摘 要 復(fù)合材料機身Ω型長桁加筋壁板通常采用共固化工藝成型，在壁板共固化成型過程中，Ω型長桁內(nèi)腔需填充芯模。芯模在鋪放過程中需要有足夠的剛性，以抵抗蒙皮自動鋪絲過程中的壓力；而芯模在固化過程中又要有足夠的彈性，能夠?qū)釅汗薜膲毫鶆虻膫鬟f給長桁內(nèi)腔。在壁板成型各個階段，如何控制芯模不同的剛度特性是壁板共固化成型技術(shù)的關(guān)鍵。本文探索一種記憶芯模，該芯模在室溫下表現(xiàn)為剛性特性，在高溫下表現(xiàn)為彈性特性。搭建芯模承壓測量系統(tǒng)，精確測量芯模在自動鋪放壓力作用下的最大變形量為0.89mm；搭建芯模傳壓測量系統(tǒng)，精確測量芯模在固化過程中的傳壓效率為80%-97%。此外，基于記憶芯模方案，探索Ω型長桁加筋壁板成型工藝過程，制造加筋壁板試驗件，并對其外觀、無損、厚度及金相進(jìn)行檢測，得到試驗件的質(zhì)量滿足要求。

關(guān)鍵詞 記憶芯模；共固化；Ω型長桁加筋壁板

Research of Co－curing Technology of Memory Mandrel for Ω－shaped Stringer Stiffened Panel

SUN Cheng1， XIE Fuyuan1， LAI Xiaoliang1， ZHANG Liwei2

（1.Huarui Aerospace Manufacturing Co.， Ltd.， Hangzhou 310018；2.Zhejiang Composite Material Application Technology Innovation Center， Hangzhou 310002）

ABSTRACT Composite fuselage Ω stringer stiffened panels are usually formed by co-curing process. In the co-curing process， the mandrel is filled in the cavity of Ω stringer on the IML tooling. The mandrel should be rigid enough to resist the compaction force of AFP roller， and the mandrel should be elastic enough to evenly transfer the pressure of the autoclave to the inner cavity of the stringer during the curing process. In each stage of panel forming， controlling the different stiffness characteristics of mandrel is the key technology of panel co-curing. This paper explores a memory mandrel， which has the rigidity of room temperature and the elasticity of high temperature. A mandrel pressure measuring system was built to accurately measure the deformation of mandrel under automatic fiber placement， the maximum deformation is 0.89mm. A mandrel pressure transfer measuring system was built to accurately measure the pressure transfer rate of mandrel mold in the curing process， the transfer rate is 80%-97%. In addition， based on the memory mandrel scheme， explored the forming process of Ω stringer stiffened panels. The test pieces of stiffened panel were manufactured， and their appearance， non-destructive， thickness and metallography were tested， and the quality of the test pieces met the requirements.

KEYWORDS memory mandrel；co-curing；Ω-shaped stringer stiffened panel

1 引言

由于復(fù)合材料具有高比強度和高比模量的特點，其在民用航空領(lǐng)域有了越來越廣泛的應(yīng)用。機身壁板作為大飛機中尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、使用工況最嚴(yán)苛、承力最關(guān)鍵的零部件之一，其能否實現(xiàn)復(fù)合材料的成功應(yīng)用，也標(biāo)志著大飛機復(fù)合材料應(yīng)用水平的高低。復(fù)合材料機身壁板通常為Ω型長桁加筋壁板結(jié)構(gòu)，為保證蒙皮與Ω型長桁的連接強度和質(zhì)量、簡化裝配工序、減輕裝配任務(wù)以及減少裝配工裝及緊固件使用，常采用共固化成型工藝方法，即壁板蒙皮和Ω型長桁同時固化［1-3］。在壁板共固化成型過程中，需在Ω型長桁內(nèi)腔填充芯模。鋪疊過程中，芯模可起到保形和支撐作用，以保證鋪疊質(zhì)量；在固化過程中，又可通過芯模將熱壓罐內(nèi)的壓力均勻的傳遞給長桁內(nèi)腔，以保證固化質(zhì)量。為此，芯模的性能和質(zhì)量直接影響了壁板共固化成型質(zhì)量。

