民用航空含Ω型長桁復(fù)合材料加筋壁板制造技術(shù)研究

馬 剛，唐文峰

（航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽110850）

先進復(fù)合材料以其高比強度、高比模量、耐腐蝕、可設(shè)計性強等優(yōu)點成為航空四大結(jié)構(gòu)材料之一，其應(yīng)用范圍也從口蓋、整流罩等非承力件逐步過渡到機翼、機身等主承力結(jié)構(gòu)件[1-2]。Ω型加筋壁板的長桁切面尺寸較大，兩邊與蒙皮相連接形成一個閉合切面，具有很高的受壓穩(wěn)定性，可以承受很高的載荷。復(fù)合材料Ω型加筋壁板是機身結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展趨勢，最新研制的波音B787、空客A380都采用了這種結(jié)構(gòu)形式[3]，我國自主研發(fā)的大飛機C919也采用了Ω型加筋壁板作為后機身主要結(jié)構(gòu)。Ω型加筋壁板通常采用熱壓罐共固化工藝成型，其最大的技術(shù)難點在于Ω型長桁在面內(nèi)形成一個封閉的梯形空腔，該空腔的加壓效果和內(nèi)部表面質(zhì)量難以保證。關(guān)于Ω型加筋壁板共固化成型技術(shù)，航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司蒲永偉團隊做了大量工作，其工藝方案是利用硅橡膠芯模受熱膨脹對Ω長桁加壓，其技術(shù)核心是通過理論計算和仿真模擬計算出硅橡膠芯模的工藝間隙值，該工藝間隙以預(yù)制調(diào)型孔的形式存在于硅橡膠芯模中間[4]。該成型方法在軍機某型號的研制過程中得到了驗證，成型后的Ω長桁無損檢測及內(nèi)部表面質(zhì)量均較好。

民用飛機研制過程中一個非常重要的內(nèi)容就是如何通過適航審查（尤其是國際適航審查）并獲得相關(guān)適航證，只有完成了適航取證的飛機才能投入市場[5]。適航審查是一種根據(jù)國家相關(guān)法律規(guī)定、以確保飛行安全為目的的技術(shù)鑒定和監(jiān)督的方法。適航審查分為初始適航審查和持續(xù)適航審查。初始適航審查是國家適航當(dāng)局對擬用于民用航空運輸?shù)暮娇掌魉M行的設(shè)計符合性和制造符合性審查，而其中的制造符合性是指民用航空產(chǎn)品和零部件的制造、試驗、安裝等符合經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計[6-8]。復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用時間較短，其數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的積累較少，而且復(fù)合材料零部件的設(shè)計和制造質(zhì)量依賴于對材料和工藝的嚴(yán)格控制[9-10]，對復(fù)合材料零件最終實物產(chǎn)品的檢測無法判斷其符合性情況，所以根據(jù)民用航空適航規(guī)章CCAR25部《運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》[11]第25.605條規(guī)定，對復(fù)合材料零件的制造符合性審查要采用過程檢查的方法。以國產(chǎn)大飛機C919型號的含Ω型長桁的復(fù)合材料機身壁板零件為例，設(shè)計文件要求固化過程全程壓力為0.6MPa，如果使用硅橡膠芯模對Ω長桁加壓，雖然可以通過調(diào)整工藝間隙值控制硅橡膠膨脹加壓量，但是無法從理論上證明所施加壓力精確地符合設(shè)計文件要求。北京航空航天大學(xué)開發(fā)了一套樹脂壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測固化過程中樹脂的壓力數(shù)值[12]，但是該系統(tǒng)有一定的局限性，首先需要在樹脂達到一定溫度，流動性較好的情況下才能測量，達不到固化過程全程監(jiān)測的要求；其次，固化過程的壓力由樹脂和纖維共同承擔(dān)，而該系統(tǒng)只能檢測出樹脂承擔(dān)的壓力，其檢測結(jié)果并非零件所受的全部壓力?；谶@兩點理由，該系統(tǒng)也不能證明硅橡膠芯模加壓滿足設(shè)計文件的要求，因此達不到民航制造符合性的要求。有鑒于此，必須采用新的方法對Ω長桁加壓以滿足民用飛機適航審查的要求。要精確地符合設(shè)計文件中固化壓力的要求，唯一的方法是使Ω長桁內(nèi)部連通熱壓罐，因為熱壓罐可以通過程序設(shè)定來精確地控制壓力，同時所施加的壓力大小也有實時的監(jiān)控和記錄，所以唯有用罐壓給Ω長桁加壓才能符合設(shè)計要求，才能滿足適航制造過程符合性的要求。在Ω長桁內(nèi)部連通熱壓罐，最常見的方法是用筒狀真空袋作為芯模，筒狀真空袋的兩端暴露在熱壓罐中，在熱壓罐加壓過程中高壓氣體進入筒狀真空袋，對Ω長桁內(nèi)部施加壓力。然而這種方式有3個缺點，首先是真空袋形狀與Ω長桁內(nèi)型面不完全一致，R角位置很容易加不上壓力；其次是真空袋與Ω長桁內(nèi)表面不能完全貼合，真空袋本身的褶皺等都會影響長桁內(nèi)表面質(zhì)量，造成纖維面內(nèi)屈曲、富樹脂等缺陷；最后，筒狀真空袋容易破損，尤其在加壓展開的過程中，容易因為架橋等原因被擊穿，一旦出現(xiàn)這種情況，整個零件都面臨報廢的風(fēng)險。

