白婭萍 王浩軍 房曉斌 徐小偉 黃雪萌

摘 要：分析了不同工裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，對于某型選用牌號CYCOM 970/PWC T300 3K環(huán)氧樹脂增強(qiáng)碳纖維預(yù)浸料的民用支線飛機(jī)8米級C型實體層壓復(fù)合材料梁，確定采用凸模鋪貼和凹模固化的制造方案，預(yù)先設(shè)計厚度為3.48 mm的特征試驗件，評估不同類型壓力墊制備試件質(zhì)量;整條式硅橡膠壓力墊制備的3#試件，無損及外觀、厚度均滿足要求。選用整條式硅橡膠壓力墊，使用凸模鋪貼和凹模固化，制造出合格的8 m級C型梁零件。

關(guān)鍵詞：凹模成型C型梁;壓力墊類型;硅橡膠壓力墊;C型復(fù)合材料梁

中圖分類號：TQ050.4+3;TG76 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0074-05

復(fù)合材料以其優(yōu)異的抗疲勞、抗腐蝕、可設(shè)計性和卓越的減重效果，在飛機(jī)上應(yīng)用逐漸增多[1]。國內(nèi)外先進(jìn)飛機(jī)中復(fù)合材料集中應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等主承力結(jié)構(gòu)件中，部分飛機(jī)用量已超50%，其中樹脂基復(fù)合材料已成為應(yīng)用主體[2]。國內(nèi)復(fù)合材料的應(yīng)用有較好的基礎(chǔ)，國內(nèi)復(fù)合材料航空制件已進(jìn)入結(jié)構(gòu)整體化、大尺寸、主承力結(jié)構(gòu)應(yīng)用階段[3];制造技術(shù)智能化與產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性要求更高[4]。復(fù)合材料制件由碳纖維織物、碳纖維單向帶、玻璃纖維織物等以不同鋪層、不同尺寸鋪疊而成;原材料屬性、幾何結(jié)構(gòu)、鋪層設(shè)計等制件內(nèi)部因素影響產(chǎn)品尺寸精度[5]。隨著復(fù)合材料制件在飛機(jī)上應(yīng)用比重提升[6]，復(fù)合材料精確制造成為制造技術(shù)及質(zhì)量提升的研究重點(diǎn)。

在熱壓罐高溫、高壓作用下，由于C型結(jié)構(gòu)特征，制件固化變形和厚度偏差制約著飛機(jī)復(fù)合材料梁類制件的精確制造應(yīng)用范圍。國內(nèi)外學(xué)者針對C型結(jié)構(gòu)制件固化變形與厚度之間關(guān)系，進(jìn)行了大量研究，有學(xué)者對比分析了同等材料相同工藝參數(shù)條件下C型梁制件，16層厚度制件回彈變形小于8層厚度制件[7]。針對層合板結(jié)構(gòu)，有學(xué)者對比分析了同等材料相同工藝參數(shù)條件下，4、8和16層制件變形翹曲情況，厚度越大，制件變形翹曲越小[8]。研究表明，同等材料體系和相同工藝條件下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的厚度越大則回彈越小。同一復(fù)合材料制件在熱壓罐中不同部位、制件不同厚度處溫度值不同，制件內(nèi)部溫度場影響著制件的固化變形和制造精度。有使用有限元方法，模擬分析了復(fù)合材料制件厚度和纖維體積含量的固化度和溫度變化規(guī)律，結(jié)果表明：制件厚度越大，固化過程中溫度梯度越大，制件固化后殘余應(yīng)力越高[9]。實際工程應(yīng)用中，制件選用材料、鋪貼結(jié)構(gòu)、鋪層厚度、裝配需求存在特殊要求，需借助已有研究成果，確定制造工藝方案。

1 研究內(nèi)容及結(jié)果討論

1.1 研究背景

某型民用支線飛機(jī)大尺寸C型實體層壓梁，選用牌號CYCOM 970/PWC T300 3K環(huán)氧樹脂增強(qiáng)碳纖維預(yù)浸料，外形如圖1所示。梁總長度8 800 mm，腹板面寬220 mm，兩緣條高度60 mm;C型梁沿長度方向、寬度方向中心線均對稱，從端頭至中心處共3種厚度，分別為2.13、3.48和4.52 mm，不同厚度之間鋪貼光滑流線過渡;C型梁R區(qū)倒角半徑分別為6、7和9 mm;梁緣條與腹板夾角依據(jù)厚度與R區(qū)半徑過渡，由中心線夾角87.5°向梁端頭夾角84.5°過渡;產(chǎn)品設(shè)計要求該梁零件必須使用凹模成型，以確保裝配需求。本文結(jié)合工程實際，研究凹模成型該8 m級C型復(fù)合材料梁制造技術(shù)研究。

