王 瑩 蘇 霞 肖光明

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

復(fù)合材料在現(xiàn)代先進(jìn)機(jī)體結(jié)構(gòu)上的用量日益增長(zhǎng)，并逐漸實(shí)現(xiàn)了從非承力和次承力構(gòu)件到尾翼級(jí)主承力構(gòu)件再到機(jī)翼與機(jī)身主承力構(gòu)件的應(yīng)用。在航空領(lǐng)域中飛機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化尤為重要，碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)解決了這個(gè)難題，復(fù)合材料在航空飛行器中廣泛應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低40%、成本降低30%[1-2]。

該文論述的復(fù)合材料雙曲縱橫加筋壁板是一種較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，與共膠接工藝相比，采用的共固化工藝外形尺寸大，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在共固化成型過程中需要使用大量的模具工裝，模具材料的選擇和模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在很大程度上影響復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量和表面狀態(tài)。這一類型的制件制造還存在較多的制造加工難點(diǎn)，例如長(zhǎng)桁胚料的預(yù)制體制備、預(yù)壓實(shí)工藝參數(shù)設(shè)定、長(zhǎng)桁軸線度控制以及轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)質(zhì)量問題。該文以雙曲U型外翼加筋壁板為研究對(duì)象，從工藝流程、工裝結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行深入研究，制定一套合理的工藝方案，并研制了符合設(shè)計(jì)要求的制件。

1 產(chǎn)品描述

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

該文截取雙曲縱橫加筋層壓結(jié)構(gòu)壁板為典型結(jié)構(gòu)，由1張蒙皮，9根“U”形長(zhǎng)桁（展向）、2根“L”形長(zhǎng)桁（展向），10根長(zhǎng)桁層壓夾芯（展向），1根“T”形肋下緣條（航向）組成。全部零件為復(fù)材件（如圖1所示）。零件最大尺寸為5.20m×2.85m，最大厚度為7.47mm。

圖1 外翼翼盒下壁板總體結(jié)構(gòu)示意圖

該文中論述的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由圖1可以看出，縱橫分布的加強(qiáng)筋之間均存在裝配關(guān)系；蒙皮厚度變化區(qū)間較大，從機(jī)翼尖部到機(jī)翼根部存在的厚度差為5mm，對(duì)其工裝結(jié)構(gòu)來說，制件在熱壓罐中的放置位置都是保證產(chǎn)品完全固化的重要因素。

1.2 使用材料介紹

該文中論述的外翼翼盒下壁板主要是復(fù)合材料碳纖維制品，由于其要求制件剛強(qiáng)度要求，此次試驗(yàn)件采用了T800級(jí)碳纖維預(yù)浸料。所涉及的主材料見表1。

表1 材料信息表

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)

2 工藝方案與制造流程

采用蒙皮與9根“U”形長(zhǎng)桁（展向）2根“L”形長(zhǎng)桁（展向）共固化，同時(shí)與10根長(zhǎng)桁層壓夾芯（展向），1根“T”形肋下緣條（航向）共膠接方案，熱壓罐成型。如圖2所示。

圖2 制造流程簡(jiǎn)圖

3 工裝方案選擇

3.1 “T”形肋上緣條工裝

上緣條零件為“T”形，零件長(zhǎng)度為2542mm，寬度為94mm，腹板面高度為85mm，厚度為4.15mm?？紤]零件成型的可靠性以及經(jīng)濟(jì)性，工裝選用鋼材料，由底座和2個(gè)“L”形半長(zhǎng)桁模具（帶減輕孔）組成，如圖3所示。2個(gè)“L”形半長(zhǎng)桁模具減輕位置應(yīng)對(duì)稱，其中一個(gè)“L”形半長(zhǎng)桁模具應(yīng)與工裝底座一體（即定模），另一個(gè)“L”形半長(zhǎng)桁模具分段（即動(dòng)模），該長(zhǎng)桁零件須分別鋪貼后進(jìn)行組合，因此工裝采用動(dòng)-定模的結(jié)構(gòu)形式，分別完成鋪貼后，由動(dòng)模的一側(cè)推向定模的一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)組合；在工裝一側(cè)增加擋條使分段半模連成一體，其自身無(wú)連接關(guān)系，兩半模完成組合后，須使用工裝檔條限定長(zhǎng)絎模具位置，保證成型質(zhì)量；在工裝上劃出零件邊緣線，以確保零件手工切割正確；在肋緣條面上標(biāo)記相對(duì)蒙皮上變截面的開始線和終止線及緣條邊20mm余量線，當(dāng)用于長(zhǎng)桁與蒙皮組合時(shí)，對(duì)比兩者的匹配性，保證膠接質(zhì)量；為保證零件厚度，工裝應(yīng)帶有控制肋腹板厚度的控厚塊（控厚塊的公差為0～-0.1mm），用于保證零件厚度；同時(shí)有啟模/脫模裝置（撬口），便于零件脫模；工裝上配套ARIPAD及AIRCAST3700壓力墊作為輔助工裝，且應(yīng)有曲率變化，用于保證緣條面質(zhì)量。

