某型飛機PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼梢小翼成型技術(shù)研究

成艷娜，劉向陽

（西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

復合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，具有較大的彎曲剛度和強度，是承載效率較高的結(jié)構(gòu)形式，已廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域飛行器的尾翼、尾梁和機身等部件[1]。PMI閉孔泡沫具有各向同性的特點，在熱壓罐固化過程中，泡沫各向同性的空隙結(jié)構(gòu)可以滿足側(cè)壓下尺寸穩(wěn)定性的要求而無需用泡沫膠填充，且泡沫能將熱壓罐的壓力均勻地傳遞給泡沫下方面板的鋪層，使其壓實，沒有壓痕等表面缺陷，保證了面板的成型質(zhì)量，實現(xiàn)夾芯結(jié)構(gòu)的 共 固化[2～4]。

某型飛機為了達到減重目標和強度要求，其翼梢小翼采用了全高度的泡沫夾層結(jié)構(gòu)。這種全高度泡沫夾層結(jié)構(gòu)由復合材料蒙皮和硬質(zhì)PMI泡沫芯材組成，無梁，僅有端肋及中間加強肋；其承力原理類似于夾層結(jié)構(gòu)梁，泡沫芯材起到腹板的作用。該結(jié)構(gòu)形式簡單，質(zhì)量較輕，簡化了傳統(tǒng)的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系。

泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼梢小翼零件的面板采用玻璃纖維復合材料，夾芯材料為PMI聚酰亞胺硬質(zhì)泡沫塑料。翼梢小翼零件共包含泡沫芯、肋、復材彎管及外蒙皮等7項次級零件。零件曲率較大、結(jié)構(gòu)復雜，給復合材料制造帶來了較大的難度。

本研究通過對泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼梢小翼結(jié)構(gòu)特點和難點進行分析，針對熱壓罐成型過程中涉及的異形復雜型面硬質(zhì)泡沫精確加工、彎管類零件成型方案、翼梢小翼成型工藝方案設(shè)計以及膠接夾具工裝方案設(shè)計等4個方面的技術(shù)難點進行研究；通過試驗件制造驗證，確定合適可行的工藝工裝方案。

1　翼梢小翼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點

1.1　結(jié)構(gòu)簡介

泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼梢小翼位于飛機機翼的翼梢，左右件為對稱件，零件數(shù)模如圖1所示。小翼零件外形雙曲，尺寸約為750 mm×620 mm，由3塊泡沫芯、2項肋、1項復材彎管及外蒙皮共7項次級零件組成。為防止雷電損傷，在翼梢小翼的外形面鋪貼防雷擊金屬網(wǎng)。零件所用原材料如表1所示。

圖1　翼稍小翼零件示意圖Fig.1　Schematic of winglets

表1　翼梢小翼用原材料Tab.1　Materials list of winglets

1.2　技術(shù)指標要求

產(chǎn)品主要技術(shù)指標為：氣動外形公差±1.0 mm、質(zhì)量公差±10%和厚度公差±5%；目視檢查制件表面，不允許有5 mm×5 mm面積或0.2 mm深度的樹脂堆積、鋪層褶皺、凹坑、凸起和膠瘤，不允許有可見的貧脂區(qū)，不允許有開裂或破碎樹脂，不允許有5 mm×5 mm的擦傷、外來物夾雜等。

2　PMI翼梢小翼制造難點

根據(jù)翼梢小翼零件結(jié)構(gòu)特點，其制造過程可大致分解為相對獨立且又緊密關(guān)聯(lián)的2個環(huán)節(jié)，分別為次級零件制造、次級件共膠接或二次膠接形成翼梢小翼組件。不同環(huán)節(jié)均有其相應(yīng)的制造技術(shù)難點。

（1）泡沫芯型面復雜，按照常規(guī)方法無法數(shù)控銑切。翼梢小翼零件共包含3塊泡沫芯，均為雙曲率結(jié)構(gòu)，厚度從后緣部位的4 mm過渡到翼面最高處約70 mm。復材彎管從泡沫芯中部通過，導致其中2塊泡沫芯內(nèi)部有Φ32 mm貫穿全長度的空腔，且空腔外形轉(zhuǎn)角約為90°和135°，按照常規(guī)方法無法進行數(shù)控銑切。

