基于疊層滑移工藝的復合材料J形和C形梁成形技術

薛向晨 胡江波 王犇 曹正華 鄭曉玲 孟慶功 梁憲珠

摘要：針對大型民用客機中復合材料零件的制造工藝，提出了一套基于疊層滑移工藝的復合材料骨架類零件自動化制造技術，利用疊層滑移工藝在將平面預形體變形成帶圓角的立體預形體過程中沒有褶皺的特點，形成了疊層滑移工藝制備復合材料J形和C形梁立體預形體的具體工藝方法。對于采用該技術制造的復合材料J形梁和C形梁，開展了內部缺陷、厚度和外觀等常規(guī)檢查，檢查結果滿足設計的要求；采用剖切的方法對制件的纖維面外褶皺進行檢查，結果表明不同位置的截面厚度一致，厚度均勻，在圓角處鋪層走向穩(wěn)定，無纖維褶皺；采用逐層打磨的方法對制件的纖維面內彎曲進行檢查，結果表明鋪層中纖維準直，沒有彎曲和開裂的情況。以上研究表明，與傳統的手工鋪疊工藝比較，基于疊層滑移工藝的復合材料J形和C形骨架零件自動化制造技術的工藝穩(wěn)定性好、質量一致性高、成本較低，適合自動化批量生產。

關鍵詞：復合材料；J形梁；C形梁；疊層滑移；褶皺；纖維屈曲；自動化

中圖分類號：TB332文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.005

對于預浸料熱壓罐成形工藝來說，基本的制造流程是首先將預浸料料片制備成立體預形體，再放到固化模具上在熱壓罐中進行固化，立體預形體制備是復合材料構件制造過程中的關鍵工序之一。隨著復合材料在航空工業(yè)應用的增長，復合材料零部件及結構制造自動化也將隨之擴展，對大型復合材料構件的自動化應用技術需求愈來愈迫切[1-4]。國內制造商通過引進自動鋪帶和自動鋪絲設備，已經實現了蒙皮預形體自動化制備的技術突破[5-6]；國內外制造商針對大型C形截面的梁類構件，通過對構型、鋪絲工藝和工裝，以及預浸絲的工藝適用性等技術研究，實現了C形立體預形體自動化制備的技術突破[7-14]。

目前，波音787和空客A350飛機的產量已大致達到了150架份/年[15]。未來我國大型寬體客機如果按年產量50架份估算，那么每年需要等截面J形和C形梁的總長度將分別達到約12250m和14000m。因此，對該類產品的自動化生產技術的需求非常迫切。

由于截面尺寸小、帶拐角等特點，手工鋪疊長桁、梁等零件的立體預形體一直比較難以控制。為了提高產品的工藝穩(wěn)定性和質量一致性，進一步提高生產效率和降低制造成本，航空工業(yè)復材的研究人員在基于疊層滑移工藝制備長桁立體預形體的基礎上[16]，開發(fā)了等截面J形和C形梁的立體預形體制備技術，實現了自動化、工程化制造。

本文以某大型飛機機身復合材料等截面J形和C形梁為研究對象，介紹了其成形的自動化技術、工藝驗證及應用的情況。

1預形體制備

1.1構件介紹

J形和C形梁的典型結構如圖1和圖2所示。

1.2制造工藝方案和流程

J形和C形梁的制造工藝方案如下：（1）采用自動鋪疊工藝鋪疊一個批次零件的大塊平面預形體；（2）將大塊平面預形體分切為若干個單塊的平面預形體；（3）將單塊的平面預形體轉移至J形或C形梁預形體制備的專用設備中；（4）將平面預形體成形為立體預形體；（5）將立體預形體從設備中取出，運送至固化模具上；（6）將立體預形體封裝在固化模具上，進熱壓罐中固化。

J形和C形梁的制造工藝流程如圖3所示，其中的方框部分為本系列技術的重點研究對象。

1.3平面預形體鋪疊與裁切

采用自動鋪帶或自動鋪絲工藝鋪疊出整塊的預浸料平面預形體，然后采用超聲切割刀將其分切為各個單塊的平面預形體。

1.4平面預形體轉運

因平面預形體易于變形，在轉運時需要有輔助裝置來保形。該輔助裝置可將平面預形體從鋪疊平臺上轉運至疊層滑移成形設備中，通過定位系統將平面預形體在各設備之間定位。

1.5平面預形體成形為立體預形體

（1）疊層滑移工藝與設備

疊層滑移工藝是將平面預形體經過緩慢的變形過程成形為立體預形體的過程。在這一過程中平面預形體內部相鄰鋪層之間要發(fā)生相對滑移，通過這種相對滑移運動來避免纖維褶皺的產生。

將平面預形體成形為立體預形體的疊層滑移工藝是由專用設備完成的。航空工業(yè)復材開發(fā)的基于疊層滑移工藝的J形和C形梁立體預形體制備設備如圖4和圖5所示。

（2）預浸料樹脂的流變性能

預浸料樹脂的流變性能是影響預形體產生層間相對滑移的重要因素之一，選用預浸料樹脂的等速升溫黏—溫曲線如圖6所示，等溫（135°C）黏—時曲線如圖7所示。

（3）疊層滑移工藝的操作過程

第一步，將平面預形體放置于模頭上并定位；第二步，對需成形的平面預形體進行加熱并保溫，保溫溫度和時間依據預浸料樹脂的流變性能和試驗驗證結果確定；第三步，模頭之間進行相對運動，使得平面預形體逐漸變形為需要的帶折角的立體預形體。

