劉訓(xùn)新,成艷娜,李春媛,劉明澤,張 圣

(中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司,陜西 西安 710089)

與傳統(tǒng)金屬材料相比,先進樹脂基復(fù)合材料具有高強度、高模量、抗疲勞、可設(shè)計性好及整體成型性好等系列優(yōu)點[1]。隨著復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)的用量比例逐漸增大,其零件結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜程度也在不斷增加[2]。為了進一步發(fā)揮復(fù)合材料整體成型的優(yōu)點[3],避免使用緊固件增重、減少機械連接所引起的結(jié)構(gòu)損傷、縮短整體結(jié)構(gòu)的裝配周期[4],對于飛機壁板零件采用高耐久性、高溫固化的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠膜將多根復(fù)材J型肋與復(fù)材蒙皮粘接成整體的密肋式加筋壁板組件,成為一體式零件結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮復(fù)合材料整體成形的優(yōu)勢,同時大大降低整體結(jié)構(gòu)裝配周期。依據(jù)壁板膠接組合時J型肋與蒙皮固化狀態(tài)差異,將加筋壁板的成型工藝方法分為3類,即共固化成型[5](J型肋和蒙皮均未固化)、共膠接成型[6-8](J型肋或蒙皮已固化)、二次膠接成型[9](J型肋和蒙皮均已固化)[4]。上述工藝中共固化成型所使用工裝的結(jié)構(gòu)復(fù)雜二次膠接成型成本高,考慮高腹板J型肋的結(jié)構(gòu)特點及用途,采用共膠接工藝既可增加加筋壁板的強度裕度,又將蒙皮設(shè)計成變厚度結(jié)構(gòu),有效的減少了飛機重量,同時在某些區(qū)域設(shè)計插層鋪層,兼顧滿足了承力部位的強度要求,達到了“避重且強”的目的。共膠接工藝中濕肋干蒙皮共膠接成型工藝需要實現(xiàn)J型肋的無余量固化成型,同時J型肋與蒙皮定位度高,膠接區(qū)域的內(nèi)部無損控制等方面均對膠接成型模具的設(shè)計合理性、制造精確性有較高要求,且該類型膠接組合模具在使用時的配合精度要求高,因此設(shè)計及工藝人員更青睞于干肋濕蒙皮的共膠接成型工藝。

通過分析高腹板密肋式J型加筋壁板零件的成型特點和制造技術(shù)難點,在零件研制過程中,以軸線度控制與缺陷抑制為關(guān)注重點,針對熱壓罐成型[11]過程中涉及的高腹板J型肋的高質(zhì)量成型、高腹板J型肋的軸線度控制及壁板共膠接成型缺陷抑制等方面進行了全方位的研究探索,并進行了全尺寸試驗件制造,將J型加筋壁板的成型工藝、工裝方案與質(zhì)量控制方案進行了充分驗證[1],旨在為高腹板密肋式J型加筋壁板的高質(zhì)量批次生產(chǎn)制造奠定工程化應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

J型加筋壁板零件為單排密肋式結(jié)構(gòu),如圖1所示。其由變厚度蒙皮層壓件及8根J型加強肋膠接而成,壁板蒙皮尺寸長約3 700 mm,寬約710 mm,變厚度范圍為2.64～3.52 mm。加強肋為碳纖維織物層壓結(jié)構(gòu),J型肋外形尺寸約為540 mm(長度)×250 mm(腹板高度) ×50 mm(緣條寬度),厚度為2.64 mm,J型肋腹板與緣條過渡圓角內(nèi)R為3 mm,具體如圖2所示。壁板蒙皮與肋本體材料均為T800級高強中模碳纖維織物高韌性高溫固化環(huán)氧預(yù)浸料AC531/CF8611,J型肋三角區(qū)加捻材料為T800級高強中模碳纖維高韌性高溫固化環(huán)氧單向帶預(yù)浸料AC531/CCF800H,J型加強肋與蒙皮之間通過高耐久性高溫固化環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠膜J-375粘接組合。

圖1 高腹板密肋式J型加筋壁板結(jié)構(gòu)圖

圖2 高腹板J型肋結(jié)構(gòu)圖

1.2 技術(shù)指標

(1)零件厚度公差:零件層壓板名義厚度1 mm<δ<4 mm時,厚度公差按零件層壓板名義厚度±8%;

(2)質(zhì)量公差:按±8%控制;

(3)外形尺寸公差:按HB7741執(zhí)行;

(4)復(fù)材肋軸線偏差:軸線偏差為±1 mm;

(5)型面公差:零件成形后按成形模、檢驗卡板或其它檢驗設(shè)備檢查貼模間隙,可在300 mm的距離上施加50 N的力,允許壁板蒙皮翹曲不超過0.2 mm/1 000 mm;

