摘要:近几年来,复合材料以其较高的比强度、较好的延展型、热膨胀系数小、抗疲劳能力和抗震能力强、抗腐蚀、独特的耐烧蚀性等特点,以及采用固化、胶接为核心的整体成型技术;能够大幅度地减少零件、紧固件和模具数量,简化装配工序,提高整体结构的综合性能,缩短生产周期,降低制造成本,成为新一代飞机机体结构四大主要材料之一。随着复合材料在飞机结构上应用比例的大幅度提高,复合材料结构装配连接方面存在的问题逐渐突出。
关键词:复合材料;制孔;协调装配;
在装配过程中不断摸索和实践,针对复合材料的装配中出现的问题做出了透彻的分析,阐述了复合材料装配中的规范要求及注意事项,为以后复合材料的装配积累了丰富的经验。
一、复合材料结构装配的特征
1.受复合材料零件原材料、制造工艺方法以及材料本身特性限制,复合材料零件厚度、平面度、角度等尺寸和形位公差较机加零件大,因此在装配设计时需要考虑一定的补偿方法。
2.紧固件与复合材料零件间的电化学腐蚀,尤其是碳纤维复合材料与铝或镀镉的紧固件相接触时,但玻璃纤维或芳纶不导电,因此不会产生电化学腐蚀。
3.复合材料属脆性材料,断裂延伸率为1%~3%,对装配间隙敏感,间隙在0.2mm~0.8mm应使用液体垫片,大于0.8就应使用固体垫片,否则易造成树脂碎裂、局部分层等损伤。
4.大多复合材料零件由很多层材料铺叠而成,单层面内强度远大于层间强度,制孔时易出现出口处孔边缘纤维劈裂。
5.复合材料与金属零件同时制孔时,如从复合材料钻向金属,易造成金属屑损伤复合材料孔壁的情况。
6.复合材料层间强度低,易冲击性分层,不宜采用带有冲击力的装配方法,如锤铆。
7.复合材料零件不益采用过盈配合(间隙配合的强度只占基体完整强度的20%~50%),易造成孔壁四周损伤,或采用小过盈量(1%~2%)配合,且必须使用金属衬套。
二、复合材料结构的制孔
航空用复合材料主要以碳纤维和玻璃纤维为主,玻璃纤维可加工性较好,主要用在飞机的表面零件上;碳纤维用于飞机承力结构,但其加工性不好,制孔的问题主要出现在碳纤维复合材料零件中。因此本节主要以碳纤维复合材料为主,讨论制孔问题。复合材料制孔要比一般金属制孔困难,主要因为复合材料对温度敏感、易劈裂分层以及对刀具磨损严重。钻孔劈裂或分层主要出现在制孔的出端,也可能出现在制孔的入端。当复合材料零件采用单向带制造时,钻孔劈裂或分层尤为严重,因此为减少钻孔时的损伤,在零件上下各加一层织物将大有益处。钻孔温度不能大于基体的玻璃化温度,为避免钻孔时零件的温度过高,典型的钻孔参数为2000~3000r/min,每转进给量为0.05~0.1mm(按经验值)。但须注意在进刀时和出刀时,要减缓进给速度、加大转速。当复合材料与金属同时制孔时,要注意金属材料的特点,以及金属材料碎屑对于复合材料孔的磨削作用。为了有效减少金属材料碎屑对于复合材料孔的磨削作用,可采用钻孔+铰孔的工艺方法。为提高钻孔质量,可采用一些更好的钻孔工具,如自动进给且自动往复回缩的啄式钻,将此工具前端定位在钻模板的衬套上,可以保证钻孔的位置和垂直度。此类工具有的可以调节进给速度和啄钻次数。一般情况下在钻孔后要进行锪窝工序,锪窝同钻孔过程相似,一是要注意锪窝深度,不能使余下部分太薄;二是注意锪窝后的圆角,此圆角可用带圆角的锪窝钻直接制成或在锪窝后用专用工具打磨形成。
更为先进的制孔方法采用自动钻孔设备,由计算机控制,无需钻模板,针对不同材料,自动控制钻孔转速和进给量,并可将钻孔+铰孔+锪窝一次完成。
三、复合材料结构的连接
