劉 佳,于 竹,孟凡波,楊五兵,李 營

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司,沈陽 110000)

1 引言

“制造大國”向“智造強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)型是國家新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。復(fù)合材料作為航空制造先進(jìn)材料,是科技發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要支柱,先進(jìn)復(fù)合材料作為一類輕質(zhì)高效、節(jié)能環(huán)保的新型材料,在先進(jìn)材料領(lǐng)域具有重要地位。先進(jìn)復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為航空結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志,大型飛機(jī)波音787 和空客A350 的先進(jìn)復(fù)合材料用量達(dá)到50%以上,而國有大飛機(jī)由ARJ 的2%到C919 飛機(jī)的11.5%,再到CR929 飛機(jī)的50%,展示了其發(fā)展前景及趨勢[1]。

本項目通過對民用飛機(jī)設(shè)計應(yīng)用中的難加工復(fù)合材料成型零件為研究對象,在手工檢測中融入數(shù)字化和自動化高質(zhì)量檢測方式,對結(jié)果進(jìn)行分析研究,形成面向民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件檢測技術(shù)的分享,反向指導(dǎo)制造及方案改進(jìn),明顯降低傳統(tǒng)加工帶來的隨意性和無規(guī)律性,有利于民用飛機(jī)復(fù)合材料檢測知識的共享和應(yīng)用[2-4]。

2 零件概述

機(jī)身復(fù)合材料環(huán)框為C 型結(jié)構(gòu),采用上L 型立筋和下C 型腹板層壓板結(jié)構(gòu)零件,主要材料為CMSCP-307 增韌環(huán)氧樹脂碳纖維織物預(yù)浸料及單向帶預(yù)浸料,零件長度為2 000 mm,寬度為120 mm,零件最厚區(qū)域為C 框腹板和L 型立筋疊層區(qū)域,厚度為3.52 mm,最薄區(qū)域為1.762 mm,如圖1 所示。

圖1 零件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of parts structure

零件原材料中,35 型—名義樹脂含量達(dá)35.5%(重量)。預(yù)浸料樹脂是在180℃固化的熱固性環(huán)氧樹脂,碳纖維最小拉伸強(qiáng)度為5 021 MPa,拉伸模量為283.0 GPa～304.0 GPa[5]。

本生產(chǎn)鑒定的目的在于驗證按照制造商已有的檢驗程序和檢測技術(shù)制造的復(fù)材零件,其外部質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量以及與內(nèi)部質(zhì)量相關(guān)的力學(xué)性能試驗?zāi)康牡蔫b定是否滿足要求,并在生產(chǎn)開始之前對零件制造過程中存在的不足進(jìn)行識別和糾正。

2.1 外觀檢測

外緣條區(qū)域:根據(jù)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計檢驗工裝進(jìn)行安裝定位,使用定位銷插入長圓孔及圓孔將零件定位在檢驗工裝上,如圖2(a)所示。定位完成后,使用檢驗工裝加力機(jī)構(gòu)給零件外緣條按需施加不大于45 N 的力,每一處間距不小于300 mm,使用塞尺測量零件外緣條面與工裝面的間隙,由于檢驗工裝檢驗型面與理論型面存在2 mm 設(shè)計偏移,在測量實際間隙結(jié)果后,應(yīng)進(jìn)行換算以判定最終結(jié)果是否能滿足±0.75的公差,同時滿足尺寸2 mm±0.75 mm。

圖2 檢驗工裝示意圖及檢驗結(jié)果Fig.2 Inspection tooling diagram and inspection results

腹板區(qū)域:通過施加橡皮泥測量零件與檢驗工裝之間的間隙,橡皮泥的最大厚度代表工裝與零件間隙最大值,橡皮泥的最小厚度代表工裝與零件間隙最小值,測量方法如下:(1)將橡皮泥揉成球狀均勻分布在零件腹板對應(yīng)的工裝區(qū)域,每間隔50 mm放置一枚橡皮泥;(2)將零件垂直輕輕放下并貼于工裝進(jìn)行定位,施加沙袋,并保證沙袋的間隔(允許在檢查區(qū)域最小300 mm 的間隔內(nèi)最大施加45 N的局部壓力,或在等效的更小間隔內(nèi)施加等效的更小壓力,例如,150 mm 間隔內(nèi)最大施加22.5 N);(3)等待15 min,橡皮泥完全變硬后,將零件垂直向上抬出,保證工裝面朝上放于工作臺上,使用卡尺測量貼于工裝表面及零件工裝面的橡皮泥厚度,厚度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不大于0.75 mm[6,7]。

