黃 瑩

(上海飛機(jī)制造有限公司復(fù)材膠接車間，上海 201202)

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復(fù)合材料熱隔膜預(yù)成型工藝分析

黃 瑩

(上海飛機(jī)制造有限公司復(fù)材膠接車間，上海 201202)

隨著復(fù)合材料在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的手工鋪貼工藝已經(jīng)無(wú)法滿足大厚度大尺寸主承力結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)需求，而自動(dòng)鋪帶技術(shù)尚不能對(duì)異型承力結(jié)構(gòu)完成鋪貼。為了滿足該主承力結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)需要，研究者提出了一種新的熱隔膜預(yù)成型工藝方法。該工藝方法可以將鋪貼好的預(yù)浸料層壓平板通過(guò)施加一定的溫度和壓力折彎成C型、L型梁等異型結(jié)構(gòu)。此外還從設(shè)備構(gòu)造、工藝參數(shù)和工裝設(shè)計(jì)3個(gè)方面分別闡述了單隔膜和雙隔膜的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。

熱隔膜預(yù)成型工藝；單隔膜；雙隔膜

近年來(lái)，復(fù)合材料以其優(yōu)越的比模量、比強(qiáng)度、耐熱性和耐疲勞性，在航空制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著時(shí)間的推移，從初期復(fù)合材料用量25%提高到波音B787中復(fù)合材料用量達(dá)50%，甚至空客A350中復(fù)合材料用量已達(dá)52%，復(fù)合材料的應(yīng)用比例已成為了判定飛行器先進(jìn)與否的重要標(biāo)志之一。隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍已從初期的整流罩及舵面類零件發(fā)展到次承力結(jié)構(gòu),甚至是梁、機(jī)翼和框等主承力結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的手工鋪貼方法在制造C型梁、L型梁等主承力件時(shí)，生產(chǎn)效率低、耗時(shí)長(zhǎng)而且產(chǎn)品質(zhì)量差。目前的復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)可以高效地制造平板零件,卻無(wú)法直接完成復(fù)雜的C型和L型等異型截面零件的鋪貼。對(duì)于這類異型截面，可以先利用自動(dòng)鋪帶技術(shù)成型出層壓平板，然后通過(guò)熱隔膜工藝完成預(yù)成型。此種預(yù)成型方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于大尺寸零件的生產(chǎn)?？湛凸镜能姍C(jī)A400M的機(jī)翼梁就是首次應(yīng)用該熱隔膜成型技術(shù)生產(chǎn)的部件[1]。在較短的時(shí)間內(nèi)，先采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)鋪貼出預(yù)浸料層壓平板，然后通過(guò)改變真空速率驅(qū)動(dòng)隔膜對(duì)預(yù)熱過(guò)的預(yù)浸料層壓板進(jìn)行折彎，使其逐步貼合到預(yù)成型工裝上，以達(dá)到預(yù)想的形狀和截面。該工藝方法與手工鋪貼相比，減少了缺陷，提高了鋪貼精度和生產(chǎn)效率。而對(duì)于復(fù)合材料零件的預(yù)成型，目前國(guó)內(nèi)一般采用手工折彎的方式進(jìn)行。由于手工折彎操作容易造成R角纖維褶皺屈曲，故其產(chǎn)品質(zhì)量得不到保障，且手工操作無(wú)法對(duì)大厚度大尺寸的零件進(jìn)行預(yù)成型，應(yīng)用領(lǐng)域十分有限。因此，熱隔膜預(yù)成型工藝是一種高效的復(fù)合材料預(yù)成型工藝，國(guó)內(nèi)如果發(fā)展成熟，將在航空制造業(yè)中深受歡迎。

1 熱隔膜預(yù)成型工藝過(guò)程

熱隔膜預(yù)成型工藝是一種復(fù)合材料預(yù)成型方法，就是通過(guò)鋪貼一個(gè)工裝大小的層壓件，在隔膜間的環(huán)境下，施加一定的壓力和熱量，使層壓件慢慢地貼合在工裝表面，形成所需的零件外形。其實(shí)，這也是一種折彎方法，即在較短的時(shí)間內(nèi)，在隔膜的輔助作用下，預(yù)成型出內(nèi)部無(wú)孔隙，拐角處無(wú)褶皺、無(wú)纖維屈曲的零件。

熱隔膜預(yù)成型工藝從零件的預(yù)成型方向進(jìn)行分類，可分為正向法和反向法，前者是隔膜從上往下使層壓件貼合工裝表面并包住，后者則反之；而從工藝方法上進(jìn)行分類，可分為單隔膜和雙隔膜預(yù)成型方法[2]。

1.1 單隔膜預(yù)成型過(guò)程

首先把平板預(yù)浸料放在工裝表面上，隔膜放置在平板預(yù)浸料的上面并被隔膜框夾住，然后進(jìn)行紅外加熱，達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度，接著通過(guò)控制真空速率，使平板預(yù)浸料慢慢折彎貼合于工裝型面，形成所需形狀。

