收口式大曲率復(fù)材零件整體成型固化制度實施方法研究

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436）

傳統(tǒng)的翼尖罩零件一般是鈑金件，設(shè)計通常將翼尖罩分解為2～3部分，鈑金件成形以后將所有小零件裝配成一個整體翼尖罩，傳統(tǒng)翼尖罩零件成形工藝較為簡單，但是鈑金件重量較重，且后續(xù)裝配需要較多緊固件，進(jìn)一步增加了零件的重量。為了減重，國外先進(jìn)飛機(jī)制造商不約而同地將零件的材料改為樹脂基復(fù)合材料，同時零件采取整體成型工藝[1]。由于零件自身型面的要求，部分翼尖罩結(jié)構(gòu)上是收口的，因此不能采取陽模成型，只能采取分瓣式陰模成型，同時受限于模具自身強(qiáng)度，模具壁厚往往較厚。大厚度模具與薄壁模具在固化工藝方面差別巨大，需要通過多次試驗驗證工藝可控性，同時找到各個工藝參數(shù)的一個平衡點。

復(fù)合材料零件質(zhì)量的穩(wěn)定性主要取決于零件制造過程中滿足相關(guān)工藝規(guī)范的工藝穩(wěn)定性。因此，滿足工藝規(guī)范中關(guān)于零件固化制度的要求成了保證復(fù)材零件質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響復(fù)材零件的纖維體積含量、樹脂分布均勻性、殘余應(yīng)力及孔隙率等性能[2-4]。

1 試驗

1.1 主要原材料

CYCOM 7701 7781（Cytec Company）；

HYSOL EA 9696（Henkel Company）；

SYNSKIN HC 9837（Henkel Company）。

1.2 主要設(shè)備

自動下料機(jī)：1.8m×10m（GERBER Company）；

熱壓罐：1m×2m（ASC Company）。

1.3 零件及模具信息

零件尺寸約為：430mm×81mm×104mm，零件為收口式整體結(jié)構(gòu)。

模具材料為Q235，尺寸約為710mm×200mm×196mm，模具為分瓣式結(jié)構(gòu)。

零件采用陽模鋪貼轉(zhuǎn)陰模成型，在零件的大端及小端余量靠近工裝側(cè)各放一只熱電偶，監(jiān)視并記錄固化過程中零件的溫度（見圖1）。

1.4 工藝規(guī)范固化制度

工藝規(guī)范規(guī)定在固化的過程中，零件的升溫速率及保溫時間需要滿足一定的范圍，具體要求見表1及圖2。

2 結(jié)果與討論

2.1 測試1

固化制度：空溫以3℃/min的升溫速率升溫至133℃，當(dāng)模溫高點升溫至121℃時，將空溫的溫度降至130℃，模溫低點保溫時間達(dá)到90min后，空溫開始降溫，溫度降到52℃以下泄壓取出零件。

從圖3中可以看出，由于成型模具較厚，導(dǎo)致零件的升溫速率非常慢，整個升溫過程用了240min，其中在54～88℃，最大升溫速率為 0.81℃ /min ；89～110℃，最大升溫速率為0.42℃/min；111～121℃，最大升溫速率為0.17℃/min，具體見圖4（紅線表示各階段要求的最低升溫速率）。同時零件模溫高點的保溫時間約145min，超出了規(guī)范120min的極限要求，整個過程不符合工藝規(guī)范的要求。

2.2 測試2

根據(jù)測試1的結(jié)果，測試2采用提高空氣與零件之間的溫差來提升零件的升溫速率。同時為了提高零件在較低溫度時候的升溫速率，提高了熱壓罐空氣的升溫速率。測試2采用如下固化制度：空溫以7℃/min的升溫速率升溫至180℃，保溫50min后，降溫至（127±6）℃。

圖3 測試1固化曲線Fig.3 Curing curve of test 1

圖4 測試1模溫高點及模溫低點的升溫速率Fig.4 Heating rate of leading thermocouple and hysteresis thermocouple of test 1

從圖5可以看出，提高了空氣的升溫速率和溫度以后，零件在各個溫度階段的升溫速率均有不同程度的提高。其中在54～88℃，最大升溫速率為1℃/min；89～110℃，最大升溫速率為 0.75℃ /min ；111～121℃，最大升溫速率為0.17℃/min，具體見圖6。在大部分的時間段中，升溫速率均不滿足工藝規(guī)范要求，整個升溫階段用時約200min。

