复合材料零件封孔胶自动喷涂工艺研究_邱一.pdf

复合材料零件封孔胶自动喷涂工艺研究：.复合材料零件封孔胶自动喷涂工艺研究邱 一，刘彦汝，陈 金，余 宁，唐 鹏，张 凯（航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都）摘要：复合材料表面火焰喷铝是最常用的表面层导电处理方法之一，喷铝后通常需要在铝层表面进行封孔胶喷涂，达到保护铝层的作用。目前封孔胶常用手工刷涂、手工喷涂的方式，效率低，容易产生流挂，后期需要进行大量打磨修补。封孔胶机器人自动喷涂成为发展趋势，本文针对封孔胶机器人立式自动喷涂进行了工艺参数研究。结果表明，机器人自动喷涂能有效改善封孔胶流挂现象，喷涂的封孔胶层厚度均匀，表面质量好，封孔胶与铝层间的粘接强度高达.，远超行业标准。关键词：火焰喷铝；机器人喷涂；封孔胶；粘接强度；复合材料中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（），）：，.，：；收稿日期：作者简介：邱一（），男，硕士研究生。碳纤维增强树脂基复合材料（，）是以碳纤维为增强体、树脂为基体的复合材料，具有低密度、高强度、耐高温、耐辐射、抗化学腐蚀等优良性能，是目前最受青睐的高性能材料之一，被广泛应用于航空航天等领域。闪电是飞机飞行安全的一个严重威胁，飞机被闪电击中，轻则损坏机身、机载设备，重则机毁人亡。碳纤维复合材料的导电性差，仅相当于传统航空铝合金的 左右，因此很难有效泄放闪电电荷。目前复合材料雷击防护技术主要有 种，分别是网箔保护法、表面层保护法、复合胶膜保护法和添加导电材料保护法。复合材料表面火焰喷铝是最常用的表面层导电处理的方法之一。火焰喷铝分为三个工序：首先，对复材表面进行喷砂处理，去除多余的树脂基体，使表面活化，以便铝层的附着；其次，对经过活化的零件表面进行火焰喷铝，通过乙炔燃烧产生的高温将铝丝融化，通过压缩空气将其均匀喷涂于零件表面；最后，对铝层进行封孔胶喷涂，起到提高铝层与复材的结合力和保护铝层的作用。封孔胶喷涂常见问题是封孔胶流挂，烘干后需要对流挂多余部分进行打磨处理，以保证封孔胶层的平整光滑。但打磨修补产生的粉尘多，作业环境恶劣，还特别费时，严重降低了生产效率。近年来，自动喷涂机器人在汽车工业、家电行业、日用五金等领域得到广泛应用。然而自动喷涂技术在航空航天领域的应用较少，在复合材料封孔胶喷涂方面，国内还未采用机器人自动喷涂工艺，查找相关文献发现国内外关于这方面内容鲜 年 月复合材料科学与工程有报道。因此，开展封孔胶喷涂工艺试验，研究封孔胶喷涂工艺参数对封孔胶喷涂质量的影响，减小甚至避免流挂的产生，对封孔胶喷涂作业效率提升尤为重要。同时，封孔胶的粘接强度对安全有直接影响，本研究开展了封孔胶粘接强度试验，验证了立式封孔胶自动喷涂工艺的安全性。试验方法试验采用尺寸分别为 、两种规格的复合材料平板。先对复合材料平板采用同样的工艺参数进行喷砂喷铝处理，以保证铝层的一致性。铝层封孔采用北京航空材料研究院生产的 型封孔胶，其中组分一、组分二、稀释剂配比比例为。试验所采用的喷涂设备为 型机器人，机器人如图 所示。采用 软件对试验件进行喷涂轨迹编程，喷涂轨迹如图 所示，扫描轨迹间距为 ，零件左右边缘分别留出 的缓冲区，以避免机器人换向时加减速造成封孔胶喷涂不均匀。为验证立式封孔胶喷涂粘接强度，采用 生产的 型拉力机进行封孔胶拉拔试验。根据行业内部标准，封孔胶粘接强度需大于 才算合格。本试验采用 型视屏显微镜对试件表面状态进行观测。图 试验设备 机器人.图 喷涂轨迹示意图.封孔胶立式喷涂流挂问题的本质原因在于单位面积的封孔胶留存量。喷涂流量、喷涂速度、喷涂遍数等参数对封孔胶单位面积留存量有直接影响，因此针对上述影响因素，本文开展了工艺试验，以解决封孔胶立式喷涂流挂的问题。具体参数选择如表 所示。