（4）J形和C形梁的立體預形體制備

J形梁立體預形體成形動作如圖8所示；C形梁的立體預形體成形動作如圖9所示。

1.6封裝及固化

將J形梁和C形梁的立體預形體轉移到固化模具上進行封裝，如圖10所示，封裝后進熱壓罐固化，固化工藝曲線如圖11所示（當壓力達到0.14MPa時，將真空袋內真空降至-0.02MPa，直到固化結束）。

2結果與分析

2.1常規(guī)檢測

（1）無損檢測

對40余件J形梁和300余件C形梁試驗件進行了全覆蓋超聲無損檢測及孔隙率測試，未發(fā)現分層等超標缺陷，孔隙率≤1.5%。

（2）零件厚度

采用磁力測厚儀和超聲測厚儀對40余件J形梁和300余件C形梁的厚度進行了檢測，檢測結果均滿足設計要求的平面區(qū)±5%、圓角區(qū)±10%的指標要求。某批次梁的厚度測量位置如圖12所示，測量結果如圖13所示；C形梁的厚度測量位置如圖14所示，測量結果如圖15所示。

2.2破壞性檢查

（1）鋪層的面外褶皺

對J形梁和C形梁進行橫向剖切，主要觀察的各個圓角處的鋪層是否有纖維褶皺，橫向剖切位置與厚度測量的位置相同，典型的橫向剖面的照片結果如圖16和圖17所示。

結果表明，不同位置的截面狀態(tài)一致，厚度均勻，在圓角處鋪層走向穩(wěn)定，無纖維褶皺。

（2）纖維的面內彎曲

將平面預形體變形為立體預形體時，如果預形體層間的剪切力過大就會破壞原有的纖維狀態(tài)，使得纖維在平面內出現彎曲或開裂[17]。

于是采用了逐層打磨的檢查方法，來觀察各個角度鋪層的纖維走向。經過三件試驗件的逐層打磨檢查，被檢查試驗件內部的鋪層中纖維準直，沒有彎曲開裂的情況。

J形梁和C形梁的面內纖維檢查位置與厚度測量的位置相同，典型面內纖維情況如圖18和圖19所示。

2.3疊層滑移的關鍵工藝參數

疊層滑移工藝是平面預形體經過不斷的變形成為立體預形體的過程，在這一過程中預形體內相鄰的鋪層之間發(fā)生了相對的滑移，從而避免了褶皺的產生。

在這一過程中，主要控制的工藝參數是層間的相對滑移速度、平面預形體的溫度和保溫時間。

根據具體的J形梁和C形梁結構及鋪層，并參考樹脂本身的流變特性最終選取的工藝邊界范圍：相對滑移速度1.2～ 12mm/min之間；保溫溫度60～80℃之間；保溫時間1～30min之間。

胡江波[17]等對該工藝參數范圍內的疊層滑移工藝研究發(fā)現，該工藝雖然會影響層壓板拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、短梁剪切性能和面內剪切性能，但影響的程度有限，且通過選擇合適的疊層滑移工藝參數，可以最大程度地降低該工藝的影響，很適合用在機體結構內部不會受到沖擊載荷的長桁、梁等骨架結構上[18-25]。

3結束語

通過分析，可以得出以下結論：

（1）驗證結果表明，采用基于疊層滑移的J形和C形梁的預形體制備工藝及專用成形設備，可以將預浸料平面預形體成形為立體預形體，工藝穩(wěn)定，產品的質量一致性好。

（2）本文介紹的基于疊層滑移工藝的J形梁和C形梁預形體制備工藝與設備可以進一步開發(fā)為專用的工業(yè)化流水線；相對手工鋪疊工藝成本低且效率高，具有非常大的競爭優(yōu)勢。

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作者簡介

薛向晨（1983-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：復合材料成形工藝。

Tel：18911984072E-mail：c31050201@sina.com

Manufacture Technology of Composite J-section and C-section Beam Based on Laminated Sliding Process

Xue Xiangchen1，*，Hu Jiangbo1，Wang Ben1，Cao Zhenghua1，Zheng Xiaoling2，Meng Qinggong2，Liang Xianzhu1

1. AVIC Composite Corporation Ltd.，Beijing 101300，China

2. Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 200436，China

Abstract： Aiming at the manufacturing process of composite material parts in large commercial aircraft， a series of automatic manufacturing technology of composite material frame parts based on the laminated slip is proposed. The laminated slip process is used to transform the flat blank into a three-dimensional blank with rounded corners. There is no wrinkle in the process， and a specific process method for preparing the composite material J-shaped and Cshaped beam three-dimensional preform is formed. For composite J-beams and C-beams manufactured with this technology， routine inspections such as internal defects， thickness and appearance were carried out， and the inspection results meet the design requirements. The method of sectioning was used to check the out-of-plane fiber wrinkle of the parts. The results shows that the thickness of the cross-sections at different positions is the same and the thickness is uniform. The pavement at the rounded corners is stable and no fiber folds exist. The layer-by-layer peeling off is used to check the fiber in-plane distortion of the parts and the results shows that the fibers in the layup are collimated without distortion or cracking. The above research shows that， compared with the traditional manual layup process， the automatic manufacturing technology of composite material J-shaped and C-shaped skeleton parts based on the laminated slip process has good process stability， high quality consistency， low cost， and is suitable for automated batch production.

Key Words： composites； J-section beam； C-section beam； laminated sliding； wrinkle； distortion； automation