某飛機防冰前緣氣動外緣型值公差超差工藝方法改進

王林風 鞏一甲 龐新強 惠佳

摘? 要：隨著膠接技術的不斷發展，其在可靠性及耐久性方面取得了重要突破，特別是在汽車和航空航天等結構領域，膠接連接的應用日漸廣泛。本文針對某飛機防冰前緣在制造過程中底部出現氣動外緣型值公差超差現象，研究了該現象產生的原因及機理，同時提出了相應的改進措施，并且完成了現場跟蹤驗證，有效解決了氣動外緣型值公差超差問題。

關鍵詞：膠接? 防冰前緣? 氣動外緣型值公差? 改進措施

中圖分類號：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（a）-0042-04

Improvement on the process method of aerodynamic edge type value out of tolerance for anti-ice leading edge

WANG Linfeng? GONG Yijia? PANG Xinqiang? HUI Jia

（AVIC Xi'an Aircraft Industry Group Company Co.， Ltd.， Xi'an， Shaanxi Province， 710000 China）

Abstract： Important breakthrough have been made in reliability and durability with the continuous development of bonding technology. The application of bonding joint is becoming more and more extensive especially in the field of automobile， aviation and spaceflight. The reason and mechanism of the aerodynamic edge type value out of tolerance are researched according to the bottom of anti-ice leading edge in the manufacturing process， and the corresponding improvement measures are proposed and verified， which solves the aerodynamic edge type value out of tolerance effectively.

Key Words： Bonding; Anti-ice leading edge; Aerodynamic edge type value tolerance; Improvement measures

目前，復合材料與金屬常用的連接方式主要有機械連接、膠接連接以及混合連接[1-2]。機械連接包括螺栓連接和鉚釘連接，機械連接的優勢在于安全可靠、接頭強度高、便于維修拆卸，抗沖擊性好、操作方便等。其缺點在于開孔會引起應力集中、因連接件增加接頭重量、連接效率較低等[3]。膠接連接是通過膠粘劑將不同的零件連接成不可拆卸的整體的一種連接方式[4]。與機械連接相比，膠接連接具有減輕構件質量、耐腐蝕性能好、抗疲勞性能好、絕緣性能好、減小結構應力集中以及容易實現膠接成型一體化等方面的優勢，因此被廣泛應用于各種異形件、結構復雜件、薄壁結構等[5-7]，目前應用較為廣泛，性能可靠。混合連接是至少采用2種連接方法將2個或多個被連接構件連接在一起，通常是貫穿厚度的連接，與膠接同時使用[8]。

我國某飛機防冰前緣主要用于防止飛機尾翼前緣結冰，其結構形式均為內、外表面為金屬蒙皮，中部夾有6層玻璃纖維預浸料，最中間層為加溫元件，用2層膠膜與玻璃纖維預浸料層粘接。工作原理為用電加溫元件將熱量傳導到外蒙皮上，防止飛機尾翼前緣結冰。防冰前緣的結構詳見圖1，該零件的氣動性能要求較高，屬于翼面類I區零件，依據設計文件，對于裝配完成的部件，其氣動外緣型值基本公差為±1mm，局部公差為±2mm。對于制造完成的防冰前緣零件，依據容差分配文件，零部件相對于外形檢驗樣板的氣動外緣型值公差為±1mm。對于防冰前緣蒙皮，依據相關文件，在施加定量壓力為14.7N（1.5kg）的情況下，相對制造或檢驗依據的貼合間隙不應超過0.5mm。在實際生產中，防冰前緣底部相對于外形檢驗樣板的間隙超過了2mm，不能滿足部件的氣動外緣型值局部公差要求，具體超差形式如圖2所示。

本文以某飛機防冰前緣為對象，對該零件底部產生氣動外緣型值公差超差的原因及機理進行了分析，然后提出了相應的改進措施，從而使得零件的氣動外緣型值公差滿足文件要求，同時也為金屬膠接U型結構件的設計及成型工藝的改進提供依據。

1? 制造工藝簡述

防冰前緣內外蒙皮的材料均為2024-T3（δ0.02"），玻璃纖維預浸料的材料牌號為MXB7701/1581 DP，蒙皮與玻璃纖維預浸料之間采用環氧膠粘劑體系中溫膠接固化而成，底膠為BR-127 THF，膠膜為FM73M-OST 5級膠膜。

內外蒙皮通過鋁合金包鋁薄板滾彎成形，成型模為凸模，然后手工制零件下陷。防冰前緣通過3次固化過程膠接而成，首先是外蒙皮與玻璃纖維預浸料之間鋪貼完成，進行第一次固化，然后鋪貼加溫元件，進行第二次固化，最后鋪貼玻璃纖維預浸料與內蒙皮，進行第三次固化。成型模為凹模。

2? 原因分析

在未膠合狀態下，外蒙皮處于加壓狀態下在裝配型架卡板上（14.7N，即1.5kg的力）的底部間隙測量結果如表1所示，經過相同的工藝流程制造之后，使用切面樣板測量的零件底部間隙值如表2所示。

