疊層滑移工藝制造大型機(jī)身帽型長(zhǎng)桁

（1.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京101300； 2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 200436； 3.上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436）

近年來(lái)，隨著我國(guó)大型飛機(jī)行業(yè)的發(fā)展，航空制造業(yè)對(duì)大型復(fù)合材料構(gòu)件的自動(dòng)化應(yīng)用技術(shù)需求愈來(lái)愈迫切[1]。國(guó)內(nèi)制造商通過(guò)引進(jìn)自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)鋪絲設(shè)備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了蒙皮毛坯自動(dòng)化制備的技術(shù)突破[2–9]。但是在長(zhǎng)桁毛坯的制備方面，由于長(zhǎng)桁截面較小并且存在折角形狀，在長(zhǎng)桁制造中多采用手工鋪疊工藝。該工藝需要在長(zhǎng)桁模具型面上逐層手工鋪貼預(yù)浸料，期間需要多次長(zhǎng)時(shí)間的抽真空壓實(shí)。對(duì)于大尺寸的長(zhǎng)桁，手工鋪疊需要大量的操作人員同時(shí)鋪疊，造成成型質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率。

隨著大型寬體客機(jī)的研制加快，按照未來(lái)的年產(chǎn)量50 架份估算，那么每年需要長(zhǎng)桁的總長(zhǎng)度將達(dá)到約250000m，手工制造模式明顯無(wú)法滿足產(chǎn)能和質(zhì)量如此大的需求。航空工業(yè)復(fù)材的研究人員為了解決長(zhǎng)桁毛坯的制備問(wèn)題提出了疊層滑移工藝，并且完成了工藝原理驗(yàn)證件[10]。如今經(jīng)過(guò)10余年的積累，開(kāi)發(fā)了基于疊層滑移工藝的長(zhǎng)桁毛坯自動(dòng)化制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)身壁板長(zhǎng)桁的自動(dòng)化制造。

本文以某大型機(jī)身復(fù)合材料壁板的帽型長(zhǎng)桁為研究對(duì)象，介紹了帽型長(zhǎng)桁的自動(dòng)化制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了疊層滑移工藝的自動(dòng)化應(yīng)用。

1 長(zhǎng)桁制造工藝

1.1 長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)介紹

選取的帽型長(zhǎng)桁位于某大型機(jī)身復(fù)合材料壁板上，其長(zhǎng)度約為15m，如圖1所示，長(zhǎng)桁內(nèi)腔為上窄下寬的梯形，壁厚約2mm，隨著對(duì)應(yīng)蒙皮的變厚有坡度比1∶20的爬坡。采用的預(yù)浸料牌號(hào)為HexPlyM21C/34%/ UD194/IMA–12K，鋪層為[45/0/0/–

1.2 制造工藝方案和流程

長(zhǎng)桁的制造工藝方案如下：（1）采用自動(dòng)鋪帶工藝或鋪絲工藝鋪疊平面毛坯；（2）將平面毛坯分切為若干個(gè)長(zhǎng)桁平面毛坯；（3）將分切成為單塊的長(zhǎng)桁平面毛坯從鋪疊平臺(tái)上轉(zhuǎn)移至疊層滑移設(shè)備中完成上料，解決轉(zhuǎn)移過(guò)程中平面毛坯的變形問(wèn)題；（4）通過(guò)專用的疊層滑移成型設(shè)備將長(zhǎng)桁平面毛坯制備為立體毛坯；（5）將成型為立體形狀的毛坯從疊層滑移設(shè)備之中取出，運(yùn)送到固化模具之上；（6）最后封裝在固化模具上，采用熱壓罐工藝固化。長(zhǎng)桁的制造工藝流程見(jiàn)圖2。

1.3 長(zhǎng)桁平面毛坯制備

采用自動(dòng)鋪帶工藝將多根長(zhǎng)桁的平面毛坯組合為一整塊預(yù)浸料平面毛坯進(jìn)行鋪疊，然后分切為單塊的長(zhǎng)桁平面毛坯。自動(dòng)鋪帶機(jī)型號(hào)為ATLAS–2383，由多坐標(biāo)鋪帶頭、高速移動(dòng)橫梁、高架橋式定位平臺(tái)等組成，圖3為采用鋪帶機(jī)鋪疊預(yù)浸料平面毛坯，圖4為將大塊毛坯分切為多根長(zhǎng)桁平面毛坯。

1.4 平面毛坯轉(zhuǎn)運(yùn)