(6)外觀質(zhì)量:零件表面應(yīng)光潔,纖維絲束清晰可見,表面纖維被樹脂均勻覆蓋,不允許有目視明顯可見的富樹脂區(qū)和貧樹脂區(qū)。

2 實驗方法

2.1 高腹板J型肋成型工藝優(yōu)化

高腹板J型肋為帶翻邊的“J”型結(jié)構(gòu),采用數(shù)控下料、手工鋪貼的熱壓罐共固化成型工藝,零件外形采用手工銑切的方法。鋪貼鋪貼共分為4部分,先使用左右組合模分別進行鋪貼,左右組合模對合后,在三角區(qū)加捻,再將右半模緣條面翻至左半模緣條面,具體工藝流程圖如圖3所示。

圖3 高腹板J型肋制造流程圖

2.2 J型加筋壁板成型工藝優(yōu)化

高腹板密肋式J型加筋壁板采用濕態(tài)蒙皮與干態(tài)J型肋共膠接的成型工藝方法,J型肋通過袋內(nèi)定位卡板進行定位,零件外形采用數(shù)控銑切,具體工藝流程圖如圖4所示。

圖4 高腹板密肋式J型加筋壁板制造流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 高腹板J型肋的高質(zhì)量成型

J型肋制造是J型加筋壁板制造流程中的一個重要環(huán)節(jié)。J型肋一般由4部分組成,上、下瓣緣條及中間R區(qū)的填充物和底緣。J型肋的制造包括肋緣條各部分的鋪貼以及組合2個工藝過程,高腹板J型肋的成型工裝結(jié)構(gòu)圖如圖5所示,該結(jié)構(gòu)為上、下合模的結(jié)構(gòu)形式,且為了鋪貼操作方便,在上、下芯模內(nèi)部采用了減重設(shè)計,將其設(shè)計為空腔式結(jié)構(gòu),既滿足鋪貼需求,同時滿足了操作人員鋪貼時的便利性。在單獨上、下芯模鋪貼完成后,進行合模操作時,在J型肋中部孔及腹板邊緣余量處設(shè)計導(dǎo)引孔,便于合模時上下芯模的精確定位。同時中部設(shè)計圓孔,腹板余量區(qū)設(shè)計長圓孔,在熱壓罐中固化時,在保證芯模定位精度的前提下,釋放沿制件長度方向高溫下復(fù)材制件與工裝熱膨脹系數(shù)不一致引起的應(yīng)力,保證制件均勻受壓,避免腹板面因上下芯模配合狀態(tài)不佳引起的貧膠、密集孔隙及厚度超差等內(nèi)部缺陷。

圖5 J型肋成型工裝結(jié)構(gòu)圖

高腹板J型肋的鋪貼流程圖如圖6所示。J型肋翻邊位置處在高溫高壓下固化時,翻邊R區(qū)因狹小區(qū)域無法受壓,極易產(chǎn)生纖維褶皺,固化后高腹板J型肋在R區(qū)存在“硬褶”。為了解決上述問題采用在R區(qū)狹小區(qū)域采取間接傳壓的方法,改善R區(qū)的成型質(zhì)量,避免纖維皺褶的產(chǎn)生。借鑒復(fù)材制件變曲率型面上使用復(fù)材壓力墊的經(jīng)驗,在合模操作完成后,在R區(qū)內(nèi)部放置2層使用無孔隔離膜包裹的GS213密封膠條。充當(dāng)間接傳壓的介質(zhì)。同時在翻邊外部覆蓋2層AIRpad硅橡膠充當(dāng)復(fù)材壓力墊的作用。AIRpad延伸率為400%,拉伸強度約9 000 kPa,單層厚度1.58 mm,其良好的彈性,能夠自適應(yīng)翻邊型面的變化[7]。

圖6 高腹板J型肋鋪貼圖

從工裝結(jié)構(gòu)細節(jié)優(yōu)化及間接傳壓工藝措施的雙重作用下,能夠滿足高腹板J型肋的高質(zhì)量成型。

3.2 高腹板J型肋的軸線度控制

區(qū)別于T型加筋壁板的使用場景需求,在部組件裝配時,高腹板密肋式J型加筋壁板的要求更為嚴苛,作為一體式復(fù)材結(jié)構(gòu),J型加筋壁板在裝配時肋本體既要滿足整體定位的要求,又要滿足在J型肋翻邊制孔機械連接時的孔邊距要求。嚴苛的使用環(huán)境要求J型肋的軸線度須控制在±1 mm的范圍內(nèi),且J型肋獨特的外形結(jié)構(gòu),使得膠接時定位裝置與T型加筋壁板膠接時T型長桁的定位裝置完全不同,T型長桁膠接定位卡板如圖7所示。高腹板J型肋因其“高”及“翻邊結(jié)構(gòu)”的特殊外形無法使用T型長桁的定位卡板,該類型的定位卡板無法滿足J型肋的穩(wěn)定性限位及定位的要求。

圖7 T型長桁膠接定位卡板結(jié)構(gòu)圖

綜合考慮J型肋的外形特征及軸線度要求,采用支撐式定位卡板進行高腹板密肋式J型加筋壁板達到組件膠接時J型肋的限位、定位及軸線控制的目的。J型肋側(cè)支撐式定位卡板如圖8所示。