檢驗結(jié)果如圖2(b)所示,厚度尺寸最小為1.8 mm,最大為2.95 mm,滿足圖紙理論尺寸要求。通過此零件實際裝機(jī)測試,符合設(shè)計裝配要求,進(jìn)而驗證檢測方法的準(zhǔn)確性。此檢驗工裝結(jié)構(gòu)及檢驗方式能有效對此類型復(fù)合材料碳纖維框進(jìn)行外緣條和腹板區(qū)域的外形尺寸檢查,并保證公差在±0.75 mm以內(nèi)。

2.2 厚度檢測

采用Elektro Physik 鋼珠測厚儀720 進(jìn)行復(fù)材框厚度檢測,測量精度可達(dá)±1 μm。測量標(biāo)準(zhǔn)為同一厚度區(qū)域至少有5 個測量點,且5 個測量點均需滿足厚度公差要求。測量數(shù)據(jù)保留兩位小數(shù)。鋪層過渡區(qū)域不要求測量零件厚度的要求,測量點如圖3 所示[9,10]。

通過三件全尺寸試驗件的測量數(shù)據(jù),確定加工誤差范圍,結(jié)果分析:

第一件測量,采用檢測工裝測量,檢測工裝與零件間隙為2 mm,使用塞尺檢測零件與檢測工裝間隙,檢測結(jié)果在1～3 mm 之間符合L 型立筋位置度±1 mm的要求,檢測結(jié)果在1～2 mm 之間的為L 型立筋向C 框外緣方向偏移,檢測結(jié)果在2～3 mm 之間的為L 型立筋向C 框內(nèi)緣方向偏移。檢測結(jié)果為向C 形內(nèi)部的方向最大超差0.35 mm。

第二件測量,檢測工裝與零件間隙為2 mm,使用塞尺檢測零件與檢測工裝間隙,檢測結(jié)果在1～3 mm之間符合L 型立筋位置度±1 mm 的要求,檢測結(jié)果為向C 形內(nèi)部的方向最大超差0.45 mm。

第三件測量,采用數(shù)字化測量,L 型立筋理論位置度為±1 mm,檢測結(jié)果在-1～0 mm 之間的為L 型立筋向C 框內(nèi)緣方向偏移,檢測結(jié)果在0～1 mm 之間的為L 型立筋向C 框外緣方向偏移。檢測結(jié)果為向C 框內(nèi)部的方向超差0.19 mm

綜合三次測量結(jié)果,L 型立筋位置度公差范圍為±1.5 mm。通過L 型立筋位置度偏差問題進(jìn)行分析測量B 區(qū)合格,C 區(qū)側(cè)邊緣最大偏差為-0.25 mm,A區(qū)偏0.42 mm(均勻偏差,無局部集中變形),局部L型立筋與腹板平面不垂直,立筋切面存在傾斜,角度偏差2°。此偏差是碳纖維復(fù)合材料L 型結(jié)構(gòu)回彈造成,此類型復(fù)材框的回彈量通過測量結(jié)果數(shù)據(jù)分析,確定偏差值為2°,經(jīng)分析討論,通過對制造工裝進(jìn)行回彈值修復(fù),保證零件加工后回彈數(shù)值正好為理論值。

