航模结构材料的选择与加工(下)

2019-03-18 07:08韩宇
航空模型 2019年4期
关键词:原木板材航模

韩宇

航模材料的选择

一、木材的选取原则

航模用的木材主要分原木和胶合板两类。原木是树木在采伐后经初步加工而成的材料,接近木材生长时的原始状态。根据树种不同,木材的密度和受力特性有一定区别,航模所用木材一般优先考虑使用密度较低的种类。由于木材具有纹理特征,因此其受力各向异性,顺纹理方向的抗拉压强度较高、横纹方向的抗拉压强度较低。为了改善原木各向异性的特性,人们将木材切成单板,再用胶粘剂粘合成三层或多层板材(各层木材的纹理相互垂直),制成受力特性相对均匀、形状稳定的胶合板。胶合板一般用于航模的结构件,可承担多向受力。

航模用轻木板材

航模用桐木板材

用于填充补强的松木

1.原木材料

原木加工时,要先经过脱水干噪和防腐处理后,再制成板材,以便进一步切割等二次加工。由于原木人工加工程度较低、纹理清晰、单向受力特性明显,因此使用时需严格控制受力方向。航模上常用的原木材料中,密度由低到高有轻木、桐木、松木、桦木等。

轻木是最轻的商用木材,也是最符合航空工业轻质要求的原木材料。干噪的轻木密度约0.06-0.36克/立方厘米,与其他木材密度相比优势明显,具有材质松软、纹理均匀、不易变形、易于加工等特点。因轻木结构变异小、体积稳定性好,生活中可用于救生胸带、水上浮标等要求使用小密度材料的情况。制作航模时,轻木常用于受力较小的零部件,是翼肋、水平尾翼、垂直尾翼、翼尖等部位整形和填充的主要材料。此外,轻木也被用于制作夹芯板材料,还有少量轻木层板被用于航模承力结构件的制作。

桐木的密度较轻木略大,经干燥处理后,密度为0.2-0.4克/立方厘米。桐木也属于密度较小的木材,其木纹直而均匀。与轻木相比,桐木相对强度更大,且变形较小。其纹理特点适合用于纵向延伸较长的结构,如桁条、梁缘条等,可承担拉压应力。此外,桐木制成的方截面木条还可用于对机身的结构进行加强。在航模制作中,桐木常被用于做机翼前缘条、后缘条、辅梁、翼肋等承力结构。用桐木条贯穿机身,能起到良好的補强作用。由于桐木价格较轻木低很多,且密度较小,因此航模制作中常用其代替轻木结构。

桦木常用于制作模型螺旋桨

松木,是实木家具的原材料之一其密度比以上两种航模用木材大,强度也更高。用于航模的松木一般为软松木如东北红松、西伯利亚红松等。天然的松木,因对大气温度反应灵敏、容易胀大、难自然风干等问题,需经人工处理,如烘干、脱脂去除有机化合物、漂白统一树色、中和树性等。处理好的松木,不易变形,加工性较轻木和桐木高。经干燥脱脂后,松木的密度为0.4-0.7克/立方厘米。其纹理均匀、木质细密,具有一定的弹性,主要用于模型的受力件,如机翼主梁、机身纵梁、发动机架等。在以管材为机身、机翼承力件的模型上管材打孔处强度较弱的部位,可用松木填充补强。这种加强方式在铝管和碳管中比较常用。

桦木,密度约0.7克/立方厘米,航模制造中也有使用。因其加工性较其他原木略差,一般仅限于工厂加工。桦木切面光滑、油漆和胶合性能好、材质坚硬、纹理细密、弹性比松木大、不易变形,可用于制作模型的螺旋桨、发动机架等受力较大的构件,也是胶合板中航空层板的主要原料。

2.胶合板材料

胶合板,也称层板,包括锻木层板和航空层板等。胶合板通常为奇数层单板,是由胶粘剂胶合而成的三层或多层的板状材料。相邻层单板的纤维方向互相垂直,受力特性优于原木,但因加入了粘接剂,密度较原木高。

