摘 要：近年來，復(fù)合材料因其較好的力學(xué)性能、熱物理性能和熱燒蝕性能，成為新一代飛機機體結(jié)構(gòu)主要材料之一[1]。大量飛機零部件相繼采用復(fù)合材料進行制造，并且采用復(fù)合材料的部位、面積和重量也逐步增加。復(fù)合材料的應(yīng)用也從次承力件擴展到主承力件，其應(yīng)用部位從尾翼擴展到機翼，直至機身。世界各國均把發(fā)展高性能復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)放在極其重要的位置。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；舵面；裝配技術(shù)

復(fù)合材料的引入很大程度地提高了飛機整體性，但由于檢查、拆裝需要以及工藝限制，結(jié)構(gòu)和工藝分離面仍是不可避免的。和金屬零件一樣，復(fù)合材料各部件間也需要通過連接而成為一個整體。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配特點

由于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特點，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機械連接與金屬結(jié)構(gòu)的機械連接有不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）復(fù)合材料耐沖擊性、層間抗剝離性較差，應(yīng)力裝配易造成損傷，因此不允許應(yīng)力裝配，不允許銼修和校形；（2）復(fù)合材料是一種脆性材料，硬度較高，制孔時刀具磨損較快，易損傷孔壁，鉆頭出口處復(fù)材易分層。在結(jié)構(gòu)開敞的條件下，孔的出口面墊一塊墊板，在結(jié)構(gòu)不開敞時，孔出口面共固化一層玻璃布，都可以有效防止表層的剝離。當復(fù)合材料與金屬材料構(gòu)成復(fù)合夾層制孔時，如果從復(fù)材一側(cè)向金屬一側(cè)制孔，易引起金屬屑對復(fù)合材料孔壁的損傷；（3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在進行機械連接時，若安裝緊固件的力矩過大，會造成零件分層；（4）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件鉚接時，由于復(fù)合材料的相對延展率較小，不宜采用帶有沖擊力的裝配方法，如錘鉚，容易造成復(fù)材件分層；（5）碳纖維復(fù)合材料與鋁或鍍鉻的緊固件相接觸會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，因此緊固件一般涂密封膠或清漆濕連接；（6）由于原材料、制造工藝以及材料本身特性限制，復(fù)合材料與機加零件相比，零件的厚度、平面度、角度等尺寸和形位公差會相對較大，因此在設(shè)計時就要考慮補償方法[2]。

綜上所述，在制孔技術(shù)、連接技術(shù)、補償技術(shù)等方面，復(fù)合材料部件的裝配技術(shù)與金屬部件相比區(qū)別明顯，復(fù)合材料部件的裝配難度遠大于金屬部件的裝配難度[3]。

2 復(fù)材舵面固化段裝配的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 舵面固化段的設(shè)計分析

為滿足飛機在飛行過程中調(diào)整姿態(tài)，單架飛機通常包括多個飛機舵面，其結(jié)構(gòu)形式類似，尺寸略有區(qū)別。以我國某型號無人機為例，其復(fù)合材料舵面固化段主體為蜂窩夾芯膠接結(jié)構(gòu)，主要包括梁、肋、后邊條、蜂窩、蒙皮等零件。膠接前需要將蒙皮和骨架結(jié)構(gòu)進行準確定位，預(yù)裝成一個整體。預(yù)裝的準確性將極大的影響后續(xù)膠接工序的質(zhì)量。舵面固化段采用以骨架為基準的裝配原則，裝配流程詳見圖1。

2.2 裝配工裝的選擇

傳統(tǒng)的固定裝配工具往往只適應(yīng)特定的組件對象，其結(jié)構(gòu)是嚴格限制規(guī)模，結(jié)構(gòu)，位置因素找到交集的飛機部件[4]。當使用傳統(tǒng)工具來定位，因為相應(yīng)的控制面都存在著差異，需要使用多套模具的定位，在開發(fā)階段，模具生產(chǎn)準備時間長，不能滿足現(xiàn)代飛機的飛速發(fā)展要求。

大部分的國內(nèi)制造廠在裝配飛機的過程中，仍廣泛采用傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)專用工裝。由于飛機部件的尺寸、結(jié)構(gòu)、定位交叉點位置因素的嚴格限制，傳統(tǒng)的固定式裝配工裝往往只適應(yīng)于特定的裝配組件[4]。當采用傳統(tǒng)工裝進行裝配時，由于每個舵面都存在差別，均需要使用單獨的工裝進行定位，工裝生產(chǎn)準備時間長，占地面積大，生產(chǎn)成本高。因此，根據(jù)舵面固化段的裝配需求，采用組合式裝配工裝。能夠?qū)崿F(xiàn)不同舵面定位形式間的快速轉(zhuǎn)換，能夠適應(yīng)同類飛機中多套舵面的裝配定位工作。通過更換定位器、移動定位卡板，能夠?qū)崿F(xiàn)重構(gòu)裝配工裝，同時可以降低工裝制造成本、縮短工裝制造周期、減少生產(chǎn)用地[5]。

