田桂芝 徐偉麗 張玉生 徐昀鑫 王 征
(北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京 100094)
高模量碳纖維增強樹脂基復合材料由于其質輕、高比剛度等優(yōu)異的力學性能,在各類航天器結構系統(tǒng)得到廣泛的應用[1-3]。碳纖維復合材料支架類產品也越來越多地替代金屬材質支架,可以很大程度上提高結構效率。隨著航天器功能需求的不斷發(fā)展,支架的尺寸不斷變大,結構型面也日益復雜,對成型技術及其可靠性提出了更高要求。目前國內外對于碳纖維復合材料支架類產品的成型工藝多有報道,但對于大尺寸復合材料筒狀支架成型技術鮮有研究。馬亞磊[4]等采取手工糊制、真空袋-熱壓罐法制備了一種單側帶法蘭的小型支架結構,產品滿足設計指標。楊堅等[5]采用RTM 成型技術,實現了一種航空發(fā)動機用復合材料支架的制造,產品力學性能優(yōu)異。蔣貴剛等[6]采用剛性陽模與膨脹橡膠陰模組合式的模具方案,通過真空袋-熱壓罐的成型方法,完成了一種多型面復合材料支架的制備,產品尺寸、含膠量均滿足設計指標的要求。
本文針對一種大尺寸復合材料筒狀支架,根據其產品技術指標,從模具設計、鋪層工藝設計、成型壓力保證等影響產品成型質量的工藝環(huán)節(jié)進行分析,制定了成型工藝方案。綜合采用分塊組合金屬陰模以滿足產品外表面形位高精度要求,對環(huán)向鋪層設置錯位對接縫,用以兼顧鋪層成型密實及產品力學性能。針對支架復雜“凹凸”特征,創(chuàng)新性采用“梯度循環(huán)加壓法”,較好地平衡鋪層加壓排氣與排氣流膠之間的矛盾。通過成型實物驗證了以上措施的有效性,對同類結構產品的高可靠性制備具有一定借鑒意義。
環(huán)氧樹脂:648,上海樹脂廠;碳纖維:M55JB,6K,日本東麗。
預浸料:自制;單層厚度0.125 mm,樹脂含量35%,固化制度:165 ℃固化2 h。
產品為直徑約900 mm,高度約250 mm雙側帶法蘭的筒狀結構,等壁厚5 mm,筒體柱段從一側圓形截面到另一側多邊形截面漸變,雙側法蘭形成安裝面,具有安裝接口。筒體柱段與兩側法蘭安裝面過渡拐角處有多個“凸起”及“凹陷”特征,型面不規(guī)則。其結構示意圖見圖1。
支架主要技術指標為:
(1)雙側法蘭為安裝面,平面度要求≤0.1 mm,平行度要求≤0.1 mm;
(2)產品外表面為裝配面,型面尺寸要求較高,要求平整光滑;
(3)產品成型質量滿足GJB2895—1997 A 級要求。
(1)支架壁厚,鋪層多且構型復雜,如何保證鋪層密實是難點;
(2)支架尺寸大、含雙側法蘭,模具多向加壓方案復雜、筒體型面整體感壓到位困難,控制精度要求高;
(3)筒體柱段與兩側法蘭安裝面拐角處“凸起”“凹陷”特征,容易加壓不到位致使層間氣體無法排出,產生“憋氣”,導致產品產生疏松甚至分層等缺陷。
根據支架結構特點、指標要求及工藝難點,選用陰模-真空袋-熱壓罐成型工藝系統(tǒng)技術。支架成型工藝流程見圖2。
設計組合式金屬陰模,模具表面噴涂脫模劑,鋪層時設計合理的纖維斷開方式,對接縫錯位鋪疊,逐層階梯過渡,鋪層過程需設置多次預壓;鋪層完成后在支架兩側法蘭面額外鋪覆工藝層。最后封真空袋抽真空,熱壓罐加壓固化。固化脫模后,機加支架的上下法蘭安裝面工藝層,保證平面度與平行度指標,然后機加安裝接口。
3.2.1 模具設計
根據支架外表面型面精度高指標要求,設計陰模,使支架外表面為貼模面。綜合考慮加工、操作性、成本等因素,選用鋁合金材質。
考慮到支架為兩側帶法蘭的筒狀結構,為保證產品成型后可順利脫模,設計可拆卸的分塊組合模具:將模具分為四塊,裝配一體后形成產品成型面,且成型面采用組合加工方式保證尺寸精度要求。分塊模具之間用定位銷定位,用以保證模具復裝時型面的精度。模具示意圖見圖3。
由于支架尺寸較大,固化溫度165 ℃,與常溫溫差較大,為更好地保證產品尺寸,模具設計需要考慮熱膨脹補償。按照鋁合金材料熱線膨脹系數23.6×10-6K-1,模具的熱線膨脹率計算公式如下:
α=23.6×10-6×△T
式中,α是熱線膨脹率,△T是固化溫度與室溫之差。
鋁合金模具設計時需要根據此系數將模具模型進行縮放,縮放系數為(1-α),即0.996 7,修正后的模型作為模具加工的基準模型。
3.2.2 鋪層工藝設計
預浸料鋪層角度為[0°/±45°/90°]5s。鋪層時以支架柱段高度方向為纖維鋪覆的0°方向,其他鋪層角度以0°方向為基準。鋪層時要求纖維從支架柱段到法蘭保持連續(xù),不允許斷開,用以保證產品的力學性能。
