張靜 惠佳 李奇輝

摘要：金屬結(jié)構(gòu)膠接成型工藝在飛機零件的制造中已得到了廣泛應(yīng)用。該文結(jié)合實際生產(chǎn)情況，對某飛機短艙口蓋成型過程中存在的表面處理問題、蒙皮定位問題、外蒙皮凹痕問題、膠接質(zhì)量問題、固化后翹曲度超差問題、金屬刮膠表面噴漆后針孔問題等質(zhì)量問題進行分析討論，并對一系列改進措施進行了生產(chǎn)驗證，同時指出了后續(xù)此類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量提升的方向。

關(guān)鍵詞：閉合腔體??金屬膠接??成型工藝??膠接質(zhì)量

中圖分類號：V262?????文獻標識碼：A

Optimization?of?the?Forming?Process?for?Metal-Bonding?Covering?Caps?with?the?Closed?Cavity

ZHANG?Jing??HUI?Jia??LI?Qihui

（AVIC?Xi'an?Aircraft?Industry?Group?Company，?Ltd.，?Xi'an，?Shaanxi?Province，?710089?China）

Abstract：?Metal-bonding?forming?technology?has?been?widely?used?in?the?manufacture?of?aircraft?parts.?Combined?with?the?actual?production?situation，?;this?paper?analyzes?and?discusses?the?surface?treatment，?skin?positioning，?outer?skin?dent，?bonding?quality，?warpage?out-of-tolerance?after?curing，?pinhole?after?painting?on?the?metal?scraping?surface?and?other?quality?problems?in?the?forming?process?of?an?aircraft's?nacelle?hatch?cover，?verifies?a?series?of?improvement?measures?in?production，?and?points?out?the?direction?of?improving?the?quality?of?such?structural?products?in?the?future.

Key?Words：?Closed?cavity；Metal?bonding；Forming?process；Bonding?quality

金屬結(jié)構(gòu)膠接成型工藝自20世紀40年代開始在飛機零件的制造中已得到了廣泛應(yīng)用。從成型的零件結(jié)構(gòu)上來分，金屬膠接結(jié)構(gòu)包括了板板膠接和板芯膠接兩類。迄今為止國內(nèi)外選用金屬膠接結(jié)構(gòu)的機種已達上百種。隨著新型膠粘劑的不斷研發(fā)和膠接工藝技術(shù)的不斷提升，金屬膠接結(jié)構(gòu)在耐久性和可靠性方面都取得了重要突破，在現(xiàn)代飛機制造業(yè)中的應(yīng)用越來越多。

我國某型機發(fā)動機短艙口蓋原為膠接點焊件，為提高結(jié)構(gòu)強度及飛機表面質(zhì)量，產(chǎn)品設(shè)計在綜合考慮了各種連接方式的優(yōu)缺點后將短艙口蓋改為了由外蒙皮和加筋內(nèi)蒙皮組成的帶閉合腔體的板板膠接結(jié)構(gòu)?？谏w的典型結(jié)構(gòu)及加強筋局部剖視圖如圖1所示。外蒙皮、內(nèi)蒙皮和墊板材料均為LY12，蒙皮、墊板之間采用環(huán)氧膠粘劑體系高溫膠接而成，底膠為J-117，膠膜為J-116B。該文主要針對此類零件生產(chǎn)制造過程中存在的質(zhì)量問題和工藝方法的優(yōu)化進行討論。

1.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

短艙口蓋零件典型結(jié)構(gòu)及加強筋局部剖視圖如圖1所示，內(nèi)、外蒙皮膠接后筋條內(nèi)部就形成了連通的閉合腔體。外蒙皮和內(nèi)蒙皮材料均為LY12，內(nèi)蒙皮加強筋條采用落壓成型工藝。內(nèi)、外蒙皮采用高溫固化的環(huán)氧膠粘劑體系膠接而成，膠膜選用黑石化研究所的J-116B高溫膠膜，底膠為黑石化研究所的J-117底膠。

