何煜文 閆恩瑋 倪麗娜 劉 琦 郝思雨

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089）

作為纖維增強(qiáng)樹脂基先進(jìn)復(fù)合材料的代表，芳綸以其低密度、高比強(qiáng)度和耐沖擊、優(yōu)良的介電性能等優(yōu)點(diǎn)，在航空結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域凸顯出重要作用。飛機(jī)的艙內(nèi)、機(jī)體結(jié)構(gòu)等更多的應(yīng)用了芳綸復(fù)合材料[1-2]。

為使某飛機(jī)前緣結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足透波性及抗鳥撞性能，其機(jī)翼前緣零件首次選用了環(huán)氧芳綸纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。該零件的面板采用芳綸纖維復(fù)合材料，夾芯材料為柔性蜂窩芯。由于目前國(guó)內(nèi)芳綸預(yù)浸料成型工藝還不夠完善、材料復(fù)合界面性能較差，因此，U型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在熱壓罐固化成型過程中存在很多影響因素，造成該蜂窩夾芯芳綸前緣零件具有一定的制造難度[3]。該文通過分析零件所用材料的特點(diǎn)，并結(jié)合前緣零件的結(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U型蜂窩芯零件預(yù)浸料易向底部滑移造成“R區(qū)”褶皺、零件底部傳壓不良等方面的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了多方面的攻關(guān)。通過一系列的技術(shù)研究及試驗(yàn)件制造驗(yàn)證，旨在研究影響成型品質(zhì)的工藝細(xì)節(jié)，來完善芳綸復(fù)合材料成型夾層結(jié)構(gòu)U型零件的工藝過程，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制，在制造方面積累一定經(jīng)驗(yàn)，為該材料類似結(jié)構(gòu)的制造提供技術(shù)參考。

1 機(jī)翼前緣產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成型方法

1.1 零件結(jié)構(gòu)

制件為應(yīng)用于機(jī)翼的U型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，外形尺寸（長(zhǎng)度×寬度×深度）約為808mm×414mm×229mm。制件由兩塊蜂窩芯及內(nèi)外面板組成，蜂窩芯高度15mm，層壓區(qū)厚度為2.9mm，零件“R區(qū)”為層壓結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 機(jī)翼前緣零件示意圖

1.2 成型方案設(shè)計(jì)

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的成型方法主要有4種，如表1所示[4-5]。

表1 常用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型方法比較

綜合考慮機(jī)翼前緣為深“U”結(jié)構(gòu)且芳綸材料復(fù)合界面性能普遍較差的材料特性，結(jié)合成本控制、質(zhì)量控制、風(fēng)險(xiǎn)控制的基本原則，該試驗(yàn)確定選用方案1和方案2的成型方法分別膠接成型，以期找到該類零件最佳的成型方法。

2 試驗(yàn)部分

2.1 主要材料

試驗(yàn)件主要材料為高韌性高溫固化環(huán)氧芳綸織物預(yù)浸料AC531/F-12-044F，蜂窩芯為柔性蜂窩芯。

2.2 制件制造方案

試驗(yàn)件采用CATIA R21 CPD模塊進(jìn)行工藝輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控下料、激光投影系統(tǒng)輔助手工鋪貼、熱壓罐固化成型、數(shù)控切割的制造方案。試驗(yàn)件的成型方法選用方案1和方案2，同時(shí)為了選擇更合適的共膠接壓力，方案2對(duì)比了2套共膠接壓力參數(shù)，因此該試驗(yàn)共3套固化工藝，見表2所示。

表2 芳綸前緣試驗(yàn)固化工藝

根據(jù)所選用的上述3套固化工藝，制件加工工藝流程見圖2（a）和（b）所示。

圖2 芳綸前緣制件工藝流程圖

組件A采用共固化的制造工藝，下蒙皮鋪貼完成后進(jìn)行蜂窩芯組合和上蒙皮鋪貼，一并固化。組件B和組件C的總體固化工藝相同，采用分步固化的成型方法，下蒙皮預(yù)先固化成形，再與蜂窩芯、膠膜、發(fā)泡膠組合，最后鋪貼上蒙皮后再次膠接固化。

3 結(jié)果與分析

3.1 固化工藝分析及質(zhì)量檢測(cè)

圖3為不同固化工藝情況下制件脫模后的照片。圖3（a）、（b）分別對(duì)應(yīng)著組件A、B的制件表面狀態(tài)。

組件A在脫模后通過觀察發(fā)現(xiàn)，制件靠工裝面的“R區(qū)”金屬網(wǎng)表面膜存在裂縫，用手沿裂縫輕輕撕開即出現(xiàn)圖3（a）的狀態(tài)，可明顯地觀察到芳綸纖維存在貧膠缺陷，制件大面積出現(xiàn)纖維裸露的情況。無損檢測(cè)結(jié)果顯示組件A層壓區(qū)及夾層區(qū)存在大面積分層。組件B的表面質(zhì)量?jī)?yōu)于組件A，靠工裝面金屬網(wǎng)表面膜未出現(xiàn)開裂情況。但仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)“R區(qū)”金屬網(wǎng)表面膜存在密布的“小氣泡”現(xiàn)象如圖3（b），氣泡疑似銅網(wǎng)網(wǎng)格鼓包，鼓包可用刀尖剝開。無損檢測(cè)結(jié)果顯示組件B層壓區(qū)及夾層區(qū)存在大范圍密集孔隙缺陷，孔隙區(qū)域?yàn)樾旧蠈?，制件“R區(qū)”芯上層存在分層缺陷。銅網(wǎng)網(wǎng)格鼓包的原因?yàn)槎喂袒瘯r(shí)壓力較低無法使已固化蒙皮的“R區(qū)”與工裝貼實(shí)，造成零件底部“懸空”。組件C的表面無明顯缺陷，無損檢測(cè)結(jié)果合格。

