大尺寸蜂窩夾芯梁成型工藝研究

李春媛++艾明++李紅安

摘 要：蜂窩夾芯梁是復(fù)合材料零件特有的一種結(jié)構(gòu)形式，它將層壓梁和蜂窩夾芯零件的優(yōu)勢(shì)融為一體，具有力學(xué)承載特性好，整體重量輕、抗變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該文以大尺寸蜂窩夾芯梁為研究對(duì)象，探討了此類(lèi)零件的制造方案，詳細(xì)分析了蜂窩芯收縮、內(nèi)部分層等常見(jiàn)技術(shù)問(wèn)題，給出了相應(yīng)的解決措施并進(jìn)行了典型件驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 大尺寸 蜂窩夾芯梁

中圖分類(lèi)號(hào)：V25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）03（b）-0112-02

21世紀(jì)以來(lái)，作為先進(jìn)科技成果集中體現(xiàn)的航空產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃向上的發(fā)展態(tài)勢(shì)。與此同時(shí)，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍不斷拓展[1]。相比傳統(tǒng)的金屬材料，在同等重量的前提下，復(fù)合材料具有更高的力學(xué)強(qiáng)度、良好的耐疲勞、耐腐蝕性能。得益于此，在航空產(chǎn)業(yè)中，越來(lái)越多的零（組）件采用復(fù)合材料制造。

可設(shè)計(jì)性強(qiáng)是復(fù)合材料的另一突出優(yōu)勢(shì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)形式及鋪層角度設(shè)計(jì)，可使最終產(chǎn)品在力學(xué)性能、外形輪廓、整體重量等預(yù)期目標(biāo)間取得最佳平衡?？傮w而言，復(fù)合材料零件可以分為層壓件、蜂窩（泡沫）夾芯件、組合件等多種結(jié)構(gòu)形式。梁、框、肋等細(xì)長(zhǎng)型零件大多選擇層壓結(jié)構(gòu)；壁板、口蓋等蒙皮類(lèi)零件一般選擇蜂窩（泡沫）夾芯結(jié)構(gòu)；而運(yùn)動(dòng)翼面等承力部位則可選用加筋壁板、楔形段等組合件的結(jié)構(gòu)形式。

蜂窩夾芯梁是一種較為特殊的結(jié)構(gòu)形式，它在傳統(tǒng)層壓梁結(jié)構(gòu)中加入蜂窩芯元素，使梁類(lèi)零件具備了更好的力學(xué)承載特性和抗扭曲性能并進(jìn)一步降低了產(chǎn)品重量[2]。相比于蒙皮壁板，梁類(lèi)零件的腹板寬度較窄，腹板與緣條相接的R區(qū)，曲率變化較大。在多種因素共同作用下，蜂窩夾芯梁的制造難度較大，易出現(xiàn)蜂窩芯收縮，蜂窩芯邊緣鋪層架橋等技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題。該文以蜂窩夾芯梁為研究對(duì)象，從工藝流程、工裝結(jié)構(gòu)、銑切定位等方面深入探討了此類(lèi)零件的制造方案。

1 結(jié)構(gòu)分析

蜂窩夾芯梁典型件由7塊蜂窩芯與1根“C”型梁構(gòu)成。零件長(zhǎng)度約8 000 mm，腹板寬度約350 mm，層壓區(qū)最厚處約6.8 mm，最薄處約3 mm。緣條最寬處約100 mm，最窄處約20 mm。零件主材料為環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料，靠工裝面局部為環(huán)氧玻璃纖維預(yù)浸料，蜂窩芯采用芳綸紙蜂窩芯。零件外形如圖1。

2 制造方案

2.1 工藝流程

該零件采用數(shù)控下料，手工鋪貼，共固化工藝整體成型，數(shù)控銑切外形輪廓。蜂窩芯放置時(shí)，使用激光投影系統(tǒng)確定其位置。制造流程如圖2。

2.2 工裝結(jié)構(gòu)

通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該零件選用凸模制造。由于外形尺寸較大，必須考慮零件與工裝在高溫環(huán)境下的熱膨脹效應(yīng)[3]。因此，選用與主材料熱膨脹系數(shù)最為接近的殷鋼制造工裝（見(jiàn)表1）。

