关于先进复合材料装配工艺的应用研究

薛荣伟

【摘  要】通常先进复合材料都具有很高的强度与刚度，而且材料较轻，既能够耐高温又能够耐腐蚀，属于非常好的结构材料，我国有些航空公司就在机垂直尾翼的部分使用了复合材料，这项探究不仅为我国先进复合材料的应用打造了良好的平台，而且还有效的提升了我国先进复合材料装配工艺的应用。因此本文就重点研究了先进复合材料装配工艺的应用情况，希望给我国的先进复合材料装配工艺应用带来积极的促进作用。

【关键词】复合材料;装配工艺;应用研究

一、引言

先进复合材料因为存在较大的强度和刚度，又具有极强的耐高温性、耐腐蚀性以及材料轻等优点，所以现阶段被视为最佳的结构材料。作为典型的先进复合材料的代表主要包括：聚合物基复合材料以及金属基复合材料。其中，这些材料被广泛的应用于飞机、火箭、导弹、卫星以及坦克等众多的军事设备当中，而且规模还在不断的扩大。同时，我国还出现了将先进复合材料使用在飞机上面的情况，这是由西飞公司首次研发的，该公司对先进复合材料装配工艺应用的探究是从20世纪的90年代开始的，其将芳纶复合材料以及芳纶铝合金层板材料一起使用在飞机的垂尾部分，这项研究有效增强了我国先进复合材料装配的工艺。

二、先进复合材料装配工艺应用探究

（一）先进复合材料装配工艺应用现状

此工艺主要包含的技术有预装配、修合、制孔以及连接等。通过这几年的大量研究以及对方案的不断优化使得工艺的质量基本能够得到保障。我们都知道即便复合材料存在极好的物理特性，不过到现在为止还无法如金属材料一样获取普遍的使用，这主要原因有两个，分别为：1.复合材料的成本较高。2.复合材料的加工性能差。特别是由芳纶纤维所构成的复合材料，其属于复合材料里极难加工的材料之一。所以先进复合材料装配工艺应用还不是非常的普遍和广泛。

（二）先进复合材料加工过程中存在的问题

在对复合材料进行加工时，通常会存在这两个问题：1.材料自身问题。2.加工问题。一般复合材料装配的内容为制孔与连接，但孔的质量会直接影响连接接头的使用年限，所以必须重视制孔环节。其中，涉及到孔的质量方面的内容有尺寸、圆度和粗糙度等，这些内容都会导致连接位置的应力汇合，从而使其发生损坏，如果是加工芳纶的复合材料，则结果会更加严峻。

三、先进复合材料装配工艺应用的流程

第一，严格检验复合材料配件。应用的复合材料配件既应该和图纸相匹配，又应该达到交付的状态。

第二，修合预装配。通常情况下复合材料的配件交付情况都是满足图纸的尺寸要求，不过还为了达到装配的协调性，就会在配件的旁边设有一些空余。而修合预装配工作实质上就是把复合材料配件装配在准确的地方，先定好位置，然后去掉配件旁边的空余，以达到图纸的要求。因复合材料自身所具有的特殊属性，所以在去掉空余时通常会发生分层、脱离等情况，所以必须采用专业的器具与良好的工艺措施来去除空余。