1.2技術(shù)要求

依據(jù)設(shè)計技術(shù)條件，金屬膠接口蓋零件主要有以下要求。

（1）配套零件在膠接前進行貼合間隙檢查，貼合間隙要求：輕壓下不大于0.2?mm。

（2）膠接口蓋固化后翹曲變形要求：任何方向的翹曲度不大于5?mm/m。

（3）膠接口蓋固化后外表面波紋度要求：對于超出該文件要求但深度不大于1.2?mm的非突變凹痕，允許刮EC-2216B/A膠修平處理，保證型面光滑流線。

（4）膠接口蓋內(nèi)部質(zhì)量要求：對于空腔和邊緣缺膠，加強筋膠接面的空腔和邊緣缺膠長度不大于25?mm，間距不大于150?mm，允許采用EC-2216B/A膠注膠填實，并增加鉚釘進行加強。非加強膠接面的單個空腔直徑不大于10?mm，任何兩相鄰空腔間距不小于100?mm的空腔，允許采用EC-2216B/A膠注膠填實。

（5）膠接口蓋制造過程中必須進行隨爐試板的制作。隨爐試板要求：隨爐試件類型包括搭接剪切和90°剝離，隨爐試件數(shù)量為每爐一件。

2成型工藝

2.1工藝流程

外蒙皮通過拉伸成型，將鋁合金薄板拉伸成零件外形。帶有加強筋條的內(nèi)蒙皮采用落壓成型工藝，一次加工出零件的外形和加強筋結(jié)構(gòu)，然后使用激光切割技術(shù)在指定區(qū)域開出內(nèi)蒙皮減輕孔。然后內(nèi)、外蒙皮按以下工藝流程進行膠接。具體口蓋膠接工藝流程為：工藝準備→組建預(yù)裝→陽極化→噴底膠→鋪膠膜→裝配→固化→啟模修整→噴丸→敲擊檢測→波紋度檢查→刮膠→涂密封膠→稱重→噴漆→標識→總檢。

2.2工裝結(jié)構(gòu)

為了減小固化過程中零件與工裝熱膨脹系數(shù)的差異，口蓋零件膠接夾具選用鋁制框架結(jié)構(gòu)，貼膜面選擇零件外表面，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

內(nèi)蒙皮加強筋之間粘接區(qū)域放置勻壓板，勻壓板采用2?mm厚的鋁制勻壓板，采用分塊方式，勻壓板邊緣靠近加強筋位置距離加強筋根部留出1?mm間隙。

2.3固化參數(shù)

固化溫度：（180±5）℃；固化壓力：（0.3±0.02）MPa；固化時間：2.5～3.0?h；升降溫速率：≤3.0?℃/min。當罐壓達到0.1?MPa時，真空管路通大氣。固化結(jié)束后在保壓狀態(tài)下降溫，降至60?℃以下時卸壓出罐。

3技術(shù)質(zhì)量問題及解決措施

3.1?表面處理

由于鋁合金零件在空氣中容易氧化在表面產(chǎn)生無孔非晶態(tài)Al2O3，因此為提高膠接強度，膠接前需對鋁合金零件進行必要的處理[1-6]。短艙口蓋在實際生產(chǎn)中使用的表面處理方式為磷酸陽極化。氧化過程中較多零件會出現(xiàn)表面夾雜的問題，主要是蒙皮在落壓過程中，落壓模表面疏松物壓入零件所致。該壓入物在氧化過程中無法完全去除，在后續(xù)膠接過程中可能會影響零件膠接強度。

針對該問題，通過開展工藝試驗，蒙皮在磷酸陽極化前先進行一次堿清洗和二酸脫氧，然后對零件表面狀態(tài)進行檢查，對存在的壓入物進行打磨去除，確保零件表面狀態(tài)滿足要求后再按照磷酸陽極化處理的流程進行表面處理。

3.2蒙皮定位問題

部分口蓋零件內(nèi)蒙皮為兩部分構(gòu)成，組件膠接過程中需保證兩件內(nèi)蒙皮對縫間隙不大于5?mm。因此，內(nèi)蒙皮必須通過耳片定位，在其外邊緣一側(cè)帶2處定位耳片及定位孔，外蒙皮外邊緣兩側(cè)邊各帶2處定位耳片及定位孔，內(nèi)、外蒙皮狀態(tài)如圖4所示。

