成艷娜 劉訓(xùn)新 李楠

摘要：以零件幾何外形和質(zhì)量控制作為關(guān)注重點(diǎn)，從深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件成型、重量、厚度控制及固化變形控制等方面進(jìn)行了多方位攻關(guān)，相關(guān)成型工藝方案及質(zhì)量控制技術(shù)得到整體攻克，為U型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)整流罩零件的精確制造積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：整流罩;U形蜂窩;重量及厚度;變形控制

中圖分類號(hào)：V214文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）00-0158-05

復(fù)合材料具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其適用于大型及整體結(jié)構(gòu)，是理想的航空結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用日益廣泛。隨著復(fù)合材料用量的不斷增加，其應(yīng)用范圍也不斷拓展，由最初的內(nèi)裝飾零件逐步擴(kuò)展至次承力件，直至主承力件。整流罩為飛機(jī)上的次承力件，外形雙曲，截面為U型，是保證飛機(jī)氣動(dòng)外形的重要零件。復(fù)合材料整流罩類零件一般分為層壓、蜂窩夾層兩種結(jié)構(gòu)形式，采用熱壓罐成型工藝制造。由于采用了蜂窩芯，產(chǎn)品重量得以大幅降低，因此，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整流罩零件逐漸受到了設(shè)計(jì)人員的青睞。

某型飛機(jī)的整流罩零件為外形雙曲率、深U型、變截面的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。因零件曲率大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且采用整體的剛性蜂窩芯，給零件的成型帶來極大的挑戰(zhàn)。另一方面，整流罩類零件均采用熱壓罐成型，而采用熱壓罐固化的復(fù)合材料制件普遍存在固化變形現(xiàn)象。這主要是由于復(fù)合材料在固化成型階段經(jīng)歷了復(fù)雜的溫度和壓力歷程，發(fā)生樹脂基體交聯(lián)反應(yīng)、樹脂基體固化收縮以及樹脂流動(dòng)等一系列復(fù)雜的物理一化學(xué)過程。此外，增強(qiáng)纖維和基體樹脂熱脹系數(shù)不同，固化工藝參數(shù)不同，以及零件一模具相互作用，使得在固化成型階段復(fù)合材料零件內(nèi)部極易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，最終導(dǎo)致零件脫模后出現(xiàn)不同程度的“收口”變形效應(yīng)，影響其外形精度。變形后的復(fù)合材料零件無法在裝配過程中進(jìn)行外形修配。因此，為滿足后續(xù)裝配需求，復(fù)合材料零件的精確制造勢在必行。

本文通過分析深U型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整流罩零件的結(jié)構(gòu)特征，確定了該類零件的制造技術(shù)難點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，以零件幾何外形和質(zhì)量控制作為關(guān)注重點(diǎn)，針對(duì)熱壓罐成型過程中涉及的深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件成型、重量、厚度控制及固化變形控制等方面的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了多方位的攻關(guān)。通過一系列的技術(shù)研究及試驗(yàn)件制造驗(yàn)證，相關(guān)成型工藝方案及質(zhì)量控制技術(shù)得到整體攻克，在U型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)整流罩零件的精確制造方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，為類似結(jié)構(gòu)的制造提供技術(shù)參考。

1整流罩零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1結(jié)構(gòu)簡介

整流罩零件為雙曲率、深U型、變截面的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，外形尺寸約為1927mm（長度）×494mm（開口寬度）×753mm（開口深度），如圖1所示，由1塊整體蜂窩芯及內(nèi)外面板組成。其中，內(nèi)外面板材料為中溫玻璃纖維織物3218/EW250F，夾芯材料為六邊形剛性蜂窩芯NH-1-2.7-48，厚度20mm。為防止雷電損傷，在整流罩的外表面鋪貼1層防雷擊金屬網(wǎng)。

1.2技術(shù)指標(biāo)要求

產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)為：

.重量公差±4%;

.厚度公差±8%;

.外形尺寸公差按HB7741-2004;