常用的復(fù)合材料共固化加筋壁板芯模，主要包括實心橡膠芯模、易溶鹽芯模以及組合芯模等形式［4-8］。實心橡膠芯模依靠熱膨脹加壓，壓力值很難控制；此外，若實心橡膠芯模尺寸較長時，會導(dǎo)致脫模困難，且脫模后易變形，使用壽命較短。易溶鹽芯模是由實心的易溶鹽毛坯材料銑切加工而成，脫模時，可用水將易溶鹽材料沖刷、溶解；易溶鹽芯模韌性較低，在操作過程中很容易斷裂；其次，易溶鹽芯模間接將罐壓傳遞給長桁，加壓質(zhì)量很難保證；再次，易溶鹽芯模無法重復(fù)使用。組合芯模通常采用橡膠芯+橡膠管的形式，鋪貼時，橡膠芯起支撐作用；固化前，將橡膠芯抽出，通過橡膠管將罐壓均勻的傳遞給長桁內(nèi)腔；然而，芯模尺寸較長時，橡膠芯很難從橡膠管中抽出，且在抽離過程中，橡膠芯易發(fā)生位移和變形，影響固化效果。

為此，本文探索一種熱塑性材料為基礎(chǔ)的記憶特性芯模，該記憶芯模在室溫下剛性較強，有利于承受自動鋪放壓力；在高溫下彈性較好，有利于固化過程傳壓。搭建芯模承壓測量系統(tǒng)，精確測量芯模在自動鋪放壓力作用下的變形量，以對記憶芯模的承壓能力進(jìn)行驗證；搭建芯模傳壓測量系統(tǒng)，精確的測量芯模在固化過程中的傳壓效率，以對記憶芯模的傳壓能力進(jìn)行驗證。此外，通過制造和檢測Ω型長桁加筋壁板試驗件，進(jìn)一步驗證記憶芯模的性能。通過記憶芯模研究，攻克復(fù)合材料大尺寸機身加筋壁板共固化關(guān)鍵技術(shù)，解決大飛機型號研制中的重大技術(shù)難題，實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主可控。

2 芯模承壓測量

2.1 承壓測量系統(tǒng)

芯模承壓測量系統(tǒng)以ZWICK Z250SE力學(xué)試驗機為平臺，并設(shè)計和制造一套測量夾具，該夾具可集成在力學(xué)試驗機上，夾具下方安裝自動鋪絲壓輥，通過力學(xué)試驗機精確控制壓輥的下壓壓力，如圖1所示。此外，設(shè)計和制造一套芯模承壓工裝，工裝材質(zhì)為代木，工裝的內(nèi)腔型面與芯模的外型面相同，測量時，將芯模放置到芯模承壓測量工裝的內(nèi)腔中，以模擬芯模在零件鋪放時的狀態(tài)。

2.2 承壓測量過程及結(jié)果

測量前，先將芯模承壓測量工裝連同記憶芯模一起定位、安裝到芯模承壓測量系統(tǒng)上。定義芯模長度方向為0°方向，為模擬芯模極限加壓情況，將壓輥軸線調(diào)整為0°方向，加壓方向垂直于芯模上表面，并加壓時，壓輥全部加載到記憶芯模上表面，如圖2所示。

承壓測量系統(tǒng)的下壓力設(shè)定為400 N，與零件制造過程中的自動鋪絲壓力保持一致。對芯模連續(xù)加壓3次，記錄壓輥的位移。由于壓輥自身有較好的彈性，承壓測量前，先測量壓輥在400 N壓力作用下的彈性變形量，測得壓輥變形量為2.93 mm。為此，芯模實際變形量計算公式為：芯模變形量=壓輥位移-壓輥變形量，得到的測量結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在400N壓輥壓力作用下，記憶芯模最大變形量為0.89mm，可以看出，記憶芯模在室溫下具有較好的剛性，能夠承受自動鋪絲的壓力而不發(fā)生明顯變形。

3 芯模傳壓測量

3.1 傳壓測量系統(tǒng)

傳壓測量采用多點薄膜壓力測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大可提供8通道的數(shù)據(jù)采集，采樣頻率1-50 kHz，同時具備增益調(diào)節(jié)功能，可滿足本項目對于壓力檢測的技術(shù)要求。壓力傳感器本身具有良好的線性及重復(fù)性，但考慮到系統(tǒng)的可靠性，試驗開始前需要對傳壓測量系統(tǒng)進(jìn)行在線標(biāo)定，標(biāo)定過程如圖3所示。

為了排除固化過程中樹脂硬度變化對壓力傳感器的影響，本試驗開發(fā)一套記憶芯模固化傳壓測量工裝，工裝為上、下分瓣組合形式，材料選用45#鋼，工裝的內(nèi)腔型面與記憶芯模的外形面相同。

