李文龍，梁祿忠，周開鋒，王 韜，徐慶石

(沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司 復(fù)合材料制造中心，遼寧 沈陽 110034)

隨著航空制造技術(shù)的快速發(fā)展，在飛機(jī)制造中復(fù)合材料的用量越來越大，復(fù)合材料的應(yīng)用部位已由非承力部件及次承力部件發(fā)展到主承力部件，發(fā)展方向也趨向大型化、整體化和低成本化。復(fù)合材料整體成型技術(shù)通過減少復(fù)雜、大型結(jié)構(gòu)的零組件裝配和緊固件數(shù)量來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料制件的輕質(zhì)、高效、低成本。復(fù)合材料整體成型技術(shù)中優(yōu)先選擇共固化成型技術(shù)，該技術(shù)制造的復(fù)合材料制件結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，構(gòu)件變形量小。

國內(nèi)外研究人員主要研究了加筋壁板的制造工藝。其中，Elaldi等[1]研究了J型復(fù)合材料加筋壁板的制造；荀國立等[2]對碳纖維復(fù)合材料帽形加筋壁板共膠接工藝的固化成型方案進(jìn)行了研究；Wang等[3]研究了T型加筋壁板制造過程中壓力分布規(guī)律及其對樹脂流動(dòng)、纖維密實(shí)行為的影響；楊博等[4]采用共固化的成型方案，研制了大尺寸復(fù)合材料工形加筋壁板。對于整體化成型工藝，成型工裝的設(shè)計(jì)及使用對復(fù)合材料之間的質(zhì)量控制十分關(guān)鍵，尤其是如何設(shè)計(jì)成型工裝方案從而控制成型過程中溫度和壓力的傳遞，而我國在這方面的技術(shù)積累多是以工程實(shí)踐和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏系統(tǒng)深入的研究。

本文分析了J型高墻壁板成型工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了J型高墻壁板的成型模具，探索了一種高墻、帽形加筋與壁板共膠接成型工藝方法，研究結(jié)果對壁板類結(jié)構(gòu)整體化成型技術(shù)的發(fā)展具有參考價(jià)值。

1 J型高墻壁板介紹

1.1 高墻壁板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

J型高墻壁板由壁板、3根帽形筋條和2個(gè)高墻組成(見圖1)。相對于T型、工型和L型等結(jié)構(gòu)形式，帽形筋條具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、傳遞周向載荷效率高的優(yōu)點(diǎn)。帽形筋條與壁板整體成型，鋪層中間增鋪支承層補(bǔ)償，可提高帽形筋條的抗剪強(qiáng)度。帽形筋條與壁板組成了封閉結(jié)構(gòu)，帽形筋條的成型質(zhì)量和型面精度的控制是J型高墻壁板工藝方案的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖1 J型高墻壁板示意圖

采用復(fù)合材料制造J型高墻，實(shí)現(xiàn)了J型高墻壁板的減重效果。J型高墻與壁板二次膠接成型，可提高二者的連接強(qiáng)度，這對高墻的定位和封裝要求較高。J型高墻R角位置錯(cuò)層形成不等厚區(qū)，子鋪層的位置將影響到J型高墻R角的成型；因此，J型高墻的成型質(zhì)量和位置的控制成為J型高墻壁板工藝方案的另一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.2 原材料及固化工藝參數(shù)

原材料包括：纖維樹脂體系，纖維樹脂體系為碳纖維/環(huán)氧樹脂單向預(yù)浸料，固化后單層厚度為0.12 mm；J—116B膠膜。

固化工藝參數(shù)如下：全程真空度≥0.09 MPa，室溫抽真空并加壓0.5～0.6 MPa；升溫至120～125 ℃，保溫2 h，升溫速率為0.5～3 ℃/min；溫度降至60 ℃以下，卸壓出罐，降溫速率≤1.5 ℃/min。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1)外觀質(zhì)量要求。J型高墻壁板表面光滑平整。

2)內(nèi)部質(zhì)量要求。分層、空隙密集和脫粘等內(nèi)部質(zhì)量缺陷滿足設(shè)計(jì)要求；高墻和壁板的孔隙率≤1.5%。

3)厚度要求。厚度公差為±5%t(t為理論厚度)。

4)高墻和帽形筋條軸線位置要求。肋軸線位置公差為±l mm。

5)壁板貼模度要求。壁板組合固化后在自由狀態(tài)下的貼模度≤0.5 mm。

6)隨爐件力學(xué)性能。應(yīng)滿足相關(guān)材料技術(shù)規(guī)范。

2 高墻壁板的研制

2.1 成型方案選擇

成型方案的選擇是J型高墻壁板制造的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。加筋壁板類零件成型方案主要包括以下3種：共固化、共膠接和二次膠接。在保證J型高墻壁板成型質(zhì)量的前提下，盡量降低制造成本是成型方案選擇的主要依據(jù)。針對需要研制的J型高墻壁板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(蒙皮厚度變化大，臺階坡度大，臺階多，外形公差要求高)，為保證J型高墻壁板的質(zhì)量，選擇了已固化高墻-未固化帽形筋條和未固化壁板共膠接的制造方案。

