雙曲面小角度金屬膠接夾層組件制造技術(shù)改進(jìn)

徐小偉　王懋君　楊紹昌

摘 要：雙曲面小角度金屬膠接夾層組件，多用于飛機(jī)機(jī)翼、垂尾等氣動(dòng)外形的理論型面，精度要求及其嚴(yán)格。這種組件的蜂窩芯加工精度要求高，盆形件、工裝與蜂窩芯小角度區(qū)貼合難度大，鋁蜂窩芯、鈑金零件、工裝三者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜。因此易出現(xiàn)邊緣板板區(qū)超厚的質(zhì)量問(wèn)題。文章以飛機(jī)內(nèi)襟翼艙上壁板為研究對(duì)象，對(duì)影響因素進(jìn)行綜合分析，提出了兩種技術(shù)改進(jìn)方案，使組件邊緣板板區(qū)的超厚問(wèn)題得以控制。

關(guān)鍵詞：金屬膠接夾層組件；厚度控制；制造

1 某型機(jī)內(nèi)襟翼艙上壁板結(jié)構(gòu)形式

某型機(jī)內(nèi)襟翼艙上壁板是由帶小角度的鋁蜂窩芯、內(nèi)蒙皮（為了區(qū)別以下稱為盆形件）、墊板、外蒙皮等組成（如圖1）。其邊緣板板區(qū)20mm范圍內(nèi)厚度為2+0.35 -0.05mm，其余部位為2+0.55 -0.05mm。

該組件在生產(chǎn)時(shí)使用ZMS2169 I型（BR-127）底膠、ZMS2169 2型 2類 A級(jí)（BMS5-101 II型 10級(jí)）膠膜及ZMS2180 2型2類50級(jí)（FM490A）泡沫膠在熱壓罐中加溫加壓固化成型。

實(shí)際生產(chǎn)中因鈑金零件邊緣波動(dòng)現(xiàn)象、工裝型面配合精度差、壓力墊制作厚度不均勻等因素造成了零件的大面積超差。

2 組件邊緣超厚原因分析

2.1 工裝

工裝是保證組件合格生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)形式、型面精度、定位方法等會(huì)直接決定膠接組件成型后的狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。通過(guò)對(duì)內(nèi)襟翼艙上壁板原工裝的結(jié)構(gòu)形式、計(jì)量精度、定位方法等的分析，發(fā)現(xiàn)該工裝存在以下四個(gè)問(wèn)題：（1）工裝壓環(huán)與制袋區(qū)的臺(tái)階很近且工裝壓環(huán)內(nèi)表面坡度較陡，在制袋時(shí)易產(chǎn)生架橋，從而影響膠接質(zhì)量；（2）工裝在計(jì)量時(shí)，每100mm取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量間距偏大，不能有效保證工裝型面的精度；（3）工裝模體、壓環(huán)、四層鈑金零件均使用同一組定位孔插定位銷定位，易產(chǎn)生“過(guò)定位”問(wèn)題。在組件加溫加壓固化時(shí)，鈑金零件、壓環(huán)受定位銷限制無(wú)法自由膨脹，會(huì)在局部產(chǎn)生應(yīng)力，使鈑金零件，尤其是組件邊緣的板板膠接區(qū)產(chǎn)生鼓動(dòng)，從而導(dǎo)致組件的超厚；（4）為了避免工裝及盆形件的加工公差對(duì)組件配合造成的影響，在壓環(huán)與組件板板區(qū)接觸面鋪貼AIRPAD（工藝軟模），壓環(huán)與斜坡區(qū)的接觸面依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及組件的固化情況適當(dāng)?shù)?。每架份零件狀態(tài)不盡相同，組件、壓環(huán)裝配時(shí)的局部配合難控制，從而不能保證斜坡區(qū)與盆形件、工裝的良好貼合，最終導(dǎo)致超厚問(wèn)題的產(chǎn)生。

