復合材料主槳葉生產過程中的質量檢測和試驗驗證方法

沈亞娟，孫 濤，劉偉光，艾劍波，李麗麗，王 妍

(1.中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001;2.中航工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150060)

0 引言

20世紀60年代MBB公司BO-105、法國航宇公司(現歐洲直升機公司法國分部)“小羚羊”SA341等直升機復合材料旋翼槳葉研制成功，證實了復合材料的突出優點。復合材料優異的疲勞強度、多路傳載、緩慢的裂紋擴展特性和簡便易操作的模壓成形工藝等，在槳葉上得到了充分發揮［1］。

主槳葉為直升機提供升力和操縱力，無論是從滿足飛行品質角度，還是從提高飛行安全方面來說，槳葉的生產質量至關重要，所以必須對槳葉整個制造流程進行質量檢測，確保槳葉的制造符合性。

由于復合材料工藝的特殊性，槳葉生產質量的控制，不僅僅是對最終產品的檢驗，它涉及到從材料入廠、零件制造過程、組裝模壓成型、產品質量檢查和試驗驗證的整個過程。本文首先介紹了EC175直升機復合材料主槳葉的內部結構，然后介紹了其整個生產過程中的質量檢測和試驗驗證方法。

1 復合材料主槳葉結構簡介

EC175直升機復合材料主槳葉主要由大梁、蒙皮、前緣包鐵、填充泡沫和接頭填塊等組件組成，各組件功能如下:

槳葉大梁:槳葉的主要承力件，主要承受槳葉的離心力;

槳葉蒙皮:槳葉的主要承力件，提供了槳葉的主要彎曲剛度和扭轉剛度;

前緣包鐵:保護槳葉本體，防止磕碰、侵蝕，進行靜電和雷擊保護;

填充泡沫:槳葉內部支撐件，并且可以提供模壓時的內壓力;

接頭填塊:固定槳根襯套，并且控制根部大梁帶走向。

2 生產前工藝符合性審查

工藝方法及其生產設備是否滿足設計圖紙要求，將直接影響到槳葉生產質量和進度。在EC175復合材料主槳葉生產之前，獨立質量部門組織相關設計單位和工藝專家對工廠進行工藝符合性審查。工藝符合性審查包含從原材料入廠一直到槳葉出廠全過程的相關工藝方法、工藝文件、生產設備和工裝的全面審查，核實是否符合設計圖紙和設計文件要求。其具體檢查項目和流程如圖1所示。

圖1 生產符合性審查分析流程圖

另外，我國直升機槳葉的設計和生產分別由不同的單位完成，槳葉工藝符合性審查常常成為生產質量控制的一個盲點，故而有可能影響槳葉的生產質量和進度。

3 生產過程質量檢測方法

3.1 有效期檢查

復合材料一般都有有效期要求，復合材料過期這種故障比較隱蔽，但是其危害程度非常嚴重。例如，如果膠或者預浸材料過了有效期，將會影響粘接強度，發生不可估計的后果。這里以槳葉前緣包鐵的表面處理為例，介紹在EC175復合材料主槳葉生產過程中如何進行有效期管理。

包鐵加工成型后，在進行模壓槳葉之前，必須進行包鐵的膠接面處理。為了延長表面處理的有效期，需要酸洗后在膠接面涂底膠。EC175復合材料主槳葉前緣包鐵經過表面處理后，在其零件上貼標簽，注明表面處理(酸洗)時間、涂底膠時間，以及表面處理和涂底膠后的有效期，具體內容如表1所示。

表1 包鐵經過表面處理標簽

在EC175復合材料主槳葉的生產過程中，對有效期有要求的零件，如涂底膠后的包鐵、無緯帶和短切纖維，都采用了貼標簽的管理方式。

3.2 零件級質量檢測方法

3.2.1 預制件的檢測方法

復合材料槳葉結構中，常常包含預成型復合材料零件，如槳根堵蓋、接頭填塊、配重支座和支撐墊塊等。它們是通過獨立的模具制造而成。為檢測零件的質量，需要從模具本身和零件模壓過程兩方面監控。零件的幾何尺寸主要靠模具保證，為保證生產出合格的零件，首先要確保模具幾何尺寸合格，需要對模具進行三坐標檢查，合格后才能進行零件生產;在零件的模壓生產過程中應重視首件檢驗，對首件需要進行三坐標檢查，檢查零件尺寸是否符合要求，如果超差，確定超差位置，分析超差原因，進行工藝改進，直到首件完全符合設計圖紙要求。在批生產階段，僅檢查零件的關鍵尺寸和外觀質量。

