陳林杰 劉琦 何煜文 劉向陽 閆恩瑋

摘 要： 一體化結(jié)構(gòu)的PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)異形蒙皮組件是飛機輕量化設(shè)計和復(fù)合材料可設(shè)計性的創(chuàng)新應(yīng)用，具有比強度高、比模量高、結(jié)構(gòu)效率高的特點。以PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)雙曲率異形件為研究對象，介紹了其結(jié)構(gòu)特征及選材方案，分析了不同模具方案的特點。針對制件成型后的脫模方案、泡沫芯拼接質(zhì)量、閉角區(qū)域傳壓及成型質(zhì)量等問題，制定了一套高效、高可靠性的成型方案。結(jié)果表明：分塊芯模的設(shè)計方案，可有效解決異形零件的成型與脫模問題；熱壓工藝可以提高預(yù)浸料層間壓實效果，避免泡沫芯架橋；發(fā)泡膠拼接工藝可解決閉角區(qū)域泡沫芯成形難題；硅橡膠芯?？杀ＷC壓力均勻傳遞，避免輔助材料架橋，提高成型質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 異形件； PMI泡沫芯；分塊芯模；硅橡膠；熱壓實

中圖分類號： TQ328

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0111-04

Study on molding process of double-curvature foam sandwich

composite special-shaped parts

CHEN Linjie，LIU Qi，HE Yuwen，LIU Xiangyang，YAN Enwei

（AVIC Xi’an Aircraft Industry Group Company Co.，Ltd.，Xi’an 710089，China）

Abstract： The special-shaped skin component of PMI foam sandwich structure with integrated structure is an innovative application of aircraft lightweight design and composite material designability.It has the characteristics of high specific strength，high specific modulus and high structural efficiency.In this paper，the double curvature special-shaped parts of PMI foam sandwich structure are taken as the research object.The structural characteristics and material selection schemes are described in detail，and the characteristics of different mold schemes are analyzed.Aiming at the problems of demolding scheme，foam core splicing quality，pressure transmission in closed angle area and forming quality，a set of high efficiency and high reliability forming scheme was developed.The results show that the design scheme of block core mold can effectively solve the problem of forming and demoulding of special-shaped parts;hot pressing process can improve the prepreg interlayer compaction effect，avoiding foam core bridge ; foam adhesive splicing process can solve the problem of foam core forming in closed angle area ; silicone rubber mandrel can ensure uniform pressure transfer，avoiding auxiliary material bridge，and the forming quality.

Key words：

special-shaped parts;PMI foam core;block mandrels;silastic;hot compaction

隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的不斷發(fā)展及飛機結(jié)構(gòu)減重的需要，大量鈑金類零件、蒙皮類零件逐漸被復(fù)合材料制件替代，越來越多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)飛機零部件開始采用復(fù)合材料制造。新結(jié)構(gòu)、新形式的復(fù)合材料制件越來越多的被設(shè)計、制造和應(yīng)用，這些變化對復(fù)合材料制造技術(shù)提出了更高的要求。

歐洲Ecureil 直升機公司使用模壓工藝在EC120直升機機身曲率壁板及旋翼葉片中首先應(yīng)用了PMI泡沫芯，大幅提高了飛機的飛行壽命并降低了制造成本?？湛凸臼褂脽岢尚凸に囍圃炝舜蟪叽绱笄术啺放菽鹃L桁用于加強A380艙壁，顯著提高了其強度及穩(wěn)定性。達(dá)索公司使用RTM工藝制造了獵鷹7X飛機泡沫夾芯主起落架艙門。灣流宇航公司使用VARI工藝制造了新一代的一體化泡沫夾芯機身腹部整流罩，其具有優(yōu)異的表面質(zhì)量和極高的纖維體積含量。

有學(xué)者研究了金屬模具、氣囊模具、水溶性模具的優(yōu)缺點，最后制定了一套基于水溶性模具的管狀件成型方案[1]。還有研究了成形管狀件用組合式金屬模具、水溶性模具、復(fù)合材料組合模具等3種模具方案及特點，最后制定了一套基于組合式復(fù)合材料模具的管狀件RTM成型工藝方案[2]。還有歸納了一套聚酰亞胺硬質(zhì)塑料泡沫加強的前緣蒙皮制造工藝方案[3]。介紹了一種陰陽合模成形進(jìn)氣道制件的模具方案[4]。又利用短切纖維模壓成型工藝成功制造了一種管狀薄壁異形件[5]。

