某型飛機(jī)前風(fēng)擋有機(jī)玻璃裂紋故障分析和換裝

高 翔，郭蕊娜，蔣 敏，萬映輝

（洪都航空工業(yè)集團(tuán)，江西 南昌330024）

0 引言

某型號飛機(jī)在交付后外場使用期間發(fā)現(xiàn)多架飛機(jī)風(fēng)擋側(cè)窗有機(jī)玻璃產(chǎn)生裂紋， 本文對有機(jī)玻璃開裂失效產(chǎn)生的原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析， 提出了預(yù)防與改進(jìn)措施。 換裝中，對于前風(fēng)擋玻璃拆卸后產(chǎn)生的骨架和機(jī)身蒙皮的變形進(jìn)行了研究分析， 設(shè)計出了可調(diào)節(jié)外形的成型工藝方法、 退火整形方法， 最終確定裝配更換方案。 完成了故障機(jī)的換裝， 形成了一套完整預(yù)防維護(hù)和換裝規(guī)范。

1 故障原因分析

1.1 玻璃裂紋失效分析

由于側(cè)窗有機(jī)玻璃透明件壓裝于風(fēng)擋骨架及蒙皮內(nèi)，外部檢查應(yīng)用專用四棱鏡。 為了更好的分析，先將有機(jī)玻璃透明件進(jìn)行拆卸， 然后對其失效部位進(jìn)行低倍觀察。圖1、圖2 為故障飛機(jī)左、右風(fēng)擋側(cè)窗有機(jī)玻璃的外觀形貌， 可以明顯看到沿玻璃外周一圈有多處裂紋。 其中最為嚴(yán)重的A、B 處為吊掛螺栓處，其裂紋形貌如圖3、圖4 所示，裂紋呈放射狀分布，可見螺栓孔周邊的裂紋呈密集狀分布。 裂紋起始于螺栓孔周邊的棱角或表面相對粗糙處， 長度為0.24～8.0 mm，深度為0.5～6.0 mm，孔內(nèi)的裂紋沿法向向內(nèi)由深變淺，相對孔的對稱軸對稱分布，見圖4，表明該處存在較大的應(yīng)力集中。

圖1 左側(cè)窗玻璃零件的外觀形貌

圖2 右側(cè)窗玻璃零件的外觀形貌

圖3 A 區(qū)吊掛螺栓處裂紋形貌

在圖1 所示的側(cè)窗有機(jī)玻璃外周的內(nèi)表面與密封膩子接觸區(qū)域可看到明顯的棕紅色痕跡， 而且所有的裂紋基本都位于有棕紅色痕跡的地方。 通過將圖1、 圖2 中C、D 處兩條裂紋分別沿裂紋方向打開斷口，置于金相顯微鏡下觀察，能看到明顯的腐蝕形貌，見圖5，圖6。

圖4 B 區(qū)（吊掛螺栓處）裂紋形貌

圖5 C 處斷口腐蝕形貌

圖6 D 區(qū)裂紋斷口源區(qū)高倍

可以看到斷口處都存在明顯的腐蝕痕跡。 裂紋起源于有機(jī)玻璃側(cè)窗內(nèi)表面， 位于有機(jī)玻璃與密封膩子之間的棕紅色區(qū)域。 通過對密封膩子表面殘留的棕紅色物質(zhì)進(jìn)行紅外光譜分析， 其特征譜線為有機(jī)玻璃的基團(tuán)吸收峰，有機(jī)玻璃的溶解產(chǎn)物。 另外參考后面的對風(fēng)擋有機(jī)玻璃透明件的生產(chǎn)過程調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)制造中會不可避免地存在應(yīng)力，同時在生產(chǎn)過程中， 存在接觸對有機(jī)玻璃有溶解作用的溶劑的情況， 由此判斷故障件裂紋是在應(yīng)力和溶劑共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力-溶劑裂紋。