由于長(zhǎng)桁平面毛坯又細(xì)又長(zhǎng)，為了使其在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中不會(huì)彎折，在轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)需要有輔助裝置來(lái)保形。專用的轉(zhuǎn)運(yùn)工裝如圖5所示，該工裝可以將長(zhǎng)桁平面毛坯從鋪疊平臺(tái)上轉(zhuǎn)運(yùn)至疊層滑移成型設(shè)備中，并完成定位。

1.5 疊層滑移成型

圖1 長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of stringer

圖2 長(zhǎng)桁制造工藝流程Fig.2 Stringer manufacturing process

疊層滑移工藝是平面毛坯經(jīng)過(guò)不斷變形成為立體長(zhǎng)桁毛坯的過(guò)程，在這一過(guò)程中毛坯相鄰的鋪層之間發(fā)生了相對(duì)的滑移，該工藝就是通過(guò)預(yù)浸料層間的相對(duì)滑移來(lái)避免褶皺的產(chǎn)生，如圖6所示。如果沒(méi)有預(yù)浸料毛坯的層間滑移，平面毛坯彎折的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生褶皺，如圖7所示。疊層滑移工藝是由專用設(shè)備完成的，與手工鋪疊相比可大幅度提高工藝穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，并降低成本。

圖3 采用鋪帶機(jī)鋪疊預(yù)浸料平面毛坯Fig.3 Flat chart laying by ATL machining

圖4 大塊毛坯分切為多根長(zhǎng)桁平面毛坯Fig.4 Large chart are cut into several small flat charts

圖5 專用的轉(zhuǎn)運(yùn)工裝Fig.5 Transfer tooling

圖6 疊層滑移工藝示意圖Fig.6 Laminated slip schematic diagram

目前，航空工業(yè)復(fù)材開(kāi)發(fā)的疊層滑移設(shè)備如圖8所示，這臺(tái)設(shè)備可以制備的長(zhǎng)桁最大長(zhǎng)度為16m。通過(guò)模頭的換裝可以實(shí)現(xiàn)L型、C型、Z型和帽型等長(zhǎng)桁毛坯基本單元的制備，如圖9所示。

疊層滑移工藝的操作過(guò)程如下（以帽型長(zhǎng)桁為例）：第1 步，將平面毛坯放置于專用設(shè)備的活動(dòng)模頭上，采用夾頭固定；第2 步，對(duì)需變形毛坯兩側(cè)部分的平面毛坯進(jìn)行加熱，最高溫度不高于93℃，并且保溫一段時(shí)間，最長(zhǎng)時(shí)間不超過(guò)90min；第3 步，模頭進(jìn)行變形運(yùn)動(dòng)，使平面毛坯逐漸變形為需要的帶折角的立體毛坯。圖10為帽型長(zhǎng)桁毛坯成形示意圖。

1.6 固化

為了提高長(zhǎng)桁非貼模面的表面質(zhì)量，在長(zhǎng)桁毛坯外表面采用了橡膠均壓板。長(zhǎng)桁固化封裝示意圖見(jiàn)圖11，長(zhǎng)桁的固化工藝見(jiàn)圖12。

2 典型長(zhǎng)桁的制造結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)檢測(cè)

（1）無(wú)損檢測(cè)。

長(zhǎng)桁固化后按照CPS8210 進(jìn)行全覆蓋超聲無(wú)損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)分層等超標(biāo)缺陷，孔隙率≤1.5%。

（2）零件厚度。

采用磁力測(cè)厚儀和超聲測(cè)厚儀對(duì)長(zhǎng)桁厚度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求的平面區(qū)±5%，圓角區(qū)±10%的要求。典型的長(zhǎng)桁厚度測(cè)量位置見(jiàn)圖13，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖14、15。

（3）表面狀態(tài)。

長(zhǎng)桁內(nèi)外表面光順，尤其是圓角區(qū)域沒(méi)有出現(xiàn)淤膠或架橋的等現(xiàn)象，固化后長(zhǎng)桁的表面如圖16所示。

2.2 破壞性檢查

（1）鋪層的面外褶皺。

為了檢查長(zhǎng)桁內(nèi)部的鋪層狀況，了解其是否有面內(nèi)的彎曲或面外褶皺現(xiàn)象，于是針對(duì)固化后的長(zhǎng)桁進(jìn)行了剖切檢查。

