復(fù)合材料C型梁類零件變形控制工藝方法的研究

王浩軍，黃雪萌，房曉斌，白婭萍

(西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089)

0 引言

先進(jìn)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的抗疲勞性、耐腐蝕、可設(shè)計性突出、成型工藝性好等特點，在航空產(chǎn)品上得到廣泛應(yīng)用，已成為新一代飛機(jī)機(jī)體的主體結(jié)構(gòu)材料。

復(fù)合材料構(gòu)件的固化變形對零件的外形精度和構(gòu)件之間的連接匹配會產(chǎn)生極為不利的影響,從變形原因的角度出發(fā)，復(fù)合材料構(gòu)件的固化變形可分為三類：由熱膨脹系數(shù)不一致引起的變形、收縮變形以及模具與構(gòu)件相互作用而導(dǎo)致的變形。

某型機(jī)尾翼C型梁為復(fù)合材料零件,零件的驗收質(zhì)量要求高，零件成型質(zhì)量直接影響著裝配質(zhì)量?，F(xiàn)以熱壓罐成形設(shè)備為基礎(chǔ)，通過試驗與理論分析相結(jié)合的方法，研究在一定工藝參數(shù)（溫度、壓力、保溫時間、升/降溫速率）、結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)（鋪層方向、厚度以及R）、模具參數(shù)（模具材料、模具形式）下，復(fù)合材料C型梁類零件變形控制的工藝方法。

1 產(chǎn)品介紹

1.1 產(chǎn)品材料

樹脂體系：高溫固化環(huán)氧樹脂，Cytec公司生產(chǎn)；增強(qiáng)材料：高模碳纖維，Cytec公司生產(chǎn)。

1.2 結(jié)構(gòu)尺寸

長×寬 ×高：8 636 mm×220 mm×56 mm。

1.3 結(jié)構(gòu)特點

（1）C型梁沿中心線對稱 ，從外側(cè)到梁中心線測量得到三種厚度

2.13 mm/3.48 mm/4.52 mm 。

（2）存在三種尺寸的倒角，倒角半徑分別為6mm/7 mm/ 9mm。

（3）緣條與腹板夾角由中心向外從87.5°減小至84.5°（見圖 1）。

2 工藝研究

2.1 特征信息的提取方法

復(fù)合材料C型梁類零件的特征信息包括零件厚度、緣條面與腹板面的夾角度數(shù)、R角半徑及下限區(qū)等。將這些信息提取并集合到一起，依據(jù)成本及制造過程的難易程度來確定特征試驗件的長度尺寸，寬度及高度尺寸則與正式零件保持一致。

C型梁零件特征信息（見圖2）：

（1）梁沿中心線左右對稱，簡化研究對象，只取一側(cè)研究。

（2）在一半梁的上、下緣條上共截取15個局部截面，在截取的15個截面上緣條面角度從92.32°～95.47°均勻變化。簡化起見選取 ： 92.5°、94.0°、 95.5°， 三個角度進(jìn)行研究。

（3）梁緣條外側(cè)頭部有個30.06 mm長的折彎區(qū)域，將該段區(qū)域外側(cè)的緣條型面向內(nèi)收窄了1.499 mm。在試驗件上這段下陷區(qū)設(shè)計成30 mm長度上厚度下陷1.5 mm。

圖2 C型梁特征信息示意圖

（4）梁零件存在三種尺寸的R角，三種R角與零件的三種厚度一一對應(yīng)（見圖3），對應(yīng)關(guān)系為：

厚度4.52 mm區(qū)域?qū)?yīng)R角半徑9 mm ；厚度3.48 mm區(qū)域?qū)?yīng)R角半徑7 mm ；厚度2.13 mm區(qū)域?qū)?yīng) R角半徑6 mm 。

圖3 C型梁厚度-R角關(guān)系圖

2.2 特征試驗件工藝模型構(gòu)建

通過特征信息的提取來構(gòu)建局部特征試驗件模型，其中有三個變厚區(qū)，每一個區(qū)域長度尺寸設(shè)為100 mm，一個下陷區(qū)長度尺寸設(shè)為30 mm，三個過渡區(qū)定義長度尺寸為25 mm，最終得到長度尺寸為405 mm的特征試驗件模型（見圖4）。所有試驗用材料、工藝參數(shù)與梁制件完全一致。除零件特征信息外，工藝模型構(gòu)建時考慮反變形補(bǔ)償值，一側(cè)按照名義型面，另一側(cè)按照反變形補(bǔ)償型面（1.25°），這樣可以得到反變形補(bǔ)償和名義型面的對比。

圖4 C型特征試驗件模型圖

圖5 C型特征試驗件反變形補(bǔ)償示意圖

2.3 特征試驗件制造

在一定工藝參數(shù)（溫度、壓力、保溫時間、升/降溫速率）、結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)（鋪層方向、厚度以及R）、模具參數(shù)（模具材料、模具形式）下，按照工藝流程使用熱壓罐成型梁零件的局部特征試驗件。

