復合材料J型高墻壁板的研制

李文龍，梁祿忠，周開鋒，王 韜，徐慶石

(沈陽飛機工業(yè)集團有限公司 復合材料制造中心，遼寧 沈陽 110034)

隨著航空制造技術(shù)的快速發(fā)展，在飛機制造中復合材料的用量越來越大，復合材料的應用部位已由非承力部件及次承力部件發(fā)展到主承力部件，發(fā)展方向也趨向大型化、整體化和低成本化。復合材料整體成型技術(shù)通過減少復雜、大型結(jié)構(gòu)的零組件裝配和緊固件數(shù)量來實現(xiàn)復合材料制件的輕質(zhì)、高效、低成本。復合材料整體成型技術(shù)中優(yōu)先選擇共固化成型技術(shù)，該技術(shù)制造的復合材料制件結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，構(gòu)件變形量小。

國內(nèi)外研究人員主要研究了加筋壁板的制造工藝。其中，Elaldi等[1]研究了J型復合材料加筋壁板的制造；荀國立等[2]對碳纖維復合材料帽形加筋壁板共膠接工藝的固化成型方案進行了研究；Wang等[3]研究了T型加筋壁板制造過程中壓力分布規(guī)律及其對樹脂流動、纖維密實行為的影響；楊博等[4]采用共固化的成型方案，研制了大尺寸復合材料工形加筋壁板。對于整體化成型工藝，成型工裝的設(shè)計及使用對復合材料之間的質(zhì)量控制十分關(guān)鍵，尤其是如何設(shè)計成型工裝方案從而控制成型過程中溫度和壓力的傳遞，而我國在這方面的技術(shù)積累多是以工程實踐和生產(chǎn)經(jīng)驗為主，缺乏系統(tǒng)深入的研究。

本文分析了J型高墻壁板成型工藝特點，設(shè)計了J型高墻壁板的成型模具，探索了一種高墻、帽形加筋與壁板共膠接成型工藝方法，研究結(jié)果對壁板類結(jié)構(gòu)整體化成型技術(shù)的發(fā)展具有參考價值。

1 J型高墻壁板介紹

1.1 高墻壁板結(jié)構(gòu)特點

J型高墻壁板由壁板、3根帽形筋條和2個高墻組成(見圖1)。相對于T型、工型和L型等結(jié)構(gòu)形式，帽形筋條具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、傳遞周向載荷效率高的優(yōu)點。帽形筋條與壁板整體成型，鋪層中間增鋪支承層補償，可提高帽形筋條的抗剪強度。帽形筋條與壁板組成了封閉結(jié)構(gòu)，帽形筋條的成型質(zhì)量和型面精度的控制是J型高墻壁板工藝方案的重點和難點。

圖1 J型高墻壁板示意圖

采用復合材料制造J型高墻，實現(xiàn)了J型高墻壁板的減重效果。J型高墻與壁板二次膠接成型，可提高二者的連接強度，這對高墻的定位和封裝要求較高。J型高墻R角位置錯層形成不等厚區(qū)，子鋪層的位置將影響到J型高墻R角的成型；因此，J型高墻的成型質(zhì)量和位置的控制成為J型高墻壁板工藝方案的另一個重點和難點。

1.2 原材料及固化工藝參數(shù)

原材料包括：纖維樹脂體系，纖維樹脂體系為碳纖維/環(huán)氧樹脂單向預浸料，固化后單層厚度為0.12 mm；J—116B膠膜。

固化工藝參數(shù)如下：全程真空度≥0.09 MPa，室溫抽真空并加壓0.5～0.6 MPa；升溫至120～125 ℃，保溫2 h，升溫速率為0.5～3 ℃/min；溫度降至60 ℃以下，卸壓出罐，降溫速率≤1.5 ℃/min。

1.3 主要技術(shù)指標

主要技術(shù)指標如下。

1)外觀質(zhì)量要求。J型高墻壁板表面光滑平整。

2)內(nèi)部質(zhì)量要求。分層、空隙密集和脫粘等內(nèi)部質(zhì)量缺陷滿足設(shè)計要求；高墻和壁板的孔隙率≤1.5%。

3)厚度要求。厚度公差為±5%t(t為理論厚度)。

4)高墻和帽形筋條軸線位置要求。肋軸線位置公差為±l mm。

5)壁板貼模度要求。壁板組合固化后在自由狀態(tài)下的貼模度≤0.5 mm。

6)隨爐件力學性能。應滿足相關(guān)材料技術(shù)規(guī)范。

2 高墻壁板的研制

2.1 成型方案選擇

成型方案的選擇是J型高墻壁板制造的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。加筋壁板類零件成型方案主要包括以下3種：共固化、共膠接和二次膠接。在保證J型高墻壁板成型質(zhì)量的前提下，盡量降低制造成本是成型方案選擇的主要依據(jù)。針對需要研制的J型高墻壁板的結(jié)構(gòu)特點(蒙皮厚度變化大，臺階坡度大，臺階多，外形公差要求高)，為保證J型高墻壁板的質(zhì)量，選擇了已固化高墻-未固化帽形筋條和未固化壁板共膠接的制造方案。

