T型桁條成型工藝過程探究及其質(zhì)量控制措施

許麗麗，殷永霞，王曉蕓

（北京空間機電研究所，北京 100076）

T型桁條成型工藝過程探究及其質(zhì)量控制措施

許麗麗，殷永霞，王曉蕓

（北京空間機電研究所，北京 100076）

簡介了T型桁條的成型工藝方案以及成型模具的設(shè)計要求，針對T型桁條在成型過程中存在扭曲變形問題的原因進行了分析探究。進而在桁條制備工藝過程中采取預(yù)浸料質(zhì)量控制、預(yù)浸料鋪疊質(zhì)量控制、三角區(qū)域質(zhì)量控制以及固化參數(shù)的控制等相應(yīng)質(zhì)量控制措施，提高了產(chǎn)品的合格率。

復(fù)合材料；T型桁條；成型工藝；探討；質(zhì)量控制

0 引言

XX-7承力筒是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，是整星結(jié)構(gòu)組裝的核心。該承力筒與儀器安裝板連接作為衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)，一方面為推進系統(tǒng)貯箱等的安裝提供空間和接口，另一方面又能為衛(wèi)星與運載火箭的連接與分離以及地面支持設(shè)備提供接口，同時還可以為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)提供諸如設(shè)計、制造、裝配、精度測量等的基準(zhǔn)以及試驗和運輸?shù)闹蝃1]。筒體在柱段部分和錐段部分的圓周方向分別均勻布置了4 根不對稱T型桁條（柱段桁條、椎段桁條），以實現(xiàn)承力筒與結(jié)構(gòu)板的連接，因此桁條與結(jié)構(gòu)板連接面的垂直度要求比較高。

T型不對稱桁條為碳/環(huán)氧復(fù)合材料，其以T700S-12K高強碳纖維為增強材料，環(huán)氧648/ BF3˙MEA樹脂作為基體材料。作為復(fù)合材料組分之一的碳纖維增強體，其功能主要是賦予復(fù)合材料的高強度等力學(xué)性能。基體材料的主要作用，一方面是將增強纖維粘接成一個整體，另一方面是在纖維之間傳遞載荷，并使載荷均勻，同時還可以起到保護纖維，防止纖維受損的作用。成型后的碳/環(huán)氧復(fù)合材料既保持了碳纖維和樹脂的某些優(yōu)良特性，又發(fā)揮了其復(fù)合后比強度和比模量高、耐高溫、密度低等的新特性。

復(fù)合材料的成型工藝技術(shù)主要分為兩個階段：一是在一定的溫度和壓力下，原材料產(chǎn)生變形或流動，進而取得制品所需要的形狀；二是設(shè)法保持其形狀，從而保證產(chǎn)品的外形及尺寸精度。主要有纏繞、手糊、熱壓罐、模壓、樹脂傳遞模塑（RTM）等成型工藝方法[2]。其中模壓工藝方法是采用溶劑浸漬法將碳纖維及其織物制備成預(yù)浸料，按一定的角度將預(yù)浸料鋪疊后放入金屬模具的模腔內(nèi)，在熱壓機的作用下產(chǎn)生一定的溫度和壓力，模具合模后預(yù)浸料在模腔內(nèi)受熱軟化、受壓流動和充滿模具的空腔內(nèi)成型和固化，從而獲得碳/環(huán)氧復(fù)合材料產(chǎn)品的一種工藝方法[3]。模壓成型過程中的壓力可調(diào)節(jié)范圍較大且可觀察性良好，并且使產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量易于保證，外部尺寸精度較高，因而模壓成型工藝在型面比較復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造方面具有較廣泛的應(yīng)用。

1 T型桁條的結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)指標(biāo)

1.1 T型桁條的結(jié)構(gòu)特點

桁條為T型不對稱結(jié)構(gòu)，其中柱段桁條長度為681 mm，錐段桁條長度為486 mm，桁條厚度為1.8 mm。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