.蜂窩芯邊緣允許收縮，收縮量小于6mm。

.型面檢查：采用成型工裝檢查貼胎間隙，不施加外力時(shí)要求最大貼膜間隙不大于lmm/m?；蛟?00mm距離上施加50N的力，加力處的貼膜間隙應(yīng)小于0.5mm。

.表面質(zhì)量檢查：目視檢查制件表面，要求零件漆層連續(xù)，光滑、均勻，無顆粒、流痕、氣泡、縮孔、桔皮，漆層表面無擦、劃傷。

.內(nèi)部質(zhì)量采用X光及超聲檢測。

2整流罩零件制造技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)整流罩零件結(jié)構(gòu)特征及技術(shù)指標(biāo)要求，其制造技術(shù)難點(diǎn)主要包括以下方面：

2.1深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件成型難度大

整流罩蜂窩芯零件尺寸約為1807mm（長度）×494mm（開口寬度）×708mm（開口深度），厚度20mm，斜面角度25°，長度方向?yàn)長向。蜂窩芯零件曲率大，截面為U型，且各截面曲率漸變。而蜂窩芯原材料一般為平面結(jié)構(gòu)，因此必須先按數(shù)模將蜂窩芯展開至平面，再加工其外形。如何選擇合適的展開截面是保證拼接成型質(zhì)量的關(guān)鍵。另一方面，六邊形剛性蜂窩芯不同于柔性蜂窩芯，展開成平面狀態(tài)后仍無法按照工裝進(jìn)行一定曲率下的自由賦型，且在一定拉伸或擠壓情況下，易出現(xiàn)芯格變形、褶皺、撕裂、凹陷等缺陷，無法滿足后續(xù)使用要求。一般通過膠膜穩(wěn)定化處理實(shí)現(xiàn)剛性蜂窩芯的定型。具體的穩(wěn)定化處理參數(shù)及細(xì)節(jié)操作關(guān)系到最終的蜂窩芯成型質(zhì)量，需進(jìn)行研究驗(yàn)證。

2.2整流罩零件厚度不易控制

零件層壓區(qū)厚度公差±8%，該要求對(duì)于U型整流罩零件來說較難控制，主要原因有三個(gè)方面。a）整流罩零件采用中溫固化環(huán)氧玻璃織物預(yù)浸料成型，該材料的樹脂含量高達(dá)45±3%（常見材料約為38%），粘度大且流動(dòng)性好，固化后制件易造成厚度超差。b）玻璃布單層厚度0.25±0.035，公差達(dá)±14%，材料厚度指標(biāo)已超過要求的±8%;c）整流罩零件為U型結(jié)構(gòu)，采用凹模成型，固化過程中樹脂受重力影響，U型頂部樹脂易流動(dòng)至U型底部，造成頂部厚度超薄而底部超厚的情況。

2.3整流罩零件重量不易控制

整流罩零件重量公差要求±4%，而常見的重量公差要求一般為±5%～±10%。影響整流罩零件重量的因素主要有蜂窩芯成型過程中的填充膠用量、發(fā)泡膠用量、膠膜用量，組件成型時(shí)的膠膜用量、面板玻璃布用量。材料種類多，需合理分配并嚴(yán)格控制不同環(huán)節(jié)的用量才能保證最終的產(chǎn)品重量滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.4整流罩零件固化變形

整流罩零件脫模后出現(xiàn)不同程度的“收口”變形效應(yīng)，影響其外形精度。按照類似零件制造經(jīng)驗(yàn)，單邊收口變形量可達(dá)到10mm～15mm，不滿足設(shè)計(jì)要求的貼胎間隙值，嚴(yán)重影響后續(xù)裝配。針對(duì)整流罩類復(fù)合材料制件固化變形問題，一般通過調(diào)整模具型面來補(bǔ)償制件變形量，以控制變形程度或抵消變形的影響作用。模具的調(diào)整量通常根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)或反復(fù)試模。該方法大大增加了制件的成本預(yù)算和研制周期，嚴(yán)重制約復(fù)合材料在復(fù)雜裝配關(guān)系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)類型及用量的大幅增加，工程上對(duì)復(fù)合材料固化變形的預(yù)測與固化變形補(bǔ)償方法提出了緊迫的現(xiàn)實(shí)要求。改變依靠工藝人員經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試錯(cuò)進(jìn)行變形量預(yù)測和補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?fù)雜外形曲面零件變形量補(bǔ)償專用技術(shù)，成為必須面對(duì)和解決的問題。復(fù)雜構(gòu)型復(fù)合材料固化變形的預(yù)測方法，大致可分為以下3類，包括有限元模型預(yù)測方法、回歸分析預(yù)測方法以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法。然而，出于工程應(yīng)用需求的考慮，則希望固化變形預(yù)測方法具有步驟簡單規(guī)范、計(jì)算效率高、成本低、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3制造技術(shù)研究