2.3 無損檢測

無損檢測(NDI)通常用于檢測零件損傷,不會對被檢測零件產(chǎn)生影響。對于復(fù)合材料零件使用超聲波檢測法。此項目環(huán)框使用超聲波檢測復(fù)合材料層壓件中的分層、空腔、脫粘、外來物和其他內(nèi)部缺陷。因此通過超聲波檢測,查出零件或結(jié)構(gòu)件內(nèi)最小拒收尺寸或最小要求檢測尺寸的缺陷,如空腔、分層和脫粘。檢測出零件或結(jié)構(gòu)件內(nèi)的夾雜或氣孔。同時采用自動穿透法C 掃描和接觸脈沖反射法A 掃描對零件內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測,如分層、夾雜物、空腔、孔隙率等。檢測方法為:腹板區(qū)域采用5 MHz 自動穿透法C 掃描檢測,緣條、緣條與腹板連接處的R 區(qū)以及腹板C 掃描未檢測到的區(qū)域采用5 MHz 接觸脈沖反射法A 掃描[11,12]。

所用的任何設(shè)備和探頭均應(yīng)能發(fā)射超聲波傳入或穿透對比試塊,并得到可用的超聲波響應(yīng),信號的傳播應(yīng)能通過零件的高衰減區(qū)域。對于使用計算機(jī)輔助數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的C 掃描,應(yīng)采用層壓板中的分層缺陷進(jìn)行驗證,要求系統(tǒng)信噪比S/N≥2.5。其中,信號S指的是對比試塊上缺陷邊界信號值與良好區(qū)域信號平均值的差值,噪聲N則是良好區(qū)域信號標(biāo)準(zhǔn)差:對于不使用計算機(jī)輔助數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A 掃描,要求信噪比S/N≥30。超聲波檢測儀器應(yīng)與所用的探頭相配,且當(dāng)配合使用時應(yīng)能產(chǎn)生至少1～15 MHz的超聲頻率。測量儀器如表1 和圖4 所示[13]。

表1 超聲波檢測儀器Tab.1 Ultrasonic instruments

圖4 自動噴水C 掃描與M380 A 掃描Fig.4 Automatic water spraying C-scan&M380 A-scan

結(jié)論:檢測前,應(yīng)該測定探頭的頻帶寬度和中心頻率,用6 dB 衰減法測出的頻帶寬度值是中心頻率的45%或更小的探頭是窄聲束探頭,反之則是寬聲束探頭。探頭中心頻率相對其標(biāo)稱頻率的偏差應(yīng)滿足要求。應(yīng)用于分析頻譜的試驗方法應(yīng)有文件證明。探頭應(yīng)沿相隔90°的平面上進(jìn)行兩次掃描,最窄聲束寬度與最寬聲束寬度(沿兩平面,在1/2振幅點處來測量)的比值應(yīng)大于0.75。噴水法檢測采用平面探頭,探頭和水柱尺寸(噴水法)應(yīng)能保證最有效的檢測和評價對比試塊中的缺陷。手動接觸式穿透法應(yīng)采用接觸式平探頭,脈沖反射法可采用帶延遲塊的接觸式探頭,使用對比試塊證明探頭對缺陷的有效檢測。

2.4 剖切檢測

復(fù)合材料加工屬于特殊過程工藝,僅通過外觀無損檢測無法確定所有缺陷,需通過破壞性評估進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢查,故進(jìn)行剖切取樣并進(jìn)行金相檢查,要求如下:(1)切割取樣計劃中應(yīng)包括剖開位置,取樣位置和試樣大小;(2)典型的剖開位置包括質(zhì)量A 區(qū)、厚度過渡區(qū)、厚度變化區(qū)(比如有臺階的區(qū)域)、R 角區(qū)、膠接區(qū)和制造時可能施壓不足的區(qū)域等;(3)典型的取樣位置包括R 角、膠接面、干長桁臥邊和可能施壓不足區(qū)域等;(4)切割取樣的剖開位置和取樣位置可以根據(jù)試生產(chǎn)鑒定零件的目視和無損檢測結(jié)果進(jìn)行修訂,以便對檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行確認(rèn)。