第三，制孔。要想得到最佳的孔径，就必须满足装配的规定。因此在制孔的时候，需特别关注以下的工艺过程：1.制孔之前的准备工作。复合材料与金属材料不一样，在制孔的过程中规定必须采用一次性的支撑底板或者钻孔垫板，而且垫板的材料应和配件的材料一样，也可以应用其他材料，但是最好一样。另外，垫板需稳定的夹住制孔物的后部，必要时还应加层填料，以保证复合材料配件和垫板的缝隙全部补填完整，如此就能够充分避免制孔的出口处发生剥落和损坏情况发生。2.刀具的选择。因为普通钻头与扩孔钻不适合用在芳纶的复合材料制孔，所以通常采用三刃麻花钻来制孔。由于芳纶纤维材料的主要成分为芳纶纤维，如果使用两刃麻花钻头的话，很难切断材料，并且还会把纤维弄在孔的表面处。而采用三刃麻花钻正转变了此种状况，其主切削刃和副切削刃所形成的夹角由钝角变成了锐角，这样就会使刀具变得更加锐利，在制孔时就不会出现偏差、不圆润以及损伤等问题。对于钻孔的刀具应该使用硬质的合金，这样能够有效增强刀具的使用寿命。3.钻孔工艺。首先，应按照制孔之前的准备工作来进行，在配件的后部放一块支撑板或者钻孔垫块，并精确的定位，100%的夹紧。其次，制孔过程必须选用合适的专业刀具。然后，根据切削的实际参数来制孔，使钻孔-扩孔的准确度达到H10。最后，要是芳纶的复合材料和相连的金属材料无法直接进行钻孔，就需要先依照上面的要求独立在复合材料配件上面钻孔，之后再和金属配件结合夹紧，并在复合材料配件的一侧采用通用钻孔工序来钻孔。当钻孔经过金属配件时，要极其注意，以防止在复合材料上面发生边缘载荷。

第四，锪窝。在锪窝的时候，应采用专业的锪窝钻，并保证锪窝钻的上面有紧固件的转角半径，同时还应采用锪窝限位器。

第五，连接。飞机装配的连接工艺主要应用的是铆接或螺接，此工艺形式同样也适合对复合材料配件的装配。不过由于复合材料所具有的特殊属性，使得大多数的主要部位都应用的是螺接，并不适合铆接，这主要是由于铆接的过程复合材料配件在遇到冲压与膨胀时会使孔壁的内部构造发生损坏。原先对复合材料配件的装配和连接都是应用的标准物件，通过间隙来配合，这对复合材料配件的夹紧力都没有要求。

四、应用实例

某公司所研发的复合材料装配工艺是对飞机的垂尾部分应用了聚合物基芳纶复合材料以及金属基芳纶铝合金层板，这样做是为了增强飞机的强度以及抗老化性能，并充分减轻飞机垂尾部分的重量。

（一）芳纶复合材料垂尾前缘的装配

为确保复合材料垂尾前缘的装配良好，就必須经过大量的实验来了解工艺的参数。但是通过实验所得到的结果还不能全面保证适合生产线，不过还规定垂尾前缘在型架上和前梁点定位100%夹紧，通过实验可知：应使用几何尺寸小的工艺试片，这样装夹比较便捷，环境比较开阔，但芳纶复合材料垂尾前缘配件的装配工艺会受到飞机框架与型架的限制。经过深究后可以发现通过改变装配的顺序以及产品孔定位的夹紧，来处理存在的问题，最后装配成功。

（二）方向舵芳纶铝合金层板蒙皮的装配

芳纶铝合金层板属于金属基的复合材料，我国是首次应用在航空领域当中。此层板可依照传统的铝合金材料加工法进行加工，对此层板的装配件实施下料、修边、钻孔、锪窝以及铆接等工艺。通过研究可以发现由软的基体以及高强的纤维所构成的芳纶铝合金层板不适于 开展制孔与铆接，所以就需探究专业的连接工艺，来完成蒙皮装配。

五、总结

通过上述的内容我们能够知道：先进复合材料在我国的航空领域取得了快速的进展，不过和发达国家比，还具有很大的差距。为此必须加大力度深入的研究，多引用一些国外的先进复合材料装配工艺技术。所以现阶段我们应该根据企业的特征，来实施工艺的探究，并将国外的先进技术进行创新和改善，以研发出适合我国复合材料装配工艺的技术，使更多的复合材料应用到航空领域当中，以全面推动我国科技和技术的发展与进步。

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（作者单位：哈尔滨哈飞空客复合材料制造中心有限公司）