1.2 生產(chǎn)過程的調(diào)查

為了找到造成因上述原因產(chǎn)生裂紋的工序，我們調(diào)查了前風(fēng)擋標(biāo)工的協(xié)調(diào)性；前風(fēng)擋弧框連接件、骨架蒙皮、 襯板的加工工藝過程； 有機(jī)玻璃原材料和前風(fēng)擋側(cè)玻璃的成型、 裝配過程； 前風(fēng)擋初裝和座艙氣密試驗過程。 通過全過程的調(diào)查， 發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1）前風(fēng)擋過渡蒙皮在與機(jī)身蒙皮相配合區(qū)域，有個別架次有局部不貼合的現(xiàn)象， 新的風(fēng)擋蒙皮在與機(jī)身連接時會存在一定的強(qiáng)迫裝配情況。

2）在保證前風(fēng)擋、 前活動艙蓋間隙和階差的前提下， 通常會在風(fēng)擋弧框蒙皮與風(fēng)擋弧框之間增加2 mm 楔形墊片， 此時需拆下相應(yīng)連接件， 在加完墊片后再將連接件裝回。 加墊位置在弧框處， 隨著局部拆裝蒙皮， 并塞進(jìn)墊片， 也會對玻璃產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力。

3）風(fēng)擋上的吊掛螺栓安裝好后，飛機(jī)部裝時，起吊過程中可能對玻璃產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。

4）氣密試驗中對座艙漏氣的處理中使用了FN-303 膠粘劑。FN-303 膠粘劑的溶劑中含有乙酸乙酯，對有機(jī)玻璃有溶解作用。

1.3 故障分析結(jié)論

通過對故障件的失效分析和前風(fēng)擋生產(chǎn)過程的調(diào)查， 重點對前風(fēng)擋生產(chǎn)用YB-3 航空有機(jī)玻璃、FN-303 膠粘劑（俗稱88 號膠）、XM-48 不干性密封膩子的基本組成和特性進(jìn)行分析。

YB-3 航空有機(jī)玻璃是以甲基丙烯酸甲酯、少量增塑、 耐光劑為主要原料經(jīng)本體聚合而成的澆注有機(jī)玻璃板材，成形溫度（135～150 ℃）。YB-3 航空有機(jī)玻璃可溶解于丙酮、甲乙酮、二氯乙烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯和苯；在甲醇、乙醇、異丙醇和四氯化碳中會溶脹；不溶于脂肪烴、己烷、辛烷、石油醚、汽油、甘油；中性肥皂、松節(jié)油和8 號航空潤滑油對YB-3 航空有機(jī)玻璃不起作用[1]。 FN-303 膠粘劑的基本組成為：氯丁橡膠、叔丁酚甲醛樹脂、乙酸乙酯和汽油的混合溶劑。 其溶劑中的乙酸乙酯對有機(jī)玻璃有溶解作用。

XM-48 不干性密封膩子是以丁基橡膠為主成分的單組份材料，基本組成為：丁基橡膠、填充劑、軟化劑、顏料，主要用于飛機(jī)機(jī)身、座艙的連接縫內(nèi)密封和座艙蓋玻璃與艙蓋前后連接弧框連接處的密封[2]。由于XM-48 密封膩子不會硫化，當(dāng)暴露在含有溶劑成分的環(huán)境中，會吸附含有溶劑成分的物質(zhì)。 如果該溶劑對有機(jī)玻璃有溶解作用， 將對接觸的有機(jī)玻璃產(chǎn)生侵蝕作用， 在應(yīng)力的作用下更容易誘發(fā)產(chǎn)生銀紋甚至裂紋。 針對故障件玻璃與密封膩子間的棕紅色物質(zhì)，我們進(jìn)行了模擬試驗：將浸在乙酸乙酯中24 h 后的XM-48 密封膩子貼在YB-3 有機(jī)玻璃試樣表面，放入燒杯中封存，24 h 后觀察有機(jī)玻璃與XM-48密封膩子貼合面顏色呈現(xiàn)淺棕色。