通過對零件結(jié)構(gòu)分析,在零件關(guān)鍵部位進(jìn)行剖切取樣13 塊,并對樣片進(jìn)行褶皺及孔隙率檢測。如圖5 所示,在剖切方案的基礎(chǔ)上,金相試樣取樣檢查褶皺,檢測區(qū)域為外緣、筋條邊界與腹板連接區(qū)等,檢測結(jié)果如表2 所示[14]。

表2 零件金相試樣檢測要求與結(jié)果Tab.2 Inspection requirements and results for metallographic specimens of parts

圖5 剖切取樣圖Fig.5 Sectional sampling

對每一個試樣,在顯微鏡下以不低于10 倍的放大倍率,拍照記錄每個試樣完整的截面顯微形貌(可分區(qū)域拍照后拼接),清晰分辨出單根纖維的輪廓及截面。如圖6 所示,纖維延續(xù)無褶皺,通過金相檢查結(jié)果驗證工藝方法的正確性。

圖6 褶皺金相圖Fig.6 Metallographic diagram of folds

2.5 孔隙率檢測

孔隙作為復(fù)合材料中最常見的微觀缺陷,對復(fù)合材料的性能有非常大的影響,因而使用超聲無損檢測技術(shù)對復(fù)合材料中的孔隙進(jìn)行定量和定性的評估具有實際意義。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)孔隙率通過金相進(jìn)行檢查,檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:A 區(qū)孔隙率不大于1%為合格,B 區(qū)孔隙率不大于1.5%為合格。將試樣置于型號571003 顯微鏡下,放大100 倍觀察,如圖7 所示,記錄試樣截面中孔隙所占的格數(shù),計算出孔隙率[15]。

圖7 孔隙金相圖Fig.7 Pore metallography

試驗結(jié)果表明,碳纖維層壓板結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙率表現(xiàn)好,超差率低,如表3 所示。對于復(fù)合材料的檢測,金相顯微檢測相對于超聲波檢測更直觀地顯現(xiàn)出材料中微觀破壞和內(nèi)部缺陷,不僅能判斷材料的分層、孔隙、裂紋和夾雜等缺陷,還能判斷疏密、纖維取向、厚度等特性和幾何形狀。

表3 孔隙檢測結(jié)果Tab.3 Pore test results

3 結(jié)束語

(1)復(fù)合材料零件與金屬模具之間的膨脹系數(shù)不匹配是導(dǎo)致零件超差的重要因素之一,固化脫模后應(yīng)力釋放將導(dǎo)致產(chǎn)生變形,控制模具回彈角和補(bǔ)償性修復(fù)可抵消或控制變形。本項目采用外形檢驗工裝及鋼珠測厚儀對三項試驗件進(jìn)行物理測量,分析試驗數(shù)據(jù),總結(jié)回彈規(guī)律,確定回彈角為2°,有效解決回彈變形問題,降低消耗成本及制造周期。

(2)復(fù)合材料零件制造和金屬零件加工有明顯區(qū)別,復(fù)合材料零件存在著“黑匣子”現(xiàn)象,也就是無論外觀檢查多么完美,內(nèi)部也可能存在非破壞性試驗才能檢測出的缺陷,因此,對于復(fù)合材料零件工藝過程鑒定尤為重要,通過檢驗結(jié)論證實制造具備制造能力與工藝穩(wěn)定性的能力。

(3)復(fù)合材料零件制造是一個循序漸進(jìn)的過程,通過外觀檢測的零件僅能確保零件外觀與設(shè)計的協(xié)同性和符合性。而飛機(jī)復(fù)合材料零件更大的質(zhì)量要求是零件的力學(xué)性能和材料性能,對于關(guān)鍵性能,需要采用破壞性試驗才能發(fā)現(xiàn)最終檢驗中的制造缺陷。本項目通過對環(huán)框關(guān)鍵部位的剖切片進(jìn)行驗證及分析,確保按此工藝方法制造的零件從內(nèi)部微觀領(lǐng)域和性能滿足設(shè)計要求。零件最終的檢驗結(jié)果由制造工藝方法和檢驗方法中所有環(huán)節(jié)決定。