雖然不同的舵面固化段在外形尺寸上不同，但其結(jié)構(gòu)形式有許多共同點，按照具體舵面固化段裝配的要求更換定位器、調(diào)整卡板的形狀、變換卡板位置，使之滿足具體特征的要求。因此裝配工裝的結(jié)構(gòu)布局基本相同：（1）主體結(jié)構(gòu)為通用框架，該框架的內(nèi)形尺寸要求能夠適應(yīng)不同舵面的裝配需求，詳見圖2。（2）針對不同零件的定位要求，設(shè)計導(dǎo)軌，便于實現(xiàn)定位板的移動。（3）框架上設(shè)置可拆卸定位器，便于實現(xiàn)不同舵面零件的定位，詳見圖3。

裝配工裝的主要定位器和卡板，均采用激光跟蹤儀進行調(diào)試安裝，以快速形成工裝定位結(jié)構(gòu)，并采用激光跟蹤儀按照三位數(shù)模進行驗收，確保工裝的準確性。

2.3 制孔方法

制孔：保持鉆頭切削刃的鋒利度以及采用高的鉆削速度是獲得高質(zhì)量孔的關(guān)鍵因素。對于復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，選用采用硬質(zhì)合金鉆頭，高速鉆制初孔，然后鉸制終孔。由于硬質(zhì)合金鉆頭的硬度較高，因此切削刃的鋒利性保持的時間較長。鉆孔時應(yīng)注意控制鉆削時的軸向力，當接近鉆透時應(yīng)放慢進給速度，并且使用墊板緊頂在孔的出口面可減少出端劈裂或分層。

锪窩：锪窩容易造成復(fù)合材料零件孔周邊的損傷，降低連接強度，因此對于復(fù)合材料，采用專用鍍金剛砂锪窩器進行锪窩。復(fù)合材料锪窩應(yīng)注意控制釘頭對于蒙皮的凸凹量。

2.4 緊固件的安裝

材料的電位值顯示，鈦合金在電位上與碳纖維復(fù)合材料比較匹配。并且鈦合金材料強度高、重量輕，隨著復(fù)合材料的大量使用，鈦合金緊固件的用量也逐步提升。

鉚接：由于鈦合金鉚釘多次打擊會產(chǎn)生冷作硬化，導(dǎo)致墩頭難以成形或者產(chǎn)生裂紋，容易造成零件分層缺陷。因此，對于肋與蒙皮采用鉚釘連接的部位，在鉚接部位開敞的情況下，優(yōu)先選用壓鉚；如果連接部位無法采用壓鉚，盡可能采用“正鉚法”鉚接；在上述兩種方法不可實施時最后選用“反鉚法”。在使用錘鉚法鉚接時，注意控制鉚接力度，盡可能一次打擊完成，避免反復(fù)鉚接對零件造成損傷，同時防止墩頭形成過程中導(dǎo)致硬化。由于鉚釘墩頭部位為復(fù)合材料，在墩頭成型一側(cè)加不銹鋼墊圈（雙面埋頭除外）。

抽釘抽鉚：對于肋與蒙皮連接處，若空間不開敞或為封閉區(qū)域，通常采用抽釘連接，對于封閉區(qū)域抽釘應(yīng)涂密封劑濕連接。采用抽釘連接的部位，應(yīng)使用專用勾尺檢查夾層厚度，選擇合適規(guī)格的抽釘。使用專用工具抽鉚連接。

2.5 密封方法

在梁、肋、蒙皮對接處縫隙應(yīng)涂覆密封劑。粘結(jié)底涂是待密封表面處理材料，用于提高密封劑粘結(jié)性能，在使用密封劑的表面，必須首先用粘結(jié)底涂處理被密封表面。被密封表面清洗干凈后，自然放置15min可進行密封劑施工。

2.6 檢驗方法

孔的檢測：孔徑尺寸采用卡尺進行檢查，目視檢查表面質(zhì)量。

鉚釘鉚接檢測：目視檢查墩頭質(zhì)量。墩頭直徑及高度采用卡尺進行檢查。

抽釘抽鉚鉚接檢測：抽鉚前使用專用鉤尺測量夾層厚度，以便選擇長度規(guī)格合適的抽釘。抽鉚后，檢查芯桿凹陷量。如抽釘芯桿斷裂位置不合格應(yīng)分解后重新抽鉚。

內(nèi)部質(zhì)量檢測：采用超聲波掃描對制孔區(qū)域進行無損探傷。檢測人員對有缺陷的區(qū)域進行記錄，以報告形式反饋給工藝人員。

3 結(jié)束語

文章對復(fù)合材料舵面固化段裝配進行了簡要的介紹，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配是復(fù)合材料應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)的裝配技術(shù)水平與國外主要飛機制造商之間還有一定的差距。加強復(fù)合材料裝配技術(shù)研究，對于促進復(fù)合材料在國內(nèi)航空制造業(yè)的應(yīng)用、提高飛機制造水平、縮小與國外飛機制造商的差距具有重要作用。

參考文獻

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[2]徐福泉，高大偉.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配過程中的制孔和連接[J].航空制造技術(shù)，2010（17）：72-74.

[3]劉華東.飛機復(fù)合材料水平尾翼裝配技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2009（24）：26-30.

[4]范玉青.現(xiàn)代飛機制造技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[5]劉哲.舵面類部件柔性裝配工裝技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].第五屆中國航空學(xué)會青年科技論壇，2012（8）：399-402.