2.2 制造工藝流程

J型高墻壁板的主要制造工藝流程如圖2所示。

圖2 J型高墻壁板制造工藝流程

3 制造工藝

3.1 成型模具設(shè)計(jì)與制造

3.1.1 蒙皮成型模具設(shè)計(jì)

復(fù)合材料的成型模具材料以殷鋼、復(fù)合材料和普通鋼為主，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。大尺寸復(fù)合材料的質(zhì)量受成型工裝的熱膨脹系數(shù)的影響較大，為了保證J型高墻壁板的外形和內(nèi)部質(zhì)量，蒙皮成型模選用殷鋼材料。采用框架式結(jié)構(gòu)模具(見圖3)。

表1 模具材料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

圖3蒙皮成型模示意圖

3.1.2 J型高墻成型模具設(shè)計(jì)

J型高墻包括U型和Z型2個(gè)筋條、底板、底板與筋條結(jié)合處的三角填充區(qū)。高墻的橫截面尺寸如圖4所示。高墻可分成腹板、上緣條和下緣條三部分，在上緣條R角處存在子鋪層，下緣條通過膠膜與壁板膠接。

圖4 高墻橫截面尺寸示意圖

在J型高墻壁板制造過程中，首先應(yīng)考慮J型高墻的成型質(zhì)量。J型高墻拐角區(qū)存在曲率突變，在熱壓罐成型過程中壓力不易施加到曲率突變區(qū)和三角填充區(qū)，易產(chǎn)生纖維不密實(shí)、孔隙密集和富樹脂等缺陷問題；因此，J型高墻制造需要保證工裝內(nèi)側(cè)拐角與高墻拐角始終緊密貼合，從而保證J型高墻拐角處的傳壓效率。設(shè)計(jì)一種三角填充區(qū)的0°纖維成型模具(見圖5)，0°纖維束的填充量計(jì)算式為：

式中，w為填充預(yù)浸料的寬度；r為半徑；t為預(yù)浸料單層厚度；λ為系數(shù)，λ=1～1.1。

圖5 三角填充區(qū)0°纖維成型模具

針對J型高墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工裝采用鋁質(zhì)硬模成型方案，其具有表面光滑且硬度高等優(yōu)點(diǎn)，可以保證J型高墻表面質(zhì)量，且在J型高墻成型過程中變形小、尺寸精度高。為了保證J型高墻的直線度和尺寸精度，在U型和Z型模具之間采用銷釘聯(lián)接。采用沉頭銷釘便于真空封裝。為了保證J型高墻成型時(shí)工裝與J型高墻能夠緊密貼合，銷釘與工裝是間隙配合，使U型和Z型模具有可移動(dòng)空間。J型高墻結(jié)構(gòu)屬于不對稱結(jié)構(gòu)，固化結(jié)束后在貼膜面一側(cè)將出現(xiàn)收口，因此，在貼膜面一側(cè)設(shè)計(jì)1.5°的拔模角。J型高墻的成型工裝如圖6所示。

圖6 J型高墻成型工裝示意圖

3.1.3 J型高墻定位工裝設(shè)計(jì)

為保證J型高墻的垂直度和直線度，采用J型高墻整體定位。定位工裝材質(zhì)為殷鋼，保證定位工裝與蒙皮成型模的熱膨脹系數(shù)一致，定位工裝表面粗糙度≤Ra3.2 μm，形面公差在±0.05 mm以內(nèi)。J型高墻定位工裝與壁板工裝采用螺栓聯(lián)接，為了保證縱墻的垂直度和直線度，在壁板成型模上加工限位擋塊。

3.1.4 帽形筋條成型模設(shè)計(jì)

利用軟模受熱膨脹的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保證帽形筋條的尺寸精度，設(shè)計(jì)了由1個(gè)復(fù)合材料模具和1個(gè)彈性軟芯模具組成的筋條成型模具，即硬模/軟模配合方式(見圖7)，其中軟模采用硅橡膠制備。該配合方式下，在筋條固化的過程中軟模能夠有效地保證傳壓效率，硬?？杀ＷC筋條的直線度和尺寸精度。采用復(fù)合材料制造硬模輔助工裝，厚度為1.25 mm，在帽形鋼質(zhì)母模成型上進(jìn)行鋪疊，固化及后處理成型復(fù)合材料輔助工裝(見圖8)。

圖7 硬模/軟模工裝示意圖

圖8 鋼質(zhì)母模示意圖

3.1.5 帽形筋條的定位工裝設(shè)計(jì)

