雙曲面小角度金屬膠接夾層組件制造技術改進

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，多用于飛機機翼、垂尾等氣動外形的理論型面，精度要求及其嚴格。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貼合難度大，鋁蜂窩芯、鈑金零件、工裝三者之間的協調關系復雜。因此易出現邊緣板板區超厚的質量問題。文章以飛機內襟翼艙上壁板為研究對象，對影響因素進行綜合分析，提出了兩種技術改進方案，使組件邊緣板板區的超厚問題得以控制。

關鍵詞：金屬膠接夾層組件；厚度控制；制造

1 某型機內襟翼艙上壁板結構形式

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

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

實際生產中因鈑金零件邊緣波動現象、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的基礎，其結構形式、型面精度、定位方法等會直接決定膠接組件成型后的狀態是否滿足設計圖紙要求。通過對內襟翼艙上壁板原工裝的結構形式、計量精度、定位方法等的分析，發現該工裝存在以下四個問題：（1）工裝壓環與制袋區的臺階很近且工裝壓環內表面坡度較陡，在制袋時易產生架橋，從而影響膠接質量；（2）工裝在計量時，每100mm取一個測量點，測量間距偏大，不能有效保證工裝型面的精度；（3）工裝模體、壓環、四層鈑金零件均使用同一組定位孔插定位銷定位，易產生“過定位”問題。在組件加溫加壓固化時，鈑金零件、壓環受定位銷限制無法自由膨脹，會在局部產生應力，使鈑金零件，尤其是組件邊緣的板板膠接區產生鼓動，從而導致組件的超厚；（4）為了避免工裝及盆形件的加工公差對組件配合造成的影響，在壓環與組件板板區接觸面鋪貼AIRPAD（工藝軟模），壓環與斜坡區的接觸面依據經驗及組件的固化情況適當等。每架份零件狀態不盡相同，組件、壓環裝配時的局部配合難控制，從而不能保證斜坡區與盆形件、工裝的良好貼合，最終導致超厚問題的產生。

2.2 蜂窩芯加工

在零件固化過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，因此數控加工時無需對蜂窩芯的平面區域進行加工。但蜂窩芯數模是小角度雙曲型，因此在數控編程時需要將數模從曲面展成平面，展開時會擴大零件的外形尺寸。當實際零件未進行平面區域型面加工后，產品固化時蜂窩芯受壓變形時會再次延展，造成了展開加工后其外形尺寸比理論要大一些，在裝配時，展開加工的蜂窩芯會溢出盆形件，且在數控加工時，蜂窩芯小角度斜坡尖端以及各斜坡間的R角很難加工，在組件裝配時要手工修整，而大量的手工修整會造成每架份的產品狀態不一致、穩定性差，修整質量參差不齊。

通過進一步的分析與試驗，發現當組件加壓固化時蜂窩芯大角度斜坡面受到的側向分力較大，足以推動展開加工的蜂窩芯使其與盆形件產生良好的配合，而小角度斜坡由于其角度較小，斜面較大，因此受到的側向分力較小，不能推動蜂窩芯自動找到準確位置。很明顯，小角度斜坡區的側向受力遠小于大角度斜坡區的受力。因此若蜂窩芯小角度斜坡區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，甚至會與盆形件干涉，將其板板區墊起，進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工裝模體或工裝壓環上的定位孔鉆制零件定位孔，在該定位孔上插定位銷進行定位。方法一是通過劃線或經驗引孔；方法二通過壓環上的通孔對零件制孔。以上兩種方法無論在制孔精度還是操作難度上，都很難保證定位孔的準確性；（2）裝配順序為蒙皮-兩層墊板-蜂窩芯-盆形件-壓環，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。這樣的裝配方法無法對兩者之間的配合狀態尤其是小角度斜坡區與盆形件相應位置的配合狀態進行預判，從而無法對蜂窩芯與盆形件的相對位置進行調整。