圖7 拐角處的褶皺Fig.7 Folds around corner

圖8 專用疊層滑移成型設(shè)備Fig.8 Laminated slip machine

圖9 長(zhǎng)桁毛坯基本單元Fig.9 Basic unit of stringer semi–finished product

圖10 帽型長(zhǎng)桁毛坯成形示意圖Fig.10 Hat–section stringer blank forming

圖11 長(zhǎng)桁固化封裝示意圖Fig.11 Stringer assemble before curing

圖12 長(zhǎng)桁固化工藝曲線Fig.12 Stringer curing curve

圖13 厚度測(cè)量位置Fig.13 Thickness measurement position

圖14 平面區(qū)厚度測(cè)量結(jié)果Fig.14 Plane area thickness measurement result

圖15 圓角區(qū)測(cè)量結(jié)果Fig.15 Rounded area thickness measurement results

圖16 制造的帽型長(zhǎng)桁Fig.16 Manufactured hat–section stringer

第1類檢查的剖面是縱向的，用來(lái)觀察長(zhǎng)桁沿軸線方向的爬坡處是否有鋪層的褶皺?？v向剖切示意圖如圖17所示。經(jīng)過(guò)剖切后發(fā)現(xiàn)，鋪層隨模具形面起伏正常，厚度均勻，鋪層沒(méi)有褶皺。沿長(zhǎng)桁軸線方向典型剖切放大照片如圖18所示。

第2類檢查的剖面是橫向的（橫向剖切示意圖如圖19所示）。用來(lái)觀察長(zhǎng)桁的4個(gè)圓角處的鋪層是否有褶皺。經(jīng)過(guò)剖切后發(fā)現(xiàn)，不同位置的截面一致，長(zhǎng)桁厚度均勻，在圓角處鋪層走向穩(wěn)定，沒(méi)有褶皺出現(xiàn)。垂直長(zhǎng)桁軸線方向的典型剖切樣塊如圖20所示，放大照片如圖21所示。

（2）纖維的面內(nèi)彎曲。

在進(jìn)行疊層滑移工藝時(shí)，在預(yù)浸料層間會(huì)有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)，如果層間的剪切力過(guò)大就會(huì)破壞原有的纖維狀態(tài)，使得纖維在平面內(nèi)出現(xiàn)彎曲或開(kāi)裂，這種情況如圖22所示。

為了查看長(zhǎng)桁沿厚度方向每一層面內(nèi)的纖維情況，采用了逐層打磨的檢查方法，即在典型長(zhǎng)桁上選取爬坡處從外向里打磨長(zhǎng)桁逐層露出纖維，從而得知在長(zhǎng)桁內(nèi)部的鋪層的纖維情況，如圖23所示。經(jīng)過(guò)觀察各個(gè)角度的鋪層纖維走向準(zhǔn)直，沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂的情況。典型長(zhǎng)桁上選取的樣段面內(nèi)纖維情況如圖24所示。

圖17 縱向剖切示意圖Fig.17 Longitudinal sectioning

圖18 縱向剖切放大照片F(xiàn)ig.18 Longitudinal sectioning photo

圖19 橫向剖切示意圖Fig.19 Transverse sectioning

圖20 垂直于長(zhǎng)桁軸線方向的長(zhǎng)桁剖切樣塊Fig.20 Sample blocks of transverse sectioning

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，采用專用疊層滑移成型設(shè)備，將預(yù)浸料平面毛坯制備為帽型長(zhǎng)桁立體毛坯，該工藝穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)的帽型長(zhǎng)桁已經(jīng)用于某型民用飛機(jī)大型機(jī)身復(fù)合材料壁板。

圖21 典型橫向剖切放大照片F(xiàn)ig.21 Transverse sectioning photo

圖22 纖維在平面內(nèi)出現(xiàn)彎曲或開(kāi)裂Fig.22 Fiber bends and cracks in plane

圖23 面內(nèi)纖維情況檢查位置示意圖Fig.23 In–plane fiber condition inspection position

圖24 面內(nèi)纖維情況Fig.24 In–plane fiber condition photo

（2）自動(dòng)化技術(shù)是復(fù)合材料構(gòu)件制造的發(fā)展方向，本文介紹的基于專用疊層滑移成型設(shè)備制備帽型長(zhǎng)桁毛坯的工藝質(zhì)量一致性好，生產(chǎn)效率高，成本低，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)專用帽型長(zhǎng)桁的工業(yè)化流水線奠定了基礎(chǔ)。