2.2 制造工藝流程

J型高墻壁板的主要制造工藝流程如圖2所示。

圖2 J型高墻壁板制造工藝流程

3 制造工藝

3.1 成型模具設(shè)計與制造

3.1.1 蒙皮成型模具設(shè)計

復合材料的成型模具材料以殷鋼、復合材料和普通鋼為主，其優(yōu)缺點見表1。大尺寸復合材料的質(zhì)量受成型工裝的熱膨脹系數(shù)的影響較大，為了保證J型高墻壁板的外形和內(nèi)部質(zhì)量，蒙皮成型模選用殷鋼材料。采用框架式結(jié)構(gòu)模具(見圖3)。

表1 模具材料的優(yōu)點和缺點

圖3蒙皮成型模示意圖

3.1.2 J型高墻成型模具設(shè)計

J型高墻包括U型和Z型2個筋條、底板、底板與筋條結(jié)合處的三角填充區(qū)。高墻的橫截面尺寸如圖4所示。高墻可分成腹板、上緣條和下緣條三部分，在上緣條R角處存在子鋪層，下緣條通過膠膜與壁板膠接。

圖4 高墻橫截面尺寸示意圖

在J型高墻壁板制造過程中，首先應考慮J型高墻的成型質(zhì)量。J型高墻拐角區(qū)存在曲率突變，在熱壓罐成型過程中壓力不易施加到曲率突變區(qū)和三角填充區(qū)，易產(chǎn)生纖維不密實、孔隙密集和富樹脂等缺陷問題；因此，J型高墻制造需要保證工裝內(nèi)側(cè)拐角與高墻拐角始終緊密貼合，從而保證J型高墻拐角處的傳壓效率。設(shè)計一種三角填充區(qū)的0°纖維成型模具(見圖5)，0°纖維束的填充量計算式為：

式中，w為填充預浸料的寬度；r為半徑；t為預浸料單層厚度；λ為系數(shù)，λ=1～1.1。

圖5 三角填充區(qū)0°纖維成型模具

針對J型高墻的結(jié)構(gòu)特點，工裝采用鋁質(zhì)硬模成型方案，其具有表面光滑且硬度高等優(yōu)點，可以保證J型高墻表面質(zhì)量，且在J型高墻成型過程中變形小、尺寸精度高。為了保證J型高墻的直線度和尺寸精度，在U型和Z型模具之間采用銷釘聯(lián)接。采用沉頭銷釘便于真空封裝。為了保證J型高墻成型時工裝與J型高墻能夠緊密貼合，銷釘與工裝是間隙配合，使U型和Z型模具有可移動空間。J型高墻結(jié)構(gòu)屬于不對稱結(jié)構(gòu)，固化結(jié)束后在貼膜面一側(cè)將出現(xiàn)收口，因此，在貼膜面一側(cè)設(shè)計1.5°的拔模角。J型高墻的成型工裝如圖6所示。

圖6 J型高墻成型工裝示意圖

3.1.3 J型高墻定位工裝設(shè)計

為保證J型高墻的垂直度和直線度，采用J型高墻整體定位。定位工裝材質(zhì)為殷鋼，保證定位工裝與蒙皮成型模的熱膨脹系數(shù)一致，定位工裝表面粗糙度≤Ra3.2 μm，形面公差在±0.05 mm以內(nèi)。J型高墻定位工裝與壁板工裝采用螺栓聯(lián)接，為了保證縱墻的垂直度和直線度，在壁板成型模上加工限位擋塊。

3.1.4 帽形筋條成型模設(shè)計

利用軟模受熱膨脹的優(yōu)點，同時保證帽形筋條的尺寸精度，設(shè)計了由1個復合材料模具和1個彈性軟芯模具組成的筋條成型模具，即硬模/軟模配合方式(見圖7)，其中軟模采用硅橡膠制備。該配合方式下，在筋條固化的過程中軟模能夠有效地保證傳壓效率，硬?？杀ＷC筋條的直線度和尺寸精度。采用復合材料制造硬模輔助工裝，厚度為1.25 mm，在帽形鋼質(zhì)母模成型上進行鋪疊，固化及后處理成型復合材料輔助工裝(見圖8)。