本試驗針對一體化的復(fù)合材料雙曲率異形泡沫夾層制件，從制件結(jié)構(gòu)特征分析、工裝方案、成型方案等方面展開研究，制定了一套高效、高可靠性的成型方案。

1 制件結(jié)構(gòu)特點與選材

1.1 制件介紹

本研究的異形泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件為桶狀雙曲率泡沫夾層結(jié)構(gòu)，制件由雙曲異形蒙皮、泡沫芯、復(fù)材框3部分組成，外形酷似一顆“蘑菇”。其中異形蒙皮部分為大曲率傘狀結(jié)構(gòu)，異形蒙皮靠近前緣口部分為窄長結(jié)構(gòu)，尾部為寬短結(jié)構(gòu)，且自下而上呈“S”形扭曲；泡沫芯為全高度環(huán)狀結(jié)構(gòu)；復(fù)材框為C形截面環(huán)狀框結(jié)構(gòu)，腹板與泡沫芯貼合，緣條與異形蒙皮貼合。異形外蒙皮是制件的結(jié)構(gòu)主體，前緣口內(nèi)填充環(huán)狀泡沫芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強，復(fù)材框包覆在環(huán)狀泡沫芯上對其進(jìn)行保護，具體如圖1所示。

1.2 材料選用

本文研究的PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)雙曲率異形件屬于次承力結(jié)構(gòu)件，工作環(huán)境溫度較低，因此蒙皮、復(fù)材框選用5228A/CF3031高溫固化環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司）?？紤]到防雷擊需求，避免雷電損傷導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷失效，唇異形蒙皮外表面鋪附一層防雷擊表面膜J-266LSP-CU141高溫固化環(huán)氧復(fù)合材料防雷擊表面膜（黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院）[6-7]。前緣口區(qū)域環(huán)狀泡沫芯可以提高制件整體剛性、增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，泡沫芯選用Cascell 52WH-HT聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）閉孔剛性泡沫塑料（浙江中科恒泰新材料科技有限公司），其具有突出的化學(xué)和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能及機械加工性能，與蜂窩芯相比具有更好的耐環(huán)境性[8]。泡沫芯與蒙皮使用SY-14M（Ⅱ）高溫固化復(fù)合材料膠粘劑（中國航發(fā)北京航空材料研究院）膠接，泡沫芯周圈及拼縫處使用SY-P1B發(fā)泡結(jié)構(gòu)膠粘劑（中國航發(fā)北京航空材料研究院）填充。

2 制造方案

2.1 模具方案

目前能夠滿足類似雙曲率異形件成型要求的模具方案主要有水溶性模具、金屬模具、復(fù)合材料模具和低熔點合金模具。水溶性模具通常為砂型模，經(jīng)過配料、鑄造塑形、修型、固化、表面處理等工藝制造模具[1-2]，水溶性模具準(zhǔn)備周期較長、一次性使用，型面精度一般，環(huán)保性較差，目前已逐步淘汰；金屬模具結(jié)構(gòu)形式可選陰陽組合模、框架式模具、類回轉(zhuǎn)體式等，型面精度較高，可以重復(fù)使用，往往越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)其模具方案也越復(fù)雜，設(shè)計難度較大。復(fù)合材料模具需借助過渡模預(yù)成型，再進(jìn)行組裝、型面加工，具具有輕量化、升溫速率和溫度均勻性優(yōu)異的特點，但其制造成本高、使用溫度受限、使用壽命短[9]等弊端限制了其應(yīng)用。低熔點合金模具通過調(diào)整合金配比使得合金熔點稍高于樹脂固化溫度，固化后進(jìn)行二次升溫，實現(xiàn)低溫合金熔化回收及零件脫模。一般用于中低溫復(fù)合材料固化成型，能夠滿足異形零件的成形需求，但其準(zhǔn)備周期長、設(shè)備占用率高、綜合成本高。

綜合考慮型面質(zhì)量、制造成本、制造周期、使用成本等因素，最終選擇鋼制金屬模具方案。

2.2 工藝方案

由于研究的復(fù)合材料雙曲率異形泡沫夾層件結(jié)構(gòu)外形特殊，無法使用二次膠接或共膠接工藝，只能采用共固化工藝成型，其中泡沫芯采取數(shù)控銑切加工，預(yù)浸料片選擇數(shù)控裁剪、手工鋪貼，鋪貼完成后制作真空袋送入熱壓罐高溫共固化成型，成型工藝流程圖如圖2所示。