圖3 長(zhǎng)桁工裝結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 組合膠接夾具

該文論述的組合膠接夾具為鋼材料，如圖4所示，該工裝用于下蒙皮、肋緣條、長(zhǎng)桁層壓夾芯（共10根）和長(zhǎng)桁（共9根“U”形長(zhǎng)桁，2根“L”形長(zhǎng)桁）固化成型。由壁板鋪貼成型模、卡板、“L”形角材以及輔助定位裝置組合而成。該工裝在各長(zhǎng)桁位置處有一定位裝置，用于保證長(zhǎng)桁零件在固化過程中的位置準(zhǔn)確度；每根長(zhǎng)桁位置處配有“L”形擋板，擋板間至少每米增加1個(gè)加強(qiáng)板，用于增強(qiáng)“L”形擋板的強(qiáng)度，注意避開各加強(qiáng)板位置，便于操作，避免在高溫高壓固化時(shí)的變形，且此加強(qiáng)板應(yīng)與“L”形擋板為一體，不可拆卸?！癓”形擋板應(yīng)分段，每米1個(gè)分段，并且通過加強(qiáng)板連接；每根“U”形長(zhǎng)桁的腹板面，且每隔1m配有一套夾緊裝置，并通過彈簧固定在長(zhǎng)桁定位裝置上，夾緊裝置起到了固定長(zhǎng)桁鋪貼工裝的作用；工裝上設(shè)有卡板，卡板位置設(shè)置在肋軸線處，卡板上同時(shí)設(shè)置了定位卡槽，與長(zhǎng)桁厚度間隙為0.5mm，確保零件固化過程中長(zhǎng)桁軸線位置，同時(shí)保證裝配時(shí)的準(zhǔn)確性。

圖4 組合膠接夾具結(jié)構(gòu)示意圖

4 “U”形長(zhǎng)桁制造工藝預(yù)壓實(shí)參數(shù)

“U”形長(zhǎng)桁的預(yù)壓實(shí)工藝是該零件成型的關(guān)鍵一步，“U”形長(zhǎng)桁鋪貼完成后，需要與蒙皮進(jìn)行膠接工藝，11 根長(zhǎng)桁長(zhǎng)度均為5m ，如果 “U”形長(zhǎng)桁不進(jìn)行預(yù)處理工藝，那么很難完成后續(xù)長(zhǎng)桁的轉(zhuǎn)移以及裝配工序。為滿足“U”形長(zhǎng)桁成型要求，需要選擇相應(yīng)合適的定型參數(shù)，此前無(wú)相應(yīng)規(guī)范對(duì)此工序有指導(dǎo)及借鑒意義，因此預(yù)壓實(shí)即定性參數(shù)的確定是此次研究的重點(diǎn)內(nèi)容，相應(yīng)的參數(shù)選擇由材料性能和熱壓罐成型工藝原則進(jìn)行確定?？紤]到該零件后續(xù)機(jī)加工序的可操作性，該文中論述的“U”形長(zhǎng)桁在鋪貼過程中采用無(wú)余量鋪貼，鋪貼完成后的 “U”形長(zhǎng)桁是軟的狀態(tài)，且無(wú)須后續(xù)機(jī)械加工處理，“U”形長(zhǎng)桁預(yù)壓實(shí)后直接與蒙皮進(jìn)行膠接固化。預(yù)壓實(shí)的參數(shù)顯得尤為關(guān)鍵，參數(shù)設(shè)置不合理，5m長(zhǎng)的零件轉(zhuǎn)移就是一個(gè)技術(shù)難題，還無(wú)法進(jìn)一步裝配，也不利于零件成型質(zhì)量。