從表1中的測量數據可以看出，外蒙皮在加壓狀態下仍無法與裝配型架卡板完全貼合，且相對于裝配型架卡板之間的間隙值在部分肋位置處超過了0.5mm，不符合相關文件要求，同時外蒙皮2的加壓貼合狀態要差于外蒙皮1的加壓貼合狀態。經過相同的工藝流程制造之后，零件2與切面樣板之間的貼合程度要差于零件1與切面樣板之間的貼合程度。這表明外蒙皮與膜胎之間的貼合狀態直接影響最終零件與膜胎之間的貼合狀態。

3? 機理分析

依據熱壓罐內作用在零件上的壓力分布情況，以熱壓罐內壓力恒定為前提，分析零件在固化過程中的受力變化。如果零件與成型模之間不貼合，則U形零件的底部在熱壓罐中受到的力如圖3（a）所示，U形零件的底部分別受向下的罐內壓力和側向的罐內壓力，其中側向的罐內壓力分解為向下的壓力F1和向左右兩側的壓力F2，當兩側分別受F2施加力時，零件的上部分已與成型模側面貼實，無法向下移動。當零件上部分與成型模側面完全貼合之后，則成型模會給零件一個反作用力，如圖3（b）所示，該反作用力分解為向上和向左右兩側的壓力，其中向上的力則會抵消一部分向下的罐壓，導致零件底部受到的力小于罐壓，最終導致零件底部無法貼胎。

依據受力分析結果，若要零件底部與成型模之間完全貼合，則只需要增加U形零件底部所受的向下的壓力，因此，采取的改進措施是在U形零件的底部增加工裝壓緊裝置，該壓緊裝置可以依據不同的固化階段隨零件型面的不同而進行調節，增加工裝壓緊裝置后零件的受力如圖3（c）所示，從圖3（c）中可以看出，壓緊裝置自身的重力及通過壓緊裝置對零件的傳壓使得零件底部所受的壓力大大增加，因此可以有效改善零件底部氣動外緣型值公差超差的問題。

4? 改進措施

為了解決防冰前緣氣動外緣型值公差超差問題，在零件制造過程中提出了一系列的改進措施，具體如下。

（1）申請專用的防冰前緣蒙皮檢驗夾具，在零件預裝工序檢查交付的蒙皮與檢驗夾具之間的間隙是否滿足文件要求，對于不滿足文件要求的蒙皮要進行返工處理，從而保證合格的蒙皮用于后續生產中，從源頭避免不合格零件產生。具體操作過程為：將未膠合的蒙皮放在專用的蒙皮檢驗夾具上，使用檢驗夾具自帶的壓緊裝置將蒙皮內部撐開，從而使的蒙皮外表面與檢驗夾具的內側貼合，然后使用塞尺測量蒙皮底部與檢驗夾具之間的間隙。

（2）改進零件成型模，在成型模上增加工裝壓緊裝置，該壓緊裝置可以依據不同的固化階段隨零件型面的不同而進行調節，從而通過施加機械壓力使得零件在固化過程中貼合成型模。

上述改進措施經過了現場跟蹤驗證，防冰前緣零件未出現氣動外緣型值公差超差的現象，該改進措施的實施對于防冰前緣底部氣動外緣型值公差超差問題的改善具有重要作用。

5? 結語

本文針對某飛機水平安定面防冰前緣在制造過程中出現氣動外緣型值公差超差的現象，研究了該現象產生的機理及影響因素。通過該項目研究，有效驗證了金屬蒙皮與玻璃纖維預浸料在固化成型過程中，金屬蒙皮與膜胎之間的貼合狀態對最終零件外形的影響，以及U型零件在制造過程中完善的工裝設計對最終成型之后零件外形的重要性，同時也為后續類似零件的制造過程提供了重要參考。

參考文獻

[1] 王樹鑫，尚新龍，鞠蘇，等.復合材料/金屬膠接結構研究進展及發展趨勢[J].玻璃鋼/復合材料，2017（11）：95-100.

[2] 余小青.復合材料雙面搭接接頭力學性能研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[3] 高佳佳，楚瓏晟.纖維增強樹脂基復合材料連接技術研究現狀與展望[J].玻璃鋼/復合材料，2018（2）：101-108.

[4] 沃西源，涂彬，夏英偉.航天器復合材料膠接連接工藝分析[J].航天返回與遙感，2008，29（4）：62-66.

[5] 李佳.復合材料板的自插式膠接連接及其力學性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2019.

[6] Zhang Dawei. Zhang Qi， Fan Xiaoguang. et al. Review on joining process of carbon fiber-reinforced polymer and metal： methds and joining process[J].Rare Metal Materials and Engincering，2018，47（12）：3686-3696.

[7] 喬海濤，梁濱，張軍營，等.先進復合材料結構膠接體系的研發與應用[J].材料工程，2018，46（12）38-47.

[8] 黃志超，陳偉達，程雯玉，等.復合材料連接技術進展[J].華東交通大學學報，2013，30（4）：1-6.