針對(duì)上述4個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，系統(tǒng)性的開展以下方面的攻關(guān)研究。

3.1深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件成型技術(shù)

從平面結(jié)構(gòu)的蜂窩芯原材料到深U型變曲率的蜂窩芯零件，成型過程中需進(jìn)行蜂窩芯展開、制v型槽、拼接、穩(wěn)定化、銑切斜邊、填膠等工序，如圖2所示。其中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)為制v型槽和穩(wěn)定化處理。

制V型槽主要是針對(duì)蜂窩芯零件R區(qū)，操作目的是去除平面狀態(tài)到R狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的“多肉”部分，使R區(qū)剛性蜂窩芯具有一定的可彎折性，并通過在v型槽內(nèi)填充灌封膠使其固型。本項(xiàng)目研究過程中，首先在蜂窩芯數(shù)模中分析R區(qū)的曲率半徑、R區(qū)寬度，在保證型面貼合度及芯格不擠壓的前提下，確定出最優(yōu)的v型槽數(shù)量及位置，并通過制作R區(qū)V型槽樣板，將該工序操作標(biāo)準(zhǔn)化，降低了操作難度，保證了v型槽質(zhì)量的穩(wěn)定性。

穩(wěn)定化處理的目的是進(jìn)行彎折后蜂窩芯的定型。本項(xiàng)目中的蜂窩芯零件尺寸大，需由多塊蜂窩采用泡沫膠拼接而成，因此穩(wěn)定化同時(shí)可完成蜂窩芯的拼接固化。常用的穩(wěn)定化處理方法為膠膜法，即在蜂窩芯的貼模面鋪貼整層膠膜，進(jìn)熱壓罐固化后進(jìn)行蜂窩芯定型。由于膠膜固化后變硬，導(dǎo)致蜂窩芯與上下面板共固化成型時(shí)的型面匹配性變差，固化后整流罩制件在膠接面易產(chǎn)生架橋分層等無損缺陷。本項(xiàng)目對(duì)蜂窩芯穩(wěn)定化方案進(jìn)行了細(xì)節(jié)方面的優(yōu)化，將整層膠膜更改為距蜂窩芯邊緣寬度80～100mm范圍，在蜂窩芯斜面邊緣底部鋪貼6～10mm寬度的泡沫膠用于防止蜂窩芯收縮，同時(shí)取消R區(qū)膠膜，并將v型槽的填充膠轉(zhuǎn)移到后續(xù)零件成型時(shí)進(jìn)行。通過以上更改，保證了穩(wěn)定化后的蜂窩芯尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)使蜂窩芯在曲率較大部位具有一定的柔軟度，提高了蜂窩芯與上下面板共固化過程中的型面匹配度。

通過R區(qū)開V型槽、蜂窩芯穩(wěn)定化工藝改進(jìn)等措施，實(shí)現(xiàn)了平面狀態(tài)剛性蜂窩芯的柔性化處理，成功制造出與上下面板型面匹配度較好的蜂窩芯零件。

3.2零件厚度及重量控制

零件的厚度和重量兩個(gè)因素之間相互影響、相互制約。本項(xiàng)目中整流罩零件的厚度和重量指標(biāo)要求均嚴(yán)于常見產(chǎn)品。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及所使用的材料性能分析，主要采取三方面措施。1）梳理零件制造過程中所需的材料種類及理論重量范圍，在實(shí)際制造過程中嚴(yán)格控制，確保每種材料的用量不超過理論范圍。2）制作玻璃纖維織物的平板試驗(yàn)件，測量固化后的重量及單層厚度。根據(jù)測試結(jié)果，通過干玻璃布吸膠、預(yù)壓實(shí)等工藝措施進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)，尋找平衡點(diǎn)。3）制造典型件，全面評(píng)估驗(yàn)證平板試驗(yàn)件中的工藝措施，根據(jù)典型件制造結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)預(yù)壓實(shí)參數(shù)進(jìn)行固化。通過以上措施，成功實(shí)現(xiàn)了整流罩零件的厚度和重量控制，詳見表1.

