飛機復合材料結構修理工具的設計

代永朝，陳宜參

（1.空軍第一航空學院，河南 信陽 464000；2.94452 部隊，河南 新鄉 453003）

0 引言

復合材料由于具有重量輕、強度高、剛度好和不易腐蝕等優點，已成為現代飛機的主要結構用材。隨著復合材料及其成形工藝技術的發展，復合材料也開始應用于制造飛機的主要結構件且用量越來越多[1]。為此，飛機復合材料結構的損傷修理已成為現代飛機維修的重要組成部分，迫切需要滿足飛機復合材料結構損傷修理技術要求的修理工具。本文針對飛機復合材料結構形式和機械加工特點，根據其修理方法要求，研制出了便攜快捷的飛機復合材料修理工具。

1 飛機復合材料的基本修理方法及其工具配置

飛機復合材料結構損傷修理通常采用膠接和機械連接兩種技術[2]。其中膠接修理分為貼補和挖補兩種方法：貼補修理是指將預固化補片粘接在損傷部位的外側以恢復結構的強度、剛度及使用性能，見圖1（a）；挖補修理是指采用銑切等方式將損傷結構挖除，并形成斜接式或階梯式的粘接面，然后采用預浸料或其他填充物填充挖補區，最后經固化得到平整修理表面的一種修理方法，見圖1（b）。而機械連接修理則是采用金屬薄板作為補片，通過鈦合金抽釘將補片連接到損傷區域進行加強的一種修理方法，見圖1（c）。

圖1 復合材料結構損傷修理方法Fig.1 Repair method of composite structure damage

依據上述修理方法工藝要求，復合材料修理除了加溫加壓所需的膠接熱補儀設備外，所需的修理工具包括鉆孔、锪窩、切割、打磨和鉚接等機械加工工具。

2 復合材料修理工具的設計

復合材料是完全不同于金屬的各向異性材料，其強度大、硬度高，但層間強度低，不耐沖擊，易分層，普通工具對復合材料進行鉆孔、切割和打磨等機械加工時，很容易造成分層和劈裂等損傷，并且工具磨損極快[3]。因此，必須根據復合材料的性能特點，結合修理工藝需要，研制出有針對性的加工工具。

2.1 鉆頭選擇

由于以碳纖維材料為代表的先進復合材料的硬度高，對普通高速鋼和工具鋼材料制成的鉆頭磨損極快，為此必須選用硬質合金作刀具材料。在參考國外硬質合金選材的基礎上，發現選用鎢—鈷類硬質合金是合適的，因為這類硬質合金有較高的抗彎強度和韌性，可以減少切削時崩刃。同時，它的磨削加工性能較好，適于磨出鋒利的刃口。經過試驗研究，鉆頭最佳幾何參數為：頂角在100°～120°范圍，后角為15°～25°，螺旋角為25°～30°。

2.2 锪窩鉆設計

復合材料結構使用的緊固件锪窩錐度通常為100°，加工時不僅要求表面光滑，且不能造成分層損傷。經過試驗，使用傳統的硬質合金锪窩鉆，其锪窩質量不能滿足技術要求。為此，根據磨削加工原理，采取鍍金剛砂技術，在用普通工具鋼制作的锪窩鉆工作面上鍍一層100 目粒度金剛砂。采用該方法制作的锪窩鉆，經反復使用，加工的沉頭窩末出現任何分層和毛刺，且使用壽命超過6000 次。

2.3 切割工具設計

復合材料結構在損傷修理時，主要涉及到圓形和矩形兩種類型孔的制作，這些孔直徑一般在20mm 以上。根據復合材料的加工特性和磨削加工原理，設計出了專用的復合材料切割工具，即鍍金剛砂的套料刀和圓盤割刀（見圖2）。其中套料刀主要用于圓孔的切割，圓盤割刀主要用于矩形孔的切割。鍍金剛砂的套料刀和圓盤割刀基體材料為T8A，其切削部分均勻地鍍上一層（約0.2mm）金剛砂。金剛砂的粒度為100 目。

圖2 復合材料切割工具Fig.2 Cutting tool of composite material

2.4 打磨工具設計

復合材料修理對密封和防腐有較高的要求，打磨是確保粘接表面處理質量的重要工序。根據復合材料結構損傷打磨要求，設計出了表面鍍金剛砂的圓柱銑刀和端面打磨輪（見圖3），用于層壓板、蜂窩和膠層的打磨。

2.5 拉鉚工具設計

復合材料不耐沖擊，修理時不能采取普通鉚接的方法進行連接，為防止電化學腐蝕，通常采用鈦合金抽釘進行連接。為此，根據氣動旋拉的原理，依據鈦合金拉鉚釘形狀和變形特點，專門設計改裝了適合鈦合金鉚釘的拉鉚槍 （見圖4）。該拉鉚槍由槍體、三種規格（φ4.2、φ5.0、φ6.0） 旋拉桿和旋拉套組成，具有拉力大、操作簡便的優點。

圖3 打磨工具Fig.3 Sanding tool

圖4 鈦合金鉚釘拉鉚槍Fig.4 Pulling gun of titanium alloy rivet

3 總結

本文研制的復合材料修理工具，已配發多家單位應用。使用表明，該套工具采用鍍金剛砂工藝設計和氣動旋轉磨削加工技術，具有結構輕巧、功能齊全、使用壽命長、制造成本低、操作使用方便和修理質量高等顯著優點；對復合材料結構損傷去除速度快，無傳統切割方法普遍存在易導致結構分層的弊端，可完全滿足飛機復合材料結構修理的需要。

[1] 虞浩清，等.飛機復合材料結構修理[M].北京：中國民航出版社，2010.

[2] 胡芳友，等.飛機結構損傷修理[M].北京：兵器工業出版社，2012.

[3] 沃丁柱.復合材料大全[M].北京：化學工業出版社，2000.