復(fù)合材料主槳葉生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證方法

沈亞娟，孫 濤，劉偉光，艾劍波，李麗麗，王 妍

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001;2.中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150060)

0 引言

20世紀(jì)60年代MBB公司BO-105、法國(guó)航宇公司(現(xiàn)歐洲直升機(jī)公司法國(guó)分部)“小羚羊”SA341等直升機(jī)復(fù)合材料旋翼槳葉研制成功，證實(shí)了復(fù)合材料的突出優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度、多路傳載、緩慢的裂紋擴(kuò)展特性和簡(jiǎn)便易操作的模壓成形工藝等，在槳葉上得到了充分發(fā)揮［1］。

主槳葉為直升機(jī)提供升力和操縱力，無(wú)論是從滿(mǎn)足飛行品質(zhì)角度，還是從提高飛行安全方面來(lái)說(shuō)，槳葉的生產(chǎn)質(zhì)量至關(guān)重要，所以必須對(duì)槳葉整個(gè)制造流程進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，確保槳葉的制造符合性。

由于復(fù)合材料工藝的特殊性，槳葉生產(chǎn)質(zhì)量的控制，不僅僅是對(duì)最終產(chǎn)品的檢驗(yàn)，它涉及到從材料入廠、零件制造過(guò)程、組裝模壓成型、產(chǎn)品質(zhì)量檢查和試驗(yàn)驗(yàn)證的整個(gè)過(guò)程。本文首先介紹了EC175直升機(jī)復(fù)合材料主槳葉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后介紹了其整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證方法。

1 復(fù)合材料主槳葉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

EC175直升機(jī)復(fù)合材料主槳葉主要由大梁、蒙皮、前緣包鐵、填充泡沫和接頭填塊等組件組成，各組件功能如下:

槳葉大梁:槳葉的主要承力件，主要承受槳葉的離心力;

槳葉蒙皮:槳葉的主要承力件，提供了槳葉的主要彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度;

前緣包鐵:保護(hù)槳葉本體，防止磕碰、侵蝕，進(jìn)行靜電和雷擊保護(hù);

填充泡沫:槳葉內(nèi)部支撐件，并且可以提供模壓時(shí)的內(nèi)壓力;

接頭填塊:固定槳根襯套，并且控制根部大梁帶走向。

2 生產(chǎn)前工藝符合性審查

工藝方法及其生產(chǎn)設(shè)備是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)圖紙要求，將直接影響到槳葉生產(chǎn)質(zhì)量和進(jìn)度。在EC175復(fù)合材料主槳葉生產(chǎn)之前，獨(dú)立質(zhì)量部門(mén)組織相關(guān)設(shè)計(jì)單位和工藝專(zhuān)家對(duì)工廠進(jìn)行工藝符合性審查。工藝符合性審查包含從原材料入廠一直到槳葉出廠全過(guò)程的相關(guān)工藝方法、工藝文件、生產(chǎn)設(shè)備和工裝的全面審查，核實(shí)是否符合設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)文件要求。其具體檢查項(xiàng)目和流程如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)符合性審查分析流程圖

另外，我國(guó)直升機(jī)槳葉的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)分別由不同的單位完成，槳葉工藝符合性審查常常成為生產(chǎn)質(zhì)量控制的一個(gè)盲點(diǎn)，故而有可能影響槳葉的生產(chǎn)質(zhì)量和進(jìn)度。

3 生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)方法

3.1 有效期檢查

復(fù)合材料一般都有有效期要求，復(fù)合材料過(guò)期這種故障比較隱蔽，但是其危害程度非常嚴(yán)重。例如，如果膠或者預(yù)浸材料過(guò)了有效期，將會(huì)影響粘接強(qiáng)度，發(fā)生不可估計(jì)的后果。這里以槳葉前緣包鐵的表面處理為例，介紹在EC175復(fù)合材料主槳葉生產(chǎn)過(guò)程中如何進(jìn)行有效期管理。

包鐵加工成型后，在進(jìn)行模壓槳葉之前，必須進(jìn)行包鐵的膠接面處理。為了延長(zhǎng)表面處理的有效期，需要酸洗后在膠接面涂底膠。EC175復(fù)合材料主槳葉前緣包鐵經(jīng)過(guò)表面處理后，在其零件上貼標(biāo)簽，注明表面處理(酸洗)時(shí)間、涂底膠時(shí)間，以及表面處理和涂底膠后的有效期，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 包鐵經(jīng)過(guò)表面處理標(biāo)簽

