成艷娜 劉訓(xùn)新 劉向陽 陳亮子

（中航飛機西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089）

復(fù)合材料具有質(zhì)輕、比強度高、比模量高、抗腐蝕性好以及可設(shè)計性強等優(yōu)點，尤其適用于大型或者整體飛機零件結(jié)構(gòu)，是優(yōu)良的航空結(jié)構(gòu)材料。目前，它的用量在飛機結(jié)構(gòu)上的比重日益提升，某種程度上已經(jīng)成為衡量飛機先進程度的指標(biāo)之一[1]。隨著復(fù)合材料的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用范圍逐漸從內(nèi)部裝飾件向次承力件延伸。近年來，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍更是向主承力梁和大壁板等主承力件過渡[2]。前緣類零件是飛機中較為常見的次承力件，外形為雙曲面，橫截面為U形結(jié)構(gòu)，主要起到承載和整流等作用，廣泛應(yīng)用于活動翼面、外翼和尾翼等部位[3]。復(fù)合材料類前緣主要分為夾層和層壓兩種結(jié)構(gòu)形式。采用夾層結(jié)構(gòu)的U形前緣零件擁有更好的承載力，且由于夾層材料質(zhì)量較輕，大大降低了零件的質(zhì)量。因此，夾層類的前緣制件在飛機上被廣泛使用。

本項目圍繞異形大厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)前緣的成型技術(shù)開展研究。針對以上技術(shù)難點，從異形大厚度蜂窩芯銑切及拼接方案、前緣制件熱壓罐成型工藝方案設(shè)計以及固化收口變形控制等方面進行探索，制定零件的制造工藝流程，最終實現(xiàn)此類異形大厚度蜂窩夾層前緣類零件的精確、高質(zhì)量成型。

1 試驗件設(shè)計及制造方案

1.1 材料與設(shè)備

試驗件主材料為碳纖維織物CYCOM 970/PWC T300 3K ST（CCF），蜂窩芯選用NH1-2.7-48芳綸剛性紙蜂窩芯。

1.2 試驗件結(jié)構(gòu)

試驗件為深U異形大厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)前緣，長度約為4 100 mm，開口寬度約為280 mm，開口深度約為450 mm，層壓區(qū)厚度約為3 mm，蜂窩芯為V形尖劈結(jié)構(gòu)。

1.3 試驗件成型方案設(shè)計

前緣試驗件進行了共固化和共膠接兩種成型工藝方案的試驗，從異形大厚度蜂窩芯銑切及拼接成型方案設(shè)計、異形大厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型方案設(shè)計以及U型結(jié)構(gòu)固化變形控制等3個方面展開研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 異形大厚度蜂窩芯銑切及拼接方案

傳統(tǒng)前緣零件的蜂窩芯厚度10～30 mm。一般將曲面展開為平板狀態(tài)后手工下料并銑切斜面角度，然后與面板膠接，成型方案相對簡單。本項目中前緣試驗件的夾芯蜂窩長度約為3 600 mm，最大高度為412 mm，為V形尖劈結(jié)構(gòu)。通過選取合理的數(shù)控銑切分離面，可實現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)的銑切加工，滿足后續(xù)與面板膠接質(zhì)量要求。

根據(jù)該蜂窩芯零件的結(jié)構(gòu)特征，如圖1所示，將整體蜂窩芯分割為A、B、C共3個子零件。分離面通過內(nèi)側(cè)V形最低點，降低了整體結(jié)構(gòu)的銑切加工難度。因為分離面為平面，所以后續(xù)子蜂窩芯零件的拼接成型操作相對簡單，拼接質(zhì)量更容易保證。

圖1 蜂窩芯分離面示意圖

數(shù)控加工時，采用常規(guī)的銑切方法，切削力較大，容易引起蜂窩芯與膠帶脫粘，從而造成局部型面凹陷，尤其是尾緣較薄的部位缺損嚴(yán)重，難以保證零件的型面加工精度和加工質(zhì)量。采用超聲波數(shù)控銑床進行子零件加工，配合專用的刀柄和刀具，在銑切過程中產(chǎn)生的切削力較小，蜂窩芯不易與膠帶脫粘，零件加工精度和加工質(zhì)量明顯提高。