該型號飛機(jī)風(fēng)擋弧框處有兩個吊掛螺栓, 對風(fēng)擋弧框吊掛螺栓處強(qiáng)度分析和對風(fēng)擋弧框吊掛螺栓區(qū)域假設(shè)計算， 可以得出風(fēng)擋弧框處吊掛螺栓區(qū)域的受力情況。 當(dāng)風(fēng)擋弧框處吊掛螺栓在無法保證裝配間隙時，在吊掛時螺栓會接觸有機(jī)玻璃，從而產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。 在正常安裝力矩下， 有機(jī)玻璃強(qiáng)度夠承受，而若擰緊力矩過大會造成玻璃局部應(yīng)力較高。 而澆注有機(jī)玻璃在室溫下是脆性材料， 對缺口和應(yīng)力集中非常敏感，抗裂紋擴(kuò)展能力差，裝配應(yīng)力過高會誘發(fā)銀紋甚至裂紋。 側(cè)玻璃故障件在吊掛螺栓處裂紋呈放射狀分布， 就是表明該處存在較大的應(yīng)力集中。 經(jīng)查圖紙， 吊掛螺栓在拆卸螺栓后再裝入螺釘時，藍(lán)圖沒有給出力矩要求，因此安裝過程中存在螺釘與吊掛螺栓裝緊后繼續(xù)擰緊的可能， 導(dǎo)致吊掛處玻璃應(yīng)力增大。 當(dāng)有機(jī)玻璃受溶劑或含溶劑物質(zhì)侵蝕在應(yīng)力共同作用下會產(chǎn)生銀紋， 銀紋進(jìn)一步發(fā)展將誘發(fā)產(chǎn)生裂紋。

1.4 裂紋產(chǎn)生原因

通過以上分析可以得出產(chǎn)生裂紋的主要原因有：

1）側(cè)窗玻璃裂紋為應(yīng)力-溶劑裂紋，裂紋的產(chǎn)生與應(yīng)力和溶劑共同作用有關(guān)。

2）吊掛螺栓處玻璃U 型槽底部存在較大的應(yīng)力集中。

3）玻璃產(chǎn)生的溶劑腐蝕與座艙氣密試驗過程中使用含乙酸乙酯溶劑的FN-303 膠粘劑有關(guān)。

2 改進(jìn)和防錯

根據(jù)以上分析應(yīng)重點加強(qiáng)前風(fēng)擋裝配和可能接觸到對有機(jī)玻璃有害溶劑生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制； 要嚴(yán)格按設(shè)計技術(shù)條件要求控制裝配應(yīng)力， 并避免有機(jī)玻璃接觸有害溶劑。 針對前風(fēng)擋側(cè)窗玻璃裂紋故障，采取以下改進(jìn)和防錯：

1）航空有機(jī)玻璃透明件應(yīng)存放在溫度為5 ℃～40 ℃、相對濕度不大于70%的室內(nèi)。 有機(jī)玻璃表面應(yīng)貼有保護(hù)層（紙），并且遠(yuǎn)離熱源（暖氣管、紅外燈等）。 零件存放時，應(yīng)放在專用托架上或平臺上，不允許重疊堆置。 禁止將零件與有機(jī)溶劑或含有機(jī)溶劑的材料放在一起。

2）成型車間在制造航空有機(jī)玻璃透明件時，應(yīng)嚴(yán)格按工藝說明書和指令要求操作。 有機(jī)玻璃與骨架應(yīng)配合良好，擰入螺栓時應(yīng)用規(guī)定的定力扳手，使玻璃外緣所受的載荷分布均勻， 禁止局部加壓使有機(jī)玻璃適合骨架。 零件交付前，成型車間在檢查有機(jī)玻璃表面的保護(hù)層 （紙）是否完好 （特別是密封膠處），并加封條、蓋檢驗章。 零件若不能及時交付，應(yīng)按1）中要求存放。

3）裝配車間接受有機(jī)玻璃制件后， 不允許破壞或撕去保護(hù)層（紙）及封條。 裝配過程中，應(yīng)小心仔細(xì)操作，不允許撞擊有機(jī)玻璃，禁止各類工器具放于有機(jī)玻璃透明件上， 以避免劃擦傷有機(jī)玻璃。 禁止酒精、丙酮、甲乙酮、苯、甲苯、二氯乙烷、三氯甲烷、四氯化碳、冰醋酸、醋酸乙酯、乙醚、油漆稀釋劑以及會對有機(jī)玻璃產(chǎn)生有害影響的其它溶劑 （包括其蒸氣以及含上述溶劑的膠液）接觸有機(jī)玻璃。