2.2 蜂窩芯加工

在零件固化過(guò)程中平板蜂窩芯很容易隨熱壓罐壓力變形，從而貼合盆形零件，因此數(shù)控加工時(shí)無(wú)需對(duì)蜂窩芯的平面區(qū)域進(jìn)行加工。但蜂窩芯數(shù)模是小角度雙曲型，因此在數(shù)控編程時(shí)需要將數(shù)模從曲面展成平面，展開(kāi)時(shí)會(huì)擴(kuò)大零件的外形尺寸。當(dāng)實(shí)際零件未進(jìn)行平面區(qū)域型面加工后，產(chǎn)品固化時(shí)蜂窩芯受壓變形時(shí)會(huì)再次延展，造成了展開(kāi)加工后其外形尺寸比理論要大一些，在裝配時(shí)，展開(kāi)加工的蜂窩芯會(huì)溢出盆形件，且在數(shù)控加工時(shí)，蜂窩芯小角度斜坡尖端以及各斜坡間的R角很難加工，在組件裝配時(shí)要手工修整，而大量的手工修整會(huì)造成每架份的產(chǎn)品狀態(tài)不一致、穩(wěn)定性差，修整質(zhì)量參差不齊。

通過(guò)進(jìn)一步的分析與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)組件加壓固化時(shí)蜂窩芯大角度斜坡面受到的側(cè)向分力較大，足以推動(dòng)展開(kāi)加工的蜂窩芯使其與盆形件產(chǎn)生良好的配合，而小角度斜坡由于其角度較小，斜面較大，因此受到的側(cè)向分力較小，不能推動(dòng)蜂窩芯自動(dòng)找到準(zhǔn)確位置。很明顯，小角度斜坡區(qū)的側(cè)向受力遠(yuǎn)小于大角度斜坡區(qū)的受力。因此若蜂窩芯小角度斜坡區(qū)尖端較厚或未放置到位，那么該部位蜂窩芯就不能在壓力作用下與盆形件良好的配合，甚至?xí)c盆形件干涉，將其板板區(qū)墊起，進(jìn)而造成組件邊緣超厚。

2.3 裝配

（1）定位方法是在鈑金零件帶的定位耳片上依據(jù)工裝模體或工裝壓環(huán)上的定位孔鉆制零件定位孔，在該定位孔上插定位銷進(jìn)行定位。方法一是通過(guò)劃線或經(jīng)驗(yàn)引孔；方法二通過(guò)壓環(huán)上的通孔對(duì)零件制孔。以上兩種方法無(wú)論在制孔精度還是操作難度上，都很難保證定位孔的準(zhǔn)確性；（2）裝配順序?yàn)槊善?兩層墊板-蜂窩芯-盆形件-壓環(huán)，蜂窩芯依靠第二層墊板的位置放置，再在其上放置盆形件及壓環(huán)。這樣的裝配方法無(wú)法對(duì)兩者之間的配合狀態(tài)尤其是小角度斜坡區(qū)與盆形件相應(yīng)位置的配合狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，從而無(wú)法對(duì)蜂窩芯與盆形件的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整。

3 兩種改進(jìn)思路及相應(yīng)技術(shù)方案

3.1 改進(jìn)方案一

3.1.1 工裝

（1）重新制定組件膠接工裝的技術(shù)方案。在新的工裝方案中擴(kuò)大了型面余量區(qū)的范圍，將型面余量區(qū)作為制袋區(qū)使用，并增加了壓環(huán)內(nèi)表面的坡度要求，避免了制袋時(shí)的架橋風(fēng)險(xiǎn)；（2）在工裝計(jì)量時(shí)，采取全尺寸測(cè)量控制，并增加對(duì)型面余量區(qū)的計(jì)量要求，保證了型面精度；（3）借用盆形件制造工裝的凸模進(jìn)行AIRPAD的硫化，并且將硫化范圍擴(kuò)大至壓環(huán)斜坡區(qū)。這樣的硫化方法使盆形件與AIRPAD的制造均為同一依據(jù)，保證了盆形件與壓環(huán)的緊密貼合。在裝配時(shí)，工裝壓環(huán)可依據(jù)盆形件外形進(jìn)行定位，提高了零件與壓環(huán)間的裝配精度，避免了使用定位銷時(shí)的過(guò)定位及產(chǎn)生應(yīng)力等問(wèn)題。

