大尺寸复合材料壁板装配技术研究

刘永钢 王英杰

摘 要 大尺寸复合材料壁板类制件装配位置不匹配时，不可逆的材料特性使其不能采用类似金属件的工艺方法对其进行校形，强迫装配也会产生额外的装配应力，影响后续安装和使用。本文通过分析材料特性，阐述了大尺寸复合材料壁板件的钻孔、紧固件连接及零件间隙处理和数字化的装配协调方法。

关键词 壁板连接;数字化制造-协调;间隙补偿

在现代飞机制造中，装配协调的工作量占到飞机制造总工作量的50%～60%，提高装配可靠性和效率具有重要意义。由于材料特性和制造工艺方法的特点，复合材料制件在固化完成后尺寸精度比金属件低，且其不可逆的刚体特性，导致复合材料构件装配过程中的变形协调、内应力控制等亟须解决的问题。大尺寸复合材料制件的装配技术已成为飞机制造的关键技术之一。

1复合材料壁板连接技术要求

复合材料制件由叠层材料组成，层间抗剪切强度低。大尺寸复合材料壁板在飞机装配组合时，需要通过紧固件连接，但是在钻孔时，由于不确定因素影响，很容易造成孔周边撕裂、分层、外观不平整的现象，导致钻孔质量不合格。同时紧固件连接的挤压作用，也会使复合材料零件铺层有分层的可能，因此，复合材料制件的钻孔和装配紧固件的选取和连接方式要作特殊考虑[1]。

1.1 复合材料钻孔技术

复合材料制件硬度高、导热能力差且层间强度低，钻孔时钻头磨损严重，钝化的钻头易使孔壁材料分层、孔出口端破裂、毛边等现象。钻头刃边状态的弱化，操作者的工作经验及钻孔进给量的控制，是造成复合材料钻孔质量不稳定的主要因素。特别是孔接近钻出时材料本身的钻削反力突然大幅减少，造成进给量突然加大，出现钻头冲击性钻透现象，导致孔出口撕裂更严重。

针对复合材料钻孔质量不稳定的因素，采用硬质合金钢钻头，高转速低进给量制孔，利用自动进给钻等相应的技术改进设定钻孔时的进给量，来提高钻孔质量稳定性。对于钻削反力的减少可考虑提供外在的钻孔支反力，利用玻璃纤维的弹性，在制件孔鉆出端外侧共固化一层玻璃纤维弥补钻削反力的减少;也可用木块等材料在孔预钻出时顶压层板以增加支反力。经过改进措施，复材制件钻孔质量得到大幅改善。

1.2 复合材料紧固件使用要求

除满足使用功能要求，紧固件的选用还要考虑异种材料间电偶腐蚀相容性及与被连接件配合方式。根据电位活性差异，碳纤维/环氧树脂的结构制件不能使用铝质紧固件，仅可使用相同材料组的钛合金、A286、蒙乃尔或不锈钢紧固件。剪切型钉头紧固件可能会使钉孔层板纤维分层，同时不能锤铆连接紧固件且要密封剂湿安装紧固件。使用埋头紧固件时，层板最大锪窝深度不能超过层压板厚度的70%。一般对复合材料制件采用间隙配合，使用高锁Hi-Lite钉杆和钉套或抗拉螺栓紧固件，以及在钉套与复合材料制件间加不锈钢垫圈来减缓复合材料制件紧固冲击力，降低复合材料表面承压应力。

2复合材料制件装配协调技术

现代飞机在新的制造技术体系下，要采用无余量装配技术和新型式的定位和夹紧方案。数字化技术是无余量装配技术的保障，通过数字量传递可减少误差累积，提高协调准确度。复合材料件大型化、整体化的特点使得复合材料部件的装配工作更加依赖装配型架，应用数字化的定位和夹紧技术，主动控制协调形变，采用加垫补偿等几何自适应策略解决复材构件制造偏差带来的装配问题[2]。

2.1 数字化制造-协调技术

复合材料制件采用设计制造一体化技术，数字量传递贯穿于产品整个制造流程中，大大降低了系统误差和人为误差造成的协调装配问题。零件协调孔尺寸和位置以数控机床加工，保证零件完全、正确定位;利用三维模型可在装配型架设计阶段就考虑定位器的协调布局和安装要求，装配型架的制造、组合以激光定位仪等数字设备确保定位器精度。

2.2 优化的定位方法

通常大部件装配有两种定位基准方式：以骨架为基准和以蒙皮为基准。复合材料整体壁板结构，蒙皮通过模胎铺贴而成，预成型的加强筋利用定位器固定在蒙皮上共固化而成，由于材料工艺特点，筋条固化后位置度会有偏差，不具备精准的整体骨架形态，所以复合材料壁板类部件装配须以蒙皮为基准。首先通过卡板定位壁板外形面，同时借助激光跟踪仪，跟踪、测量蒙皮外形面上的关键点，校正零件位置，实现激光跟踪仪辅助定位功能。

2.3 间隙补偿技术

零件间组合位置不匹配时，可通过加垫片的方式消除间隙， 是基于现象的被动补偿方法，分为间隙垫片和结构性垫片。间隙垫片有液体或液体/ 固体混合物垫片。考虑复合材料结构的电化学腐蚀问题，固体垫片选用聚氨酯叠层垫片代替金属铝箔垫片。

结构装配间隙区域相对较小且补偿垫片不参与结构受力时采用间隙垫片补偿调节。受力复杂且载荷较大时，对装配精度要求高的区域，可考虑采用结构设计补偿的方式来调节间隙满足装配需求。在零件的低匹配度位置布置额外的铺层块与母体层板共固化成型，在后续装配时根据需要直接打磨处理额外铺层，避免影响壁板主体结构。额外铺层不包括在强度计算范围内，这个概念是典型的设计制造一体化应对措施，这种格外铺层可以称为牺牲铺层[3]。

3结束语

树脂基复合材料韧性差、变形能力非常小，制件不能根据装配协调的需要改变其固有形状，目前解决制造偏差带来的复合材料构件装配问题的方法，都不是从根本上来解决。随着树脂增韧技术的发展，提高本征脆性树脂基复合材料的韧性，尤其相迁移增韧技术的开发和应用，大幅提高复合材料的韧性还保持了预浸料良好的工艺性，减小了发生脆性断裂的可能，表现出一定的变形能力，这种改进直接影响后续复材制孔、装配等技术的发展。

参考文献

[1] 李林.浅述复合材料构件制孔技术[J].科学与信息化，2019（17）：103.

[2] 王华.飞机先进复合材料结构装配协调技术研究现状与发展趋势[J].航空制造技术，2018，61（7）：26-33.

[3] 王新，张毅，赵锐霞. 无余量装配技术在复合材料机身结构部段上的应用[J]. 航空制造技术，2017（4）：106-109.