3.2.2 泡沫的檢測方法

由于槳葉泡沫剛度低，容易在加工的過程中變形，影響加工精度。當加工泡沫小于設計值時，在模壓槳葉過程中，槳葉蒙皮壓力不足，導致槳葉蒙皮內部存在大量氣泡，外觀發白，表面缺膠。當加工泡沫大于設計值時，在模壓槳葉過程中，槳葉蒙皮過壓，導致蒙皮含膠量過低。

在泡沫的數控加工中，首件必須進行三坐標檢測，批生產階段只需要使用生產樣板進行檢查。

3.3 模壓槳葉狀態的檢測方法

在模壓槳葉的過程中，檢驗人員需要現場全過程跟蹤，質量檢測需要重視以下幾個方面:

1)檢查各零件狀態。檢查零件狀態是否與圖紙一致，另外特別注意各復合材料零件是否在有效期范圍內;

2)檢查各零件鋪放位置。特別是槳葉蒙皮鋪放位置和材料角度，以及無緯帶數量和截止位置;

3)控制入模零件的總重量。為了減小模壓槳葉重量差異，需要控制入模零件重量，需要嚴格監控所有入模零件的重量。

4 生產后質量檢測方法

4.1 工藝件切割檢查

全新研制的復合材料主槳葉，由于結構鋪層設計的復雜性，工藝方法和工藝參數對主槳葉的內在質量影響很大，在進行正式槳葉生產之前，需要通過生產工藝試驗件驗證實際生產工藝的可行性。工藝試驗件必須完成所有的生產工序，并且完成4.2～4.4節的所有檢查，檢查其是否符合設計要求。除了以上常規檢查以外，還需要進行切割檢查，以檢查細節結構設計的合理性，以及工藝與設計的符合性。

主槳葉切割后，檢查槳根區域及典型剖面的模壓質量，包括:

1)在根部區域，槳根堵蓋、槳根襯套、接頭填塊和無緯帶的位置，以及它們之間的膠接質量;

2)內部結構的形狀和位置節點，如大梁、加強肋和后緣條的形狀和弦向節點位置;

3)檢查大梁和后緣條的空隙率;

4)蒙皮內部及蒙皮與填充泡沫之間的膠接質量;

5)其它部位的膠接質量(配重塊、靜動配重腔等)。

槳葉根部典型制造缺陷包含:

①槳根襯套與接頭填塊之間有縫隙，這種制造缺陷非常嚴重，使用的過程中會導致槳根襯套松動;

②無緯帶與接頭填塊之間有間隙，如圖2(a)所示;

③無緯帶內部存在縫隙，如圖2(b)所示;

④堵蓋與無緯帶間有較厚的膠膜和膠瘤填充間隙，如圖2(c)所示。

圖2 槳葉根部橫切圖

4.2 外觀檢查

通過外觀檢查，可以檢查槳葉表面狀況:蒙皮是否缺膠和是否褶皺等。另外，槳葉的外觀質量會間接地反映槳葉的內部質量。

4.3 尺寸檢查

尺寸檢查包含:槳葉典型翼型最大厚度、槳葉扭角、前緣平直度、撓度、弦長和槳葉根部的尺寸等。

4.4 敲擊檢查

敲擊檢測是用于檢查膠接質量的一種常用方法。復合材料主槳葉的敲擊檢查主要包括前緣包鐵和蒙皮膠接質量的檢查。敲擊檢測的工具通常是硬幣和金屬棒。根據敲擊發出的響聲來判斷被檢測物體內部結構的膠接質量。

4.5 X光檢查

通過X光的穿透作用對槳葉進行無損檢測，X射線能穿透一般可見光所不能透過的物質，因其波長短，能量大，照在物質上時，僅一小部分被物質所吸收，大部分經由原子間隙而透過，表現出很強的穿透能力。X射線穿透物質的能力與X射線光子的能量有關，X射線的波長越短，光子的能量越大，穿透力越強。X射線的穿透力也與物質密度有關，密度大的物質，對X射線的吸收多，透過少;密度小者，吸收少，透過多。利用差別吸收這種性質可以把密度不同的不銹鋼、預浸布、泡沫等材料區分開來。