制件固化工藝參數(shù)：對真空袋施加壓力不低于0.08 MPa；在室溫到80 ℃加壓，壓力加至0.14 MPa時真空通大氣，滿壓為（0.3±0.035）MPa；以小于2 ℃/min升溫速率升溫至（130±5）℃，保溫30～60 min；然后繼續(xù)以小于2 ℃/min升溫速率升溫至（185±5）℃，保溫120～180 min；最后以小于等于2 ℃/min降溫速率降至60 ℃以下泄壓出罐。

3 技術(shù)難點及解決措施

3.1 模具選擇與設(shè)計問題

異形蒙皮型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣動外形型面質(zhì)量要求高，常規(guī)的模具形式無法滿足成型、脫模要求，模具方案需創(chuàng)新設(shè)計。異形泡沫夾芯結(jié)構(gòu)制件前緣部分為典型的U型環(huán)狀結(jié)構(gòu)，截面呈U型敞口形式，常規(guī)框架式模具能夠滿足成型需求。異形蒙皮靠近泡沫芯一端為窄長結(jié)構(gòu)，尾部為寬短結(jié)構(gòu)，自下而上呈“S”形扭曲，整體呈 “喇叭狀”，該部分選用分塊組合芯模方案，滿足制件成型、脫模需求。分塊芯模在前緣口與中間桶狀蒙皮切面處對接組合，與模具底座采用銷釘定位、螺栓連接固定，附帶吊環(huán)輔助芯模脫出。產(chǎn)品固化完成后，拆卸銷釘及螺栓，按照順序脫出芯模，實現(xiàn)產(chǎn)品脫模，如圖3所示。

經(jīng)加工試驗驗證，芯模對縫間隙小于0.1 mm，零件鋪貼過程順利，脫模時借助芯模分塊上的吊環(huán)孔將芯模逐塊取出，所有芯模拆卸完畢后將零件起模。零件固化后表面樹脂浸潤效果好、無孔隙無貧膠，如圖4所示。

3.2 環(huán)狀泡沫芯拼接成型質(zhì)量問題

異形件鋪貼為保證預(yù)浸料平整貼胎需增加鋪層剪口，剪口鋪層搭接局部厚度增加影響型面質(zhì)量及泡沫芯配合質(zhì)量。前緣口尖部曲率大、操作空間狹小，易產(chǎn)生纖維架橋、褶皺等鋪層缺陷，影響泡沫芯拼接效果及制件成型質(zhì)量。環(huán)狀泡沫芯由于異形蒙皮影響無法整體鋪貼到位，須進(jìn)行分塊拼接成型，拼縫數(shù)量及位置選擇會影響操作難度與拼接質(zhì)量。通過以下3點進(jìn)行改進(jìn)預(yù)防：

（1）鋪貼采用手工鋪貼方式，鋪層剪口位置預(yù)浸料對接13～25 mm，剪口位置盡量避開泡沫芯區(qū)域，如無法避開則應(yīng)保證每層剪口錯開50 mm，每個位置僅存在一處剪口，避免搭接材料造成的厚度差異過大。經(jīng)驗表明層貼過程中增加真空壓實次數(shù)可以明顯提高預(yù)浸料壓實質(zhì)量；

（2） 異形蒙皮鋪貼結(jié)束后進(jìn)行一次0.5 MPa熱壓，實現(xiàn)預(yù)浸料層間的緊密結(jié)合，避免前緣口尖部、蒙皮翻遍轉(zhuǎn)角處纖維架橋褶皺，熱壓實后蒙皮接近固化后的厚度，可有效避免泡沫芯架橋。參考文獻(xiàn)[10]方法，對比0.5 MPa/65 ℃/30 min、0.5 MPa/95 ℃/30 min 2種熱壓實壓力參數(shù)下預(yù)浸料壓實狀態(tài)。結(jié)果表明：0.5 MPa/65 ℃/30 min熱壓實后預(yù)浸料層間較為疏松， 刮趕鋪層表面時出現(xiàn)明顯的纖維屈曲現(xiàn)象；0.5 MPa/95 ℃/30 min熱壓實后預(yù)浸料層間貼合緊密，使用刮板類工具刮趕鋪層，材料纖維未出現(xiàn)明顯屈曲。因此確定最終熱壓實參數(shù)：對真空袋施加不低于0.08 MPa的真空壓力并保持全過程抽真空，熱壓罐加壓到（0.5±0.035）MPa，罐內(nèi)溫度不超過95 ℃，保壓至少30 min；

（3）泡沫芯采用SY-P1B發(fā)泡膠拼接工藝。泡沫芯分段處使用同質(zhì)泡沫修整，修整拼縫寬度1.5～2.0 mm，然后使用1.5 mm厚、、與泡沫芯等截面發(fā)泡膠填充拼縫。