帽形筋條的定位工裝采用復(fù)合材料，厚度為3 mm，可以解決長桁陷入壁板中以及壁板外形面出印痕的問題。通過數(shù)控銑切出定位工裝的輪廓線。

3.2 預(yù)浸料剪裁與鋪疊

采用數(shù)控下料機(jī)剪裁蒙皮預(yù)浸料，激光投影儀定位裁片，手工鋪疊的方式進(jìn)行蒙皮制造。在帽形筋條成型模上進(jìn)行鋪貼，切掉余量，抽真空壓實(shí)。放置彈性芯模，鋪疊止裂層，壓實(shí)后鋪疊膠膜。

高墻的鋪疊較復(fù)雜，采用手工鋪疊，首先根據(jù)工裝形式鋪疊U型和Z型2個(gè)筋條，再把鋪疊的U型和Z型2個(gè)筋條通過模具合并，然后已成型的單向預(yù)浸料填入三角填充區(qū)，隨后將底板貼附在下緣條和三角填充區(qū)的底部，完成高墻預(yù)成型體的制備。

3.3 J型高墻壁板成型

為了更好地保證J型高墻壁板的成型質(zhì)量，對鋪疊后的壁板和帽形筋條進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，預(yù)壓實(shí)工藝參數(shù)如下：1)真空度≥0.09 MPa，加<0.3 MPa的壓力；2)以≤3 ℃/min的升溫速率升溫至(60±5) ℃，保溫10～15 min，卸壓出罐。

根據(jù)J型高墻壁板的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求，首先用筋條定位工裝對帽形筋條進(jìn)行定位；然后采用高墻定位器對高墻進(jìn)行定位；最后進(jìn)行組裝固化。J型高墻壁板共膠接成型示意圖如圖9所示。

圖9 J型高墻壁板共膠接成型示意圖

4 質(zhì)量檢測

對J型高墻壁板的外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和外形尺寸等進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，研制的J型高墻壁板滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1 外觀質(zhì)量

J型高墻壁板表面光滑平整，臺階過渡區(qū)清晰，未出現(xiàn)富樹脂缺陷，單向帶纖維清晰可見，表面樹脂均勻。研制的J型高墻壁板未出現(xiàn)長桁陷入蒙皮及蒙皮外形面出印痕等問題。

4.2 內(nèi)部質(zhì)量

采用超聲檢測法對J型高墻壁板整體進(jìn)行無損檢測，蒙皮、帽形筋條和高墻以及膠接處無內(nèi)部質(zhì)量缺陷。測得壁板和高墻的孔隙率均

4.3 厚度控制

用卡尺和超聲測厚儀分別對蒙皮、帽形筋條和高墻進(jìn)行厚度測量，結(jié)果表明，蒙皮厚度公差≤±3%；帽形筋條厚度公差≤±4%；高墻厚度公差≤±3%，均滿足設(shè)計(jì)要求。

測量帽形筋條和高墻軸線位置，軸肋線位置≤±l mm，滿足設(shè)計(jì)要求，表明設(shè)計(jì)的共固化成型模具和定位工裝是合理可行的。

4.4 貼模度

J型高墻壁板脫模后，重新放在蒙皮成型模上，在不施加外力的情況下對J型高墻壁板進(jìn)行貼模度檢查，測量結(jié)果如下：壁板四周貼模度≤0.2 mm，壁板中間貼模度≤0.3 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

通過上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)整體成型工藝制造的J型高墻壁板內(nèi)部質(zhì)量和外形尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求，該工藝方案可行。

2)采用三角填充區(qū)0°纖維成型模具成型0°纖維束，可以保證J型高墻下緣條成型的質(zhì)量。

3)采用硬模/軟模配合的工裝結(jié)構(gòu)可保證帽形筋條的成型質(zhì)量、直線度和尺寸精度。

4)筋條定位和高墻定位的工藝方案為復(fù)雜內(nèi)形面加筋壁板的制造提供了一種新方案。

[1] Elaldi F, Lee S, Scott R F. Manufacture of composite panels with J-shape stiffener[J]. Materials and Manufacturing Process, 1995, 10(1):27-36.

[2] 荀國立, 徐洪波. 復(fù)合材料帽型加筋壁板典型件共固化成型[C]//第17屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議(復(fù)合材料制造技術(shù)與設(shè)備分論壇)論文集. 北京：北京中航時(shí)代文化傳播有限公司，2010.

[3] Wang Xueming, Xie Fuyuan. Influence of core fillers on resin flow and fiber compaction of cocured skin to stiffener structures[J]. Polymer Composites, 2010, 31(8):1360-1368.

[4] 楊博, 王菲, 陳永清, 等. 大尺寸復(fù)合材料“工”形加筋壁板研制[J]. 航空制造技術(shù), 2014(15):112-115.