3 技術(shù)難點(diǎn)及解決措施

3.1 內(nèi)部及表面質(zhì)量控制

典型件的鋪層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在較多的減薄區(qū)和下陷區(qū)域。腹板面帶有7塊蜂窩芯，芯上層預(yù)浸料的鋪貼難度較大，在蜂窩芯邊緣易出現(xiàn)皺褶、架橋等缺陷。為杜絕此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生，該研究采取了如下措施：（1）鋪貼時(shí)，以減薄區(qū)和下陷區(qū)為中心，向四周鋪貼預(yù)浸料，防止預(yù)浸料鋪層局部帶應(yīng)力而引起分層缺陷；（2）所有芯下層預(yù)浸料每1～3層抽真空壓實(shí)一次，保證芯下層預(yù)浸料間貼合緊密；（3）所有芯上層預(yù)浸料均以零件腹板的中心區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)，向四周鋪貼。且先鋪貼蜂窩芯區(qū)域，再鋪貼層壓區(qū)域；（4）芯上層預(yù)浸料每鋪貼一層，均需抽真空壓實(shí)一次，保證鋪層間密實(shí)；（5）壓實(shí)時(shí)，在蜂窩芯之間放置由Airpad制作的壓力墊，保證壓力傳導(dǎo)均勻，也可杜絕表面皺折的出現(xiàn)。

3.2 蜂窩芯收縮

受多種因素的影響，蜂窩夾芯零件在固化過(guò)程中可能出現(xiàn)蜂窩芯的收縮，導(dǎo)致外形超差、分層、脫粘等缺陷。為從根本上解決此問(wèn)題，在成型模兩側(cè)緣條面的余量區(qū)設(shè)計(jì)有防滑凹槽。在鋪貼時(shí)，將預(yù)浸料的余量區(qū)嵌入至工裝上的防滑凹槽內(nèi)，并用同種材料將防滑凹槽填平。通過(guò)上、下兩層預(yù)浸料的拉緊作用，限制了蜂窩芯的移動(dòng)和收縮。鋪貼完畢后，制作真空袋時(shí)，在蜂窩芯根部區(qū)域打褶，真空袋在此處保持一定的彈性和余量，避免局部壓力過(guò)大。

3.3 數(shù)控銑切定位

為保證零件外形輪廓的準(zhǔn)確性，大尺寸零件固化后一般采用數(shù)控設(shè)備銑切外形。在零件脫模前，需使用鉆模板鉆制數(shù)控銑切定位孔[6]。因此，數(shù)控銑切定位孔鉆制的準(zhǔn)確程度決定著零件的銑切質(zhì)量。受工裝的實(shí)際制造精度、鉆模板與工裝的配合程度、工人的操作水平等因素的影響，數(shù)控定位孔在鉆制過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)偏差，影響零件的最終外形輪廓。為改善此問(wèn)題，該研究中，零件在數(shù)控銑切時(shí)采用定位凸塊進(jìn)行定位。在成型模兩端頭余量區(qū)設(shè)計(jì)有定位凹槽，鋪貼時(shí)，將此定位凹槽用預(yù)浸料填滿并壓實(shí)。固化后，即在零件余量區(qū)形成一個(gè)定位凸塊。此定位凸塊的準(zhǔn)確度僅受工裝實(shí)際制造精度的影響，可靠性更高。數(shù)控銑切后，零件外形輪廓更為準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

蜂窩夾芯梁將層壓梁與蜂窩夾芯壁板融合為一體，制造難度較大。該文以大尺寸蜂窩夾芯梁為研究對(duì)象，從工裝結(jié)構(gòu)、工藝方案、技術(shù)難點(diǎn)等多方面進(jìn)行了研究。探討了蜂窩芯邊緣局部架橋、鋪層皺褶、蜂窩芯收縮、數(shù)控定位不準(zhǔn)確等技術(shù)及質(zhì)量問(wèn)題，有針對(duì)性地提出了解決措施，取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳紹杰.我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)事業(yè)發(fā)展[J].玻璃鋼，2014 （1）：13-26.

[2] 柴子龍.復(fù)合材料蜂窩芯夾芯結(jié)構(gòu)疲勞行為研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.