劉訓(xùn)新， 蘇 霞， 白婭萍， 張凱宸， 元振毅

（1.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 陜西 西安 710089；2.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院， 陜西 西安 710072）

0 引 言

與傳統(tǒng)的金屬材料相比，先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及整體成型好等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)良的航空結(jié)構(gòu)材料，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量比重日益提升，尤其適用于大型或整體飛機(jī)零件，已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)程度的指標(biāo)之一[1-2]。目前國(guó)內(nèi)航空領(lǐng)域也在逐步加大復(fù)合材料用量，其使用部位也逐步過渡到飛機(jī)機(jī)翼、翼盒、機(jī)身等主承力零件，有效提升了飛機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、航程及載重[3]。

為了進(jìn)一步降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)上緊固件用量和裝配周期，避免機(jī)械連接所引起的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷，整體共固化或二次膠接成型成為復(fù)合材料制造的主流工藝[4]。鄧帆等[5]和周源琦等[6]采用試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)，對(duì)復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)共固化過程的內(nèi)部壓力演化過程進(jìn)行了研究，并確定了相應(yīng)的硅膠模具開孔尺寸。閆恩瑋等[7]針對(duì)Z 形長(zhǎng)桁壁板整體成型工藝，研究了Z 形長(zhǎng)桁的樹脂流動(dòng)和厚度控制以及壁板組件固化變形分析控制等問題。徐偉偉等[8]采用共固化和共膠接2 種不同工藝制備了M40J 級(jí)碳纖維/雙馬樹脂基復(fù)合材料層合板，研究了2 種工藝對(duì)復(fù)合材料層合板層間性能和膠接質(zhì)量的影響。薛向晨等[9]探索了不同倒角的長(zhǎng)桁下凸緣邊緣與蒙皮共膠接后鋪層的褶皺程度，并分析了褶皺的形成原因，結(jié)果表明對(duì)長(zhǎng)桁下凸緣邊緣倒角后可以明顯改善蒙皮褶皺的情況，并且倒角越銳利蒙皮的褶皺程度越小。

然而，像飛機(jī)垂尾盒段肋組件，對(duì)結(jié)構(gòu)厚度、表面質(zhì)量以及膠接質(zhì)量要求較高，導(dǎo)致其整體成型工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大，缺乏系統(tǒng)性的成型工藝方法，這對(duì)零件批量化生產(chǎn)的穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)。目前，只能采用工藝試錯(cuò)或強(qiáng)裝配的方法進(jìn)行制造或裝配，耗時(shí)費(fèi)力，限制了復(fù)合材料在該類零部件上的應(yīng)用。為此，現(xiàn)以民用飛機(jī)垂尾盒段肋組件為研究對(duì)象，通過關(guān)鍵制造技術(shù)攻關(guān)與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究了肋本體厚度均勻化控制、肋本體表面質(zhì)量提升、肋本體與肋立柱二次膠接質(zhì)量?jī)?yōu)化控制等關(guān)鍵問題，研制符合設(shè)計(jì)要求的合格產(chǎn)品并進(jìn)行裝機(jī)應(yīng)用，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)的零件制造提供技術(shù)參考和工程借鑒。

1 零件結(jié)構(gòu)及工藝流程

1.1 零件結(jié)構(gòu)

為有效減輕飛機(jī)整體質(zhì)量，在機(jī)翼、尾翼及升降舵等部位大量使用了復(fù)合材料。民用飛機(jī)的垂尾盒段肋尺寸相對(duì)較小，但零件裝配協(xié)調(diào)關(guān)系多，且肋組件翻邊為裝配型面，對(duì)結(jié)構(gòu)外形精度與表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，制造工藝難度大。圖1 所示為典型垂尾盒段肋組件，由垂尾肋本體、垂尾肋立柱及結(jié)構(gòu)膠膜組成，長(zhǎng)度約為1 315 mm，最大寬度約為459 mm。肋本體為一側(cè)開敞，其他側(cè)邊為帶有N個(gè)小翻邊的“爬爬蝦”結(jié)構(gòu)。肋本體與4個(gè)肋立柱單獨(dú)成型后，通過結(jié)構(gòu)膠膜二次膠接整體成型為肋組件。肋立柱在與肋本體二次膠接后可有效增強(qiáng)整體肋組件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，相較于傳統(tǒng)緊固件連接的裝配模式，這種方法可以降低結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)開孔所帶來的內(nèi)部損傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 垂尾盒段肋組件整體結(jié)構(gòu)