3.1.2 蜂窩芯加工

通過(guò)分析與試驗(yàn)，已知大角度斜坡區(qū)在固化時(shí)可自動(dòng)校準(zhǔn)位置，與盆形件良好配合，對(duì)邊緣厚度影響較小。因此在數(shù)控銑切前，使用探針量取銑切工裝型面，并將最高點(diǎn)定為小角度斜坡區(qū)的銑切0點(diǎn)進(jìn)行加工。該方案既保證了蜂窩芯外形，又控制了小角度斜坡尖端的厚度，減少了該區(qū)域的手工修整量，提高了蜂窩芯的加工精度及裝配精度，使蜂窩芯的狀態(tài)更能滿足裝配時(shí)需求。

3.1.3 裝配

新的裝配方案中放棄了使用定位銷定位的方法，優(yōu)化后的裝配方案是將蒙皮、第一層墊板按照工裝模體的外形線放置，同時(shí)將盆形件放置到壓環(huán)的凹槽內(nèi)，在盆形件上放置蜂窩芯及第二層墊板，再將帶有蜂窩芯及第二層墊板的盆形件從壓環(huán)上取下，在工裝模體上按外形（余量）線放置，最后在盆形件上放置壓環(huán)。這樣的裝配方法使蜂窩芯與盆形件的相對(duì)位置可見(jiàn)，對(duì)于配合不好的區(qū)域可繼續(xù)進(jìn)行手工修整及調(diào)整；ZMS2180 2型2類50級(jí)（FM490A）泡沫膠有較高的工藝性能，蜂窩芯放置到準(zhǔn)確位置后不會(huì)攢動(dòng)。同時(shí)，由于壓環(huán)上AIRPAD是通過(guò)盆形件的成型模硫化，因此可與盆形件可以良好配合，從而解決了組件、工裝的配合及定位問(wèn)題。

3.2 改進(jìn)方案二

3.2.1 工裝及裝配

使用盆形件制造工裝的凹模進(jìn)行膠接組件的生產(chǎn)。該方案的裝配順序?yàn)榕栊渭?蜂窩芯-墊板-蒙皮，裝配完成后，在蒙皮上放置一塊均壓板。該方案具備以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）盆形件使用該工裝生產(chǎn)，可與工裝良好配合，避免了使用定位銷定位時(shí)的定位孔鉆制及鈑金零件產(chǎn)生應(yīng)力的問(wèn)題。同時(shí)盆形件為靠模面，無(wú)需使用工裝壓環(huán)，避免了工裝壓環(huán)與零件的配合問(wèn)題及過(guò)定位問(wèn)題；（2）在放置鈑金零件時(shí)，墊板、蒙皮可根據(jù)該工裝的余量線進(jìn)行定位。墊板、蒙皮的外形尺寸與盆形件一致，并且都帶有10mm余量，因此墊板及蒙皮定位準(zhǔn)確，從而解決了其他鈑金零件的定位問(wèn)題；（3）蜂窩芯與盆形件相對(duì)位置可見(jiàn)，對(duì)于配合不好的區(qū)域可繼續(xù)進(jìn)行手工修整及調(diào)整，從而及時(shí)解決蜂窩芯與鈑金零件的配合問(wèn)題，保證組件的合格生產(chǎn)。

3.2.1 蜂窩芯加工

蜂窩芯加工與方案一一致，均需要保證蜂窩芯外形及小角度斜坡尖端的厚度，并減少手工修整量。

4 兩種改進(jìn)方案的對(duì)比

4.1 相同點(diǎn)