為保證組件裝配過程中內(nèi)、外蒙皮定位孔協(xié)調(diào)，要求蒙皮成型模具耳片定位孔與組件膠接夾具定位孔位置協(xié)調(diào)。裝配過程中，內(nèi)、外蒙皮通過耳片定位孔在膠接夾具上進行定位，并對內(nèi)蒙皮對縫間隙進行檢查，若有不協(xié)調(diào)的問題，及時對蒙皮對縫邊進行修配，保證對縫間隙。一般情況下，預(yù)裝狀態(tài)下檢查內(nèi)蒙皮對縫間隙要求在2～3?mm，才可保證固化后對縫間隙不會超出設(shè)計圖紙要求。

3.3外蒙皮凹痕問題

短艙口蓋自研制初，組件固化后外蒙皮加強筋對應(yīng)位置會出現(xiàn)不同程度的凹痕，造成表面波紋度超差的問題。設(shè)計技術(shù)條件中要求，深度不超過1.2?mm的凹痕允許使用EC2216B/A進行刮平。

外蒙皮固化后存在凹痕主要是由于該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊，存在薄壁封閉空腔結(jié)構(gòu)。從產(chǎn)品固化后凹痕深度統(tǒng)計結(jié)果來看，橫縱筋結(jié)合部位腔體體積較大的地方凹陷較嚴重；另外，加強筋越高、越寬，加強筋之間距離越小，凹陷深度越深[7]。

實際生產(chǎn)中，內(nèi)外蒙皮在抽真空的狀態(tài)下，由于真空吸力作用，外蒙皮在加強筋對應(yīng)的位置會向內(nèi)蒙皮一側(cè)產(chǎn)生凹陷變形，真空作用力釋放后外蒙皮的變形會回彈并恢復(fù)至原狀態(tài)。但內(nèi)、外蒙皮在實際膠接的過程中，組件進入熱壓罐后，當真空度達到0.08?MPa時，向罐內(nèi)開始加壓，當罐壓達到0.1?MPa時，真空管路通大氣。而此時膠層溫度仍處于室溫狀態(tài)。真空管路通大氣后，外蒙皮在彈性形變會產(chǎn)生回彈，但由于此時已經(jīng)施加了0.1?MPa的罐壓，同時由于內(nèi)外蒙皮之間存在膠膜，使內(nèi)、外蒙皮間發(fā)生相對滑移的阻力增大。在罐壓和膠膜阻力的共同影響下，真空管路通大氣后，外蒙皮的彈性變形無法完全恢復(fù)。

同時，組件固化時加強筋在高溫高壓條件下會下壓外擴變形，此時膠層仍未完全固化，加強筋邊緣以外內(nèi)外蒙皮貼合部位會發(fā)生相對滑移。固化結(jié)束后在保壓狀態(tài)下降溫，降至60?℃以下時卸壓出罐。當組件冷卻后，加強筋在彈性形變作用下會回彈，由于內(nèi)外蒙皮已經(jīng)膠接到一起，內(nèi)蒙皮帶動外蒙皮向加強筋一側(cè)收縮，由于外蒙皮外側(cè)有工裝阻擋，所以外蒙皮只能向腔體一側(cè)位移，從而引起外蒙皮凹陷。具體分析結(jié)果見圖5[7]。

后續(xù)通過工藝改進試驗，在加強筋上增加透氣孔后，固化后組件凹陷深度有一定改善，但仍未能徹底避免外蒙皮凹陷。

3.4膠接質(zhì)量問題

研制初期口蓋組件固化后空腔和邊緣缺膠問題較為突出。一方面，從配套零件預(yù)裝狀態(tài)來看，內(nèi)蒙皮表面質(zhì)量較差，落壓后零件表面折痕、凹坑、鼓包問題較多，需在組件預(yù)裝工序?qū)?nèi)蒙皮進行現(xiàn)場敲修。同時，為避免膠接后零件出現(xiàn)空腔，在膠膜鋪貼過程中，針對口蓋零件要求鋪放兩層J-116B膠膜。另一方面，從口蓋組件結(jié)構(gòu)來看，內(nèi)蒙皮上存在復(fù)雜加筋結(jié)構(gòu)，固化過程中加強筋之間壓力傳遞不均，會造成減輕腔邊緣位置缺膠問題。裝配過程中通過在減輕腔位置增加鋁制勻壓條以及硅橡膠壓力墊，避免真空袋局部架橋，更加方便操作人員制袋，改進后減輕腔邊緣膠梗連續(xù)，膠接質(zhì)量得到了顯著提升。