圖7 硬模/軟模工裝示意圖

圖8 鋼質(zhì)母模示意圖

3.1.5 帽形筋條的定位工裝設(shè)計

帽形筋條的定位工裝采用復合材料，厚度為3 mm，可以解決長桁陷入壁板中以及壁板外形面出印痕的問題。通過數(shù)控銑切出定位工裝的輪廓線。

3.2 預浸料剪裁與鋪疊

采用數(shù)控下料機剪裁蒙皮預浸料，激光投影儀定位裁片，手工鋪疊的方式進行蒙皮制造。在帽形筋條成型模上進行鋪貼，切掉余量，抽真空壓實。放置彈性芯模，鋪疊止裂層，壓實后鋪疊膠膜。

高墻的鋪疊較復雜，采用手工鋪疊，首先根據(jù)工裝形式鋪疊U型和Z型2個筋條，再把鋪疊的U型和Z型2個筋條通過模具合并，然后已成型的單向預浸料填入三角填充區(qū)，隨后將底板貼附在下緣條和三角填充區(qū)的底部，完成高墻預成型體的制備。

3.3 J型高墻壁板成型

為了更好地保證J型高墻壁板的成型質(zhì)量，對鋪疊后的壁板和帽形筋條進行預壓實，預壓實工藝參數(shù)如下：1)真空度≥0.09 MPa，加<0.3 MPa的壓力；2)以≤3 ℃/min的升溫速率升溫至(60±5) ℃，保溫10～15 min，卸壓出罐。

根據(jù)J型高墻壁板的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求，首先用筋條定位工裝對帽形筋條進行定位；然后采用高墻定位器對高墻進行定位；最后進行組裝固化。J型高墻壁板共膠接成型示意圖如圖9所示。

圖9 J型高墻壁板共膠接成型示意圖

4 質(zhì)量檢測

對J型高墻壁板的外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和外形尺寸等進行檢測，結(jié)果表明，研制的J型高墻壁板滿足設(shè)計要求。

4.1 外觀質(zhì)量

J型高墻壁板表面光滑平整，臺階過渡區(qū)清晰，未出現(xiàn)富樹脂缺陷，單向帶纖維清晰可見，表面樹脂均勻。研制的J型高墻壁板未出現(xiàn)長桁陷入蒙皮及蒙皮外形面出印痕等問題。

4.2 內(nèi)部質(zhì)量

采用超聲檢測法對J型高墻壁板整體進行無損檢測，蒙皮、帽形筋條和高墻以及膠接處無內(nèi)部質(zhì)量缺陷。測得壁板和高墻的孔隙率均

4.3 厚度控制

用卡尺和超聲測厚儀分別對蒙皮、帽形筋條和高墻進行厚度測量，結(jié)果表明，蒙皮厚度公差≤±3%；帽形筋條厚度公差≤±4%；高墻厚度公差≤±3%，均滿足設(shè)計要求。

測量帽形筋條和高墻軸線位置，軸肋線位置≤±l mm，滿足設(shè)計要求，表明設(shè)計的共固化成型模具和定位工裝是合理可行的。

4.4 貼模度

J型高墻壁板脫模后，重新放在蒙皮成型模上，在不施加外力的情況下對J型高墻壁板進行貼模度檢查，測量結(jié)果如下：壁板四周貼模度≤0.2 mm，壁板中間貼模度≤0.3 mm，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

通過上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)整體成型工藝制造的J型高墻壁板內(nèi)部質(zhì)量和外形尺寸均滿足設(shè)計要求，該工藝方案可行。

2)采用三角填充區(qū)0°纖維成型模具成型0°纖維束，可以保證J型高墻下緣條成型的質(zhì)量。

3)采用硬模/軟模配合的工裝結(jié)構(gòu)可保證帽形筋條的成型質(zhì)量、直線度和尺寸精度。

4)筋條定位和高墻定位的工藝方案為復雜內(nèi)形面加筋壁板的制造提供了一種新方案。

[1] Elaldi F, Lee S, Scott R F. Manufacture of composite panels with J-shape stiffener[J]. Materials and Manufacturing Process, 1995, 10(1):27-36.

[2] 荀國立, 徐洪波. 復合材料帽型加筋壁板典型件共固化成型[C]//第17屆全國復合材料學術(shù)會議(復合材料制造技術(shù)與設(shè)備分論壇)論文集. 北京：北京中航時代文化傳播有限公司，2010.

[3] Wang Xueming, Xie Fuyuan. Influence of core fillers on resin flow and fiber compaction of cocured skin to stiffener structures[J]. Polymer Composites, 2010, 31(8):1360-1368.

[4] 楊博, 王菲, 陳永清, 等. 大尺寸復合材料“工”形加筋壁板研制[J]. 航空制造技術(shù), 2014(15):112-115.