3 兩種改進思路及相應技術方案

3.1 改進方案一

3.1.1 工裝

（1）重新制定組件膠接工裝的技術方案。在新的工裝方案中擴大了型面余量區的范圍，將型面余量區作為制袋區使用，并增加了壓環內表面的坡度要求，避免了制袋時的架橋風險；（2）在工裝計量時，采取全尺寸測量控制，并增加對型面余量區的計量要求，保證了型面精度；（3）借用盆形件制造工裝的凸模進行AIRPAD的硫化，并且將硫化范圍擴大至壓環斜坡區。這樣的硫化方法使盆形件與AIRPAD的制造均為同一依據，保證了盆形件與壓環的緊密貼合。在裝配時，工裝壓環可依據盆形件外形進行定位，提高了零件與壓環間的裝配精度，避免了使用定位銷時的過定位及產生應力等問題。

3.1.2 蜂窩芯加工

通過分析與試驗，已知大角度斜坡區在固化時可自動校準位置，與盆形件良好配合，對邊緣厚度影響較小。因此在數控銑切前，使用探針量取銑切工裝型面，并將最高點定為小角度斜坡區的銑切0點進行加工。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，使蜂窩芯的狀態更能滿足裝配時需求。

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，同時將盆形件放置到壓環的凹槽內，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。這樣的裝配方法使蜂窩芯與盆形件的相對位置可見，對于配合不好的區域可繼續進行手工修整及調整；ZMS2180 2型2類50級（FM490A）泡沫膠有較高的工藝性能，蜂窩芯放置到準確位置后不會攢動。同時，由于壓環上AIRPAD是通過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題。

3.2 改進方案二

3.2.1 工裝及裝配

使用盆形件制造工裝的凹模進行膠接組件的生產。該方案的裝配順序為盆形件-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優點：（1）盆形件使用該工裝生產，可與工裝良好配合，避免了使用定位銷定位時的定位孔鉆制及鈑金零件產生應力的問題。同時盆形件為靠模面，無需使用工裝壓環，避免了工裝壓環與零件的配合問題及過定位問題；（2）在放置鈑金零件時，墊板、蒙皮可根據該工裝的余量線進行定位。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確，從而解決了其他鈑金零件的定位問題；（3）蜂窩芯與盆形件相對位置可見，對于配合不好的區域可繼續進行手工修整及調整，從而及時解決蜂窩芯與鈑金零件的配合問題，保證組件的合格生產。

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 兩種改進方案的對比

4.1 相同點

（1）定位依據相同。兩種改進思路間接或直接使用了盆形件的制造工裝，并依據外形（余量）線進行定位；（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位置相同，且相對位置可見，能夠及時進行修整和調整；（4）在實際生產中，通過兩種改進方案制定的工藝方案均能使組件合格生產。

4.2 不同點

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

5 實際應用及繼續改進空間

改進方案一和改進方案二在某型機內襟翼艙上壁板的生產過程中進行了驗證，這兩種改進方案均能保證組件厚度的有效控制。

考慮到實際生產情況，后續必須解決個別工裝壓環的AIRPAD硫化問題。解決思路為利用盆形件制造工裝生產出一個合格的零件，以該零件為假件，進行組件膠接工裝壓環的AIRPAD硫化。但是由于AIRPAD硫化時需要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，因此仍需進行生產試驗解決該問題。目前，擬采用高溫底膠、高溫膠膜進行生產，同時使用高溫泡沫膠或高溫填充膠，對蜂窩芯進行全芯格填充的方法進行假件的生產。但是由于膠膜厚度存在差異，并且受生產條件的影響，目前該解決思路還未得到驗證。

6 結束語

（1）兩種技術改進方案使用的工裝，能夠使鈑金零件、蜂窩芯及工裝之間良好配合，解決了定位問題，保證了組件的膠接質量，杜絕了裝配時過定位及固化時產生應力的問題；（2）蜂窩芯銑切技術的改進，在保證蜂窩芯外形的同時，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險；（3）兩種技術改進方案的裝配過程，都使蜂窩芯與盆形件的相對位置可見，對于配合不好的情況可以及時修整或調整，提高了組件的裝配精度。

參考文獻

[1]張明軒.復合材料工程詞典[M].北京：化學工業出版社，2009.