3.3固化變形控制

整流罩零件的固化變形控制主要通過在工藝設(shè)計(jì)階段用工藝數(shù)模取代產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行工裝型面補(bǔ)償設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。目前構(gòu)建工藝模型的途徑主要有兩種，一是制造理論型面的試驗(yàn)件，通過測量固化后試驗(yàn)件的實(shí)際型面，確定固化變形量，給出1：1或一定修正比例的反向補(bǔ)償量，用于構(gòu)建工藝數(shù)模。二是采用軟件進(jìn)行理論分析，確定整流罩?jǐn)?shù)模的幾何結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)固化變形經(jīng)驗(yàn)公式給出不同弧段的補(bǔ)償量，然后分段補(bǔ)償并重構(gòu)幾何特征，最終形成工藝模型，詳細(xì)流程見圖3。

針對(duì)本項(xiàng)目中的整流罩零件，采用第一種途徑構(gòu)建工藝數(shù)模進(jìn)行固化變形控制。按照理論數(shù)模制造試驗(yàn)件A。按照工藝數(shù)模設(shè)計(jì)成型工裝型面，制造整流罩試驗(yàn)件B。利用三維激光跟蹤儀分別測定試驗(yàn)件型面。零件氣動(dòng)外緣型值基本公差為（0±1.0）mm，比對(duì)分析結(jié)果如圖4及圖5所示。

綜合分析圖4、圖5及表2可知，按照工藝數(shù)模制造試驗(yàn)件B，其固化后的變形量可減少約90%，型面合格點(diǎn)數(shù)由66%提高到96%，基本實(shí)現(xiàn)了整流罩零件的固化變形控制。

在工程應(yīng)用過程中，固化變形補(bǔ)償量的預(yù)測需根據(jù)補(bǔ)償后制件的實(shí)際型面偏差值進(jìn)行迭代優(yōu)化，通過持續(xù)的積累和完善，不斷提高預(yù)測和補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度，最終實(shí)現(xiàn)整流罩類制件的變形可控化。

4結(jié)論

本項(xiàng)目以U型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)整流罩為研究對(duì)象，針對(duì)其熱壓罐成型過程中涉及的四個(gè)難點(diǎn)開展技術(shù)研究。通過理論分析及試驗(yàn)件制造，總結(jié)出以下結(jié)論，為類似零件的制造提供技術(shù)參考。

（1）通過R區(qū)開v型槽、蜂窩芯穩(wěn)定化工藝改進(jìn)等措施，實(shí)現(xiàn)了平面狀態(tài)剛性蜂窩芯的柔性化處理，成功制造出與上下面板型面匹配度較好的深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件。

（2）通過理論計(jì)算及制造過程嚴(yán)格控制，結(jié)合干玻璃布吸膠、預(yù)壓實(shí)等工藝措施進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)重量及厚度兩個(gè)因素的平衡控制。

（3）可通過正向補(bǔ)償預(yù)測及實(shí)物測量后反向補(bǔ)償兩種途徑進(jìn)行整流罩零件的工藝數(shù)模構(gòu)建，并利用工藝數(shù)模進(jìn)行工裝補(bǔ)償設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整流罩零件的固化變形控制。無論哪種方式，均需在工程應(yīng)用過程中，根據(jù)補(bǔ)償后制件的實(shí)際型面偏差值進(jìn)行迭代優(yōu)化，通過持續(xù)的積累和完善，不斷提高預(yù)測和補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度，最終實(shí)現(xiàn)整流罩類制件的變形可控化。