圖5 測試2固化曲線Fig.5 Curing curve of test 2

圖6 測試2模溫高點及模溫低點的升溫速率Fig.6 Heating rate of leading thermocouple and hysteresis thermocouple of test 2

2.3 測試3

由于熱壓罐升溫速率的限制，只能進(jìn)一步提高空氣與零件之間的溫差來提高零件的升溫速率。因此測試3采用的固化制度為：空溫以7℃/min的升溫速率升溫至190℃，恒溫87min以后，空氣以5℃/min的速率降至（127±6）℃，待模溫低點的溫度達(dá)到121℃時，恒溫90min，最后降溫泄壓取出零件。

從圖7中可以看出，零件的升溫速率已接近規(guī)范的要求，其中在54～88℃，最大升溫速率為1.1℃/min；89～110℃，最大升溫速率為 0.83℃ /min ；111～121℃，最大升溫速率為0.58℃/min，具體見圖8，整個升溫階段用時約100min。

圖7 測試3固化曲線Fig.7 Curing curve of test 3

圖8 測試3模溫高點及模溫低點的升溫速率Fig.8 Heating rate of leading thermocouple and hysteresis thermocouple of test 3

2.4 測試4

根據(jù)測試3的結(jié)果，再一次提高了空氣的溫度。同時為了保證所有熱電偶的保溫時間要求，在零件溫度接近121℃的時候需要降低模溫高點及模溫低點的溫差。測試4采用的固化制度為：空溫以7℃/min的升溫速率升溫至200℃，當(dāng)模溫高點達(dá)到127℃時，空溫以5℃/min的速率降至133℃，當(dāng)模溫低點達(dá)到121℃時，空溫以最快的降溫速度降溫至123℃，恒溫80min后，空溫以最大速率降溫降至52℃泄壓取出零件。

從圖9中可以看出，零件的各個溫度階段升溫速率均滿足工藝規(guī)范的要求，其中在54～88℃，最大升溫速率為1.4℃/min；89～110℃，最大升溫速率為1.2℃/min；111～121℃，最大升溫速率為1℃/min，具體見圖10。整個升溫階段用時約60min，同時所有熱電偶的保溫時間在103～110min之間，均在規(guī)范要求的范圍之內(nèi)。

圖9 測試4固化曲線Fig.9 Curing curve of test 4

圖10 測試4模溫高點及模溫低點的升溫速率Fig.10 Heating rate of leading thermocouple and hysteresis thermocouple of test 4

2.5 溫差

從圖11中可以看出，零件升溫前期，除了測試1由于空氣的溫度太低，導(dǎo)致模溫高點和模溫低點的升溫速率都很慢，溫差介于測試3和測試4之間以外，其他測試中空氣的溫度越高，零件模溫高點與模溫低點的溫差越小。零件升溫后期，測試1及測試2中由于空氣的溫度過早接近(127±6)℃，溫差逐漸縮小，這雖然有利于恒溫階段零件保溫時間的控制，但是不利于零件升溫速率的控制。測試3和測試4中空氣溫度較晚接近(127±6)℃，溫差都處在一個較為穩(wěn)定的水平。測試3中空氣溫度不夠高，同時溫差較大，不能滿足升溫階段零件對升溫速率的要求，也不能很好控制恒溫階段零件的保溫時間。測試4中空氣溫度最高，溫差也處在一個較為穩(wěn)定的低水平，既滿足了升溫階段零件對升溫速率的要求，同時也很好地保證了恒溫階段對零件保溫時間的要求。

圖11 模溫高點及模溫低點的溫差Fig.11 Temperature difference of leading thermocouple and hysteresis thermocouple

3 結(jié)論

（1）在復(fù)合材料零件固化過程中，需要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形式、模具材料、模具的結(jié)構(gòu)等因素調(diào)控?zé)釅汗蘅諝獾纳郎厮俾始皽囟龋沟昧慵谏郎仉A段的升溫速率及保溫階段的保溫時間符合工藝規(guī)范的要求。

（2）在升溫階段的前期，通過提高空氣的升溫速率及溫度可以提高零件的升溫速率，升溫階段后期需要適當(dāng)降低空氣的溫度，防止零件的溫度過沖。

（3）在整個升溫階段，需要將模溫高點及模溫低點的溫差控制在一個穩(wěn)定且較低的水平，防止零件模溫高點的保溫時間超出規(guī)范極限值。

[1]李秦蕊.塑料磨具設(shè)計[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

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[2]王汝敏，鄭水蓉，鄭亞萍.聚合物基復(fù)合材料及工藝[M].北京：科學(xué)出版社， 2004.

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