復合材料裝配工藝研究

李榮霞

摘 要：文章論述碳纖維復合材料零件裝配工藝過程，并對復合材料修合過程中出現的問題進行了分析，著重分析了復合材料制孔的工藝要求，通過采取相應的措施，提高了復合材料零件的裝配質量。

關鍵詞：順切；逆切；劈裂；鉸孔

中圖分類號：TB333 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0005-02

先進復合材料由于具有高比強度和高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、重量輕等優良的性能，是最理想的結構材料。復合材料裝配工藝中的關鍵技術是修合、制孔和連接。而孔的質量狀態能造成連接部位應力集中，導致結構提前破壞，對連接件的壽命影響極大。

1 研究內容

復合材料裝配過程主要包括以下幾個方面：修合-制孔（鉆孔、擴孔、鉸孔、锪窩）-緊固件安裝。

2 復合材料的修合

復合材料壁板修合一般采用切割和修磨方法。修合量大時對壁板和蒙皮進行切割，修合量小時采用修磨的方法。

2.1 復合材料的切割

復合材料切割一般包括機械切割、高壓水切割、激光切割和超聲波切割，在裝配生產中常用的方法為機械切割，機械切割包括順切和逆切。

2.1.1 順切和逆切

對復合材料壁板進行機械切割時必須采用順切法，即刀具與壁板相接觸處的速度方向和壁板相對刀具移動方向相同，一般不使用逆切法，如圖1所示。

2.1.2 切割刀具和切割參數

①切割刀具：金剛石薄片砂輪，規格φ150×φ20×1 mm、φ100×φ20×1 mm，砂輪粒度80 #。

②切割參數：切削速度（V）8～12m/s、進給量（f）均勻。

2.1.3 切割中注意事項

①在切割過程中（包括進刀、切削、中途退刀、切割完畢）刀具均不能停轉；

②應均衡用力，切割刀具對零件的壓力不宜過大；

③切割時進刀要平穩，切割進給量要均勻；

④復合材料余量的切割必須使用專用刀具進行切割，嚴禁使用剪刀或用手折斷；

⑤若手工切割鋸加工不到的部位應該用鋒利的鋸條鋸斷；

⑥當余量快切割完畢時，要用手扶住余量部分，以免未被切割部分發生撕裂現象，R角部位在粗切之后，應用細紗布修磨。

2.2 復合材料的修磨

2.2.1 修磨刀具

金剛石柱型砂輪，規格φ5 mm、φ10 mm、φ20 mm、φ25 mm；金剛石錐型砂輪；120#、180#棕剛玉砂布。

2.2.2 修磨中注意事項

①用金剛石砂輪或砂布進行修磨，允許用砂布包在平銼上手工精修操作；

②修磨時必須順著表層纖維方向進行修磨，禁止垂直于纖維鋪層修磨。

3 復合材料的制孔（鉆孔、擴孔、鉸孔、锪窩）

3.1 鉆 孔

3.1.1 刀具及工藝參數

刀具：選用Y330碳化鎢硬質合金鉆頭。

工藝參數，見表1。

3.1.2 工藝要求

在碳纖維復合材料構件上鉆孔：

①在碳纖維復合材料壁板上鉆∮3～∮12的通孔時，使用硬質合金鉆頭，推薦轉速為800～2 800 r/min，進給量為0.01～0.06 mm/r。鉆頭幾何參數見表1。

②鉆孔時，為防止復合材料孔出口面劈裂，一方面當接近鉆透時應放慢進給速度，一方面應在孔出口面加墊板支撐，墊板材料為硬塑料板、夾布膠木板或鋁板，墊板應與壁板貼嚴。

③當鉆大于φ12的孔時，應采用80～100粒度的金剛石空心鉆。為防止孔出口面劈裂，應采用兩面鉆孔，即先制出中心孔，中心孔徑按空心鉆的導銷定，把空心鉆導銷插入中心孔內，從零件的一面劃至零件厚度的三分之一或一半，再把空心鉆從零件的另一面插入在反面將孔鉆出。如無法兩面鉆孔，應在孔出口端加墊板支撐。空心鉆結構形式，如圖2所示。

