復(fù)合材料“J”型加筋壁板成型工藝研究

鄢和庚，張 斌，萬建平，馬 軍，高慧聰，王志強(qiáng)，黎小寶

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024；2.中國人民解放軍駐320廠軍事代表室，江西南昌330024）

0 引言

復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用遵循由小到大、由簡到繁、從次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)的規(guī)律，機(jī)翼作為飛機(jī)主承力構(gòu)件，由于其結(jié)構(gòu)尺寸大、受力復(fù)雜等原因，也是先在小型飛機(jī)和軍用飛機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，在長期使用過程中積累了大量的設(shè)計(jì)、成型、使用和維護(hù)等工程經(jīng)驗(yàn)后，才逐步在大飛機(jī)上展開應(yīng)用。

樹脂基復(fù)合材料是適應(yīng)航空、航天等高科技領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一種高性能復(fù)合材料，它具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)越性能。整體化成型技術(shù)是復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造一體化中的關(guān)鍵技術(shù)，是減少零件和緊固件的數(shù)目、減輕結(jié)構(gòu)重量、降低生產(chǎn)成本、裝配成本的一個(gè)有效途徑。復(fù)合材料材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料成型和構(gòu)件成型是同時(shí)一次完成、不可分開的，充分地體現(xiàn)了復(fù)合材料整體成型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造一體化的特點(diǎn)。

復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)一般指采用共固化、共膠接、二次膠接以及預(yù)成型件液體成型等工藝方法，一次成型的大型復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如機(jī)身艙段、翼盒、整體油箱、大梁和加強(qiáng)框等。大面積整體成型是復(fù)合材料獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，是目前世界上復(fù)合材料領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

為保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的整體性要求，機(jī)身和機(jī)翼壁板會盡可能往大尺寸設(shè)計(jì)，大尺寸設(shè)計(jì)會帶來壁板剛性不足問題，設(shè)計(jì)上通過在壁板內(nèi)部增加“J”型加強(qiáng)筋條，來提高整體大型壁板的剛性和強(qiáng)度，更有效地提高結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。

1 復(fù)合材料“J”型加筋板

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

復(fù)合材料“J”型加筋壁板由“J”型筋條和壁板組成，“J”型筋條結(jié)構(gòu)為腹板上部分有半邊凸緣，腹板下部分有兩邊凸緣，兩邊凸緣一側(cè)與壁板粘接。

圖1 “J”型加筋壁板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 “J”型加筋結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

1）壁板成型后無明顯變形，貼模間隙不大于0.5mm。

2）墻體位置公差±0.5mm。

3）無損探傷檢查零件膠接缺陷,單個(gè)缺陷最大尺寸：長+寬≤25.4mm。

2 復(fù)合材料“J”型加筋壁板工藝研制

2.1 成型工藝方案選擇

成型工藝方案的選擇是復(fù)合材料加筋壁板零件制造的關(guān)鍵。復(fù)合材料加筋壁板常用的成型工藝方法主要有三種，二次膠接、共膠接和共固化。

二次膠接就是把兩個(gè)以上已經(jīng)固化成型的零件通過膠黏劑二次固化并膠接成一個(gè)整體制件的成型工藝方法，例如：壁板與筋條分別固化成型，通過膠膜進(jìn)行粘接。二次膠接的優(yōu)點(diǎn)是：避免了機(jī)械連接對復(fù)合材料制件的機(jī)械損傷，保持了復(fù)合材料的整體性，保證了復(fù)合材料優(yōu)良的力學(xué)性能。缺點(diǎn)是膠接界面存在膠接應(yīng)力，該應(yīng)力降低了膠接結(jié)構(gòu)件的層間剪切強(qiáng)度。

共固化：是將兩個(gè)或兩個(gè)以上零件通過一次固化成型，形成一個(gè)整體制件的工藝方法。共固化的優(yōu)點(diǎn)是：減少了零件數(shù)量，縮短了裝配周期，節(jié)省了裝配費(fèi)用，解決了零件間的裝配協(xié)調(diào)，同時(shí)也提高復(fù)合材料制件的整體強(qiáng)度和剛度，更充分的體現(xiàn)了復(fù)合材料的優(yōu)越性。缺點(diǎn)是成型工藝復(fù)雜，產(chǎn)品一次合格率低。

共膠接：就是把一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)固化成型的零件與另一個(gè)或多個(gè)未固化的零件通過膠黏劑固化膠接成一個(gè)整體制件的成型工藝方法，例如：壁板已經(jīng)固化，而筋條未固化，通過膠膜進(jìn)行粘接。共膠接的優(yōu)點(diǎn)是：避免了機(jī)械連接對復(fù)合材料制件的機(jī)械損傷，保持了復(fù)合材料的整體性，保證了復(fù)合材料優(yōu)良的力學(xué)性能。更重要的是解決了多個(gè)已固化零件間組裝過程協(xié)調(diào)難的問題，同時(shí)降低了工藝難度，產(chǎn)品一次合格率高。缺點(diǎn)是膠接界面存在膠接應(yīng)力，該應(yīng)力降低了膠接結(jié)構(gòu)件的層間剪切強(qiáng)度。