A、B、C這3個子零件蜂窩芯單獨數(shù)控加工完成后，采用FM490A泡沫膠進行拼接。為防止蜂窩芯收縮，在斜面周邊填充寬度約6 mm的發(fā)泡膠FM490A。

通過選取合適的分離面、采用超聲波數(shù)控銑床單獨加工子零件、泡沫膠拼接以及四周泡沫膠防收縮4方面的措施，成功制造出V形尖劈結(jié)構(gòu)蜂窩芯零件，其型面精度滿足與面板膠接的要求。

2.2 異形大厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)前緣熱壓罐成型工藝方案

通過試驗件制造質(zhì)量對比，最終選取共固化方式作為異形大厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)前緣的成型方案。為避免外蒙皮產(chǎn)生褶皺，在鋪貼完成后增加熱壓實工藝，保證了氣動外形面的表面質(zhì)量。

在共固化和共膠接成型試驗中，由于蜂窩芯端頭截面為非承力方向。蜂窩芯芯格壁區(qū)域在罐壓作用下會向內(nèi)滑移，并產(chǎn)生塌陷收縮，帶動預(yù)浸料滑移，從而導(dǎo)致制件產(chǎn)生分層和皺褶等缺陷。通過在工裝兩側(cè)端肋處增加金屬擋塊，在內(nèi)型面增加金屬勻壓板等措施，保證蜂窩芯內(nèi)型面受壓均勻，避免了蜂窩芯出現(xiàn)坍塌褶皺收縮的現(xiàn)象。

預(yù)浸料由樹脂基體和增強纖維組成。在熱壓罐中高溫高壓固化時，樹脂發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。在固化的過程中，樹脂在重力作用下會向前緣R區(qū)流動，進而帶動纖維發(fā)生屈曲[4]。本試驗件制造過程中通過在工裝上增加防滑條進行鋪層限位，保證了纖維不會發(fā)生屈曲的現(xiàn)象。

2.3 前緣制件固化變形控制

熱固性樹脂基纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在熱壓罐中高溫高壓固化成型是一個復(fù)雜的熱、化學(xué)和力學(xué)性能急劇變化的過程。由于復(fù)合材料基體和纖維熱收縮的差異、樹脂基體的固化收縮、制件與模具之間的熱膨脹系數(shù)差異以及溫度、固化度和樹脂流動的空間不均勻性引起的材料性能差異等，導(dǎo)致U形前緣固化脫模后會出現(xiàn)收口的現(xiàn)象[5-6]。

在試驗件制造過程中，采用《前緣類復(fù)合材料制件固化變形控制研究及應(yīng)用》的研究成果[7]，解決了本試驗中前緣制件固化變形的問題。制件型面檢測結(jié)果見表1，消除了前緣的收口變形效應(yīng)，有效控制了前緣的固化變形問題。

表1 測量數(shù)據(jù)分析

3 結(jié)論

以異形大厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)前緣為研究對象，通過理論分析和試驗件制造，得到以下結(jié)論。

（1）針對大尺寸V形尖劈結(jié)構(gòu)蜂窩芯零件，采用選取合適的分離面、超聲波數(shù)控銑床單獨加工子零件、泡沫膠拼接以及四周泡沫膠防收縮等4個措施，成功制造出V形尖劈結(jié)構(gòu)蜂窩芯零件，且其型面精度能夠滿足與面板膠接的要求。

（2）采用凹模共固化方案成型異形大厚度蜂窩夾層結(jié)構(gòu)前緣，提高了內(nèi)外蒙皮和蜂窩芯的匹配程度，其制件氣動外形面的表面質(zhì)量較好。

（3）前緣試驗件型面檢測數(shù)據(jù)基本合格，為解決該類異形前緣零件的精確制造提供了新思路。