（2）PMI泡沫具有一定的熱壓縮蠕變性能。采用熱壓罐成型工藝制造泡沫夾層結(jié)構(gòu)時，泡沫芯材在溫度和壓力的雙重作用下會產(chǎn)生一定量的收縮。對于泡沫夾層復合材料制件來說，泡沫芯收縮會影響制件的尺寸穩(wěn)定性，甚至造成泡沫夾層結(jié)構(gòu)復材制件的脫粘缺陷。

（3）翼梢小翼彎管零件為管狀封閉式結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)的凸模或凹模金屬工裝成型時無法保證零件的內(nèi)外型面質(zhì)量，且因彎管零件帶有約90°和135°的轉(zhuǎn)角，整體式模具容易導致固化后零件無法脫模。

（4）對于泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼梢小翼而言，零件成型風險點主要為表面質(zhì)量及無損質(zhì)量控制。成型工藝過程中涉及泡沫芯拼接技術(shù)、后緣區(qū)成型技術(shù)、泡沫芯與肋、復材彎管的膠接技術(shù)、蒙皮及金屬網(wǎng)鋪貼技術(shù)等，這些方面會直接影響到產(chǎn)品表觀及內(nèi)在質(zhì)量的控制，最終影響產(chǎn)品整體質(zhì)量。

（5）翼梢小翼為飛機上的次承力部件，其外表面為飛機氣動外形面，因此，對表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量要求均較高。而泡沫夾層結(jié)構(gòu)在固化過程中因泡沫芯熱壓縮蠕變等性能，易導致完工后復材制件出現(xiàn)褶皺、凹陷等表面問題，以及蒙皮與泡沫芯脫粘、內(nèi)部密集孔隙和空腔等無損缺陷問題。

所以，必須選擇合理的工裝方案來保證固化過程中的壓力均勻傳遞及表面平整度。

3　工藝技術(shù)研究

針對上述5個技術(shù)難點，開展了以下方面的研究攻關(guān)。

3.1　異形復雜型面硬質(zhì)泡沫芯的精確加工

在相同密度條件下，PMI泡沫是強度和剛度相對最高的泡沫材料[5]。一般可采用機械加工將泡沫芯材數(shù)控加工至所需的曲面形狀。而對于內(nèi)部帶有管狀空腔的復雜結(jié)構(gòu)，由于設(shè)備加工能力限制，無法整體成型。

針對此類異形復雜型面泡沫芯零件，可采用分體式銑切成型技術(shù)，以保證零件的加工精度。具體做法為：以泡沫芯零件空腔中軸線垂直翼面的平面作為分割面，將復雜型面的泡沫芯零件分割為2個獨立的子零件，然后采用懸空雙面銑切方式分別數(shù)控銑切子零件型面。在成型泡沫夾層結(jié)構(gòu)零件時，采用膠膜或發(fā)泡膠將2個泡沫子零件在成型工裝上進行拼接，再進入熱壓罐固化，最終得到一個整體PMI泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的零件。該銑切方案可節(jié)省一套泡沫芯銑切夾具，且銑切精度較高，降低了廢品率，縮短了生產(chǎn)周期。

圖2　復雜型面泡沫芯的加工Fig.2　Machining of foam core with complex shaped surface

為消除泡沫芯材料熱壓縮蠕變性能對制件尺寸穩(wěn)定性及膠接質(zhì)量的影響，要保證固化后翼梢小翼零件的外形精度，以滿足飛機外形要求；在機械加工前后對泡沫芯材料進行干燥處理的同時，需增加一定的加工補償量。通過開展基礎(chǔ)試驗，確定泡沫芯材料在一定溫度壓力條件下的收縮量，綜合分析翼梢小翼零件的結(jié)構(gòu)特點及膠接工藝，最終確定泡沫芯零件在銑切時增加0.5%～1%的補償量。按照補償后的數(shù)模進行泡沫芯銑切，完工后的翼梢小翼零件外形滿足了設(shè)計要求，證明給定的補償位置及補償量是正確的。

3.2　彎管零件成型方案

目前能滿足彎管結(jié)構(gòu)整體成型要求的模具方案主要有金屬模具、氣囊模具以及水溶性模具這3種。由于彎管零件帶有轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)復雜，不易脫模。若采用金屬陽模設(shè)計時，必須設(shè)計成可拆卸式的多金屬活塊組合結(jié)構(gòu)，各活塊間需保證配合精度，其模具設(shè)計及制造較復雜；若采用氣囊模具，則要制作上下模和氣囊芯模，模具制造周期較長，成本較高；水溶性模具是近年來發(fā)展起來的一種模具制造方法，主要用于解決復雜型面封閉結(jié)構(gòu)復合材料產(chǎn)品成型和難于脫模的問題。