1.2 制造工藝方案

為保證制件成型質(zhì)量，凹模鋪貼須使用壓力墊，以改善固化過程中壓力傳遞不均而導(dǎo)致的R區(qū)質(zhì)量問題。首先使用專用的壓力墊成型工裝制造壓力墊，之后數(shù)控下料，在凸模上鋪貼;鋪貼完成后轉(zhuǎn)移至凹模上，放置壓力墊，制袋固化。具體制造工藝方案如圖2所示。

鋪墊模準(zhǔn)備（凸模）→ 梁鋪貼→ 成型模準(zhǔn)備（凹模）→ 坯料轉(zhuǎn)?！?放置壓力墊→ 制袋→ 固化→ 脫膜→ 銑切→ 無損檢測→ 邊緣密封→ 噴漆→ 標(biāo)識→ 檢驗→ 交付

1.2 工裝材料選用

工裝材料選用是復(fù)合材料制造技術(shù)的重點(diǎn)，常用的金屬工裝主要有鋼、鋁、Invar合金等;表1中列出了3種常見工裝材料的關(guān)鍵特性。

（1）鋼制工裝以其良好的耐久性、易于加工和低廉的價格，是碳纖維復(fù)合材料制件首選的工裝材料。但鋼制工裝相比碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)材制件，具有較高的熱膨脹系數(shù)，不利用制件外形尺寸精確控制;

（2）鋁制工裝質(zhì)量輕便、易加工，具更高的熱膨脹系數(shù)和更大的熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，是玻璃纖維復(fù)合材料制件首選的工裝材料。但鋁制工裝表面易產(chǎn)生劃痕或裂紋，且耐久性差，對于多架次產(chǎn)品需頻繁更換工裝;

（3）Invar合金以其低膨脹合金特性，與碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)材制件熱膨脹系數(shù)匹配度高，是目前制造碳纖維復(fù)合材料制件最佳的工裝材料;但其價格高昂，可加工性差，升溫速率較慢。對于制件外形要求高的梁、壁板等零件，常常選用Invar合金工裝。

結(jié)合以上分析，基于該梁結(jié)構(gòu)特征和裝配要求，選用普通鋼凸模鋪貼、Invar合金鋼凹模固化的工裝方案，以確保制件比質(zhì)量和外形尺寸精度。

2.3 工裝結(jié)構(gòu)討論

熱壓罐固化復(fù)合材料C型梁制件，工裝模式通常分為凸模成型和凹模成型，凸模與凹模的工裝形式簡圖如圖3所示。

不同工裝結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同工程設(shè)計需求零件，兩種成型方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。在實際工程中，平衡成本、質(zhì)量、制造難點(diǎn)等因素，選取最佳工裝方案。針對該梁零件，有學(xué)者根據(jù)提取厚度、緣條夾角、腹板寬度、緣條高度、R角半徑等特征尺寸，選用了1.25°工裝型面補(bǔ)償角，選用凹模工裝，減小或消除最終成型后的復(fù)合材料產(chǎn)品的固化變形，降低了反復(fù)修模造成的高成本、長周期制造難點(diǎn)[10]。但制件制造過程中出現(xiàn)了R區(qū)厚度超差、R區(qū)無損質(zhì)量、表面質(zhì)量缺陷等問題，需要調(diào)整壓力墊形式實現(xiàn)質(zhì)量提升。

2.4 凹模固化壓力墊類型討論

復(fù)合材料制件表面質(zhì)量、內(nèi)部無損質(zhì)量和表面質(zhì)量，受制于固化過程中制件承受壓力的作用。實際生產(chǎn)制造過程中，根據(jù)制件預(yù)浸料樹脂流動性、制件尺寸、固化壓力等選擇不同形式壓力墊。梁零件壓力墊材料一般選用Aircast 3700硅橡膠或Airpad材質(zhì)與碳纖維共同體。壓力墊制造一般使用帶有芯模的壓力墊成型模，工裝內(nèi)表面為梁零件內(nèi)型面，芯模設(shè)置為高度可調(diào)節(jié)，以制造不同厚度規(guī)格的壓力墊用于試驗。