在EC175復(fù)合材料主槳葉的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)有效期有要求的零件，如涂底膠后的包鐵、無(wú)緯帶和短切纖維，都采用了貼標(biāo)簽的管理方式。

3.2 零件級(jí)質(zhì)量檢測(cè)方法

3.2.1 預(yù)制件的檢測(cè)方法

復(fù)合材料槳葉結(jié)構(gòu)中，常常包含預(yù)成型復(fù)合材料零件，如槳根堵蓋、接頭填塊、配重支座和支撐墊塊等。它們是通過(guò)獨(dú)立的模具制造而成。為檢測(cè)零件的質(zhì)量，需要從模具本身和零件模壓過(guò)程兩方面監(jiān)控。零件的幾何尺寸主要靠模具保證，為保證生產(chǎn)出合格的零件，首先要確保模具幾何尺寸合格，需要對(duì)模具進(jìn)行三坐標(biāo)檢查，合格后才能進(jìn)行零件生產(chǎn);在零件的模壓生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)重視首件檢驗(yàn)，對(duì)首件需要進(jìn)行三坐標(biāo)檢查，檢查零件尺寸是否符合要求，如果超差，確定超差位置，分析超差原因，進(jìn)行工藝改進(jìn)，直到首件完全符合設(shè)計(jì)圖紙要求。在批生產(chǎn)階段，僅檢查零件的關(guān)鍵尺寸和外觀質(zhì)量。

3.2.2 泡沫的檢測(cè)方法

由于槳葉泡沫剛度低，容易在加工的過(guò)程中變形，影響加工精度。當(dāng)加工泡沫小于設(shè)計(jì)值時(shí)，在模壓槳葉過(guò)程中，槳葉蒙皮壓力不足，導(dǎo)致槳葉蒙皮內(nèi)部存在大量氣泡，外觀發(fā)白，表面缺膠。當(dāng)加工泡沫大于設(shè)計(jì)值時(shí)，在模壓槳葉過(guò)程中，槳葉蒙皮過(guò)壓，導(dǎo)致蒙皮含膠量過(guò)低。

在泡沫的數(shù)控加工中，首件必須進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)，批生產(chǎn)階段只需要使用生產(chǎn)樣板進(jìn)行檢查。

3.3 模壓槳葉狀態(tài)的檢測(cè)方法

在模壓槳葉的過(guò)程中，檢驗(yàn)人員需要現(xiàn)場(chǎng)全過(guò)程跟蹤，質(zhì)量檢測(cè)需要重視以下幾個(gè)方面:

1)檢查各零件狀態(tài)。檢查零件狀態(tài)是否與圖紙一致，另外特別注意各復(fù)合材料零件是否在有效期范圍內(nèi);

2)檢查各零件鋪放位置。特別是槳葉蒙皮鋪放位置和材料角度，以及無(wú)緯帶數(shù)量和截止位置;

3)控制入模零件的總重量。為了減小模壓槳葉重量差異，需要控制入模零件重量，需要嚴(yán)格監(jiān)控所有入模零件的重量。

4 生產(chǎn)后質(zhì)量檢測(cè)方法

4.1 工藝件切割檢查

全新研制的復(fù)合材料主槳葉，由于結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，工藝方法和工藝參數(shù)對(duì)主槳葉的內(nèi)在質(zhì)量影響很大，在進(jìn)行正式槳葉生產(chǎn)之前，需要通過(guò)生產(chǎn)工藝試驗(yàn)件驗(yàn)證實(shí)際生產(chǎn)工藝的可行性。工藝試驗(yàn)件必須完成所有的生產(chǎn)工序，并且完成4.2～4.4節(jié)的所有檢查，檢查其是否符合設(shè)計(jì)要求。除了以上常規(guī)檢查以外，還需要進(jìn)行切割檢查，以檢查細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，以及工藝與設(shè)計(jì)的符合性。

主槳葉切割后，檢查槳根區(qū)域及典型剖面的模壓質(zhì)量，包括:

1)在根部區(qū)域，槳根堵蓋、槳根襯套、接頭填塊和無(wú)緯帶的位置，以及它們之間的膠接質(zhì)量;

2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀和位置節(jié)點(diǎn)，如大梁、加強(qiáng)肋和后緣條的形狀和弦向節(jié)點(diǎn)位置;

3)檢查大梁和后緣條的空隙率;

4)蒙皮內(nèi)部及蒙皮與填充泡沫之間的膠接質(zhì)量;

5)其它部位的膠接質(zhì)量(配重塊、靜動(dòng)配重腔等)。

槳葉根部典型制造缺陷包含:

①槳根襯套與接頭填塊之間有縫隙，這種制造缺陷非常嚴(yán)重，使用的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致槳根襯套松動(dòng);

②無(wú)緯帶與接頭填塊之間有間隙，如圖2(a)所示;

③無(wú)緯帶內(nèi)部存在縫隙，如圖2(b)所示;

④堵蓋與無(wú)緯帶間有較厚的膠膜和膠瘤填充間隙，如圖2(c)所示。

圖2 槳葉根部橫切圖

4.2 外觀檢查

通過(guò)外觀檢查，可以檢查槳葉表面狀況:蒙皮是否缺膠和是否褶皺等。另外，槳葉的外觀質(zhì)量會(huì)間接地反映槳葉的內(nèi)部質(zhì)量。

4.3 尺寸檢查

尺寸檢查包含:槳葉典型翼型最大厚度、槳葉扭角、前緣平直度、撓度、弦長(zhǎng)和槳葉根部的尺寸等。

4.4 敲擊檢查

敲擊檢測(cè)是用于檢查膠接質(zhì)量的一種常用方法。復(fù)合材料主槳葉的敲擊檢查主要包括前緣包鐵和蒙皮膠接質(zhì)量的檢查。敲擊檢測(cè)的工具通常是硬幣和金屬棒。根據(jù)敲擊發(fā)出的響聲來(lái)判斷被檢測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的膠接質(zhì)量。

4.5 X光檢查

通過(guò)X光的穿透作用對(duì)槳葉進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，X射線(xiàn)能穿透一般可見(jiàn)光所不能透過(guò)的物質(zhì)，因其波長(zhǎng)短，能量大，照在物質(zhì)上時(shí)，僅一小部分被物質(zhì)所吸收，大部分經(jīng)由原子間隙而透過(guò)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的穿透能力。X射線(xiàn)穿透物質(zhì)的能力與X射線(xiàn)光子的能量有關(guān)，X射線(xiàn)的波長(zhǎng)越短，光子的能量越大，穿透力越強(qiáng)。X射線(xiàn)的穿透力也與物質(zhì)密度有關(guān)，密度大的物質(zhì)，對(duì)X射線(xiàn)的吸收多，透過(guò)少;密度小者，吸收少，透過(guò)多。利用差別吸收這種性質(zhì)可以把密度不同的不銹鋼、預(yù)浸布、泡沫等材料區(qū)分開(kāi)來(lái)。

以下是復(fù)合材料主槳葉可能存在的相關(guān)缺陷:1)槳葉根部?jī)山饘僖r套周?chē)鸁o(wú)緯帶纏繞缺陷;2)槳根處各結(jié)構(gòu)元件的配合狀態(tài)，包括堵蓋、接頭填塊、根部泡沫之間的對(duì)接間隙及移位，上下接頭填塊之間的錯(cuò)位及縫隙等;

3)槳根區(qū)大梁有無(wú)彎曲和皺折，大梁“過(guò)橋”區(qū)域的走向和移位等;

4)槳葉加強(qiáng)肋的弦向位置和尺寸;

5)槳葉調(diào)頻配重的弦向位置尺寸;

6)槳葉內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模壓膠接質(zhì)量(包括有無(wú)氣孔、間隙及異物)。

圖3是槳葉根部典型制造缺陷的X光照片，其中a為槳根堵蓋與無(wú)緯帶之間有粗黑線(xiàn)，其真實(shí)缺陷如圖2(c)所示;b表示無(wú)緯帶內(nèi)部存在縫隙，真實(shí)缺陷如圖2(b)所示;c為無(wú)緯帶和襯套之間有黑線(xiàn)，表示這個(gè)位置有膠瘤或者空隙;d為無(wú)緯帶與接頭填塊之間有黑線(xiàn)，表示無(wú)緯帶與接頭填塊之間有間隙，真實(shí)缺陷如圖2(a)所示。