2.3.1 工藝流程

工裝準(zhǔn)備→材料準(zhǔn)備→下料（帶余量）→鋪貼→制袋→固化→鉆孔→脫?！懈钚拚?。

2.3.2 工藝試驗結(jié)果及分析

從表1數(shù)據(jù)可知，此構(gòu)件的最大變形量為0.3°（相對于補(bǔ)償后變形前的成型曲面的變形量）。為了進(jìn)行更可觀的比較，取A、B、C三個區(qū)域，對其在補(bǔ)償前后相對于原始曲面的變形量進(jìn)行比較，如表2所示?？梢娡ㄟ^補(bǔ)償后A區(qū)域減少了100%的變形量，B、C區(qū)域減少了80%的變形量。使得構(gòu)件在固化變形后的形狀更接近復(fù)合材料構(gòu)件的原始形狀，補(bǔ)償效果較好，可見基于變形的反變形補(bǔ)償算法具有可行性。

2.4 固化變形預(yù)測及工藝補(bǔ)償設(shè)計

以成型中的反變形補(bǔ)償方式制造的局部特征試驗件滿足梁整體制件的外形要求，預(yù)測梁整體制件的固化變形與反變形補(bǔ)償方式制造局部特征試驗件相一致。因此選取1.25°為梁整體制件的固化變形補(bǔ)償值。

表1 特征區(qū)域補(bǔ)償前后零件角度

表2 特征區(qū)域在型面補(bǔ)償前后變形后相對于原始位置的偏移量

C型梁外表面可分割成若干個截面，將這些若干個截面沿切點分別旋轉(zhuǎn)1.25°，再將若干截面平順連接，組成一個補(bǔ)償后的C型梁工藝型面模型。使用此工藝型面模型制造梁整體制件，最終實現(xiàn)成型后的復(fù)合材料產(chǎn)品與期望的形狀相一致。工藝型面模型建模過程見圖6。

圖6 工藝型面建模過程示意圖

2.5 模具型面補(bǔ)償修正

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)的復(fù)合材料制件技術(shù)不斷提高，在飛機(jī)零、部件上應(yīng)用越來越廣泛。高質(zhì)量的復(fù)合材料制件必須有高質(zhì)量的工裝來保證。提高復(fù)材零件工裝的設(shè)計、制造水平，是適應(yīng)復(fù)合材料制件的發(fā)展要求和保證復(fù)合材料制件的質(zhì)量基礎(chǔ)。

2.5.1 模具材料及結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料類零件工裝設(shè)計時根據(jù)零件的材料、外形結(jié)構(gòu)、尺寸大小、精度要求、成型溫度、工裝制造能力等來確定工裝的材料和結(jié)構(gòu)形式——金屬工裝或復(fù)合材料工裝。

通用的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、復(fù)合材料，對于C型梁類零件來說，鋁合金熱膨脹系數(shù)大，不適用于形狀復(fù)雜的零件，復(fù)合材料工裝受到工裝剛性和使用壽命的限制，也不是最理想的工裝材料，鋼和殷鋼適合成型此類零件，但C型梁曲率大易變形，殷鋼熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料更為接近。

由表3可知框架結(jié)構(gòu)主要用于成型一些大尺寸外形弧度較大的復(fù)合材料零件。經(jīng)過權(quán)衡，選擇殷鋼薄壁框架結(jié)構(gòu)的工裝來成型C型梁類零件。

表3 復(fù)合材料零件工裝結(jié)構(gòu)種類

2.5.2 模具型面構(gòu)建

采用數(shù)值方法將復(fù)合材料構(gòu)件的固化變形補(bǔ)償?shù)綐?gòu)件成型模具型面的幾何設(shè)計中，采用對復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的型面進(jìn)行變形補(bǔ)償方法來較小或者消除構(gòu)件在熱壓罐成型過程中產(chǎn)生的變形。模具建模時考慮1.25°補(bǔ)償角度，按照工藝型面模型設(shè)計模具型面。

2.5.3 補(bǔ)償原理

通過將這種變形以反變形的方式補(bǔ)償?shù)綇?fù)合材料構(gòu)件模具型面的設(shè)計中，從而實現(xiàn)減小或消除最終成型后的復(fù)合材料產(chǎn)品的固化變形，降低由反復(fù)修模、優(yōu)化工藝所造成的高成本，縮短制造周期。

復(fù)合材料構(gòu)件模具型面的補(bǔ)償原理（針對本文的凹模結(jié)構(gòu)）示意圖如圖7所示。

3 結(jié)束語

（1）復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型過程的變形控制是復(fù)合材料構(gòu)件制造的一個關(guān)鍵問題。基于復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型的變形預(yù)測，提出了特征信息提取、特征工藝模型構(gòu)建等方法，通過反變形補(bǔ)償方法制造特征試驗件來預(yù)測整體件的固化變形，驗證了型面補(bǔ)償算法的有效性。

（2）復(fù)合材料構(gòu)件的型面是設(shè)計成型模具型面的依據(jù)，將構(gòu)件的固化變形補(bǔ)償納入到構(gòu)件成型模具型面的幾何設(shè)計中，減小了構(gòu)件的固化變形，實現(xiàn)了最終成型后的復(fù)合材料產(chǎn)品形狀與期望的形狀相一致。

圖7 復(fù)合材料構(gòu)件固化成型的型面補(bǔ)償算法示意圖

（3）通過工藝補(bǔ)償修正技術(shù)形成一套完整的復(fù)合材料構(gòu)件變形控制方法：特征信息提取、反變形補(bǔ)償、特征試驗件制造、固化變形預(yù)測、工藝補(bǔ)償設(shè)計、模具型面補(bǔ)償，從而減小或消除復(fù)合材料制件的固化變形，降低由反復(fù)修模、優(yōu)化工藝所造成的高成本，縮短制造周期。