1.2 T型桁條的技術(shù)指標(biāo)

桁條直線度和平面度≤0.6 mm，桁條與承力筒組裝后垂直度要求≤0.3 mm。

2 T型桁條的成型工藝方案

2.1 成型工藝方法

結(jié)合T型桁條的結(jié)構(gòu)特點以及復(fù)合材料不同成型工藝方法的優(yōu)缺點，T型桁條采用手糊-模壓成型法。由于復(fù)合材料強度具有可控制性，T型桁條采用了復(fù)合材料力學(xué)耦合設(shè)計，采用0°、+45°、-45°及90°鋪層組合的形式，從而使其結(jié)構(gòu)滿足多角度應(yīng)力的需求。

2.2 成型模具設(shè)計要求

T型桁條成型模具的設(shè)計是結(jié)合了設(shè)計圖紙的要求和成型工藝方案，在模具設(shè)計過程中考慮的主要內(nèi)容如下：

① 成型模具的剛度與成型出的零件外型精度有密切關(guān)系。針對桁條細長的特點，工裝模具的厚度要適宜，既要保證成型出的T型桁條其直線度和型面精度滿足設(shè)計指標(biāo)要求，又不能因為模具剛度過大而使固化過程中的壓力傳遞受到影響。

② 成型模具要充分考慮模具的熱膨脹系數(shù)。須兼顧組合模具之間的配位間隙以及脫模方式，要求產(chǎn)品制備過程中操作簡單，固化成型后脫模方便。

③ 根據(jù)桁條的設(shè)計尺寸精度要求，進而確定成型模具的加工精度。

T型桁條成型模長度為693 mm，每批次可制備2 根桁條，固化成型后根據(jù)產(chǎn)品尺寸要求進行切割。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖1 T型桁條結(jié)構(gòu)示意圖

3 T型桁條成型工藝探究與質(zhì)量控制

3.1 工藝探究

T型桁條成型后很容易扭曲變形，為滿足實際使用要求，往往是多批次制備，從中挑選合格制件，在一定程度上造成了人力和物力的損耗。分析其潛在的原因如下：

① 桁條為非對稱T型結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)本身存在一定的變形隱患因素。

圖2 T型桁條成型模

② T型桁條的設(shè)計鋪層順序為[+45/-45/90/0/0/90/-45/+45]T，根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)形式，需要在上模塊、下模塊和側(cè)壓塊上分別進行鋪層，然后進行模具組裝和固化成型。為保證纖維的連續(xù)性從而保證制件的力學(xué)性能，需要在上模塊和下模塊上分別進行連續(xù)鋪層，而模具組裝后無法保證預(yù)浸料鋪層纖維角度的完全對稱。如果上下模塊與側(cè)壓塊接觸的一面纖維方向一致，則上下模塊組合部分纖維角度非對稱；如果上下模塊組合部分纖維角度對稱 ，則上下模塊與側(cè)壓塊接觸的一面纖維角度成麥穗狀。另外，上下模塊組裝后會存在一個三角區(qū)，處于缺料狀態(tài)，其所處的根部位置對制件的變形也會產(chǎn)生一定的影響。

③ 預(yù)進料鋪疊采用手工操作，手糊工藝具有一定的靈活性會導(dǎo)致工藝過程的可控制性相對較差，預(yù)浸料鋪疊過程中纖維角度容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

④ 鋪疊好的預(yù)浸料坯料在彎曲部位纖維容易產(chǎn)生褶皺，在模壓過程中如果角度層擠出纖維，角度就會不對稱，會使桁條發(fā)生扭曲變形，從而影響桁條的直線度。

⑤ T型桁條采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，其制造方法為高溫固化，材料成型后經(jīng)歷高溫降至室溫，其內(nèi)部各組分間的熱物理特性不匹配，在溫度變化過程中會在材料內(nèi)部形成一定的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力隨時間推移不斷釋放，在一定程度上導(dǎo)致制件的變形超差[4]。

⑥ 固化度偏低，固化成型各區(qū)域溫度不均。

3.2 質(zhì)量控制

針對T型桁條變形問題，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在T型桁條制備過程中采取了一系列的措施進行有效的質(zhì)量控制，提高制件成品的合格率。