1.2 雙隔膜預(yù)成型過(guò)程

如圖1所示，首先把平板預(yù)浸料定位在兩個(gè)隔膜中間(上下隔膜中間)，隔膜被隔膜框夾住，然后通過(guò)抽真空施加一定的壓力，接著開始紅外加熱達(dá)到設(shè)定的溫度，再抽真空，使兩隔膜間的平板能最大程度地貼合于工裝表面，形成所需形狀。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖1 熱隔膜預(yù)成型示意圖[2]

單隔膜預(yù)成型過(guò)程中，由于無(wú)法精確地控制預(yù)成型的抽真空速率，零件內(nèi)夾雜的氣體無(wú)法排出，造成大量?jī)?nèi)部孔隙，零件內(nèi)部質(zhì)量差，同時(shí)還因其自重使拐角處纖維褶皺嚴(yán)重。單隔膜預(yù)成型過(guò)程中層壓件平板的定位不準(zhǔn)確，容易發(fā)生滑動(dòng)，不利于在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中使用。但是從隔膜使用角度考慮，不僅工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，而且降低了原材料成本和縮短了預(yù)成型的時(shí)間。

雙隔膜預(yù)成型時(shí)，層壓件位于雙隔膜間，可以較好地控制真空速率，在夾緊層壓件的同時(shí)還能減少層間滑移等現(xiàn)象發(fā)生。采用雙隔膜成型工藝預(yù)成型等厚度的C型零件時(shí)，通過(guò)控制真空速率，可以成型初表面質(zhì)量較好的零件。但是在預(yù)成型變厚度零件時(shí)，同樣的真空速率下，層壓件較厚的部分抵抗變形的能力強(qiáng)，而較薄的部分抵抗變形的能力弱，導(dǎo)致預(yù)成型過(guò)程中層壓件薄區(qū)會(huì)拉拽厚區(qū)材料，容易造成厚區(qū)材料往薄區(qū)滑移，而且在厚度過(guò)渡的位置產(chǎn)生褶皺等，不能保證尺寸精度[3]。

2 預(yù)成型設(shè)備

熱隔膜成型設(shè)備及其配套的系統(tǒng)通過(guò)真空和熱量進(jìn)行熱隔膜預(yù)成型。該設(shè)備使用隔膜通過(guò)精確控制溫度和真空速率，對(duì)零件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，然后進(jìn)行預(yù)成型。

熱隔膜成型設(shè)備一般由以下幾大部分組成：加熱庫(kù)(主加熱庫(kù)和工裝預(yù)熱庫(kù))、隔膜框、真空床、預(yù)熱床(可選)、移料床。配套系統(tǒng)包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、熱工系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)(可選)、氣動(dòng)系統(tǒng)等。

單隔膜成型所用的設(shè)備可以是單隔膜設(shè)備或者雙隔膜設(shè)備(功能可選擇)。單隔膜設(shè)備工作時(shí)只需要加熱庫(kù)、真空床和隔膜框(1個(gè))即可。雙隔膜成型只能使用雙隔膜設(shè)備(如圖2所示)，它工作時(shí)需要加熱庫(kù)(主加熱庫(kù)和工裝預(yù)熱庫(kù))、隔膜框、真空床、移料床、預(yù)熱床等。

1—加熱庫(kù)；2—隔膜框；3—真空床

3 預(yù)成型參數(shù)

熱隔膜預(yù)成型過(guò)程中，無(wú)論是設(shè)備系統(tǒng)還是工藝因素(例如溫度、真空等)均可能造成零件缺陷。設(shè)備系統(tǒng)造成的零件缺陷可以通過(guò)后期維護(hù)和優(yōu)化來(lái)避免；工藝因素的優(yōu)化只能改善缺陷的產(chǎn)生情況。工藝因素主要是預(yù)成型溫度和成型速率。

3.1 預(yù)成型溫度

預(yù)成型過(guò)程中，溫度決定了預(yù)浸料的流動(dòng)性及其變形能力，進(jìn)而影響到零件的質(zhì)量。一般情況下，碳纖維預(yù)浸料的預(yù)成型溫度為45～80℃。實(shí)驗(yàn)證明[4]，溫度為45℃時(shí)，零件拐角處纖維屈曲嚴(yán)重，而在60℃和80℃時(shí)，拐角處無(wú)褶皺，表面光滑。其原理是溫度較低時(shí)，預(yù)浸料的層間滑移能力弱，層間變形能力比滑移能力強(qiáng)，導(dǎo)致拐角處纖維屈曲；相反溫度較高時(shí)，層間變形能力與滑移能力相當(dāng)，拐角處不會(huì)產(chǎn)生褶皺。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以選擇60℃或80℃作為熱隔膜預(yù)成型的溫度。