另外,由于產品是筒狀結構,且為陰模成型,加熱時模具會發(fā)生熱膨脹,使鋪層有脫離模具懸空欠壓的趨勢,同時固化加壓時產品90°方向(即支架柱段周向)的連續(xù)纖維鋪層受拉而強力抵抗外壓,容易導致鋪層與模具無法壓緊的情況。因此,綜合權衡鋪層對設計性能和工藝方法的影響,將90°周向鋪層一分為二,同一90°層對接且各90°層對拼縫錯開,纖維對接而不搭接,層間斷點錯開且每層斷點呈階梯狀排列,避免應力集中。
產品上下表面平面度要求較高,且產品厚度及尺寸較大,僅僅依靠模具及成型外壓無法直接滿足平面度等指標要求,因此鋪層時在上下法蘭表面鋪覆工藝層,固化后通過機加方式,保證平面度、平行度要求,同時保證產品的力學性能。
由于產品厚度大,鋪覆層數較多,為保證纖維層間緊實,鋪層時每10層進行一次預壓。
3.2.3 成型壓力制度設計
復合材料產品固化時的壓力大小、加壓方式、加壓溫度以及加壓時機等壓力制度,對產品的固化質量有決定性影響。
產品鋪層完成后進行封裝、抽真空加壓,然后進熱壓罐升溫固化。由于產品是陰模成型,加熱時模具會發(fā)生熱膨脹,在產品達到固化溫度前,模具已經發(fā)生一定的膨脹。同時產品壁厚大,相比小厚度的鋪層,纖維自身伸展能力較差,成型過程中僅僅依靠真空袋的壓力無法使產品與模具很好地貼合,必須增加合適的外壓。
同時由于產品形狀不規(guī)則,筒體與兩側法蘭連接處的拐角存在很多“凹凸”,固化過程中排氣困難,局部容易“憋氣”,而且不規(guī)則的產品型面對應模具設計時難以設置透氣通道,加劇了缺陷風險。為解決這一難題,采用了梯度循環(huán)加壓法,即在模具溫度達到80 ℃、樹脂可流動狀態(tài)時,對產品施加由小到大、由大到小的循環(huán)外壓,最大壓力0.3 MPa,循環(huán)兩次,這樣可以使產品局部鋪層裹挾氣體更容易隨著樹脂的流動而排出,從而避免持續(xù)高壓使產品拐角“凹凸”處產生“憋氣”而導致局部表面纖維未壓實、貧膠、分層等缺陷,同時也有助于產品整體與模具貼合緊密,有效地保證產品成型質量。
80 ℃梯度循環(huán)加壓結束后,模具繼續(xù)升溫,外壓也相應增大,待模具溫度達到樹脂的凝膠溫度125 ℃時,產品需加壓到最大壓力0.7 MPa,保溫30 min,使產品鋪層充分密實。
最后,保持最大壓力0.7 MPa 不變,模具溫度升溫到165 ℃后,保溫2 h固化,產品固化完全。產品固化時的溫度-壓力曲線示意具體見圖4。
3.2.4 產品脫模工藝
由于產品為陰模成型,為避免降溫時模具收縮,擠壓并損傷產品,對產品采用了熱脫模工藝,即在100 ℃熱脫模。
最終成型的復合材料筒狀支架表面光滑、平整、無褶皺,產品拐角處的凹凸特征清晰、尺寸準確,未出現分層等缺陷。經超聲無損探傷,產品內部質量良好,符合GJB2895—1997A 質量要求。經采用重量法計算,產品的含膠量滿足(31%±2%)要求。產品表觀見圖5、圖6。
經檢測,成型后的產品各項尺寸精度都滿足設計要求。產品厚度偏差不超過理論厚度的±5%。產品上下面的平面度實測結果分別為0.08、0.06 mm,上下表面平行度實測結果為0.08 mm,滿足設計指標中上下面的平行度≤0.1 mm 的要求。產品各零件試裝后與產品型面貼合良好,滿足設計要求。表明該產品的工藝方案適用于該支架的成型,進一步驗證了該工藝方案的合理性。
以上結果表明:針對該支架產品采用的模具方案、鋪層工藝方案、壓力-溫度制度等系統(tǒng)技術較為科學、合理,特別是壓力-溫度制度中梯度循環(huán)加壓方法,較好地平衡了加壓排氣與排氣流膠之間的矛盾,使得產品成型質量、固化含膠量均滿足了產品設計指標。
針對航天器用高模量碳纖維復合材料帶雙側法蘭、復雜筒形支架產品,開展了成型工藝技術研究,針對性制定了合理的模具方案、鋪層工藝方案、壓力-溫度制度等系統(tǒng)工藝,完成了實物研制,很好地保證了產品成型表觀及內部質量、尺寸精度等性能指標。主要技術點體現在以下幾個方面:
(1)采用分塊組合模具陰模成型,通過熱膨脹率計算對模具進行尺寸補償設計,可以有效地保證熱固化后產品尺寸及外觀質量。
(2)筒形支架90°周向鋪層分段、鋪層對接縫錯位鋪疊,階梯布置,可以有效解決90°纖維鋪層伸展受束縛、無法匹配成型過程受熱膨脹的金屬陰模,從而導致產品成型缺陷的問題。
(3)通過“梯度循環(huán)加壓法”可以有效解決產品“凹凸”復雜特征在固化過程中容易“憋氣”的問題,較好地平衡了加壓排氣與排氣流膠之間的矛盾,使得產品成型質量、固化含膠量等得到有效保證。