无源复合材料修复加压装置设计与实现

汪余博，苏洪波，王紫潇，王 兵，戴京涛

(海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041)

0 引言

现代航空器复合材料应用广泛[1，2]，维护维修需求增大，尤其军用航空器面临着战时应急维修的迫切需求[3]，而在对复合材料进行损伤结构的胶接修理时，为了获得良好的粘接强度，通常需要对胶接区域施加一定的压力。目前常用的加压方法有真空袋加压、热压灌加压、重物加压等，但是真空袋加压、热压灌加压需要外部设备、电源、气源支持，设备成本高，修理条件要求高；重物加压不能够完成曲面、下表面和垂直表面加压。针对现有加压方式的特点和局限性，本文设计了一种操作简单快捷、不依赖外部条件的无源复合材料修复加压装置。以期更好地适应修理工作实际需要，特别是在工作环境相对艰苦，工具设备不齐全，电源、气源无法获取，时间紧迫等情况下，能够实现快速对曲面、下表面以及垂直表面结构加压，完成损伤修复任务。

1 无源复合材料修复加压装置结构设计

1.1 整体设计方案

无源复合材料修复加压装置是针对应急条件下对复合材料胶接修理加压需求设计的，它必须具备无源操作、能够加压特殊位置复杂曲面的功能，基于此设计的无源加压装置主要由支撑工作压板、限位自锁装置、锥度阶梯滑杆和抽气吸盘4部分组成，其结构示意图如图1所示，三维图如图2所示。

图1 无源加压装置结构示意图

图2 无源加压装置三维图

抽气吸盘可以相对锥度阶梯滑杆各个方向转动，锥度阶梯滑杆可以在限位自锁装置中滑动，限位自锁装置固定于支撑工作压板上。加压装置通过吸盘牢固地固定在需要加压的结构表面上，由支撑工作压板向加压表面施加压力，并通过锥度阶梯滑杆和限位自锁装置的配合进行限位及自锁，从而完成加压工作。

1.2 主要部件设计与实现

1.2.1 支撑工作压板

支撑工作压板由主框架和工作压板组成，如图3所示。

图3 支撑工作压板

主框架由铝型材拼接制成，是其他装配件的连接部件，四角安装限位自锁装置，侧面安装工作压板，起到固定及承受工作压板所施加的压力作用。

工作压板采用铆接工艺制作，两侧上缘与主框架连接，底面为加压面，通过调节主框架在锥度阶梯滑杆上的位置实现压力的调节。工作压板主要与胶接修理区域紧密贴合，对胶接修理区域直接施压，并可以产生相应的弹性变形，以适应具有一定曲率的曲面结构。当然，工作压板也可以直接对平面进行加压，此时，不会产生弹性变形。

1.2.2 限位自锁装置

限位自锁装置由限位块、限位自锁销钉组成。限位块与主框架刚性连接，是施加压力的关键构件之一，它承受所施加压力的反作用力。限位块上有滑动孔和限位自锁销钉连接螺纹孔，锥度阶梯滑杆可以在限位块滑动孔中滑动，限位自锁销钉与限位块螺纹连接，销钉伸出滑动孔3 mm～4 mm与锥度阶梯滑杆配合，为支撑工作压板提供定位及自锁功能。限位自锁装置原理图如图4所示。

图4 限位自锁装置原理图

1.2.3 锥度阶梯滑杆

4根锥度阶梯滑杆连接4个抽气吸盘，并为支撑工作压板的上、下滑动提供轨道，其上的锥度阶梯与自锁定位销钉配合起到限制定位及自锁的作用。

1.2.4 抽气吸盘

抽气吸盘如图5所示。吸盘通过万向接头与锥度阶梯滑杆连接，主要将加压装置吸附并固定于结构表面，进而对修理区域进行加压。吸盘的吸力大小决定了加压装置所能获得的压力大小，如果需要更大的压力，则可以通过更换吸力更大的吸盘实现。

图5 抽气吸盘

2 无源加压装置工作原理

无源加压装置通过将吸盘吸附于工作表面，从而获得相应的吸力，使整个装置吸附于结构表面。装置吸附后，可以调节主框架的高度，将工作压板压下，进而使工作压板压紧需要加压的表面，此时限位自锁销钉在弹簧的作用下伸入锥度阶梯滑杆阶梯深槽处，对支撑工作压板进行定位并自锁，从而实现加压。加压过程中为保证吸附力可随时对抽气吸盘进行抽气操作。加压结束，抽出限位自锁销钉旋转90°，解除限位自锁装置。整个加压过程操作非常简单，完全可以在3 min内完成加压。由于本加压装置采用吸附式固定方式，因此可以对垂直表面及下表面进行加压。加压装置在曲面结构下表面加压的工作状态如图6所示。

图6 加压装置在曲面结构下表面加压的工作状态

3 结语

(1) 本加压装置采用无源模式，并巧妙设计了限位自锁装置，使得操作更为简单方便，无需其他辅助设备即可实现加压操作。

(2) 加压装置采用弹性较好的金属面板作压力板，可以同时适用于平面和曲面结构，并采用吸盘固定方式可以对下表面和垂直表面进行加压，实现全方位加压。

(3) 加压装置普及性好，不仅适用于复合材料修复加压，在生活中也可以使用，具有较好的推广使用价值。