綜合上述三種成型工藝優(yōu)缺點(diǎn)可以看出，共膠接成型工藝較二次膠接和共固化更適合加筋壁板零件成型。

2.2 工藝流程

復(fù)合材料J型加筋壁板成型采用熱壓罐共固化

2.3 成型工裝結(jié)構(gòu)

成型工裝設(shè)計(jì)是復(fù)合材料J型加筋壁板結(jié)構(gòu)件共固化工藝的技術(shù)關(guān)鍵之一，合理的模具結(jié)構(gòu)不僅可以保證結(jié)構(gòu)件的外形尺寸和內(nèi)部質(zhì)量，而且還可以保證產(chǎn)品固化后能夠順利脫模，基于上述考慮，用于復(fù)合材料J型加筋壁板結(jié)構(gòu)件共固化成型工藝的模具應(yīng)具有以下功能：

1）保證J型加筋外形尺寸精度；

2）保證J型加筋位置精度；3）保證產(chǎn)品在固化過程中各部位都能夠均勻受壓；4）能夠滿足復(fù)合材料J型加筋壁板結(jié)構(gòu)件固化工藝要求；

5）保證產(chǎn)品固化后能夠順利脫模。

2.3.1 組合成型模工裝結(jié)構(gòu)

組合成型模分為三部分：板框式蒙皮成型模、“J”型筋條定位塊、桁架。其中，J型墻定位塊的主要配合方式有二種。一種是在“J”型內(nèi)腔使用Airpad橡膠軟模，另一種是在“J”型內(nèi)腔使用膨脹橡膠芯模，外部使用鋼質(zhì)定位塊確保墻外表面質(zhì)量及墻的直線度。

圖3 加筋壁板制造工藝流程圖

采用共固化與共膠接成型工藝，通過工藝試驗(yàn)，對比J型墻不同定位塊配合方式下的墻成型質(zhì)量、墻軸線度及厚度情況。對比以上兩種配合方式，在J型墻“U”形腔內(nèi)使用Airpad橡膠軟膜，零件固化后，下凸緣區(qū)的膠接區(qū)皺褶，表面質(zhì)量差，無損檢測無法進(jìn)行；采用膨脹橡膠軟膜成型后的R角表面質(zhì)量、凸緣表面質(zhì)量、凸緣厚度好，對比分析，Airpad橡膠加溫膨脹力小，凸緣未壓實(shí)；因軟膜硬度不夠，加壓后零件表面不平整。通過工藝試驗(yàn)的開展，發(fā)現(xiàn)J型墻與蒙皮采用共固化成型方法可行，且工裝結(jié)構(gòu)操作方便。

“J”型筋條定位塊定位方式采用墻外定位方式，此定位方式的優(yōu)點(diǎn)是：更有利于定位塊脫模；更有利于保證共固化后的“J”型墻外形尺寸。

圖4 組合成型模結(jié)構(gòu)

2.3.2 “J”型筋條鋪貼模

“J”型筋條鋪貼模采用一半陽模和一半陰模對合結(jié)構(gòu)形式，預(yù)制件在陰陽模上分別鋪貼完預(yù)浸料后再對合進(jìn)行抽真空壓實(shí)，鋪貼模結(jié)構(gòu)形式如圖5。

圖5 J型筋條鋪貼模示意圖

2.4 “J”型加筋壁板共膠接成型

“J”型加筋壁板組裝順序如下：將鋪貼好的壁板和未成型的“J”型筋條按軸線組裝在組合成型模上；壁板蒙皮非膠接區(qū)域鋪放置均壓板；用定位塊和桁架將J型筋條定好位；將真空袋、透氣氈等輔助材料穿過定位塊和桁架之間的定位銷；制好袋后檢查氣密性；按相關(guān)預(yù)浸料的固化工藝進(jìn)行共固化成型。

3 質(zhì)量控制

3.1 外形檢測

1）貼模度

將固化后的零件放入成型模，對好軸線檢查貼模度，零件貼模度良好，滿足技術(shù)要求；

2）筋條位置偏移量

將筋條對成型模上墻軸線檢查，筋條位置偏移量不大于0.5mm。

3.2 外觀質(zhì)量

壁板貼模面光滑平整，“J”型筋條光滑平整，無明顯皺褶，R角區(qū)成形良好，未見明顯纖維堆積。

3.3 內(nèi)部質(zhì)量檢測

用超聲波檢測儀對壁板制件進(jìn)行無損檢測，蒙皮和筋條未見超標(biāo)缺陷，共固化質(zhì)量比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1）J型加筋壁板可以采用共膠接固化成型工藝、共固化或二次膠接成型工藝，三者相比共膠接固化成型工藝更適合J型加筋壁板制造；

2）對比膨脹橡膠輔助芯模和Airpad橡膠軟模成型質(zhì)量，膨脹橡膠輔助芯模更有利于J型加筋壁板成型；

3）采用桁架外定位工裝結(jié)構(gòu)能夠保證筋條定位精度，且能夠很好地解決定位塊脫模難的問題。

[1]吳承思，李冬梅，李慶飛.T型復(fù)合材料長桁承載能力設(shè)計(jì)研究[J].纖維復(fù)合材料,2013（2）.

[2]鐘小丹，陳普會.復(fù)合材料加筋壁板長桁終止端混合連接設(shè)計(jì)分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2013(6).

[3]盛永清.工型復(fù)合材料加筋壁板制造工藝研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.