飞机复合材料结构修理工具的设计

代永朝，陈宜参

（1.空军第一航空学院，河南 信阳 464000；2.94452 部队，河南 新乡 453003）

0 引言

复合材料由于具有重量轻、强度高、刚度好和不易腐蚀等优点，已成为现代飞机的主要结构用材。随着复合材料及其成形工艺技术的发展，复合材料也开始应用于制造飞机的主要结构件且用量越来越多[1]。为此，飞机复合材料结构的损伤修理已成为现代飞机维修的重要组成部分，迫切需要满足飞机复合材料结构损伤修理技术要求的修理工具。本文针对飞机复合材料结构形式和机械加工特点，根据其修理方法要求，研制出了便携快捷的飞机复合材料修理工具。

1 飞机复合材料的基本修理方法及其工具配置

飞机复合材料结构损伤修理通常采用胶接和机械连接两种技术[2]。其中胶接修理分为贴补和挖补两种方法：贴补修理是指将预固化补片粘接在损伤部位的外侧以恢复结构的强度、刚度及使用性能，见图1（a）；挖补修理是指采用铣切等方式将损伤结构挖除，并形成斜接式或阶梯式的粘接面，然后采用预浸料或其他填充物填充挖补区，最后经固化得到平整修理表面的一种修理方法，见图1（b）。而机械连接修理则是采用金属薄板作为补片，通过钛合金抽钉将补片连接到损伤区域进行加强的一种修理方法，见图1（c）。

图1 复合材料结构损伤修理方法Fig.1 Repair method of composite structure damage

依据上述修理方法工艺要求，复合材料修理除了加温加压所需的胶接热补仪设备外，所需的修理工具包括钻孔、锪窝、切割、打磨和铆接等机械加工工具。

2 复合材料修理工具的设计

复合材料是完全不同于金属的各向异性材料，其强度大、硬度高，但层间强度低，不耐冲击，易分层，普通工具对复合材料进行钻孔、切割和打磨等机械加工时，很容易造成分层和劈裂等损伤，并且工具磨损极快[3]。因此，必须根据复合材料的性能特点，结合修理工艺需要，研制出有针对性的加工工具。

2.1 钻头选择

由于以碳纤维材料为代表的先进复合材料的硬度高，对普通高速钢和工具钢材料制成的钻头磨损极快，为此必须选用硬质合金作刀具材料。在参考国外硬质合金选材的基础上，发现选用钨—钴类硬质合金是合适的，因为这类硬质合金有较高的抗弯强度和韧性，可以减少切削时崩刃。同时，它的磨削加工性能较好，适于磨出锋利的刃口。经过试验研究，钻头最佳几何参数为：顶角在100°～120°范围，后角为15°～25°，螺旋角为25°～30°。

2.2 锪窝钻设计

复合材料结构使用的紧固件锪窝锥度通常为100°，加工时不仅要求表面光滑，且不能造成分层损伤。经过试验，使用传统的硬质合金锪窝钻，其锪窝质量不能满足技术要求。为此，根据磨削加工原理，采取镀金刚砂技术，在用普通工具钢制作的锪窝钻工作面上镀一层100 目粒度金刚砂。采用该方法制作的锪窝钻，经反复使用，加工的沉头窝末出现任何分层和毛刺，且使用寿命超过6000 次。

2.3 切割工具设计

复合材料结构在损伤修理时，主要涉及到圆形和矩形两种类型孔的制作，这些孔直径一般在20mm 以上。根据复合材料的加工特性和磨削加工原理，设计出了专用的复合材料切割工具，即镀金刚砂的套料刀和圆盘割刀（见图2）。其中套料刀主要用于圆孔的切割，圆盘割刀主要用于矩形孔的切割。镀金刚砂的套料刀和圆盘割刀基体材料为T8A，其切削部分均匀地镀上一层（约0.2mm）金刚砂。金刚砂的粒度为100 目。

图2 复合材料切割工具Fig.2 Cutting tool of composite material

2.4 打磨工具设计

复合材料修理对密封和防腐有较高的要求，打磨是确保粘接表面处理质量的重要工序。根据复合材料结构损伤打磨要求，设计出了表面镀金刚砂的圆柱铣刀和端面打磨轮（见图3），用于层压板、蜂窝和胶层的打磨。

2.5 拉铆工具设计

复合材料不耐冲击，修理时不能采取普通铆接的方法进行连接，为防止电化学腐蚀，通常采用钛合金抽钉进行连接。为此，根据气动旋拉的原理，依据钛合金拉铆钉形状和变形特点，专门设计改装了适合钛合金铆钉的拉铆枪 （见图4）。该拉铆枪由枪体、三种规格（φ4.2、φ5.0、φ6.0） 旋拉杆和旋拉套组成，具有拉力大、操作简便的优点。

图3 打磨工具Fig.3 Sanding tool

图4 钛合金铆钉拉铆枪Fig.4 Pulling gun of titanium alloy rivet

3 总结

本文研制的复合材料修理工具，已配发多家单位应用。使用表明，该套工具采用镀金刚砂工艺设计和气动旋转磨削加工技术，具有结构轻巧、功能齐全、使用寿命长、制造成本低、操作使用方便和修理质量高等显著优点；对复合材料结构损伤去除速度快，无传统切割方法普遍存在易导致结构分层的弊端，可完全满足飞机复合材料结构修理的需要。

[1] 虞浩清，等.飞机复合材料结构修理[M].北京：中国民航出版社，2010.

[2] 胡芳友，等.飞机结构损伤修理[M].北京：兵器工业出版社，2012.

[3] 沃丁柱.复合材料大全[M].北京：化学工业出版社，2000.