對于該8 m級零件，設(shè)計厚度為3.48 mm的典型特征試驗件，進(jìn)行典型壓力墊類型確定討論，分別按照表3所列壓力墊類型制備梁試驗件，產(chǎn)品實物如圖4所示。表3中各試件對應(yīng)簡圖中，橘黃色箭頭代表正常罐壓，紅色箭頭代表集中在圓角處的壓力，綠色區(qū)域代表潛在的低壓力區(qū)或痕跡線區(qū)域。以下結(jié)合表3結(jié)果，分析討論不同壓力墊類型試驗結(jié)果。

2.4.1 無壓力墊

不使用壓力墊制造的1#試件，R區(qū)無損檢測存在密集孔隙，內(nèi)外表面質(zhì)量較差。R區(qū)受壓不足，制件靠袋面即內(nèi)R區(qū)表面纖維皺褶。R區(qū)壓力傳遞差，制件靠模面即外R區(qū)表面貧膠。固化過程中膠液向R區(qū)流動，R區(qū)靠袋面出現(xiàn)富樹脂區(qū)，厚度超差，制件整體厚度不均。因此，若使用凹模鋪貼，必須使用壓力墊。

2.4.2 僅R區(qū)硅橡膠壓力墊

使用僅R區(qū)Aircast 3700硅橡膠壓力墊制備2#試件，無損檢測合格;壓力墊邊緣處制件內(nèi)表面存在壓痕，R區(qū)均勻，滿足要求;腹板面局部厚度超差。試件在罐壓作用下，不同區(qū)域承受的壓力不同，R區(qū)處壓力墊利于R區(qū)壓力更均衡，以減少制件褶皺、降低樹脂聚集、增加壓實度。壓力墊邊緣壓力傳遞不均，成型后制件上在綠色圓圈區(qū)域可見線和壓痕。

2.4.3 整條式硅橡膠壓力墊

使用整條式Aircast 3700硅橡膠壓力墊制備3#試件，無損檢測合格。整條式的壓力墊用來在角部聚集壓力，以減少褶皺、樹脂堆積和增減壓實度，同時提高制件表面質(zhì)量。腹板面局部出現(xiàn)微小纖維皺褶和波紋，這是由于固化過程中硅橡膠與碳纖維預(yù)浸料坯體熱膨脹系統(tǒng)不一致，壓力墊與坯體之間配合不到位，導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)波浪。檢查波浪區(qū)域厚度，厚度滿足公差要求。調(diào)整壓力墊尺寸后，此方案可作為產(chǎn)品制造備選。

2.4.4 分段式硅橡膠壓力墊

使用分段式Aircast 3700硅橡膠壓力墊制備4#試件，無損檢測合格。分段式壓力墊可看作2#試件用壓力墊改良，分段式硅橡膠壓力墊用來在角部增壓，以減少褶皺、樹脂堆積和增加壓實度。此種壓力墊消除了3#試件中腹板面纖維皺褶和波紋，壓力墊邊緣壓痕較2#試件細(xì)小。試件總體厚度合格，但由于局部壓力墊作用，腹板面厚度厚度不均。

2.4.5 2段式硅橡膠壓力墊

使用2段式Aircast 3700硅橡膠壓力墊制備5#試件，無損檢測合格。2段式壓力墊可看作4#試件用壓力墊改良，將壓力墊設(shè)計為漸變厚度，可以在角部增壓，以減少褶皺、樹脂堆積和增加壓實度。腹板面未出現(xiàn)皺褶和波紋，且壓力墊邊緣壓痕較4#試件細(xì)小。試件總體厚度合格，由于壓力墊較薄，厚度實測值趨上差。由于壓力墊較薄且邊緣脆弱，不適用于多批次使用。

2.4.6 Airpad一體式壓力墊

Airpad一體式壓力墊需使用專用工裝鋪貼制造。Airpad一體式壓力墊通常設(shè)計為1層Airpad+n層同產(chǎn)品材質(zhì)預(yù)浸料+1層Airpad，即三明治結(jié)構(gòu)，內(nèi)外表面使用保證壓力墊的延展性，中間夾層使用同產(chǎn)品材質(zhì)預(yù)浸料，以保證壓力墊剛性，并保證壓力墊與復(fù)合材料制件之間熱膨脹系統(tǒng)相差較小，Airpad一體式壓力墊，除圓角區(qū)域外為同等厚度，用來在圓角區(qū)域施加壓力。鋪貼后的預(yù)浸料坯體與固化后梁實體制件厚度存在差異，本試件所用壓力墊未使用梁實體制件制造，壓力墊與預(yù)浸料坯體配合度較差。因此，使用Airpad一體式壓力墊制備6#試件，無損檢測合格，內(nèi)表面及R區(qū)存在皺褶，腹板面厚度合格但不均，R區(qū)厚度超厚。該類型壓力墊需使用熱壓罐高溫固化后成型，且Airpad壓力墊適用周期較硅橡膠壓力墊周期短。2.5 產(chǎn)品制造