表 各喷涂参数取值范围 参数名称取值范围喷涂速度（）轨迹间距 喷涂流量（）喷涂压力 试验结果与分析立式封孔胶喷涂评价标准为无流挂，胶层厚度均匀且能够覆盖粗糙的铝层表面，喷涂所需时间短，喷涂效率高。影响封孔胶喷涂质量的主要因素有喷涂流量、喷涂速度等。流量越大，单次喷涂封孔胶留存越多，达到要求所需要的喷涂次数越少，但产生流挂的概率越大。通常采用大流量少次喷涂时会通过增加间隔时间的方式来避免封孔胶流挂，但大流量少次数喷涂方式的效果不理想。当采用小流量喷涂时，每次喷涂留存的封孔胶量较少，因此需要进行多次喷涂以达到封孔胶厚度要求。小流量喷涂单次喷涂封孔胶留存量较少，因此封孔胶固化速度较快，可缩短间隔时间。试验结果表明，小流量多次喷涂效果较好，能在满足封孔胶厚度要求的同时，避免封孔胶的流挂问题。.喷涂流量对封孔胶质量的影响流量的大小对封孔胶喷涂质量有直接的影响，图（）至图（）的喷涂流量分别为 、，其余参数保持一致，即喷涂速度为 ，轨迹间距为 ，喷涂压力为.，间隔时间为 ，喷涂 遍。从喷涂结果可以看出喷涂流量越大，附着在铝层表面的封孔胶越多，覆盖铝层表面的效果越好。选择较大流量喷涂能提高喷涂效率，但大流量喷涂容易产生胶液流挂，如图（）红色圈内部分所示。在封孔胶黏度确定后，喷涂流量对流挂有直接影响，当流量较小时，由于铝层表面粗糙，适量的封孔胶会浸渍在铝层中，但若流量过大，封孔胶富余过多，会在重力的 年第 期复合材料零件封孔胶自动喷涂工艺研究作用下产生流挂。相同接触面积及间隔时间下，流量越小，封孔胶中的挥发性物质挥发比例越高，越不容易流挂；反之，流量越大，封孔胶中的挥发性物质挥发比例越低，越容易在重力的作用下产生流挂。图 不同喷涂流量的加工结果.喷涂速度对封孔胶质量的影响喷涂速度对铝层留胶量有直接影响，图 展示了喷涂流量为 ，轨迹间距为 ，喷涂压力为.，间隔时间为 ，喷涂 遍，不同喷涂速度下的喷涂效果。试验结果表明：喷涂速度越大，封孔胶留存量越小，厚度越薄；喷涂速度越小，封孔胶留存量越大，厚度越厚。当封孔胶留存量较大且未及时固化时，会出现流挂。图（）采用的喷涂速度为 ，图 为其放大图，可从图中看到大量胶液流挂。图（）、图（）的喷涂速度分别为 、，未出现流挂，相同喷涂遍数下，速度越快，封孔胶越薄。由此可见，选择较大的喷涂速度能避免流挂现象的出现，但速度过大或导致单次留胶量较少，需增加喷涂次数。这是因为当流量及其他工艺参数一定时，喷涂速度会影响封孔胶单位面积喷涂量。封孔胶单位面积留存量与喷涂速度成反比，喷涂速度越大，封孔胶单位面积留存量越少；反之，喷涂速度越小，封孔胶单位面积留存量越多。因此，速度过低容易导致封孔胶单位面积上的留存量过大，在重力的作用下产生封孔胶流挂。图 不同喷涂速度下的加工结果.图 喷涂速度 时的加工结果.小流量多次喷涂对封孔胶质量的影响单次喷涂流量过大会导致封孔胶流挂，为避免流挂发生，对小流量快速多次喷涂工艺进行研究，主要研究不同流量及喷涂次数对封孔胶喷涂质量的影响。图（）试件采用 的喷涂流量，的喷涂速度喷涂了 遍，每遍之间的时间间隔为 ；图（）采用 的喷涂流量，的喷涂速度喷涂了 遍，每遍之间的时间间隔为 。从试验结果可以看出，采用 的喷涂流量喷涂 遍效果较好，封孔胶满足厚度要求，表面无流挂，表面质量更好。这表明，采用小流量多次喷涂的方式能有效避免封孔胶流挂现象，改善喷涂质量。流量较小、喷涂速度较大时，封孔胶单位面积留存量较少，封孔胶中的挥发性物质挥发比例高，可有效避免流挂的产生，同时可通过多次喷涂来满足封孔胶厚度的要求。图 不同喷涂次数下的加工结果.封孔胶拉开试验封孔胶粘接强度对零件的安全性有直接影响，行业内要求铝层及封孔胶的粘接强度需大于，为验证立式封孔胶喷涂粘接强度，开展封孔胶拉开试验。拉开试验选择了两种使用不同工艺参数喷涂的试件。第一组工艺参数如下：喷涂流量为 ，喷涂速度为 ，喷涂 次；第二组工艺参数如下：喷涂流量为 ，喷涂速度为 ，喷涂 次。每组四个试样，如图 年 月复合材料科学与工程（）、图（）所示。