某型飛機環氧樹脂玻璃鋼小制件再制造工藝研究

崔文峰　楊竹　汪盛一

摘要：針對某型飛機環氧樹脂玻璃鋼小制件發生分層、斷裂故障，開展對玻璃鋼小制件再制作工藝研究。通過對故障成因分析，結合對試制小制件的檢測和主要力學性能試驗，提出某型飛機玻璃鋼小制件再制造工藝改進措施。

關鍵詞：玻璃鋼小制件;孔隙;皺褶;鋪疊;模壓

0? 引言

某型飛機在進入大修期間，經常發現結構上環氧樹脂玻璃鋼制成的卡箍、支臂、天線整流罩等小制件出現分層、斷裂故障。針對玻璃鋼小制件發生的故障形式，對其形成的原因作了初步分析，通過玻璃鋼小制件再制造過程中的相關主要力學性能試驗，找出影響小制件強度的主要原因，提出玻璃鋼小制件再制造改進措施。

1? 故障原因分析

飛機上的玻璃鋼制件大部分都是有電磁性能的S玻纖、E玻纖制成，其主要力學性能要高于鋁合金，且具有較好的透波性能和耐熱性能，因此飛機上玻璃鋼制件一般用于雷達罩、天線整流罩、座艙內遮光板及固定空調系統的管路卡箍等。從飛機受力情況看，安裝在機體表面的雷達罩、天線整流罩等長期受氣流沖擊影響，迎風面容易出現玻璃布破損、撕裂等故障，但隨著飛機日歷壽命不斷延長，安裝在機體內部的玻璃鋼支臂、卡箍及遮光板等也逐漸出現邊緣分層、局部斷裂等故障，屬于復合材料典型老化特征。

復合材料在使用過程中受濕熱環境、沖擊環境的影響，加速其老化速度，會引起力學性能的降低。對飛機形成沖擊環境主要因素包括：工具掉落、跑道碎石、冰雹、雷擊、鳥撞、彈傷等，通常情況下，這些因素僅會對安裝在機體外表面的復合材料結構造成損傷。形成老化環境主要因素包括：腐蝕性液體、紫外線輻射、風化、砂蝕、雨蝕等，復合材料對腐蝕性液體不敏感，可以不考慮，紫外線引起損傷是一個緩慢過程，只要防護層做好也可以不考慮。由此可見，風化、砂蝕、雨蝕是造成復合材料外部老化環境主要因素，但對飛機內部復合材料結構影響不大。形成濕熱環境主要因素就是高濕度、高溫度，飛機在高濕度、高溫度結合一定載荷環境下加快復合材料吸濕老化速度，從而影響了復合材料力學性能和壽命。綜合分析認為：長期受濕熱環境影響是飛機內外部玻璃鋼制件出現分層、斷裂等故障主要原因。

為了進一步考核飛機玻璃鋼制件內部質量，對分層、斷裂的制件進行切割，通過顯微鏡法（GB3365）放大觀察，發現分層、斷裂區域的切割端面存在孔洞過多。復合材料層間孔隙越大，吸濕量隨之增加，長期受濕熱環境影響，加快吸濕老化速度，制件孔隙較大區域或邊緣區域便會發生分層并擴展，而復合材料內部一旦發生分層，將會大大削弱其強度和剛度，抵御載荷能力降低，容易出現折彎、斷裂等故障，所以進一步分析認為：玻璃鋼制件在長期使用過程中出現分層、斷裂等故障與制造缺陷存在很大關系。

2? 再制造小制件的缺陷分析

為了進一步研究玻璃鋼制件在制造過程中出現缺陷的原因，對飛機外形復雜的玻璃鋼小制件按模壓成形工藝進行了再制造，制件原材料為SW220A/3218，制件成形厚度為1.0mm。然而在制造過程中，首先在鋪疊預浸料環節上便出現了問題，為了節省制造成本，采用了人工鋪疊預浸料，問題的根源是人工鋪疊預浸料穩定性較差，層間經常會出現氣泡和皺褶，一旦鋪層間出現明顯氣泡和皺褶，很難恢復平整狀態，制件加溫、加壓成形后容易發生層間膠液囤積的缺陷，孔隙率與含膠量升高。為了進一步證明孔隙率、含膠量與吸水率的關系，吸水率與制件主要力學性能的關系;選擇孔隙率低且含膠量在40-45%的隨爐件、孔隙率高且含膠量在45-50%的隨爐件做吸水率測定試驗，按吸水率高低分類后再進行主要力學性能測試。測試結果見表1、表2。