在碳纖維復合材料與鋁或鈦組合的構件上鉆孔：

①從復合材料面鉆入，可不加墊板支撐，用硬質合金麻花鉆按鉆鋁或鈦的轉速鉆削，直至鉆通為止。為防止金屬切屑劃傷復合材料孔壁，應注意斷屑，見圖三

如圖3所示。

③在碳纖維復合材料與鋁組合的構件上鉆孔時轉速1 500

～3 500 r/min。在碳纖維復合材料與鈦和鋼組合的構件上鉆孔時轉速500～1 800 r/min。

3.2 擴 孔

復合材料在制孔過程中，為避免分層和劈裂，通常不進行擴孔。但當螺栓孔在φ6 mm以上時，由于不能一次加工到位，則必須進行擴孔。擴孔要求與鉆孔基本一致，為避免復合材料分層和劈裂，擴孔前需在鉆出初孔φ3.1 mm后，用φ2.5×120 °金剛石锪鉆進行倒角，如圖4所示，倒角尺寸應小于鉸孔前孔徑，按鉸孔前孔徑用硬質合金鉆頭進行一次擴孔，再用鉸刀鉸孔至最終尺寸。

3.3 鉸 孔

3.3.1 刀 具

選用Y330碳化鎢硬質合金類。

3.3.2 工藝要求

鉆孔時應留出鉸孔余量0.15～0.4 mm，每級鉸削量為 0.1 mm，然后用硬質合金鉸刀鉸至最后尺寸，推薦轉速為500 r/min，鉸孔次數，見表2。

3.4 锪 窩

①高速鋼電鍍金剛石锪窩鉆、硬質合金锪窩鉆。

②使用硬質合金锪窩鉆轉速為500～800 r/min，金剛石锪窩鉆的轉速為800～1 400 r/min。為防止表面纖維劈裂，锪窩鉆必須在旋轉以后接觸工件。

③锪窩深度應用锪窩限位器控制，試锪合格后方可使用。

④孔需要倒角時，用金剛石锪窩鉆，倒角轉速為500 r/min。

4 安裝緊固件

4.1 螺接工藝

①由于復合材料層間強度和壓縮強度低以及抗沖擊性差，一般只能采取間隙配合，既H8/f8、H9/f9配合；孔與復合材料壁板的垂直度偏差在2 °以內，鉸孔后必須用孔垂直度量規檢查孔的垂直度；

②除非傳力構件外，螺栓的螺紋部分不允許處在孔的擠壓部位，既螺紋不允許處在夾層內；為此，在裝配中應使用夾層厚度以選擇具有合適光桿長度的螺栓；

③裝配中，一般采用濕連接，即螺栓涂膠或涂漆后安裝。裝配中螺母必須在膠的施工期內擰緊。

④沉頭螺栓螺栓頭不允許下凹，允許螺栓頭突出0.15 mm。

⑤高鎖螺栓、大底角螺紋抽釘擰斷螺母、螺桿后，螺紋不得凹在螺母或套環內，至少應露出螺紋1～2扣；

⑥螺母、螺桿擰斷后，應對剪斷后的表面進行保護，防止腐蝕；

⑦對沉頭螺栓，將0.05 mm厚的千分墊插入間隙時，允許在圓周的40%以內存在間隙，但不應觸到頭部和桿部的交接處；

⑧多螺栓連接安裝時，由于復合材料層間剪切強度低，不宜逐一的將單個螺栓一次擰緊，而應均衡、對稱的將所有螺栓分若干次擰緊，直至達到規定的擰緊力矩值。

4.2 鉚接工藝

①鉚接應盡可能選用壓鉚工藝，在無法壓鉚時，應采用沖擊力小的鉚槍正鉚，嚴禁使用大功率鉚槍；

②當鉚釘鐓頭部位為復合材料時，應在鐓頭形成部位加鈦合金墊圈或不銹鋼墊圈。

5 結 語

先進的復合材料在國內航空制造業中得到了迅速的發展，但在實際裝配中也存在一定的問題。加大研制力度、提高復合材料制造技術是我們的責任。我們必須結合生產實際，深入開展工藝試驗研究，不斷創新，找到最優工藝方案，將復合材料優良性能最大范圍地用于航空產品中。

參考文獻：

[1] 王云渤.飛機裝配工藝學[M].北京：國防工業出版社，1990.

[2] 陳同安.飛機制造工藝技術指南[M].沈陽：沈陽飛機工業（集團）有限公 司，1996.

[3] 范玉青.現代飛機制造技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.