圖3 試驗(yàn)件表面狀態(tài)

無損檢測(cè)結(jié)果說明其層間壓實(shí)情況不良。組件C的所有測(cè)量點(diǎn)厚度均未超差，但試驗(yàn)件“R 區(qū)”底部厚度接近理論厚度上限，說明該區(qū)域預(yù)浸料在重力的作用下向U型制件底部滑移并堆積。

分析上述組件A和B的固化工藝可以看出，固化壓力的選擇對(duì)芳綸纖維預(yù)浸料的壓實(shí)效果非常重要。由于芳綸纖維預(yù)浸料的增強(qiáng)纖維較粗、復(fù)合界面性能較差，因此固化壓力須在0.4MPa以上才能降低層間孔隙的風(fēng)險(xiǎn)。考慮到制件為夾層結(jié)構(gòu)，蜂窩芯在高壓下易出現(xiàn)收縮及塌陷，因此在制定固化壓力參數(shù)時(shí)需要協(xié)調(diào)兩種材料的壓力耐受范圍，那么分步固化的方案可對(duì)外蒙皮內(nèi)部質(zhì)量的提升起到積極的作用。外蒙皮固化時(shí)選用0.65MPa的真空壓力，可保證外蒙皮內(nèi)部質(zhì)量并為后續(xù)鋪層提供穩(wěn)定的鋪貼基礎(chǔ)。二次固化時(shí)壓力選擇為0.4MPa，制件蜂窩芯無收縮及芯格塌陷情況，制件通過多次試驗(yàn)表明外觀及內(nèi)部質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 工藝細(xì)節(jié)優(yōu)化及質(zhì)量控制

由于芳綸前緣制件結(jié)構(gòu)及材料的特殊性，需要嚴(yán)格把控鋪貼、制袋等關(guān)鍵工序，并注意排除各環(huán)節(jié)中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過研究成型品質(zhì)的工藝細(xì)節(jié)，來完善芳綸復(fù)合材料成型夾層結(jié)構(gòu)“U”型零件的工藝過程，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制。在以上試驗(yàn)件的制造過程中，通過對(duì)產(chǎn)品制造全過程的跟蹤與工藝細(xì)節(jié)的實(shí)時(shí)優(yōu)化，總結(jié)出了以下幾項(xiàng)工藝細(xì)節(jié)。1）料片斷開位置的選擇。由于芳綸纖維預(yù)浸料材料復(fù)合界面性能較差，尤其在前緣“R區(qū)”位置易出現(xiàn)傳壓不良的現(xiàn)象。因此在工藝準(zhǔn)備的過程中，在滿足設(shè)計(jì)對(duì)料片錯(cuò)縫要求的前提下，盡量將每層料片的前緣“ R 區(qū)”與周圍斷開，確保各鋪層之間充分貼合。2）防滑防滑帶法的使用細(xì)節(jié)。防滑帶法為在工裝周邊膠接防滑帶，可達(dá)到增加面層與工裝制件的摩擦力的目的，減少固化時(shí)面層位移導(dǎo)致的蜂窩芯收縮等問題[6]。對(duì)U型前緣類零件而言，在零件制造過程中，鋪層易在重力作用下向零件“R區(qū)”滑移，而防滑帶法可大大減少“R區(qū)”褶皺、蜂窩芯收縮等問題的發(fā)生[7]。但對(duì)蜂窩夾芯芳綸前緣零件，由于采用二次固化的工藝方法，外蒙皮固化時(shí)無須搭接防滑帶，使各鋪層在松弛狀下緊密貼合。在鋪貼內(nèi)蒙皮時(shí)，須注意防滑帶搭接位置按圖4所示進(jìn)行，盡量避免在前緣底部位置搭接。這是為了防止芯上層預(yù)浸料全部搭接防滑帶會(huì)過渡限制預(yù)浸料的移動(dòng)，降低前緣底部U型槽位置的黏接強(qiáng)度，從而影響芯上各層的配合狀態(tài)，避免由于傳壓不良局部架橋產(chǎn)生零件分層或密集孔隙的缺陷。

圖4 防滑帶位置示意圖

4 結(jié)論

該研究以某型飛機(jī)蜂窩夾芯芳綸前緣為對(duì)象，通過理論分析及試驗(yàn)件制造，初步得到結(jié)論如下：1）針對(duì)蜂窩夾芯芳綸前緣零件，采用下蒙皮預(yù)先固化成型，再與蜂窩芯、膠膜、發(fā)泡膠組合，最后鋪放上蒙皮后再次膠接固化的制造方案合理；2）共膠接壓力的選擇對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，選用0.4 MPa作為共膠接壓力能夠保證零件質(zhì)量；3）多批次、大批量的使用結(jié)果表明，AC531/F-12-044F芳綸纖維預(yù)浸料的層間結(jié)合力不理想，對(duì)壓力、成型方法等技術(shù)點(diǎn)要求較高。