锻木层板,是由锻木单板和酚醛胶膜纸压制而成的胶合板,密度比航空层板小,强度适中、较易加工,常用作机身隔框。在航模设计制作中,若没有合适的材料,可用锻木层板替代桐木、桦木等作为承力结构件。锻木层板耐气候、耐水性能优于其他木质材料,价格又低于轻木、桐木等板材,是性价比较高的材料。笔者曾见到有人在制作航模机体时,除蒙板外的部件均使用椴木层板,整机强度极高,结构重量较大,但也能满足飞行的基本要求。

大尺寸模型的机身隔框大量使用层板制作

航空层板,是由桦木单板和酚醛胶膜纸压制而成的胶合板具有良好的耐水、耐气候、抗震动和优良的力学性能。航空层板常用作翼根部位翼肋(零号肋)、隔框、加强片等需要高强度的部件,其密度约0.8克/立方厘米。早期因缺乏激光切割工具,航空层板常被用于加工机翼翼肋模具,以便倒模量产翼肋。目前,航空层板逐渐被碳纤维复合材料板材或其他材料取代,更多地被用作工装等辅助固定材料,在航模结构材料中已不常见。

二、塑料材料的选取原则

现在的模友在入门时,第一架航模往往是由发泡塑料制造的模型。这类材料以聚苯乙烯为基础做成,具有成本低廉、抗冲击性好、容易量产、材料密度小等特点,常见于航模生产厂商批量制造。除发泡聚乙烯材料外,用于航模的泡沫材料还包括可发性聚苯乙烯和发泡聚丙烯等。聚苯乙烯原为建筑外层保温材料,因其符合小型低速模型对结构材料的要求,故被大量用于航模的制造。下面具体介绍这几种泡沫塑料材料在航模中的应用。

泡沫模型即使因碰撞导致损坏,也非常容易修复。

因成本低、易上手,遥控纸飞机深受模友们喜爱。

1.发泡聚乙烯

发泡聚乙烯(EPO)是由30%的聚乙烯(PE)和70%的聚苯乙烯(PS)组成的共聚物塑料,日常主要用于精密仪器、电子产品等的外包装材料,具有良好的缓冲性。因其特殊的制造工艺,使得聚乙烯组分主要分布在粒子的外层,促进了颗粒之间的塑化和结合;聚苯乙烯组分主要分布在粒子的内部,对泡沫结构具有较强的支撑作用。这种结构可以保证良好的造形能力,冲击后不会产生碎裂和碎屑,表观质量好、抗冲击性出色,特别是在多次跌落中能一直保持较高的抗冲击性能。目前,市场上超过60%的航模练习机采用EPO材料制造。这类模型即使因碰撞坠机发生损坏,采用廉价的热熔胶就能快速对结构进行粘接修复,非常适合外场维修。例如常见的翼展1米左右的固定翼模型,若降落时操纵不当导致发动机架出现较大损坏,木质航模至少需要2小时才能修好,甚至因结构损坏严重无法修复;而EPO材质的模型,最多只需半小时就可修好复飞。

2.其他发泡塑料材料

可发性聚苯乙烯板(EPS),是一种与EPO对比鲜明的材料,主要用作建筑保温板建材。不同于EPO,这种材料在外力的冲击下极易碎裂,并产生碎屑。EPS材料密度较大,但硬度比EPO好,在航模的应用中相对较少。

全国锦标赛上的竞赛级F3P室内特技机使用D板制作

发泡聚丙烯(EPP),密度小、弹性好、抗震抗压效果明显、变形后易恢复、耐酸、耐碱、耐各种化学溶剂,而且它与水不相融、耐潮湿,无毒,可完全循环利用,且性能几乎没有降低。EPP材料的主要缺点是表面粗糙,因此常见于室内飞行的小型航模,很少被用在大型舟亢模上。