圖3 槳葉根部典型制造缺陷X光照片

5 生產(chǎn)質(zhì)量試驗(yàn)驗(yàn)證方法

5.1 普通疲勞試驗(yàn)

主槳葉作為直升機(jī)的關(guān)鍵部件，在直升機(jī)首飛前必須進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，其中疲勞試驗(yàn)主要目的有兩個(gè):一是得到槳葉的疲勞壽命;二是獲得槳葉疲勞破壞模式，用以改進(jìn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)［3］。

5.2 損傷容限疲勞試驗(yàn)

在復(fù)合材料槳葉生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)典型的生產(chǎn)故障，如無(wú)緯帶彎曲、泡沫超差、蒙皮貧膠和夾雜異物等缺陷。為了驗(yàn)證典型制造缺陷對(duì)槳葉強(qiáng)度的影響，需要通過(guò)損傷容限疲勞試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

在損傷容限試驗(yàn)件中，將在試驗(yàn)件預(yù)先制造有可能發(fā)生的制造缺陷。預(yù)先制造的損傷包括兩種:槳葉內(nèi)部制造缺陷和槳葉外部因撞擊導(dǎo)致的損傷。通過(guò)損傷容限疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證存在有制造缺陷的槳葉是否能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

5.3 生產(chǎn)伴隨件試驗(yàn)

1)前緣包鐵的粘接性能試驗(yàn)

通過(guò)前緣包鐵的剪切試驗(yàn)和剝離試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)際生產(chǎn)的零件的強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2)安全系數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)

在對(duì)槳葉進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算審核時(shí)，使用了安全系數(shù)。安全系數(shù)與材料性能的分散性有關(guān)，以下是在計(jì)算EC175復(fù)合材料主槳葉強(qiáng)度中使用的材料分散系數(shù):

q=0.035 無(wú)緯帶的分散性系數(shù)

q=0.046 其它復(fù)合材料的分散性系數(shù)

為了驗(yàn)證該系數(shù)取得是否合理，需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)包括大梁無(wú)緯帶和蒙皮的分散性試驗(yàn)，其中蒙皮試驗(yàn)件直接從模壓槳葉上切割下來(lái)，大梁試驗(yàn)件是伴隨槳葉同時(shí)生產(chǎn)，并且使用的材料與同批次槳葉的相同。

5.4 批生產(chǎn)階段生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證

在生產(chǎn)過(guò)程中，質(zhì)量穩(wěn)定性檢測(cè)分兩個(gè)階段:批生產(chǎn)初期階段和批生產(chǎn)成熟期階段。

批生產(chǎn)初期階段:如果每年產(chǎn)量大于150片 ，則每150片抽檢一次(包含根部疲勞試驗(yàn)和翼型段疲勞試驗(yàn))，如果小于150片，則每年抽檢一次;

批生產(chǎn)成熟階段:如果每年產(chǎn)量大于450片 ，則每450片抽檢一次(包含根部疲勞試驗(yàn)和翼型段疲勞試驗(yàn))，如果小于450片，則三年抽檢一次。

6 結(jié)論

本文結(jié)合EC175復(fù)合材料主槳葉生產(chǎn)過(guò)程，詳細(xì)介紹了其生產(chǎn)質(zhì)量檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證方法。根據(jù)檢測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)批生產(chǎn)階段的設(shè)計(jì)圖紙和生產(chǎn)工藝進(jìn)行完善，滿(mǎn)足了槳葉設(shè)計(jì)要求。本文所介紹的檢測(cè)和試驗(yàn)驗(yàn)證方法對(duì)其它直升機(jī)旋翼槳葉具有借鑒意義。

［1］楊乃賓，倪先平.直升機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008:7-14.

［2］李志峰，黃文俊，等.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)產(chǎn)復(fù)合材料槳葉上的應(yīng)用［C］.第25屆全國(guó)直升機(jī)年會(huì)論文集，2009.

［3］孫 濤，劉偉光，等.某型直升機(jī)主槳葉疲勞試驗(yàn)提前失效分析及改進(jìn)［C］.第26屆全國(guó)直升機(jī)年會(huì)論文集，2010.