这是蜂窝夹层结构的第一个优点。此外还有优点,即:因为成为2 重结构,所以气密性和隔热性优异奋因为是粘接结构,所以表面可以做得很平滑。
三、航空用蜂窝夹层结构制造工艺
1.在预发泡的蜂窝区域下表面贴上隔离层,将发泡胶放置于蜂窝芯的空隙中。蜂窝发泡过程中,填充的发泡胶的数量、发泡过程中是否抽真空等因素的影响,则可能会引起以下几个问题:发泡胶在升温过程中,体积膨胀会对蜂窝壁产生一个侧向的压力,易引起蜂窝芯位置滑移;发泡后蜂窝表面的平整度;发泡胶中发泡剂分布不均而引起的局部过量发泡。在蜂窝发泡过程中,发泡胶的填充量和发泡过程中是否抽真空对发泡效果有决定性影响,填充的发泡胶填充比例为1:1.2,并且发泡过程中一直抽真空,具有很好的发泡效果。蜂窝发泡后,要根据所需的形状进行切割,加工时采用辅助工装配合,避免对尖角区蜂窝造成损伤。
2.蜂窝夹层结构的共固化工艺参数的确定。采用共固化工艺成型蜂窝夹层结构,需要根据预浸料、蜂窝芯、胶膜对温度和压力的要求制定固化工艺。
蜂窝夹层结构零件在成型过程中蜂窝变形控制措施,由于蜂窝密度较低,高度较高,蜂窝芯材在受压时易失稳,因此在固化时蜂窝芯的抗压能力较弱。主要存在的形变方式有:发泡引起的蜂窝芯位置滑移;蜂窝芯受热受压引起的收缩变形;侧向压力使蜂窝芯产生的形变。以上几点原因均可能导致胶接过程中蜂窝芯局部位置滑移,产生形变。,因此,有必要对工艺进行改进,避免形变的发生。针对发泡引起的蜂窝芯位置滑移,蜂窝芯的边缘发泡工艺及切割工艺中已经提出了改进的方式,下面主要针蜂窝芯受热受压引起的收缩变形和侧向压力使蜂窝芯产生的形变进行工艺改进。蜂窝在收到压力和热的影响下,会产生收缩变化,随着温度和压力的升高压缩量越来越大。蜂窝芯所采用的树脂体系是酚醛树脂,有可能固化过程中固化程度不高或者在空气中可能会吸湿性能有所下降,将蜂窝进行一次热处理后再进行收缩率试验,发现收缩变形有所缓解,收缩率降低了40% 左右。为了加强蜂窝芯的抗形变能力,在做试验前对蜂窝芯进行高温处理,提高蜂窝芯树脂的固化程度并对蜂窝芯进行除湿,增加其各个方向的承压能力,从而减少了蜂窝芯胶接过程中的收缩变形。如果采用容重更高的蜂窝芯,固化时应该能承受更大的成型压力。在热压罐成型过程中,蜂窝的四周发泡的三角区域,所受的压力可分解为一个蜂窝孔格方向的压力和一个侧向的压力,对于蜂窝来说,蜂窝平面压缩强度比较高,而在向则不具备较高的承压能力。采用共固化成型工艺,蒙皮也不具有抗压能力,在高压下,三角区域的蜂窝芯承受了非常大的侧向压力。针对这种情况,我们通过工艺改进来解决这个问题。通过实施以上措施,减少了三角区域蜂窝芯承受的侧向压力,得到的制件外观质量好,没有变形。
3.预浸料对共固化夹芯结构质量。相对于胶接成型蜂窝夹芯结构,共固化成型夹芯结构对预浸料的含胶量、树脂流动性[等要求更为严格,采用层压板正常使用的预浸料进行夹芯共固化,结果是上下面板出现大量树脂不能完全填充的空腔,树脂未能完全包覆纤维,织物预浸料标准含胶量为38±2%,在预浸料生产过程中,不可避免出现36% 左右的低含胶量预浸料,低的树脂含量和较高的树脂粘度,影响共固化成型工艺上面面板的成型质量。根据试验结果,对预浸料含胶量进行精确控制,使其控制在并降低树脂粘度,试验结果夹芯上下面板未现空腔等缺陷。采用共固化成型蜂窝夹层结构,蒙皮的内部质量难以控制。在共固化成型过程中,由于蜂窝芯的原因,蒙皮成型压力不能太高并且压力分布不均匀,容易在蒙皮上造成孔隙密集。下蒙皮介于模具和蜂窝之间,施压时难以加上压力,相对来说比上蒙皮的内部质量更差些。因此,要改善蒙皮的内部质量,对下蒙皮进行预先处理。处理后无损检测下蒙皮无缺陷,通过金相检测也无孔隙。如果直接在蜂窝上表面铺叠上蒙皮,由于压力不均无法把蒙皮内部的空气赶出,上蒙皮内部会出现空隙密集。因此,上蒙皮可先在下蒙皮模具上铺叠并抽真空,将蒙皮内部空气赶出,在蜂窝上放置上蒙皮。固化后通过无损检测内部质量无缺陷,通过金相分析,除了织物搭接的地方有时会有个小孔洞外其他地方无孔隙。与采用传统制造的部件相比,此工艺降低了材料成本干织物和纯树脂代替预浸料,减轻质量胶膜减少,降低了工艺成本不采用热压罐工艺,并且提高了水密性,降低了面板的孔隙率。
目前,我国航空复合材料,尤其是蜂窝夹层结构在设计上仍较多地采用传统的方法与经验,可供选择的材料体系较少,制造工艺方面也显得落后。未来的航空用蜂窝夹层结构技术依然需要在设计、材料、制造工艺及成本与维修等方面开展全面而深入的研究。
参考文献:
[1]沃西源,夏英伟,涂彬.蜂窝夹层结构复合材料特性及破坏模式分析.航天返回与遥感,2018,26(4):45-49.
[2]刘刚．柯映林．纸基蜂窝零件夹持方法研究．浙江大学学报,2017,38(4):50l一504
[3]吴福忠。柯映林．纸基蜂窝零件数控加工装夹系统中填料方法的研究．中国机械工程,2017,15(11):1 01l～1 014