直升机复合材料应急修理工具的研制(代永朝).doc

第二十四届（2008）全国直升机年会论文直升机复合材料应急修理工具的研制代永朝 郑立胜 董玉祥（空军第一航空学院，河南 信阳 464000）摘 要：根据直升机复合材料外场和野外条件下应急修理的需要，采用工具钢镀金刚砂工艺设计和气动旋转磨削加工技术，研制了系列复合材料专用快速修理工具，很好地满足了直升机复合材料结构应急修理的需要关键词：复合材料，应急修理，工具1.前言直升机灵活机动的特点使其成为抢险救灾和野战突击的重要工具因此野外条件下的直升机结构损伤应急抢修，对其持续飞行能力以及战斗能力的保持十分关键目前，复合材料已成为先进直升机结构的主要用材，复合材料结构的应急修理已是直升机应急修理的主要组成部分为此，本文针对直升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，研制设计了便携快捷的直升机复合材料应急修理工具2.直升机复合材料的基本修理方法及其工具配置直升机复合材料结构损伤的应急修理主要有胶接修理和机械连接贴补修理两种基本方法[1-3]其中胶接修理可分为贴补和挖补两种基本的修理工艺：贴补修理是指在损伤结构的外部，通过粘接或粘接共固化来固定一外部补片以恢复结构的强度、刚度及使用性能的一种修理方法（见图1）；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2）。

而机械连接贴补修理则是采用钛合金薄板或复合材料预固化片作为补片，通过钛合金抽钉或螺钉机械连接到损伤区域进行加强的一种修理方法图1 复合材料胶接修理图2复合材料机械连接贴补修理依据上述修理方法工艺要求，复合材料修理需要两类工具一类是能够为复合材料胶接修理中胶粘剂和密封胶固化提供热源和压力的设备，根据便携化、小型化和智能化的外场应急修理要求，胶接热补仪是一种很好的选择，它的主要功能包括控温加热、提供辅助真空、除尘干燥和工艺过程记录监控等，HEATCON、WichTech Industries、Airtech、GMI、富士等国际知名企业及研究单位和国内的空军第一研究所都相继开发出了此类产品另一类是复合材料修理工艺所需的钻孔、锪窝、切割、打磨和铆接等机械加工工具由于复合材料的独特性能，传统的机械加工工具并不适合直升机复合材料的外场应急修理，因此，本文针对复合材料的性能特点和外场应急修理要求，研制了专用的复合材料修理工具，很好地解决了直升机野外条件下损伤原位修理的钻孔、锪窝、切割、打磨和铆接等工艺要求图3为本文设计开发的直升机应急修理工具设备图3 直升机复合材料应急修理工具3.复合材料应急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，且工具磨损极快[4，5]。

因此必须根据复合材料的性能特点，再结合其外场应急修理的工艺需要，研制出有针对性的加工工具3.1 硬质合金制孔刀具的设计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—钴类硬质台金是合适的，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，它的磨削加工性较好，适于磨出锋利的刃口对于钻头几何参数的选择，我们进行的试验研究表明：当钻头顶角在100°～120°范围，后角为15°～25°，螺旋角选择25°～30°时，能够有效地减少复合材料分层和劈裂现象，且一次刃磨钻孔数可达100个以上，制孔的质量也比较好3.2锪窝钻的设计锪窝时由于硬质合金锪窝钻不能重新修磨，属一次性使用，其使用寿命仍然很短，在台钻上锪窝的寿命最长为190个窝，在风钻上使用有的只能锪几十个窝此外，整体式硬质合金锪窝钻的制造工艺复杂，目前尚不能进行工业生产，所以成本高，经济效益低为解决上述难题，我们根据磨削加工的原理，采取在普通工具钢锪窝钻工作面上镀金刚砂的方法研制出了人造金刚砂锪窝钻人造金刚砂锪窝钻的制造工艺简单，成本较低，它的使用寿命比硬质合金锪窝钻提高20倍以上。

用它加工沉头窝时，可将原刮削作用变为磨削作用我们在试验研究中发现，由于磨削加工可选用较高的转速，故其锪窝效率远远高于普通锪窝钻，而且实际锪窝质量检查表明，沉头窝末出现任何分层和毛刺考虑到复合材料修理中对沉头窝的面质量要求较高，锪窝钻镀金刚砂为100＃另外，由于复合材料连接用钛合金紧固件钉头大多为100°，所以锪窝钻也设计为100° 3.3复合材料切割工具的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以上在复合材料的修理过程中，若仍采用大直径的硬质合金钻头，不仅成本高，而且钻削时的轴向力会随着钻头的直径加大而急剧增大，因而很容易产生分层损伤为解决上述难题，根据复合材料的加工特性和磨削加工原理，本文研制设计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4）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是T8A材料，其切削部分是用电镀法均匀地镀上一薄层(约0.2mm)人造金刚砂金刚砂的粒度可根据加工需要进行选择在直升机复合材料的切割修理中一般选择100＃的金刚砂这种用电镀法将两种材料组合在一起的刀具，具有内韧外刚的特点，不仅耐用度高，而且克服了整体式硬质合金的脆性，可满足实际装配条件下的使用要求，有很大的发展潜力。

套料刀 圆片割刀图4 复合材料切割工具3.4 复合材料打磨、磨削工具的设计复合材料修理对密封和防腐有较高的要求，胶接修理是其主要的修理方式，因此，在修理中有一个良好的修理表面质量至关重要同时，在复合材料蜂窝夹芯结构的外场修理中，磨削铣切是去除损伤蜂窝夹芯的一种主要方式，为此，本文设计了专用的复合材料打磨工具其中，复合材料修理的表面打磨主要通过安装在PG70D型打磨机上的专门设计的夹持器，夹持不同形状和粒度的砂纸碟来进行而损伤蜂窝芯的去除和孔边修整主要由镀金刚砂的圆柱铣刀和端面打磨轮来实现圆柱铣刀 端面打磨轮 打磨机图5复合材料打磨、磨削工具3.5复合材料钛合金铆钉拉铆工具的设计复合材料不耐冲击，因此修理时不能采取普通铆接的方法进行连接，同时考虑到防电化学腐蚀设计的需要，复合材料在修理中一般采用钛合金材质的抽钉和螺钉进行连接尤其是在外场或野外条件下，钛合金抽钉拉铆修理更是复合材料原位应急抢修的一种主要的高效方法为此，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外场和野外条件下应急修理要求的钛合金铆钉拉铆枪。

该拉铆枪由拉铆枪枪体、三种规格（φ4.2、φ5.0、φ6.0）旋拉杆和旋拉杆套组成，具有拉力大、操作简便的优点，能很好地满足直升机复合材料应急拉铆修理的需要图6 钛合金铆钉拉铆枪4.总结本文研制的直升机复合材料修理工具，已在多家单位进行了配发和应用使用表明，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；且对复合材料损伤结构去除速度快，无传统切割方法普遍存在易导致结构分层的弊端，可完全满足直升机复合材料结构应急修理的需要参 考 文 献[1] 郑立胜,李远才,董玉祥.飞机复合材料先进粘接修理技术的研究及应用.粘接.2006，（27）：51～52.[2] 王宇光等.复合材料结构修理研究现状.[J].航空维修与工程.2003，（3）：31～34.[3] 陈绍杰.复合材料结构修理指南.[M].北京:航空工业出版社，2001.[4] 沃丁柱.复合材料大全.[M].北京：化学工业出版社，2000.[5] 陈祥宝.先进复合材料低成本技术.[M].北京：化学工业出版社，2004.。