依據(jù)以上試驗結(jié)果，明確了工藝方案，設(shè)計并制造用于成型產(chǎn)品的壓力墊成型模、凸模鋪貼模、凹模固化模，具體如圖5所示。結(jié)合生產(chǎn)實際和壓力墊適用周期，選用整條式硅橡膠壓力墊制造8 m級梁制件;壓力墊與梁實物如圖6所示。

3 結(jié)語

（1）飛機(jī)復(fù)合材料制件高度依賴于成型工裝，靠工裝表面的制件外形精確。在飛機(jī)設(shè)計過程中，基于裝配精度需求，設(shè)計規(guī)定制造時貼模面，該8 m級C型復(fù)合材料梁需凹模成型;

（2）凹模成型C型梁工藝有以下兩種形式：凹模鋪貼固化;凸模鋪貼后轉(zhuǎn)模至凹模制袋固化。本文分析了不同工裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，對于該民用支線飛機(jī)8 m級C型復(fù)合材料實體層壓梁，確定采用凸模鋪貼凹模固化的工藝方案，能確保零件裝配精度，提高裝配表面質(zhì)量。驗證了凸模鋪貼、凹模固化成型方法的可行性;

（3）設(shè)計厚度為3.48 mm的典型特征試驗件，通過不同類型壓力墊進(jìn)行對比試驗，最終確定：對于選用牌號CYCOM 970/PWC T300 3 K環(huán)氧樹脂增強(qiáng)碳纖維預(yù)浸料的C型實體層壓梁，使用凹模成型時，整條式硅橡膠壓力墊和Airpad一體式壓力墊均可制備出合格的試件;

（4）凹模固化C型復(fù)合材料梁制件，R區(qū)厚度及表面質(zhì)量受制于預(yù)浸料坯體上的壓力墊結(jié)構(gòu)形式。不同結(jié)構(gòu)壓力墊對于壓力墊傳遞和壓力均勻性調(diào)節(jié)作用不同，實際生產(chǎn)中需要結(jié)合制件所用材料、工程要求、工裝形式等確定壓力墊類型;

（5）為保證制件成型質(zhì)量，凹模鋪貼須使用壓力墊，以改善固化過程中壓力傳遞不均而導(dǎo)致的R區(qū)質(zhì)量問題。首先使用專用的壓力墊成型工裝制造壓力墊;之后數(shù)控下料，在凸模上鋪貼，鋪貼完成后轉(zhuǎn)移至凹模上，放置壓力墊，制袋固化。綜合成本及使用周期，最終選用整條式硅橡膠壓力墊，使用凸模鋪貼后凹模固化制造出合格的8 m級C型梁零件。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2] 陳紹杰.復(fù)合材料技術(shù)與大型飛機(jī)[J].航空學(xué)報，2008，29（3）：605-610.

[3] 牛春勻.實用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作[M].北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[4] 沈真.碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用，2010，35（4）：1-4.

[5] 杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報，2007，24（1）：1-12.

[6] 陳紹杰.復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展及其對我國航空工業(yè)的挑戰(zhàn)[J].高科技纖維與應(yīng)用，2010，35（1）：1-7.

[7] CAROLYNE A，GORAN F.Spring-in and warpage of angled composite laminates[J].Composites Science and Technology，2002，62：1 895-1 912.

[8] GRAHAM T，ANOUSH P，GORAN F.Tool part interaction in composites processing：Part I：Experimental investigation and analytical model[J].Composites Part A，2004（35）：121-133.

[9] 張紀(jì)奎，關(guān)志東，酈正能.熱固性復(fù)合材料固化過程中溫度場的三維有限元分析[J].復(fù)合材料學(xué)報，2006，23（2）：175-179.

[10] 王浩軍，黃雪萌，房曉斌，等.復(fù)合材料C型梁類零件變形控制工藝方法的研究[J].橡塑技術(shù)與裝備，2018（22）：41-43.