（1）定位依據(jù)相同。兩種改進(jìn)思路間接或直接使用了盆形件的制造工裝，并依據(jù)外形（余量）線進(jìn)行定位；（2）蜂窩芯加工方案方案相同。均需保證蜂窩芯外形及小角度斜坡尖端的加工精度；（3）蜂窩芯與盆形件相對(duì)位置相同，且相對(duì)位置可見(jiàn)，能夠及時(shí)進(jìn)行修整和調(diào)整；（4）在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)兩種改進(jìn)方案制定的工藝方案均能使組件合格生產(chǎn)。

4.2 不同點(diǎn)

（1）使用的工裝不同。改進(jìn)方案一使用組件膠接工裝進(jìn)行生產(chǎn)。改進(jìn)方案二使用盆形件制造工裝進(jìn)行生產(chǎn)；（2）裝配順序不同。改進(jìn)方案一在工裝模體及壓環(huán)上分別裝配再進(jìn)行組合。改進(jìn)方案二按照?qǐng)D紙順序進(jìn)行裝配；（3）優(yōu)缺點(diǎn)不同。改進(jìn)方案一需借用盆形件制造工裝的凸模進(jìn)行組件膠接工裝壓環(huán)AIRPAD的硫化，一旦硫化成功并合格生產(chǎn)首件，就無(wú)需再次借用，在組件膠接工裝上進(jìn)行的輔助措施也可沿用至后續(xù)架次，無(wú)需清理。改進(jìn)方案二使用盆形件制造工裝可直接進(jìn)行首件生產(chǎn)，但是每次批產(chǎn)必須等盆形件制造單位完成生產(chǎn)后才能使用，同時(shí)在工裝上進(jìn)行的輔助措施必須在歸還工裝前進(jìn)行清理；（4）若盆形件制造工裝無(wú)凸模。那么就無(wú)法進(jìn)行組件膠接工裝的AIRPAD硫化，只能使用改進(jìn)方案二進(jìn)行生產(chǎn)。

5 實(shí)際應(yīng)用及繼續(xù)改進(jìn)空間

改進(jìn)方案一和改進(jìn)方案二在某型機(jī)內(nèi)襟翼艙上壁板的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行了驗(yàn)證，這兩種改進(jìn)方案均能保證組件厚度的有效控制。

考慮到實(shí)際生產(chǎn)情況，后續(xù)必須解決個(gè)別工裝壓環(huán)的AIRPAD硫化問(wèn)題。解決思路為利用盆形件制造工裝生產(chǎn)出一個(gè)合格的零件，以該零件為假件，進(jìn)行組件膠接工裝壓環(huán)的AIRPAD硫化。但是由于AIRPAD硫化時(shí)需要170℃±5℃（高溫）及0.5MPa-0.7MPa壓力，而組件的固化溫度僅為107℃-132℃（中溫），壓力僅為0.3MPa，因此仍需進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)解決該問(wèn)題。目前，擬采用高溫底膠、高溫膠膜進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)使用高溫泡沫膠或高溫填充膠，對(duì)蜂窩芯進(jìn)行全芯格填充的方法進(jìn)行假件的生產(chǎn)。但是由于膠膜厚度存在差異，并且受生產(chǎn)條件的影響，目前該解決思路還未得到驗(yàn)證。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）兩種技術(shù)改進(jìn)方案使用的工裝，能夠使鈑金零件、蜂窩芯及工裝之間良好配合，解決了定位問(wèn)題，保證了組件的膠接質(zhì)量，杜絕了裝配時(shí)過(guò)定位及固化時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力的問(wèn)題；（2）蜂窩芯銑切技術(shù)的改進(jìn)，在保證蜂窩芯外形的同時(shí)，提高了蜂窩芯小角度斜坡尖端的銑切精度及裝配精度，減少了手工修整量，降低了蜂窩芯與鈑金零件干涉的風(fēng)險(xiǎn)；（3）兩種技術(shù)改進(jìn)方案的裝配過(guò)程，都使蜂窩芯與盆形件的相對(duì)位置可見(jiàn)，對(duì)于配合不好的情況可以及時(shí)修整或調(diào)整，提高了組件的裝配精度。

參考文獻(xiàn)

[1]張明軒.復(fù)合材料工程詞典[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.