復(fù)合材料蜂窩夾層曲面壁板的自動(dòng)鋪絲工藝研究

崔敬程 張 洋

中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心 北京 101300

1 前言

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是在兩層蒙皮之間放入經(jīng)過加工成合適大小的蜂窩芯材作為支撐材料,并通過膠膜粘接并固化成一體的一種復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)[1]。芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)因相比于鋁蜂窩具有比強(qiáng)度、比剛度高,與碳纖維蒙皮不產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn),應(yīng)用于航天、航空、軌道交通等領(lǐng)域。特別是在航空領(lǐng)域中,因與同厚度的其他結(jié)構(gòu)相比具有更好的減重效果,是現(xiàn)代飛機(jī)的理想結(jié)構(gòu),用在機(jī)身、機(jī)翼、方向舵、襟翼、副襟翼、地板等眾多部件[2-7]。

現(xiàn)階段,我國復(fù)合材料行業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,雖已有高性能的預(yù)浸料和芳綸紙蜂窩制造技術(shù),但相關(guān)研究的報(bào)道顯示用于航空領(lǐng)域的芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的成型工藝還在采用傳統(tǒng)的手工鋪疊工藝[8-14]。相對(duì)于先進(jìn)的自動(dòng)鋪放成型,手工鋪貼工藝具有生產(chǎn)效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高等問題,不適合于大型構(gòu)件成型和批量化生產(chǎn)[15-16]。隨著國內(nèi)航空制造業(yè)的快速發(fā)展及復(fù)合材料用量占比逐漸提高,進(jìn)行蜂窩夾層結(jié)構(gòu)自動(dòng)鋪放成型工藝工程化應(yīng)用研究迫在眉睫。

本文使用中航復(fù)合材料有限公司開發(fā)的國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料和芳綸紙蜂窩作為主要原料,針對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)曲面壁板,選擇大型鋪絲機(jī)作為驗(yàn)證平臺(tái),進(jìn)行蜂窩夾層結(jié)構(gòu)自動(dòng)鋪絲技術(shù)研究。通過蜂窩材料的選用試驗(yàn),爬坡角、鋪放壓力等工藝參數(shù)試驗(yàn),平板鋪放試驗(yàn),及機(jī)身壁板仿真鋪放試驗(yàn)等,得到滿足質(zhì)量要求的鋪放工藝。本文對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行介紹,為自動(dòng)鋪絲技術(shù)在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)中應(yīng)用創(chuàng)造條件。

2 試驗(yàn)材料與方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備 本次試驗(yàn)選用中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心的大型鋪絲機(jī)作為復(fù)合材料大尺寸曲面蜂窩夾層壁板自動(dòng)鋪絲工藝研究驗(yàn)證平臺(tái)。該鋪絲機(jī)有效工作尺寸30m×6.5m×2m,鋪放速度0～700mm/s,最大鋪放壓力2000N;鋪放壓輥規(guī)格包括32絲束壓輥、16絲束壓輥、8絲束壓輥,3組壓輥共用1組支撐桿。

壁板固化用天津冠杰石化工程有限公司生產(chǎn)熱壓罐的進(jìn)行。

2.2 試驗(yàn)材料 本試驗(yàn)用原材料如下:

1)主要原料

中溫高模單向帶預(yù)浸料,規(guī)格為6.35mm×200m,固化后單層壓厚0.14mm,密度1.45g/cm3,生產(chǎn)單位:中航復(fù)合材料有限公司。

NH-1-1.83-48芳綸紙蜂窩,規(guī)格為1240 mm×250mm,密度為48kg/m3,生產(chǎn)單位:中航復(fù)合材料有限公司。

NH-1-2.75-32芳綸紙蜂窩,規(guī)格為1240 mm×250mm,密度為32kg/m3,生產(chǎn)單位:中航復(fù)合材料有限公司。

2)其他原料

中溫高?？椢镱A(yù)浸料,生產(chǎn)單位:中航復(fù)合材料有限公司。

J-375環(huán)氧膠膜,生產(chǎn)單位:黑龍江石油化工研究院。

2.3 試驗(yàn)方案

1)開展蜂窩材料選材試驗(yàn),研究不同蜂窩在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的工藝性能;