发泡板,俗称KT板,是由聚苯乙烯发泡生成芯材,再用外覆膜压合而成的材料。其板体轻、不易变质、易于加工,广泛用于广告展示促销、建筑装饰、文化艺术及包装等方面。航模爱好者借鉴木材的加工方法,发掘出这种易于加工的塑料材料,用于各种简易航模的制作。目前最常见的是被俗称为“纸飞机”的航模,它由KT板制成,结构简单、组装容易、成本低廉,深受广大爱好者的喜爱。也有航模爱好者甚至一些模型厂商,借鉴木质模型的制作工艺,用KT板制成各种像真机和表演机,其飞行性能也能达到EPO材料航模的标准。

此外,近几年又出现了一种被称为Depron板(也称D板)的新材料。它也是一种聚苯乙烯材料,发泡均匀、重量轻、韧性和强度都很高,非常适合模型制作。而且它比EPP加工方便、修复容易,在国外日渐成为一种主流的模型制作材料。但因其价格较贵,在国内的应用不如KT板广泛。

碳纤维复合材料以其优越的力学性能被誉为“黑色黄金”

三、复合材料的选取原则

复合材料在航模中的使用范围相对较小,以碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料为主。

从应用的角度讲,复合材料是一种刚性和强度较传统材料更高的轻型材料。在不考虑成本的情况下,航模的结构材料中,绝大部分都可由碳纤维复合材料及玻璃纤维复合材料板材、管材代替。随着复合材料加工成本逐渐降低,其在航模制造中的应用越来越多。其中用量最大的碳纤维具有化学性质稳定、耐高温、强度高、密度小等优点。尤其是与木质材料对比,碳纤维材料优势明显。如果将一架全木质结构的模型用强度相当的碳纤维复合材料替换,全机减重可达40%。

目前,很多专业竞技级比赛、航拍摄影、舞台表演以及科研领域中所用的模型大都采用多种不同类型的材料进行制作,如泡沫芯+玻璃钢壳(碳纤维螺旋桨)、木框架+玻璃钢壳(固定翼模型機身承力结构),甚至完全使用碳纤维材料等。高档航模,以及小型无人机的机体大量使用复合材料,如专业的F3A模型机体、模型直升机的头罩和外壳等,均由玻璃纤维复合材料制成;大型模型直升机的机身侧板、尾管和旋翼,则大都由碳纤维复合材料制造。这些复合材料部件通常由工厂的专业模具和制造设备批量生产,可在尺寸、重量、强度等方面达到最优。

机体完全使用碳纤维材料制作的F1C模型滑翔机

模型直升机上大量使用碳纤维复合材料。其机架、尾管分别为碳板和碳管。从破损的主桨叶能清楚地看到,它采用了碳纤维夹泡沫芯结构。

航模材料的加工制备

以下内容仅涉及个人、航模社团、航模队等对材料进行二次加工时应注意的问题,针对各种木质板材及碳纤维复合材料等的加工制备,笔者给模友们一些建议。

一、木材板材的加工

对于喜欢自己动手制作模型的爱好者来说,激光雕刻机是必备的加工制造设备,它可以对木质板材和较薄的玻璃纤维复合材料等板材进行切割加工。常用的激光雕刻机可通过调整烧蚀速度和烧蚀功率,对不同材料进行切割,但加工的板材厚度一般小于5毫米。加工时影响切割质量的主要因素来源于设备、图纸和材料本身。

对同一种材料进行大批量加工前,应注意首先调整好雕刻机的激光刀高,确保对焦点与材料切割高度一致。刀高一般应保持在距离切割材料4-6毫米之间。正式切割前,可以先进行“试刀”,即用边角料对运行速度和功率进行调整,以保证切割质量。新机器安装完成或进行零件更换后,都要再次“试刀”,将不同材料、厚度对应的运行速度、功率及刀高进行标定,以作为之后大批量加工的参考。

图纸最小尺寸通常为毫米。但由于激光点在对焦到材料上时具有一定宽度,因此要在切割前对切割材料进行偏刀宽处理,偏移量一般为0.5倍激光点宽度,约0.1毫米。早期雕刻机的配套软件不具备自动偏刀宽功能,有些具有孔结构的图纸也不适合自动偏刀宽,这时就要对图纸进行偏移操作,人为进行刀宽偏移。