1.2 零件材料

肋本體所用材料為高溫固化環(huán)氧標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維預(yù)浸料（碳布），牌號(hào)為CYCOM 977-2A-37-3KHTA-5H-280，材料規(guī)格為35 型280 級(jí)，技術(shù)條件為AMMS3202。肋立柱材料為高溫固化環(huán)氧標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維預(yù)浸料（單向帶），牌號(hào)為CYCOM 977-2-35-12KHTS-134，材料規(guī)格為35 型1 類134 級(jí)，技術(shù)條件為AMMS3202。其中，肋本體、肋立柱在與金屬零件進(jìn)行機(jī)械連接的裝配區(qū)最后一層鋪層采用高溫固化環(huán)氧玻璃纖維織物預(yù)浸料，牌號(hào)為7MXB766 8/120，材料規(guī)格為I 型1 類120 規(guī)格，技術(shù)條件為AMMS3101。肋本體與肋立柱粘接采用高溫固化復(fù)合材料膠接用膠黏劑，牌號(hào)為L(zhǎng)OCTITE EA 9696 030 NW AERO，材料規(guī)格為Ⅱ型5 級(jí)，技術(shù)條件為AMMS2205。

1.3 零件技術(shù)要求

零件成型后的主要技術(shù)指標(biāo)包括外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量、厚度、外形要求、立柱軸線度、孔隙率和內(nèi)部質(zhì)量，如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2 零件工藝流程及制造方案

2.1 零件制造工藝流程

鑒于肋零件外形面有較高的表面質(zhì)量要求，因此肋本體采用凹模成型，零件外形面為模具貼胎面。選用凹模鋪貼時(shí)，鋪貼空間不足且真空壓實(shí)效果不佳，易產(chǎn)生架橋現(xiàn)象，因此選用凸模鋪貼。鋪貼之后，采用凹模固化，并輔以壓力墊輔助成型，保證外型面較高的表面質(zhì)量。考慮共固化和共膠接成型工裝設(shè)計(jì)及制造難度大，且零件成型質(zhì)量不易保證，因此垂尾肋本體與肋立柱成型后，采用二次膠接成型工藝形成整體結(jié)構(gòu)，整體工藝流程如圖2所示。

圖2 垂尾盒段肋組件工藝流程

2.2 鋪貼方案

2.2.1 肋立柱成型

肋立柱成型工裝為左右合模的結(jié)構(gòu)形式，先在左、右半模上分別進(jìn)行鋪貼，然后合模、加捻，隨后進(jìn)行底面的鋪貼，最后在熱壓罐中單獨(dú)固化成型，固化后按照鋼制鉆模板上的孔位進(jìn)行制孔，用以與肋本體的二次膠接。肋立柱鋪層順序如表2 所示，肋立柱的工裝結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

表2 肋立柱鋪層角度和材料牌號(hào)

2.2.2 肋本體成型

為了保證零件的鋪貼方便性以及對(duì)厚度的精確控制，鋪貼時(shí)采用凸模鋪貼。鑒于肋本體外型面有較高的表面質(zhì)量要求，因此肋本體采用凹模成型，零件外形面為模具貼胎面，即凸模鋪貼完成后，采用鋼制凹模進(jìn)行固化成型。在固化成型過程中，采用鋁制芯模充當(dāng)壓力墊，確保零件固化壓力充足。鋁制芯模按照鋁材質(zhì)的縮比系數(shù)進(jìn)行制造，保證鋁芯模在熱壓罐內(nèi)溫度作用下發(fā)生膨脹后能夠與鋼制凹模腔體進(jìn)行匹配。肋本體鋪層順序如表3所示，肋本體的工裝結(jié)構(gòu)形式如圖4～圖6所示，具體過程如下。

表3 肋本體鋪層角度和材料牌號(hào)

圖5 垂尾盒段肋本體芯模結(jié)構(gòu)

圖6 垂尾盒段肋本體鋪貼工裝結(jié)構(gòu)

首先，在凸模鋪貼模上通過激光投影儀定位并進(jìn)行肋本體鋪層鋪貼。為了保證預(yù)制體在后續(xù)凹模中能夠與鋁制芯模外型面進(jìn)行匹配，需要在鋪貼完成后進(jìn)行預(yù)壓實(shí)處理。預(yù)壓實(shí)過程中，對(duì)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，在室溫下加壓到（0.70±0.035）MPa，保壓不低于30 min。通過預(yù)壓實(shí)處理將濕態(tài)預(yù)制體實(shí)際厚度趨向于名義厚度，且滿足芯模與凹模內(nèi)腔的間隙要求。預(yù)壓實(shí)后將鋪貼好的預(yù)制體轉(zhuǎn)移到凹模成型模上進(jìn)行固化成型，固化完成后將肋本體從鋼制模具上脫模，最后通過數(shù)控銑切完成外形面輪廓加工以及肋立柱定位孔加工。