從工裝設(shè)計、制造難度、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率等方面考慮，選用水溶性砂芯模成型復材彎管零件較合適。砂芯模由膠粘劑（AQ301、石英砂、陶粒和玻璃微珠等）和石膏等填料組成，采用模壓法制成實心的模具。砂芯模使用溫度至少為150 ℃，復材彎管在砂芯模上成型后，從開口處通入合適溫度的水,使模具材料溶解，進而得到復合彎管零件。

3.3　成型工藝方案設(shè)計

泡沫夾層結(jié)構(gòu)通常有共固化和分步固化2種成型工藝。表2為翼梢小翼零件采用2種成型工藝方法的優(yōu)劣對比。

表2　成型工藝方法的優(yōu)劣對比Tab.2　Comparison of advantages and disadvantages of different processing methods

綜合考慮翼梢小翼外形雙曲及次級零件較多的結(jié)構(gòu)特點，選用方案2中的分步固化方式。先將泡沫芯、肋等次級零件單獨成型，然后采用膠膜將其二次膠接形成框架組件A；在組件A上鋪覆外蒙皮后采用共膠接的成型工藝形成組件B，最后鋪貼外表面的金屬網(wǎng)，工藝流程如圖3所示。采用該工藝流程制備的試驗件，按照工裝卡板檢測零件型面，采用敲擊及無損探傷手段檢測內(nèi)部質(zhì)量，試驗件檢測結(jié)果良好，可以滿足設(shè)計指標要求。

圖3　泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼梢小翼成型工藝流程圖Fig.3　Processing flow chart of foam sandwich structure winglets

3.4　膠接夾具工裝方案設(shè)計

根據(jù)翼梢小翼零件的結(jié)構(gòu)及成型工藝方案進行框架組件A及完工組件的膠接夾具設(shè)計。2套膠接夾具的工裝材質(zhì)均為鋼材，設(shè)計成薄壁框架結(jié)構(gòu)。在完工組件的膠接夾具上設(shè)置4個檢驗卡板，用于完工組件的型面檢測。

框架組件A的膠接夾具設(shè)計為單面模，在各次級件靠袋面的膠接拼縫處放置特殊材質(zhì)的勻壓板，防止膠液溢出，以保證膠接縫處的平整度。

完工組件的膠接夾具采用軟硬組合模形式（見圖4）。其中下翼面為鋼制工裝面，上翼面采用AIRPAD與碳布組成的壓力墊軟模，上下模具以前緣對稱軸線作為分割面。該軟硬模組合工裝結(jié)構(gòu)既保證了固化過程中的壓力均勻傳遞，同時也滿足了上下翼面的型面精度要求。利用該工裝制造的第1件翼梢小翼已合格交付裝機。

圖4　膠接夾具工裝方案示意圖Fig.4　Schematic of fixture tooling for bonding

4　結(jié)論

（1）針對異形復雜型面泡沫芯零件，采用分體式銑切成型技術(shù)進行加工，可節(jié)省一套銑切夾具，且銑切精度較高，降低了廢品率。

（2）機械加工前后對泡沫芯材料進行干燥處理，增加0.5%～1%的補償量，可消除泡沫芯材料熱壓縮蠕變性能對制件尺寸穩(wěn)定性及膠接質(zhì)量的影響，保證固化后零件的外形精度滿足飛機外形要求。

（3）針對管狀封閉式結(jié)構(gòu)的復材零件，可選用水溶性砂芯模成型。

（4）翼梢小翼采用先將泡沫芯、肋等次級零件單獨成型，然后二次膠接形成框架，最后鋪貼外蒙皮進行共膠接固化的分步固化成型工藝合理、可行，完工后制件的型面及內(nèi)部質(zhì)量能夠滿足設(shè)計要求。

（5）采用軟硬組合模工裝形式，保證了翼梢小翼零件固化過程中的壓力均勻傳遞，同時滿足了上下翼面的型面精度要求。

[1]王建華.小型無人飛機復合材料典型結(jié)構(gòu)形式分析[J].教練機,2011,(3):36-41.

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