綜上所述，要生產(chǎn)出滿足適航制造符合性要求的Ω型加筋壁板，必須要滿足如下幾個條件：

（1）Ω長桁內(nèi)部連通熱壓罐，用罐壓保證加壓大??；

（2）芯模具有一定剛性，其外表面平整，截面與Ω長桁內(nèi)型面保持一致；

（3）不易破損，能在使用過程中保持氣密性。

針對這些要求，選擇使用薄壁氣囊作為芯模，嘗試鋪疊方式不同、內(nèi)部是否使用真空袋等多種不同形式薄壁氣囊的成型效果，探索合適的氣囊形式并應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，以制造出合格的零件。

1 氣囊制作

C919型號后機身壁板中的Ω長桁帶有一定曲率，長桁本身有厚度變化，長桁位置的蒙皮區(qū)域也存在厚度變化。為了使氣囊截面與長桁內(nèi)型面保持一致，采用陰陽組合模具（見圖1）制造氣囊，氣囊材料是常溫下為固態(tài)的無硅未硫化橡膠，牌號為AIRPAD，單層厚度1.7mm，硫化參數(shù)為：（1）以 0.5～3℃ /min 升溫至 175℃以上，保溫2h以上，以0.5～3℃/min降溫至60℃以下出罐；（2）全程抽真空，壓力0.6MPa。首先在陰模中鋪疊未硫化橡膠，鋪疊方式見圖2，在氣囊腔體中放置筒狀真空袋，然后組合陰陽模具，在熱壓罐中硫化。得到的氣囊如圖3所示。

圖1 氣囊成型模Fig.1 Mould of rubber balloon

圖2 氣囊鋪疊示意圖Fig.2 Schematic of rubber balloon layup

圖3 氣囊實物Fig.3 Rubber balloon

2 Ω長桁加筋壁板的制造

Ω長桁加筋壁板同樣采用陰陽組合模具（見圖4）制造，包括蒙皮鋪疊模和長桁成型模兩部分，長桁成型模為分塊式結(jié)構(gòu)，組合后能夠覆蓋整個蒙皮區(qū)域，同時起到勻壓板的作用。首先在蒙皮成型模上按照激光投影位置鋪疊蒙皮，在長桁成型模上鋪疊長桁。然后在鋪疊好的長桁腔體內(nèi)放置氣囊，氣囊內(nèi)放置筒狀真空袋，氣囊外側(cè)鋪疊止裂層，R角位置填充零度纖維，完成上述工序后在熱壓罐內(nèi)進行熱壓實。將長桁成型模通過定位器組合到蒙皮上，然后封裝，氣囊內(nèi)的筒狀真空袋延伸至袋外，在熱壓罐內(nèi)固化。在氣囊內(nèi)放置筒狀真空袋，一方面可以保證氣密性，另一方面如果在組合過程中出現(xiàn)筒狀真空袋破損可以隨時更換。