2.2.3 肋組件二次膠接

將固化成型的肋本體與肋立柱通過結(jié)構(gòu)膠膜進(jìn)行二次膠接，肋立柱通過肋本體表面的定位孔進(jìn)行定位，如圖7所示，定位時(shí)使用鋁制工藝連接釘進(jìn)行連接，按文件XCPS25076.1 要求進(jìn)行固化。工藝連接釘?shù)氖褂帽ＷC了肋立柱在肋本體上的軸線度要求。

圖7 垂尾盒段肋組件膠接結(jié)構(gòu)工藝定位孔

3 零件制造難點(diǎn)分析

盒段肋組件是由肋本體及肋立柱通過二次膠接成型，在成型過程中肋本體的表面質(zhì)量、厚度均勻性以及肋本體與肋立柱二次膠接質(zhì)量等決定了組件最終的使用性能。

3.1 肋本體表面質(zhì)量提升

在肋本體制造時(shí)，考慮濕肋預(yù)制體狀態(tài)下的零件厚度大于固化后零件的厚度，為了保證鋁制壓力墊與濕肋預(yù)制體的間隙配合狀態(tài)良好，取消了零件表面保護(hù)層的鋪貼，僅使用無孔隔離膜進(jìn)行零件保護(hù)。同時(shí)進(jìn)口CYCOM977 材料的樹脂流動(dòng)性較好，零件固化后大量樹脂淤積在隔離膜不平整的褶皺里，導(dǎo)致零件表面質(zhì)量差。綜合考慮肋本體厚度，在工裝層面進(jìn)行綜合優(yōu)化。通過試驗(yàn)驗(yàn)證鋁制芯模的膨脹系數(shù)，增加表面保護(hù)層的工藝余量。通過工藝方案及工裝結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)優(yōu)化，使零件整體質(zhì)量得到提升。

3.2 肋本體厚度均勻性控制

垂尾盒段肋本體厚度在2～2.5 mm，按照厚度公差8%控制，公差帶為0.16～0.2 mm。當(dāng)采用常規(guī)的凸模鋪貼、凹模固化的工藝方案時(shí)，由于所選材料的樹脂流動(dòng)性較好，無法確保肋本體腹板面、R區(qū)及小翻邊厚度保持在公差帶，導(dǎo)致成型后零件厚度差異較大，無法滿足厚度均勻性要求。為了解決該問題，引入鋁制芯模，通過控制鋁制芯模與鋼制凹模之間的膨脹間隙來控制零件厚度。芯模與凹模之間的間隙滿足零件的名義厚度與表面保護(hù)層的厚度之和。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，芯模尺寸按膨脹量縮比約為0.997 8設(shè)計(jì)，且基于肋預(yù)制體未固化時(shí)的厚度因素與鋁芯模-成型模的間隙配合考慮，鋁芯模制造精度要求按-0.2～0 mm加工。

3.3 肋本體與肋立柱的二次膠接質(zhì)量控制

在肋本體及肋立柱進(jìn)行二次膠接時(shí)，膠膜高溫融化后會(huì)向四周蔓延，導(dǎo)致固化后的零件在非膠接區(qū)淤膠嚴(yán)重，手工清理工序繁瑣，并且易損傷肋本體表面與肋立柱邊緣。為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了碳纖維預(yù)浸料與Airpad 未硫化膠片結(jié)合的新型柔性邊緣擋條。在二次膠接時(shí)，使用柔性邊緣擋條進(jìn)行邊緣封膠，該方法能夠較好地控制梁骨架零件與蒙皮膠接處的溢膠情況，且溢膠均勻、稀薄、范圍可控。在完成二次膠接后，肋組件膠接界面邊緣干凈，改進(jìn)效果明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過肋本體厚度均勻性控制、肋本體表面質(zhì)量提升以及肋本體與肋立柱二次膠接質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)研究，成功研制一體化成型的復(fù)合材料肋本體。按照設(shè)計(jì)驗(yàn)收技術(shù)條件對(duì)零件進(jìn)行外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量、厚度檢測(cè)、軸線度檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合驗(yàn)收要求，并成功進(jìn)行裝機(jī)應(yīng)用。該盒形組件的成功研制，為該類型承力肋組件的制造提供整體成型的思路，有利于提升肋零件的制造技術(shù)。