将完成封孔后的复合材料板切割成 大小的试件，使用 目的砂纸对封孔胶进行轻微打磨，以保证粘接剂能有效粘接拉立柱与试件，然后使用 环氧胶黏剂对试件和拉立柱进行粘接，并在 环境下（本试验采用工业烘箱加温至 ）固化 ，确保粘接强度，粘接好的试件如图（）所示。将制作好的试件在拉力机上完成拉开试验。图 两种不同工艺参数的拉开试件.粘接强度结果如表 所示，从试验结果中可以看出，所有拉开试验结果均合格，其中试样、粘接强度小于 是由于 粘接剂的粘接强度不够，拉伸过程中粘接剂脱落导致的，结果无效。试验件 的粘接强度为.，拉开结果如图（）所示，可以从图中看到试件上的铝层已脱落，说明该参数下的粘接强度为.；图（）、图（）结果均为粘接剂脱离，说明喷涂封孔胶后的铝层粘接强度大于所显示的拉力值。拉开试验结果证明，立式封孔胶喷涂的涂层粘接强度满足行业内 的要求。表 粘接强度结果 编号粘接强度（）粘接强度为 （）粘接强度大于 （）粘接强度大于 图 拉开试验结果图片.结 论采用小流量多次喷涂的方式可有效避免封孔胶流挂现象，并能得到质量良好的封孔胶层。通过多次试验得出，喷涂流量为 ，喷涂速度为 ，喷涂压力为.，喷涂次数为 次，喷涂间隔时长 参数组喷涂出的封孔胶质量最佳。分析拉开试验结果可发现，试件的粘接强度全部合格，说明立式封孔胶喷涂的粘接强度达到行业 标准。除本文所研究的影响因素外，喷涂压力、喷涂轨迹间距、间隔时间等因素均对喷涂质量有影响，后续将会进一步研究。年第 期复合材料零件封孔胶自动喷涂工艺研究参考文献 于海宁，高长星，王艳华 碳纤维增强树脂基复合材料的应用及展望 合成纤维工业，（）：薛忠民，王占东，尹证 中国工业复合材料发展回顾与展望复合材料科学与工程，（）：蒋朕琦，黄文健，曹诗宇，等 不同刀具对超声辅助钻削 分层损伤的影响研究 复合材料科学与工程，（）：寇天翔 航空航天领域先进复合材料的应用探讨 中国高新科技，（）：常海洋，刘利阳，王进，等 飞机复合材料结构闪电防护技术研究 飞机设计，（）：王志平，王虎，丁坤英 复合材料导电铝涂层的表面喷丸 焊接技术，（）：刘志强，岳珠峰，王富生，等 不同防护形式复合材料板雷击损伤分区特性 复合材料学报，（）：曹宁，李木森，隋金玲，等 喷砂预处理工艺对碳 碳复合材料表面微观形貌的影响 第二届全国背散射电子衍射（）技术及其应用学术会议暨第六届全国材料科学与图像科技学术会议论文集：卢翔，赵淼，单泽众 不同喷铝参数对复合材料雷击防护性能模拟 航空材料学报，（）：严旭，廖振魁 复合材料零件表面喷涂铝涂层工艺 洪都科技，（）：谭里民 浅谈机器人在汽车制造自动喷涂工艺上的运用自动化应用，（）：石雨磊，季燕雄，于春芳，等 机器人喷涂在汽车涂装中的应用 现代涂料与涂装，（）：刘亚军，訾斌，王正雨，等 智能喷涂机器人关键技术研究现状及进展 机械工程学报，（）：彭军，薛春珍，杨育农 自动喷涂设备及涂装技术的发展和应用 现代涂料与涂装，（）：余罗，张奔，乔镇 复杂型面自动喷涂关键技术研究 航空精密制造技术，（）：（上接第 页）翟光，仇越，梁斌，等 在轨捕获技术发展综述 机器人，（）：路勇，刘晓光，周宇，等 空间翻滚非合作目标消旋技术发展综述 航空学报，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：赵一鸣 基于库仑力的非接触式目标消旋研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，马广富，郭延宁，邱爽，等 空间非合作目标消旋技术研究现状总结与展望 飞控与探测，（）：孙晟昕，吴昊，魏承，等 基于柔性毛刷的自旋卫星的消旋动力学分析 中国科学：物理学力学天文学，：王耀先 复合材料力学与结构设计 上海：华东理工大学出版社，王勖成 有限单元法 北京：清华大学出版社，徐芝纶 弹性力学 北京：高等教育出版社，袁家军 卫星结构设计与分析 北京：中国宇航出版社，关鑫，王洪雨，徐挺，等 某型无人机碳纤维复合材料尾撑杆研制 复合材料科学与工程，（）：年 月