3.2 真空速率

熱隔膜預(yù)成型過(guò)程中，真空速率是影響零件質(zhì)量的另外一個(gè)主要因素。雙隔膜預(yù)成型過(guò)程中，雙隔膜間和真空床形成了兩個(gè)密閉的環(huán)境，其中雙隔膜間的真空在整個(gè)成型過(guò)程中是為了保證層壓件不會(huì)因自重變形；而單隔膜預(yù)成型只需要控制真空床壓力。實(shí)驗(yàn)表明，在溫度為80℃時(shí)，選取3種不同的真空速率(分別為25kPa/min、50kPa/min、200kPa/min)進(jìn)行C型梁預(yù)成型，發(fā)現(xiàn)3種不同速率下，隨著速率逐漸增大，平板彎曲的壓力也伴隨著增大，彎曲的速度也加快(表1)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)又表明：同一溫度下，真空速率越大，零件拐角處褶皺越嚴(yán)重；真空速率較小，零件無(wú)褶皺，表面光滑，如圖3所示。其原理是當(dāng)真空速率增加時(shí)，拐角處形變速度加快，預(yù)浸料的層間滑移能力減弱，導(dǎo)致拐角處容易產(chǎn)生褶皺。

表1 不同真空速率下的壓力表

圖3 不同速率下的零件褶皺情況

由此可知，在熱隔膜預(yù)成型過(guò)程中，溫度高、真空速率低時(shí)，零件的外觀質(zhì)量比較好。

4 工裝設(shè)計(jì)

熱隔膜預(yù)成型過(guò)程中，不同階段的壓力、溫度都會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)成型工裝卻不能發(fā)生型變，需要保證一定的剛性和熱穩(wěn)定性。由于隔膜較薄，工裝必須光滑、平整、無(wú)縫隙，且沒有鋒利的尖角。成型工裝在熱隔膜成型過(guò)程中是決定零件外形的一個(gè)重要依據(jù)，它分為陰模和陽(yáng)模兩種形式。使用陰模工裝時(shí)，預(yù)成型的零件質(zhì)量很難控制而且它不適用于自動(dòng)鋪帶技術(shù)，熱隔膜成型一般不使用陰模工裝。而陽(yáng)模工裝容易加工，成本低，較易用于自動(dòng)鋪帶技術(shù)，常常作為雙隔膜預(yù)成型的工裝[5]。特別是進(jìn)行下一步熱壓罐固化時(shí)，零件拐角處更容易密實(shí)，而且可以使用同一套工裝，利于生產(chǎn)使用。雙隔膜預(yù)成型過(guò)程中，陽(yáng)模工裝的設(shè)計(jì)有3個(gè)要求：一是工裝高度有限制，不能過(guò)高；二是工裝邊緣有45°的坡度，端頭有蓋板，便于拆卸；三是寬度方向上余量寬。

5 結(jié)束語(yǔ)

在航空領(lǐng)域中，熱隔膜預(yù)成型工藝是可以結(jié)合自動(dòng)鋪帶技術(shù)制備主承力異型類結(jié)構(gòu)的一種重要的工藝方法，通過(guò)選擇合適的參數(shù)就可以保證零件的表面質(zhì)量和外觀。文中對(duì)熱隔膜預(yù)成型工藝的總結(jié)，對(duì)異型結(jié)構(gòu)的制造有一定的引導(dǎo)作用，但同時(shí)也有一定的局限性，需要更加詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)支撐，因而后續(xù)將進(jìn)一步完善制造過(guò)程中的相關(guān)理論，為未來(lái)大厚度大尺寸零部件的生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 陳亞莉. 復(fù)合材料成型工藝在A400M軍用運(yùn)輸機(jī)上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2008(10)：32-35.

[2] 吳志恩. 復(fù)合材料熱隔膜成型[J]. 航空制造技術(shù)，2009(25)：113-116.

[3] 邊旭霞. C型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱隔膜成型影響因素實(shí)驗(yàn)與分析[D]. 北京：北京航空航天大學(xué)，2013.

[4] Sun Jing，Gu Yizhuo，Li Min，et al. Effect of forming temperature on the quality of hot diaphragm formed C-shaped thermosetting composite laminates[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composite，2012，31(16)：1074-1087.

[5] 楊博，王菲，陳永清. 大尺寸復(fù)合材料翼梁的制造技術(shù)發(fā)展[J]. 航空制造技術(shù)，2013(22)：74-77.

The analysis on the hot diaphragm preforming process for composite material

HUANG Ying

(Composites Cementing Workshop, Shanghai Aircraft Manufacturing Co., Ltd., Shanghai, 201202, China)

With the wide applications of composite materials in the field of aerospace, the traditional hand lay-up technique could not meet the manufacturing demand of main load-bearing structure of large size and great thickness, especially at the nowadays automated tape-laying technique hardly fulfills the layup of force bearing structure. Aiming at above item, it introduces the hot diaphragm preforming process. This process makes flat laminate deform into C-beams, L-shaped stringers. The application of the hot diaphragm process becomes increasingly wide in the actual production. This paper describes the single diaphragm and double diaphragm process, and shows the advantages and disadvantages of the single diaphragm and double diaphragm from three aspects on the structure of the equipment, process parameters and the mould design respectively.

hot diaphragm preforming process; single diaphragm; double diaphragm

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.006

2015-05-29

黃瑩(1988—)，女，湖北黃石人，上海飛機(jī)制造有限公司助理工程師，碩士，主要研究方向?yàn)閺?fù)合材料零件制造工藝。

V261.97

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2095-509X(2015)09-0020-03