圖4 加筋壁板成型模具Fig.4 Mould of stiffened panel

3 結(jié)果與討論

圖5 目視可見的長桁端頭褶皺Fig.5 Visible wrinkle on the end of stringers

圖6 內(nèi)部放置了筒狀真空袋的氣囊Fig.6 Rubber balloon with the tube-shape vacuum bag in the stringer

固化后零件外表面光滑平整，無損檢測合格，但經(jīng)目視檢查（見圖5）和內(nèi)窺鏡檢測發(fā)現(xiàn)部分Ω長桁內(nèi)部存在纖維褶皺等缺陷。經(jīng)過分析，該缺陷的產(chǎn)生是由于氣囊內(nèi)部筒狀真空袋在加壓展開的過程中有時不能與氣囊很好地貼合，就會造成長桁內(nèi)部出現(xiàn)低壓力區(qū)，導(dǎo)致該位置的纖維褶皺變形，這種缺陷往往發(fā)生在R角位置。圖6為放置了筒狀真空袋的氣囊，為了防止筒狀真空袋破損，在真空袋外側(cè)包裹了單面帶膠脫模布。筒狀真空袋在展開過程中如果在R角等位置架橋，便會造成零件加壓不均。由于筒狀真空袋在展開前形狀不是固定的，所以該問題無法避免，在實際得到的零件多處位置出現(xiàn)了纖維褶皺，為了徹底解決該問題，對工藝方案進行了更改，取消了氣囊內(nèi)部的筒狀真空袋，僅靠氣囊自身的氣密性保證加壓效果。對氣囊進行加壓氣密試驗，效果良好，能夠滿足加壓成型Ω長桁的要求，考慮到橡膠老化以及在脫模過程中可能造成的損傷，目前的氣囊使用3次即報廢。

在氣囊成型過程中，由于同樣的原因，筒狀真空袋的架橋有可能造成氣囊受壓不均，從而導(dǎo)致氣囊局部位置偏薄，在長桁成型過程中容易發(fā)生破損，為了避免這種情況，改進了氣囊鋪疊方式，使氣囊鋪層的接縫位置由R角處轉(zhuǎn)移到帽底，同時由原來的對接改為搭接，其鋪疊示意圖見圖7。改進后的氣囊制造的零件表面平整、無損檢測無缺陷、長桁內(nèi)外表面質(zhì)量優(yōu)異，具體見圖8。

圖7 氣囊鋪疊示意圖Fig.7 Schematic of rubber balloon layup

圖8 含Ω型加筋壁板零件實物Fig.8 Ω type stiffened panel

4 結(jié)論

（1）使用氣囊連通熱壓罐內(nèi)高壓氣體的方式能夠有效地給Ω長桁加壓，所加壓力精確地符合設(shè)計文件要求，能夠滿足民用航空產(chǎn)品適航過程符合性審查的要求。

（2）橡膠氣囊自身的氣密性足以滿足使用要求，但是其重復(fù)利用率有待驗證；在氣囊內(nèi)部使用筒狀真空袋可以大大提高氣囊的使用壽命，但是由于真空袋與氣囊內(nèi)部的摩擦等多方面因素的影響，真空袋可能無法完全展開，產(chǎn)生“架橋”現(xiàn)象，導(dǎo)致最終的產(chǎn)品質(zhì)量存在一定的潛在風(fēng)險。

參 考 文 獻

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