3.2.1 預(yù)浸料質(zhì)量控制

嚴(yán)格控制將嚴(yán)重影響預(yù)浸料性能的重要技術(shù)指標(biāo)諸如樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、揮發(fā)份質(zhì)量分?jǐn)?shù)等。模壓成型過程中，預(yù)浸料的流動性與揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)密切相關(guān)。揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會促使預(yù)浸料流動性過大而引起樹脂基體的流失，導(dǎo)致制品內(nèi)部形成空隙等現(xiàn)象，但如果揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低又會導(dǎo)致預(yù)浸料流動性降低，給復(fù)合材料制品成型造成一定的困難。除此預(yù)浸料須經(jīng)復(fù)驗合格后方能利用樣板進行裁剪，須嚴(yán)格控制裁剪角度以符合制件結(jié)構(gòu)的要求。

3.2.2 預(yù)浸料鋪疊質(zhì)量控制

預(yù)浸料鋪覆質(zhì)量將直接影響到產(chǎn)品的最終質(zhì)量和性能，對上下模塊以及側(cè)壓塊進行鋪層時，首先利用平臺制定鋪覆基準(zhǔn)，以確保每層預(yù)浸料角度的精準(zhǔn)性；另外，對鋪覆過程中纖維產(chǎn)生的屈曲褶皺區(qū)域用電熨斗熨平整，保證層與層之間鋪疊致密，無氣泡，無褶皺。注意控制熨斗溫度以及熨斗和纖維之間的隔離；

3.2.3 上下模塊拐角處三角區(qū)域的填充

以往該區(qū)域補充的預(yù)浸料為麻花狀無緯布絲束，經(jīng)試驗改進后選用直線式預(yù)浸絲束對改善桁條扭曲變形效果尤佳（見圖3）；

圖3 R區(qū)填充區(qū)域示意圖

3.2.4 固化參數(shù)的控制

預(yù)浸料的固化過程對制品的質(zhì)量非常重要，它受溫度、壓力、保溫時間等固化參數(shù)綜合作用的影響[5～6]。

溫度一方面會使聚合物松弛（粘度降低，流動性增加），另一方面會促使聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)（粘度增加，流動性降低）。如果固化溫度過高，制品的外層固化速度比內(nèi)層固化速度快，內(nèi)層的揮發(fā)物排除困難，會導(dǎo)致制品產(chǎn)生缺陷和變形，并且使制品的物理指標(biāo)和力學(xué)性能下降。如果固化溫度過低，固化速度比較慢，則固化度偏低。

固化壓力一方面可以促使預(yù)浸料在模腔內(nèi)的流動；另一方面又可以克服樹脂基體在發(fā)生反應(yīng)時因低分子物而產(chǎn)生的壓力，從而避免出現(xiàn)脫層、腫脹等現(xiàn)象，同時固化壓力還具有使模具合模，保證制品具有固定的尺寸、防止冷卻時制件發(fā)生變形等作用。模壓壓力的大小根據(jù)預(yù)浸料的種類、制品形狀及預(yù)浸料狀態(tài)進行適當(dāng)選擇。

固化時間對制品的性能影響很大，如果模壓時間太短，制件固化則不完全，表面粗糙度差，其物理指標(biāo)和力學(xué)性能均較低，制品容易發(fā)生變形。如果增加模壓時間可降低制品的收縮率和變形，但模壓時間過長，制品的內(nèi)應(yīng)力會因樹脂的過度交聯(lián)而增加，因此必須選擇適當(dāng)?shù)哪簳r間。

對于環(huán)氧648樹脂而言，其模壓固化曲線如圖4所示。

針對桁條的特點以及制件存在的問題，在桁條制備過程中，除嚴(yán)格控制其模壓溫度和時間外，還需選擇合適的加壓時機并延長保溫時間。同時針對其應(yīng)力變形特點，還采用高溫出爐的方法。

The study on the molding processes and the quality control of the T type stringer

XU Li-li; YIN Yong-xia; WANG Xiao-yun

( Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100076 China )

This paper indicated the reason of torsional deformation of T type stringer, and introduced the processing plan of the moulding、the design of the mould in detail .The focus of the article is to analyze the problems of the T type stringer in processing and the quality control in the processing of the T type stringer, such as the quality control of the prepreg、the quality control of the prepreg lay-up、the quality control of the triangle area、the control of the curing parameters.

composite material; T type stringer; moulding; problem analysis; quality control

V258; V474

A

1007-9815（2016）02-0056-03

定稿日期:2016-04-20

許麗麗（1985-），女，山東德州人，工程師，主要從事復(fù)合材料成型工藝，(電子信箱)lilirose1985@163.com。