实际切割时还会遇到一些问题。以木材为例,对原木(包括轻木、桐木板材等)和胶合板(包括锻木层板、航空层板等)进行切割时,操作中会存在较大差异。切割原木时,雕刻机功率较小、速度较快,木质很容易被激光气化;而若放慢切割速度,会导致木材炭化,严重时甚至会使木材燃烧。切割胶合板时,功率应较原木更大,速度也需调慢。值得注意的是,胶合板外观也具有纹理方向,与原木类似,应注意承受拉应力的方向,选好切割方向。在加工过程中,要考虑材料的烧蚀问题。即使偏刀宽调整合适,切割面仍然会存在炭化现象,粘接前要用细砂纸将浮炭打磨掉,露出原木的颜色。较薄的板材可以一次性切削成形,而较厚的板材烧蚀更加严重,如果单次切割,切割面将呈现梯形,影响精度。为此,在保证刀宽的情况下,可考虑高速多次切削。另一种解决措施是选用较薄的材料切割出多片零件,再用粘接剂将它们粘接在一起。只要保证粘接强度足够,这样也可以达到与厚板材相当的强度。但粘接剂凝固后,密度较木材高,会导致重量增加,影响模型的飞行性能。

常用的激光雕刻机

用复合材料制作机体

二、碳纤维复合材料的加工

碳纤维复合材料主要分为碳纤维布和碳纤维型材(包括板材和管材)两类。严格意义上讲,碳纤维布属于纤维材料,加工程度低,要通过树脂粘接剂加工后才能称为复合材料。模型上很多造型复杂的复合材料部件,要依靠模具进行加工,即将纤维布铺设在模具上,涂抹树脂粘接剂后进行烘烤成形,这种加工好的部件才属于复合材料范畴。而碳纤维板材和管材,则是商品级的复合材料。

用纤维布自制复合材料时,需要掌握加工过程中树脂粘接剂的使用。树脂粘接剂一般分为双组分和三组分,主剂是有机大分子、具有活性的树脂,辅剂则包括固化剂、促进剂、增塑剂等添加成分。纤维材料包括碳纤维材料、玻璃纤维材料、芳纶纤维材料、石棉纤维材料等。以双组分环氧树脂粘接剂为例其适用于碳纤维、玻璃纤维和木质纤维等材料的粘接。根据固化剂用量不同,在常温条件下,固化时长在两小时至几十小时不等。通过烤箱加热或紫外线灯光照射,可缩短固化时间。根据笔者的经验,碳纤维布经定型和树脂均匀涂刷,在80℃烤箱中烘烤,可将2小时的固化时间缩短至40分钟。树脂粘接剂还可用于粘接木质结构,即使是关键的连接部位,也能满足可靠性要求。但木质纤维内有一定的水分,用树脂粘接时要严格控制固化剂用量。若用量过高,会导致局部木质纤维失水变形。用量偏差超过4%,还可能因固化热导致木材达到燃点。因此,仅在可靠性要求很高的地方,才会采用双组分或多组分树脂粘接木质纤维材料,且最好用支架固定,在常温下固化。考虑到存在安全隐患,使用树脂粘接剂时,建议配套使用大口径医用针头或精度0.1克以上的电子称,按照使用说明配置。

各种规格与形状的碳纤维管材

碳纖维板材的加工程度较高,在使用过程中与木质板材类似。为满足特定需求,爱好者采购商用碳纤维板材和管材后,可使用数控铣床和砂轮再加工。数控铣床的工作方式与激光雕刻机类似,也要导入AutoCAD图纸。不同之处是,碳纤维复合材料由铣刀高速切削,刀宽偏移量更大,要根据铣刀头直径而定。铣刀头直径随板材厚度增加而增大,板材厚度超过2毫米时,通常采用2一3毫米的铣刀头加工。

以上,笔者依次对木材、泡沫塑料、复合材料等常见的航模结构材料做了梳理,分析了航模对这些材料的要求,并根据实际制作经验。对不同材料的选取原则及加工制备方法做了介绍,希望能对爱好者在航模的选材与制作方面提供参考。如有不当之处,欢迎指正。

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