4）用FN-303 號膠堵漏時， 只允許部裝車間將該膠用提交的艙蓋和風(fēng)擋外的其它部件， 且只能用于XM48 膩子無法堵住的小面積局部地方。

5）在進(jìn)行飛機(jī)風(fēng)擋或艙蓋內(nèi)氣密試驗堵漏操作時，每次取膠后，膠液桶的蓋子應(yīng)立即關(guān)上。 嚴(yán)禁整個堵漏過程中膠桶敞開放置。

6）完成涂膠堵漏操作后，應(yīng)立即將艙蓋打開，通風(fēng)（建議用風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)），以有利于乙酸乙酯蒸氣的散發(fā)。膠液必須干燥后方可關(guān)艙進(jìn)行試驗。一般干燥時間為30 min， 當(dāng)操作間空氣濕度大于70%或者溫度低于15 ℃時，涂膠后晾置時間應(yīng)適當(dāng)延長，以手接觸近乎不粘為準(zhǔn)。不允許使用FN-303 膠進(jìn)行試漏操作。 要求各分廠應(yīng)在作業(yè)指導(dǎo)書或工藝指令上對FN-303 膠的使用做出詳細(xì)規(guī)定，并在膠液使用區(qū)域掛出警示牌，檢驗員應(yīng)嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行控制。

3 返修換裝

3.1 換裝出現(xiàn)的技術(shù)問題

對故障機(jī)進(jìn)行換裝時，發(fā)現(xiàn)每架飛機(jī)拆卸后，機(jī)身和風(fēng)擋骨架都存在不同程度的變形， 且每架飛機(jī)的變形量均不同。 這是由飛機(jī)安裝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力經(jīng)過拆卸時釋放而導(dǎo)致蒙皮及骨架產(chǎn)生變形。

該飛機(jī)前機(jī)身風(fēng)擋處拆卸難度很大， 如果連同骨架拆卸后產(chǎn)生的變形， 則不可再次安裝到位。 因此，風(fēng)擋有機(jī)玻璃透明件拆卸后，骨架在飛機(jī)上的外形與理論外形將存在偏差，且各架次偏差情況不同。換裝中若利用理論外形的成型模成型的側(cè)窗有機(jī)玻璃透明件在飛機(jī)上裝配時， 就會與蒙皮骨架有較大間隙，強(qiáng)行裝配將導(dǎo)致較大裝配應(yīng)力，而這種大的裝配應(yīng)力是不允許存在的。 定制不同外形的成型模及退火架是不現(xiàn)實的，因此必須解決按架換裝問題。

3.2 換裝方案

確定的按架換裝方案如圖7 所示。

圖7 換裝方案示意圖

利用已制造好的一套符合理論外形的側(cè)玻璃在試飛站試裝， 測量與機(jī)身和骨架外形蒙皮的間隙數(shù)據(jù)，并建立間隙數(shù)據(jù)記錄。 依據(jù)所測數(shù)據(jù)分析可以采用以下方法進(jìn)行有機(jī)玻璃成型：

成型方法一： 因變形后飛機(jī)機(jī)身、 骨架蒙皮偏大， 這就要求成型的有機(jī)玻璃透明件也要比理論外形偏大， 我們通過測量發(fā)現(xiàn)成型用的壓框剛好和理論外形相差一個玻璃厚度， 所以擬定采用成型模配合使用的壓框的內(nèi)型面作為風(fēng)擋側(cè)玻璃的成型貼合面。 并制作了簡易成型模如圖8。 該模具的優(yōu)點是用其成型的透明件表面光學(xué)質(zhì)量好， 成型簡單容易操作，缺點是外形固定，無法控制外形隨不同架次的變化，只有采用后續(xù)退火整形來調(diào)整偏差。