目前,飞机复合材料结构件之间主要采用机械连接方式。普通铆钉一般用于钣金零件的连接,由于铝材料与碳纤维复合材料接触会产生电化学腐蚀,且铆接过程中的震动及铆钉的不均匀膨胀会造成复合材料分层,因此锤铆受到了限制。连接分为可拆卸连接和不可拆卸连接两种类型,可拆卸连接相对简单,主要介绍不可拆卸连接。不可拆卸连接的紧固件主要用到高锁螺栓、锁紧螺栓、抽铆钉等,前两种连接紧固件用于两面可达的连接情况,而抽铆钉能够适用于单面可达的情况。在进行连接装配之前,要检测夹紧长度,根据夹紧长度来选择紧固件的长度。只有合适长度的紧固件,才能保证预定的夹紧力和结构性能要求。如选择的抽铆钉短,则不易形成良好的镦头,不能完成铆接过程或铆接质量很差;如选择的抽铆钉长,则铆钉松动,不能产生夹持力。复合材料的连接也与常规金属连接不同,需要特殊的紧固件和连接工具,并容易出现连接问题,如基体碎裂、分层等故障。在安装紧固件时用的力矩过大,会造成分层;钉头安装时的倾斜会形成应力集中点,也会产生分层;将要连接的零件间存在间隙,未采用垫片调整或垫片厚度不够,在安装完成后会使钉头下面的局部区域变形过大,而产生分层和基体碎裂。
1.高锁螺栓连接。高锁螺栓由芯钉和螺母组成,一般采用高强合金制造,连接过程需用到专用的工具高锁枪,芯钉的螺纹端头侧有内六方孔。连接操作时,高锁枪伸出的六方芯子插入到芯钉的内六方孔内,用于固定芯钉,防止芯钉转动;此时高锁枪的螺母扳手转动螺母,直到螺母头断裂分离,此时预定大小的夹紧力施加在复合材料零件表面。对于少量的高锁螺栓连接,也可用手动工具完成。锁紧螺栓的连接锁紧螺栓也是常见的连接紧固件,也由芯钉和螺母两部组成,连接过程需用到专用的工具。与高锁螺栓不同,锁紧螺栓的芯钉没有螺纹,而是一些环形沟槽。依靠工具强大的压力,将螺母压在复合材料零件的表面,同时芯钉断裂;螺母塑性变形挤进芯钉沟槽内,防止松动,具有良好的耐震动性能。此连接不适于较薄的复合材料零件,由于连接时压力很大,对较薄的复合材料零件会产生损伤。
2.抽芯铆接。抽芯铆接适用于仅单侧可达的区域的连接,如封闭盒段的连接。抽芯铆钉仅需从零件一侧插入,就可以将多个夹层铆接在一起,具有安装速度快、效率高、成本低等优点,在飞机上应用非常广泛。抽芯铆钉由铆体和钉芯两部分组成,连接过程需用到专用的工具。抽芯铆钉是一种高强度的铆接紧固件,钉芯在铆接完毕后能够坚固的锁在铆体里不会松动,有较大的钉芯保持力。安装工具抓取钉芯移动,当钉芯所承受的拉力达到预定的断钉力时,钉芯在预定的断点处断裂。钉芯钉头被拉进铆体,铆体盲端径向膨胀变形,形成一个强大、紧凑、可靠的连接,将铆接工件夹持成一个整体。
3.复合材料的干涉连接。复合材料干涉连接会造成分层和基体碎裂,因此复合材料零件不适合于干涉铆接。但在增加金属衬套之后,由于金属衬套分散了可能的集中载荷,使复合材料零件连接的干涉量可达到0.15mm。因此,现在所用的复合材料的干涉连接,都在孔内增加了金属衬套。复合材料的干涉连接不能提高连接的疲劳强度,但具有连接刚度更好、使孔内局部分层和损伤的情况减少等优点。当与金属连接的时候,孔径相同时不用分别铰孔。
总之,目前,复合材料结构装配在应用技术和自动化等方面,与国外主要飞机制造商之间还有一定的差距。国内飞机型号的研制已逐步加大复合材料用量,也必然存在复合材料结构装配问题。加强复合材料装配相关技术的研究,对于提高飞机制造水平,加快和促进复合材料在国内航空制造业的应用具有重要作用。
参考文献:
[1]吴侠.先进复合材料装配工艺应用.2019.
[2]张红璇.浅谈复合材料结构装配过程中的制孔和连接.2019.