為了保證參數(shù)可靠，根據(jù)其樹脂特性及壁板后續(xù)的成型工藝參數(shù)，固定其固化壓力，升降溫以及加壓點(diǎn)的設(shè)置，以保溫時(shí)間為變量，分別設(shè)定4個(gè)不同的保溫時(shí)間，分別為（60±5）℃、（75±5）℃、（83±5）℃、（90±5）℃來驗(yàn)證“U”形長(zhǎng)桁的最佳預(yù)壓實(shí)參數(shù)。采用控制變量法分別從 “U”形長(zhǎng)桁后續(xù)的成型質(zhì)量、脫模操作性以及后續(xù)膠接質(zhì)量保證等多維度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，隨著溫度升高其固化度也會(huì)持續(xù)升高，最終確定預(yù)壓實(shí)保溫溫度為（83±5）℃，見表3。

表3 不同保溫時(shí)間下的成型效果

該制件最終選擇參數(shù)四作為預(yù)壓實(shí)參數(shù)，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量，又能夠滿足工藝技術(shù)要求。

5 長(zhǎng)桁與蒙皮組合定位方案

該文中次級(jí)零件較多，且縱橫分布，尺寸大、曲率大、制造難點(diǎn)在于各次級(jí)零件在蒙皮上的定位，若各次級(jí)零件定位不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)桁軸線度偏差、零件翹曲變形等問題，對(duì)后續(xù)裝配造成無(wú)法制造的風(fēng)險(xiǎn)。為保證各次級(jí)零件在蒙皮上定位的準(zhǔn)確性，該研究采取“先中間、后兩段”、“先縱向、后橫向”的次級(jí)零件放置順序（如圖5所示），第一步放置組合膠接夾具中配備的“U”形長(zhǎng)桁定位卡板，第二步將最中間“U”形長(zhǎng)桁插入卡板下方，即 U6 長(zhǎng)桁，第三步通過定位銷將U6長(zhǎng)桁定位在組合膠接夾具定位孔內(nèi)，中間U6長(zhǎng)桁定位后，依次放置膠膜、長(zhǎng)桁層壓夾芯、U5/U7長(zhǎng)桁、膠膜、長(zhǎng)桁層壓夾芯、U4/U8長(zhǎng)桁、膠膜、長(zhǎng)桁層壓夾芯、U3/U9長(zhǎng)桁、膠膜、長(zhǎng)桁層壓夾芯、U2/U10長(zhǎng)桁、膠膜、長(zhǎng)桁層壓夾芯、U1/U11長(zhǎng)桁，注意放置各個(gè) “U”形長(zhǎng)桁的方式與 U6長(zhǎng)桁一致，均需將長(zhǎng)桁插入卡板下方，確保長(zhǎng)桁放置的位置準(zhǔn)確；最后放置固化完成的橫向T肋緣條；依次完成各次級(jí)零件的放置后，調(diào)取激光投影程序，使用激光線進(jìn)行一次放置位置的校核，再次確保長(zhǎng)桁等次級(jí)零件位置的準(zhǔn)確性，隨后放置“L”形角材，通過連接塊連接各個(gè)“L”形角材，最后，采用真空袋外夾子固定的方式，即完成制袋工序后使用夾子夾緊長(zhǎng)桁以及肋位進(jìn)入熱壓罐固化，使用袋外夾子夾緊 “U”形長(zhǎng)桁來確保固化過程中長(zhǎng)桁位置的準(zhǔn)確性，避免因固化過程中膠液流淌所造成的長(zhǎng)桁滑動(dòng)，從而引發(fā)的長(zhǎng)桁位置度超差缺陷。

圖5 “U”形長(zhǎng)桁放置組合流程簡(jiǎn)圖

6 性能測(cè)試

產(chǎn)品外形、軸線度、厚度、尺寸、內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)檢測(cè)滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)采用了制作隨爐試板驗(yàn)證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，按照ASTMD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、剪切力學(xué)性能測(cè)試以及孔隙率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

7 結(jié)論

該文以大尺寸雙曲加筋壁板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，從工裝結(jié)構(gòu)，工藝流程、技術(shù)難點(diǎn)等多方面進(jìn)行研究。深入探討了制件制造過程中的技術(shù)難點(diǎn)，有針對(duì)性地制訂解決措施并實(shí)施驗(yàn)證，并工程批量化穩(wěn)定生產(chǎn)，最終確定了一套流程合理，可操作性強(qiáng)，制件質(zhì)量有保障制造方案。同時(shí)為后續(xù)同類型的制件制造提供了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。