以下是復合材料主槳葉可能存在的相關缺陷:1)槳葉根部兩金屬襯套周圍無緯帶纏繞缺陷;2)槳根處各結構元件的配合狀態，包括堵蓋、接頭填塊、根部泡沫之間的對接間隙及移位，上下接頭填塊之間的錯位及縫隙等;

3)槳根區大梁有無彎曲和皺折，大梁“過橋”區域的走向和移位等;

4)槳葉加強肋的弦向位置和尺寸;

5)槳葉調頻配重的弦向位置尺寸;

6)槳葉內部結構的模壓膠接質量(包括有無氣孔、間隙及異物)。

圖3是槳葉根部典型制造缺陷的X光照片，其中a為槳根堵蓋與無緯帶之間有粗黑線，其真實缺陷如圖2(c)所示;b表示無緯帶內部存在縫隙，真實缺陷如圖2(b)所示;c為無緯帶和襯套之間有黑線，表示這個位置有膠瘤或者空隙;d為無緯帶與接頭填塊之間有黑線，表示無緯帶與接頭填塊之間有間隙，真實缺陷如圖2(a)所示。

圖3 槳葉根部典型制造缺陷X光照片

5 生產質量試驗驗證方法

5.1 普通疲勞試驗

主槳葉作為直升機的關鍵部件，在直升機首飛前必須進行疲勞壽命試驗驗證，其中疲勞試驗主要目的有兩個:一是得到槳葉的疲勞壽命;二是獲得槳葉疲勞破壞模式，用以改進設計和生產［3］。

5.2 損傷容限疲勞試驗

在復合材料槳葉生產過程中，經常出現典型的生產故障，如無緯帶彎曲、泡沫超差、蒙皮貧膠和夾雜異物等缺陷。為了驗證典型制造缺陷對槳葉強度的影響，需要通過損傷容限疲勞試驗進行試驗驗證。

在損傷容限試驗件中，將在試驗件預先制造有可能發生的制造缺陷。預先制造的損傷包括兩種:槳葉內部制造缺陷和槳葉外部因撞擊導致的損傷。通過損傷容限疲勞試驗驗證存在有制造缺陷的槳葉是否能滿足設計強度要求。

5.3 生產伴隨件試驗

1)前緣包鐵的粘接性能試驗

通過前緣包鐵的剪切試驗和剝離試驗驗證實際生產的零件的強度是否達到設計要求。

2)安全系數驗證試驗

在對槳葉進行強度計算審核時，使用了安全系數。安全系數與材料性能的分散性有關，以下是在計算EC175復合材料主槳葉強度中使用的材料分散系數:

q=0.035 無緯帶的分散性系數

q=0.046 其它復合材料的分散性系數

為了驗證該系數取得是否合理，需要進行試驗驗證，試驗包括大梁無緯帶和蒙皮的分散性試驗，其中蒙皮試驗件直接從模壓槳葉上切割下來，大梁試驗件是伴隨槳葉同時生產，并且使用的材料與同批次槳葉的相同。

5.4 批生產階段生產質量穩定性試驗驗證

在生產過程中，質量穩定性檢測分兩個階段:批生產初期階段和批生產成熟期階段。

批生產初期階段:如果每年產量大于150片 ，則每150片抽檢一次(包含根部疲勞試驗和翼型段疲勞試驗)，如果小于150片，則每年抽檢一次;

批生產成熟階段:如果每年產量大于450片 ，則每450片抽檢一次(包含根部疲勞試驗和翼型段疲勞試驗)，如果小于450片，則三年抽檢一次。

6 結論

本文結合EC175復合材料主槳葉生產過程，詳細介紹了其生產質量檢測和試驗驗證方法。根據檢測和試驗結果，對批生產階段的設計圖紙和生產工藝進行完善，滿足了槳葉設計要求。本文所介紹的檢測和試驗驗證方法對其它直升機旋翼槳葉具有借鑒意義。

［1］楊乃賓，倪先平.直升機復合材料結構設計［M］.北京:國防工業出版社，2008:7-14.

［2］李志峰，黃文俊，等.無損檢測技術在國產復合材料槳葉上的應用［C］.第25屆全國直升機年會論文集，2009.

［3］孫 濤，劉偉光，等.某型直升機主槳葉疲勞試驗提前失效分析及改進［C］.第26屆全國直升機年會論文集，2010.