另外，在部分存在Π型缺口的口蓋零件固化后，在Π型區(qū)域局部存在輕微鼓包，主要分布在加強筋根部位置。為避免該問題，在Π型區(qū)域使用AIRCAST?3700制作壓力墊，內(nèi)外蒙皮裝配完成后在Π型區(qū)域放置壓力墊，固化后該區(qū)域平整度明顯得到了改善。

3.5固化后組件翹曲度超差問題

部分曲率較大的口蓋在固化后與膠接夾具的貼合間隙一般在10～20?mm，大大超出了設(shè)計技術(shù)要求（不大于5?mm/m）。針對該問題，在組件固化后對翹曲度超差的零件進行噴丸校型。在噴丸過程中，對內(nèi)蒙皮對縫位置需使用噴丸保護膠帶及時進行防護，以免噴丸過程中彈丸進入加強筋內(nèi)部造成多余物難以清理。

3.6金屬刮膠表面噴漆后針孔問題

實際生產(chǎn)中，口蓋零件固化后在外蒙皮凹陷位置需要刮EC2216B/A膠粘劑。刮膠后表面在噴漆后存在較多針孔，嚴重影響了產(chǎn)品表面質(zhì)量。

噴漆后表面針孔主要是刮膠形成的。一方面，刮膠過程中無法一次刮到位，必須反復(fù)刮2～3遍，膠層之間容易夾裹空氣；另一方面，膠粘劑固化過程的過程是放熱反應(yīng)，夾裹的空氣無法完全溢出時就在膠層中形成了氣孔。針對該問題，開展了刮膠表面針孔修復(fù)工藝試驗，使用針孔膩子28-C-1對刮膠區(qū)域表面進行修復(fù)，處理后表面噴漆質(zhì)量有了顯著提升。

4?結(jié)語

此類結(jié)構(gòu)的零件目前已處于穩(wěn)定生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品的性能滿足使用要求，但從整個生產(chǎn)過程出現(xiàn)的質(zhì)量問題來看，仍然存在以下幾個方面的問題。

（1）異形加筋結(jié)構(gòu)鋁合金蒙皮的成型質(zhì)量難以達到金屬膠接件的容差要求，導(dǎo)致現(xiàn)場敲修工作量極大，但敲修后蒙皮仍然存在褶皺、鼓包等表面質(zhì)量問題，不能完全符合膠接零件的要求，導(dǎo)致固化后膠接組件無法避免弱粘接的問題。后續(xù)可考慮使用充液成型工藝成型內(nèi)蒙皮，以提升產(chǎn)品表面質(zhì)量和膠接質(zhì)量。

（2）薄壁封閉腔體采用金屬結(jié)構(gòu)膠接工藝成型后表面凹陷問題仍無法徹底解決。該問題產(chǎn)生的根源在于產(chǎn)品的特殊結(jié)構(gòu)，因此徹底解決該問題仍需從設(shè)計源頭對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。

參考文獻

[1]?楊國騰，吳文娟.膠接工藝對粘接強度的影響[J].化學(xué)與黏合，?2019，?41（1）：?72-75.

[2]?彭堅，陳翠，楊永忠，等.磷酸陽極化工藝在航空鋁合金膠接領(lǐng)域的應(yīng)用進展[J].裝備環(huán)境工程，2021，17（2）：?49-54.

[3]?喻健，張騰，何宇廷，等.膠鉚混合修補鋁合金板的疲勞性能研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2021，20（11）：?42-45.

[4]?劉曉東.復(fù)合材料膠接表面處理工藝機理研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2018.

[5]?沈正悅.膠接工藝在裝配過程中的應(yīng)用分析和發(fā)展[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2021，10（13）：?110-113.

[6]?劉斌，徐天杰.金屬蜂窩夾層結(jié)構(gòu)修理關(guān)鍵工藝[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021，35（8）：?53-55.

[7]?張靜.加筋蒙皮金屬膠接結(jié)構(gòu)表面凹陷分析[J].科技傳播，2016，9（3）：?253-255.