本研究中共選取了3種泡沫芯拼接方案：方案1的拼接方式分塊數(shù)量最少，但單塊泡沫芯較大，放置難度較大，拼接縫與硅橡膠芯模對縫位置重合，拼接縫處表面質(zhì)量差；方案2拼縫選擇在異形蒙皮張口最小處，泡沫芯放置相對容易；方案3拼縫分布在四角， 泡沫芯分塊最小，最容易放置。結(jié)果表明：方案1、方案3均能滿足零件成型要求，拼縫均位于硅橡膠芯模下，表面質(zhì)量好；比較而言，方案2拼縫更少，無損質(zhì)量風(fēng)險更低。

經(jīng)加工試驗驗證，針對性的鋪層搭對接設(shè)計方案能夠有效避免局部搭接過多，鋪層厚度變化差異過大。 熱壓實工藝能夠有效改善預(yù)浸料層間壓實效果，保證泡沫芯可以順利放置到位并與前緣口蒙皮配合均勻。泡沫芯拼接縫均勻，拼接效果良好，有效解決了環(huán)狀泡沫芯在異形閉角區(qū)的成型問題。

3.3 泡沫芯勻壓與閉角空間成型難題

（1） 本實驗表明，進(jìn)行干燥處理能夠有效去除泡沫芯內(nèi)部水分，提高PMI泡沫的抗蠕變性能，提高其高溫成型時的尺寸穩(wěn)定性[8]。泡沫芯干燥處理工藝參數(shù)：在（130±5）℃溫度環(huán)境下，保溫（120±10）min；

（2）硅橡膠輔助成型通過2種方式：一種是熱膨脹加壓，利用封閉空間內(nèi)硅橡膠自身熱膨脹對產(chǎn)品產(chǎn)生壓力；另一種是傳遞壓力，固化壓力通過硅橡膠均勻傳遞到產(chǎn)品表面。

針對形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，使用軟模與硬模結(jié)合的方案能夠有效解決固化過程中的壓力傳遞問題[11-12]。硅橡膠軟模輔助加壓能避免真空袋架橋，也能實現(xiàn)封閉腔的加壓及脫模。

本工藝中使用硅橡膠材料為美國Airtech 公司的液體雙組分硅橡膠Aircast 3700A/B，按照復(fù)材框內(nèi)型加工金屬模具澆鑄硅橡膠芯模，硅橡膠芯模截分為2～3段使用，斷面位置避開泡沫芯拼縫。使用時將橡膠芯模與預(yù)浸料使用隔離膜分開，便于制件固化后能夠順利脫模。為了獲得更好的表面質(zhì)量，也可以選擇在制件內(nèi)表面對接鋪貼一層Airtech 公司的BLEEDER LEASE B或其他等效撕下層，在硅橡膠芯模表面鋪貼一層Airtech 公司的TOOLTEC A005或其他等效脫模布，脫模布盡可能斷開對接以避免限制硅橡膠膨脹，影響加壓效果。硅橡膠芯模使用時腹板面主要起勻壓作用，均勻傳遞罐壓；兩側(cè)緣條面主要起膨脹加壓作用，保證復(fù)材框緣條層間無損質(zhì)量。

經(jīng)加工試驗驗證，零件成型后泡沫芯拼縫處表面平整光滑，未出現(xiàn)泡沫芯塌縮、拼縫鼓包、拼縫階差等問題，拼縫處超聲檢測合格。硅橡膠芯模能夠保證泡沫芯上均勻受壓，成型質(zhì)量優(yōu)異。

4 結(jié)語

（1）分塊化的工裝設(shè)計，實現(xiàn)了異形零件的成形及脫模需求，在保證了零件成型質(zhì)量的前提下同時滿足了脫模簡便、操作性強的要求；

（2）增加真空壓實次數(shù)并進(jìn)行0.5 MPa/95 ℃/30 min熱壓工藝能夠明顯提升壓實效果，使得濕態(tài)下的預(yù)浸料接近固化后的厚度，顯著提高零件表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量；

（3）泡沫芯拼接工藝有效的解決了異形夾層結(jié)構(gòu)零件的成形問題，通過對比不同的泡沫芯拼接方案，最終確定了泡沫芯拼接方案2最為理想；

（4）高溫自膨脹硅橡膠芯模的使用解決了真空袋架橋帶來的質(zhì)量風(fēng)險，同時有效的解決了壓力傳遞不均勻的問題，對于改善泡沫芯拼接質(zhì)量以及零件表面質(zhì)量效果明顯。

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