3.2 傳壓測量過程及結(jié)果

測量前，先將標(biāo)定好的薄膜傳感器固定到工裝下模的底部和側(cè)面，分別測量芯模頂部和側(cè)腰的傳壓性能；再將記憶芯模放置到下模型腔中，并在其上方固定薄膜傳感器，以測量芯模底部的傳壓能力；最后合模，打真空袋，注意要將記憶芯模兩端開口伸出真空袋，以將芯模內(nèi)腔與熱壓罐連通，整個準(zhǔn)備過程如圖4所示。

使用熱壓罐對傳壓測量工裝加熱加壓。熱壓罐固化程序設(shè)置如下：熱壓罐目標(biāo)壓力設(shè)為 600 kPa；當(dāng)壓力達(dá)到 140 kPa時通大氣；熱壓罐目標(biāo)壓力后再加熱，全程升溫速率為 5 ℃/min；目標(biāo)溫度設(shè)為 180 ℃；保溫時間設(shè)為 30 min。壓力測量結(jié)果如圖5所示。

可以看出，起始階段的壓力測量值超過測量范圍，這是由于記憶芯模在中低溫環(huán)境下剛性較強，壓力傳感器主要受工裝和芯模的擠壓力，而由于該壓力較大，遠(yuǎn)超過測量量程；隨著溫度升高，壓力值逐漸降低并趨于平衡，這是由于溫度升高后，記憶芯模軟化，擠壓力變小，壓力傳感器主要受熱壓罐的壓力。此外，芯模升降溫相較罐溫有一定的滯后性，導(dǎo)致壓力變化也表現(xiàn)出滯后性。

分析壓力測量曲線，底部平均壓力為罐壓的97%，兩側(cè)腰平均壓力分別為罐壓的80%和82%，頂部壓力為罐壓的89%。由此可以看出，當(dāng)記憶芯模達(dá)到一定溫度后，具有較好的彈性及固化傳壓能力。

4 試驗件制造與檢測

使用記憶芯模，實際制造并檢測復(fù)合材料機身Ω型長桁加筋壁板試驗件，以進(jìn)一步驗證記憶芯模的性能。試驗件結(jié)構(gòu)如圖6所示，為Ω型三長桁加筋壁板。詳細(xì)信息如表2所示，材料選用恒神EH918-34%-12KHF40C-U-194gsm-6.35AFP預(yù)浸料。

試驗件采用內(nèi)型面共固化成型工藝［9-10］，其成型工藝流程如圖7所示，最終制得的試驗件如圖8所示。

可以看出，試驗件外觀和內(nèi)腔表面平整，無凸起、凹坑、貧膠和富樹脂等缺陷。使用超聲A掃設(shè)備，對試驗件進(jìn)行無損檢測；經(jīng)檢測，試驗件內(nèi)部無分層和孔隙缺陷。使用磁力測厚儀測量試驗件的厚度，測得的厚度偏差小于4%。使用金相顯微鏡對試驗件長桁帽底、帽腰以及上、下R角等關(guān)鍵區(qū)域的截面組織進(jìn)行顯微觀察，可以看到試驗件截面纖維平直，鋪層厚度均勻，無彎曲和褶皺等情況，如圖9所示。

5 結(jié)語

（1）搭建芯模承壓測量系統(tǒng)，驗證記憶芯模室溫環(huán)境下的承壓能力，測得其在400 N自動鋪絲壓輥壓力作用下，最大變形量僅為0.89 mm，證明其有較好的剛性及承壓能力；

（2）搭建芯模傳壓測量系統(tǒng)，驗證記憶芯模在固化過程中傳壓能力，測得其固化加熱過程中的傳壓效率可達(dá)到80%-97%，證明其有較好的彈性及傳壓能力；

（3）使用記憶芯模，制造復(fù)合材料機身Ω型長桁加筋壁板試驗件，并對試驗件進(jìn)行外觀、無損、厚度及金相檢測，測得的結(jié)果均滿足質(zhì)量要求，證明記憶芯模有較好的工藝性能，適用于共固化成型Ω型長桁加筋壁板。

參 考 文 獻(xiàn)

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基金項目：“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計劃（2023C01009）

通訊作者：孫成，男，工程師。研究方向為復(fù)合材料成型工藝。E-mail： Sun.Cheng@huaruiaero.com