圖8 J型肋膠接定位卡板結(jié)構(gòu)圖

類三角形外形設(shè)計滿足高腹板的支撐需要,同時內(nèi)側(cè)放置圓盤式壓緊裝置與外側(cè)卡板在定位時進行緊固連接,避免了高腹板J型肋在熱壓罐高溫高壓下側(cè)傾的風(fēng)險,具有良好的限位固持效果。同時在內(nèi)側(cè)設(shè)置長方條狀定位裝置,保證了J型肋沿肋位的位置度要求。在定位卡板上設(shè)計可拆卸式鉆套,在組件固化結(jié)構(gòu)后,未脫模狀態(tài)下進行定位孔鉆制,極大的提高了裝配定位孔的孔位精度。同時卡板進行減輕孔設(shè)計方便裝配操作,定位卡板兩側(cè)選用“1+2”定位銷的定位方式與工裝進行連接,良好的防差錯措施避免了卡板的錯誤使用。制袋時將卡板進行包裹在袋內(nèi),消除真空袋及其他輔助材料厚度引入的定位誤差。

J型肋在膠接成型時使用的獨特定位卡板,從圓盤壓緊裝置到整體限位、定位裝置,從而保證了高腹板密肋式J型加筋壁板的軸線度要求,軸線度測試結(jié)果如表1所示。

表1 高腹板J型肋軸線度檢測表

3.3 共膠接成型缺陷抑制技術(shù)創(chuàng)新

加筋壁板不同的膠接方式導(dǎo)致成型時選用的工藝控制措施存在差異。干肋濕蒙皮共膠接的成型工藝方法側(cè)重于控制濕態(tài)蒙皮在膠接固化前的鋪貼、壓實狀態(tài)及固化后的外觀質(zhì)量、厚度狀態(tài)。濕態(tài)蒙皮在鋪貼時使用激光投影儀設(shè)備進行鋪層定位,能有效控制鋪貼時纖維角度的偏差要求。同時在鋪貼后,進行蒙皮預(yù)制體預(yù)壓實處理,保證濕態(tài)蒙皮在組件膠接前的層間致密性。預(yù)壓實參數(shù)如下:全過程抽真空,真空壓力不低于0.08 MPa,預(yù)壓實溫度小于等于65 ℃,加壓到(0.65±0.035)MPa,保壓時間不低于20 min。

濕態(tài)蒙皮在完成熱壓實處理后,使用定位卡板進行J型肋軸線度控制與定位,最后與高腹板J型肋進行2次膠接成型。蒙皮非膠接區(qū)域的壓力傳遞在膠接成型中是尤為關(guān)鍵的環(huán)節(jié),壓力傳遞不合適,會導(dǎo)致零件層壓區(qū)產(chǎn)生孔隙、貧膠、纖維皺褶等缺陷。J型加筋壁板的膠接區(qū)域狀態(tài)相對復(fù)雜,在制袋時J型肋底緣區(qū)域極易架橋,若不采用工藝輔助措施,J型壁板在膠接后整體內(nèi)部質(zhì)量較差。通過試驗發(fā)現(xiàn),選用Airpad+碳布交叉鋪放的形式的復(fù)材壓力墊,可維持蒙皮非膠接部位的表面質(zhì)量。復(fù)材壓力墊鋪層的設(shè)計與J型肋底緣厚度關(guān)聯(lián)。研究對象J型肋底緣厚度為2.67 mm。根據(jù)厚度匹配原則,確定壓力墊鋪層為Airpad+碳布+Airpad3層結(jié)構(gòu)式壓力墊[7-8]。壓力墊的外形結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。

圖9 復(fù)材壓力墊外形結(jié)構(gòu)形式

壓力墊優(yōu)良的回彈效果及材料本身的延展性可隨著蒙皮變厚度區(qū)域型面變化產(chǎn)生較好的賦型效果。同時壓力墊使用定位孔的形式與蒙皮、工裝串聯(lián)發(fā)生定位關(guān)系,避免壓力墊在熱壓罐中發(fā)生滑移。復(fù)材壓力墊J型肋粘接區(qū)域在進行數(shù)控切割時其外形比J型肋外形大2 mm,避免壓力墊時與J型肋底緣面干涉。另將壓力墊在一側(cè)進行斷開,避免在熱壓罐中高溫下,因壓力墊膨脹導(dǎo)致蒙皮纖維屈曲。

4 結(jié)語

研究從高腹板J型肋的高質(zhì)量成型、J型肋的軸線度控制、J型肋加筋壁板共膠接成型缺陷抑制等3個方面,論述了高腹板密肋式J型加筋壁板共膠接工藝成型的技術(shù)難點。同時充分驗證了J型肋R翻邊質(zhì)量優(yōu)化成型、袋內(nèi)卡板控制軸線、軟-硬復(fù)合式壓力墊使用等輔助工藝方法,從而實現(xiàn)了J型加筋壁板良好的成型效果。軸線偏差、外形公差及產(chǎn)品質(zhì)量均滿足工程化的要求。通過本項目的實施,建立了J型肋高質(zhì)量成型的工藝方法,開發(fā)了一種J型肋軸線度精確控制的定位手段,固化了J型加筋壁板的缺陷抑制方案,同時為其他軍民機型號同類型加筋壁板的成型工藝提供了豐富的制造經(jīng)驗。