試驗結果顯示：含膠量高、孔隙率高的試件吸水率相對較高。

試驗結果表明：吸水率較高的試件彎曲性能下降。由此可見，由制造產生的高孔隙率和高含膠量是影響制件使用性能下降的重要因素。

3? 改進措施

玻璃鋼制件的制造工藝一般包括：熱壓罐成形、真空袋成形、壓力袋成形、模壓成形，纏繞成形等。飛機上小型玻璃鋼制件通常選用模壓成形工藝方法制造，模壓成形法是利用帶有熱源的壓機對復合材料制件進行加溫、加壓、固化的一種工藝方法，制作的制件外形精度高，制件內部質量好，適用于成形復雜結構小零件，制作過程較為簡單，模壓成形詳見圖1。采用模壓成形法制造的玻璃鋼小制件雖然具備了內部質量好的優點，但檢測結果表明了飛機上分層、斷裂的玻璃鋼制件局部仍存在制造方面的缺陷。

玻璃鋼制件模壓成形主要過程為：備料→晾干→裁料→平面鋪疊→加溫加壓成形→切割→打磨修邊，通過對玻璃鋼小制件試制，發現預浸料在鋪疊和加壓的兩個環節最易形成氣泡、皺褶，所以對這兩個環節進行了分析研究，并提出了改進措施。

3.1 預浸料鋪疊改進

玻璃鋼小制件制造過程中，毛坯料一般都是人工在平臺上鋪疊，人工鋪疊的不穩定因素導致氣泡、皺褶出現。研究表明，采用懸掛支臂固定預浸料四角，在預浸料上端送風，使預浸料形成凸面，再將托放層壓板（軟狀態）的升降臺緩緩提升，預浸料達到均勻接觸。這種機械鋪疊的方法穩定性高，層壓板內部形成的氣泡、皺褶的概率大大降低，詳見圖2。

3.2 加壓過程改進

小制件成形前需要對軟狀態毛坯料抽真空施壓，使預浸料緊密接觸，減少層間孔隙。常規抽真空壓的過程一般都是在平整狀態的毛坯料上進行，詳見圖3，施壓后將毛坯料進模加溫、加壓成形，加溫、加壓過程中在膠液的流動下大部分氣泡被消除，但模具一旦存在局部偏差，制件就會出現局部孔隙含量超高、膠液囤積等缺陷，由此可見，毛坯料安放到模具上也應該增加抽真空施壓過程，詳見圖4，毛坯料在模具上真空壓（0.08～0.1）MPa，保持10分鐘，拆除抽真空設備進行模壓。

在對毛坯料加溫前，還應進一步采用壓機、模具對毛坯料進行冷壓10分鐘，壓力不易過大，壓力應保持在（0.08～0.1）MPa即可，10分鐘后開始加溫，繼續加壓，壓力應保持在（0.09～0.1）MPa，溫度控制在（120±5）℃，固化2小時，溫度控制在60℃存放2小時，完成制件成形，詳見圖5。

4? 效果驗證

模壓成形技術改進后，對飛機上一種復雜結構的玻璃鋼制件再次進行了試制，并對隨爐件進行主要力學性能試驗和切割觀察，發現5件隨爐件的拉伸強度均高于530MPa，彎曲強度均高于320MPa，對制造的制件切割20處進行孔隙率檢查，孔隙率均保持在0.2-0.5%、含膠量42%。由此可見，玻璃鋼制件模壓成形工藝改進后，其內部質量大幅度得以提高，可延長使用壽命。

5? 結論

通過對某型飛機玻璃鋼小制件發生分層、斷裂故障分析，對小制件再制造的鋪疊、加壓過程進行了改進，大幅度降低了孔隙率，消除鋪層皺褶，并控制了層間膠液囤積的缺陷，使玻璃鋼小制件強度得以改善，延長其使用壽命，該措施可行有效。

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