成型方法二：將測量的間隙數(shù)據(jù)作為參考，在側(cè)玻璃成型模（陽模）的相應(yīng)位置的零件邊緣線外側(cè)放置相應(yīng)厚度的絨布形成臺階而達(dá)到成型玻璃具有光滑流線和外形，如圖9。成型時，加墊位置的玻璃不得用力使之貼模，否則將引起折光，并詳細(xì)制定了工藝文件。 該模具的優(yōu)點是成型簡單容易調(diào)整變形量，但要特別注意成型的操作方法， 否則容易產(chǎn)生光學(xué)畸變和折光，因此，須認(rèn)真依照工藝文件操作。

圖8 壓框成型模（陰模）

圖9 陽模成型模（陽模）

按上述兩種成型方法均可滿足安裝配裝的有機(jī)玻璃成型要求。 從實際應(yīng)用情況來看，成型方法二更適合按架配裝成型， 因為可以通過反復(fù)測量進(jìn)行厚度修正， 并且成型出滿足要求的側(cè)窗透明件在后續(xù)的整形過程可以避免尺寸調(diào)整過大帶來的折光。 經(jīng)多次試驗得出， 采用方法二即陽模加墊的成型工藝效率比方法一高出3 倍， 而且外形貼合度能滿足換裝要求。

成型好的前風(fēng)擋側(cè)玻璃修配完成后， 為了消除其成型和加工帶來的內(nèi)應(yīng)力，調(diào)整其外形，并將修配好的側(cè)玻璃弧框頂部放在自行設(shè)計制造的退火架上退火（圖10、圖11），并用絨布對有機(jī)玻璃進(jìn)行保護(hù)，依據(jù)理論外形與機(jī)身、 骨架蒙皮測量的間隙數(shù)據(jù)作參考來調(diào)整退火架對玻璃的壓緊度， 即通過如圖10所示的調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行外形調(diào)節(jié)， 在底座和支架上都有刻度供參考。 通過反復(fù)試驗和參考標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)，設(shè)定退火參數(shù)為： 在80 ℃±5 ℃條件下加溫10 h 或在90℃±5 ℃條件下加溫6 h 進(jìn)行退火， 之后隨爐冷卻至40℃下方可取出。

圖11 可調(diào)節(jié)退火整形架刻度設(shè)置

我們利用方法二進(jìn)行成型和退火后通過光學(xué)性能檢查，均滿足設(shè)計要求。 在故障飛機(jī)上進(jìn)行試裝完全滿足要求， 即在90 N 的外力下可以貼合機(jī)身骨架蒙皮，可以用于換裝。 通過一系列試驗和研究，確定了換裝方案并形成工藝方案的工藝技術(shù)規(guī)范,用于風(fēng)擋修理的側(cè)玻璃成型及退火方案。

成型合格（間隙滿足機(jī)身變形要求）的側(cè)玻璃在使用更新設(shè)計的吊掛螺栓和加墊方案后成功的試裝了首架故障飛機(jī)，完成了首件鑒定件，經(jīng)過論證也適用于外場的飛機(jī)換裝。

4 結(jié)語

通過故障分析、生產(chǎn)調(diào)查和圖紙復(fù)查，找到了某型號飛機(jī)風(fēng)擋側(cè)窗有機(jī)玻璃腐蝕裂紋的關(guān)鍵源，發(fā)現(xiàn)在裝配應(yīng)力和密封試驗階段，因FN-303 應(yīng)用不當(dāng)而使風(fēng)擋側(cè)窗有機(jī)玻璃產(chǎn)生溶劑裂紋。 同時與設(shè)計協(xié)調(diào)，更改了吊掛螺栓處的設(shè)計優(yōu)化，并對部裝使用FN-303 的方法進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，確定了有機(jī)玻璃表面保護(hù)細(xì)則；通過工藝摸索和大量工藝試驗，研究制定了風(fēng)擋玻璃適合按架配裝成型及退火方案， 并成功實現(xiàn)換裝， 形成的防錯和換裝規(guī)范也可應(yīng)用于其它同類故障。

[1]馬占鏢. 甲基丙烯酸酯樹脂及其應(yīng)用[M]. 北京：化工工業(yè)出版社，2002：135.

[2]中國航空材料手冊編輯委員會. 中國航空材料手冊第8 卷[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002：510～511.