2)開展平面類蜂窩自動(dòng)鋪絲試驗(yàn),獲得適宜于鋪放爬坡角度及鋪絲壓力,并進(jìn)行平板鋪放試驗(yàn)。

3)開展曲面類蜂窩自動(dòng)鋪絲仿真試驗(yàn),完成曲面蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化研究,并進(jìn)行蜂窩夾層結(jié)構(gòu)曲面壁板的鋪放。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 蜂窩材料選型工藝性試驗(yàn) 通過手工鋪疊,將斜削邊后的NH-1-1.83-48和NH-1-2.75-32兩種蜂窩芯與AC531/CF8611織物預(yù)浸料分別制成平板夾層試驗(yàn)件,放入熱壓罐中進(jìn)行試驗(yàn)。研究不同密度的芳綸紙蜂窩在高溫條件下,耐壓性能是否可以滿足工藝要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明,模具溫度180℃,罐內(nèi)壓力為0.45MPa和0.5MPa時(shí)NH-1.83-48和NH-2.75-32兩種蜂窩均表現(xiàn)良好。模具溫度升到185℃,罐內(nèi)壓力為0.45MPa時(shí),NH-1.83-48和NH-2.75-32兩種蜂窩依然有良好的表現(xiàn);罐內(nèi)壓力為0.5MPa時(shí),NH-1.83-48依然有良好的表現(xiàn),但NH-2.75-32蜂窩出現(xiàn)塌陷的問題。

3.2 平板類蜂窩自動(dòng)鋪絲適應(yīng)性試驗(yàn) 預(yù)浸料窄帶鋪放過程中,壓輥與鋪放面須呈90°鋪放,且為線性接觸面,鋪絲頭壓力僅施加于線性接觸面,如圖3.1。當(dāng)在蜂窩芯材表面鋪放時(shí),蜂窩上表面受到平行于蜂窩芯格的作用力F1,蜂窩在該方向可承受較大的作用力;當(dāng)在蜂窩的側(cè)邊斜切位置鋪放時(shí),壓輥?zhàn)饔糜诜涓C上的作用力F2與斜切面垂直,在該力作用下,蜂窩可能發(fā)生向內(nèi)側(cè)的滑移和空格變形,偏離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),從而影響結(jié)構(gòu)剛性。

圖3.1 蜂窩受壓示意圖

1)蜂窩爬坡角驗(yàn)證。根據(jù)鋪放設(shè)備的邊界條件,鋪放爬坡比H/L應(yīng)≤1:5,即最大爬坡角度為11.3°;現(xiàn)將NH-1.83-48蜂窩毛坯進(jìn)行機(jī)加工,外廓尺寸200mm×230mm×15mm,并斜削邊成爬坡角12°、15°、20°、25°的蜂窩。

選取坡角為12°蜂窩,使用8絲束進(jìn)行0°、90°、45°和-45°四個(gè)方向的鋪放爬坡試驗(yàn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在鋪放過程中鋪放壓輥與型面無法良好壓實(shí);此種情況下鋪放會(huì)造成絲束扭曲,如果增大鋪放壓力會(huì)造成蜂窩的壓損劈裂及,導(dǎo)致最終鋪放質(zhì)量差;同時(shí)在鋪放過程中,鋪絲頭擺動(dòng)幅度大,極易干涉碰撞,極易造成壓輥損壞。因此,蜂窩爬坡12°無法完成正常鋪放;同理,150、200、250均無法完成鋪放。后續(xù)保持絲束數(shù)不變,通過10°蜂窩的開展鋪放工藝試驗(yàn),進(jìn)行0°、90°、45°和-45°四個(gè)方向的鋪放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示均可順利完成鋪放,說明蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的鋪放爬坡角應(yīng)小于10°。

2)自動(dòng)鋪絲壓力驗(yàn)證。針對(duì)10°蜂窩,通過調(diào)整鋪放壓力,比較不同壓力下的鋪放效果,分析鋪放壓力對(duì)鋪放效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明鋪放壓力50N時(shí),絲束因?yàn)閴毫μ《霈F(xiàn)局部的滑移,;當(dāng)壓力增加到200N時(shí),局部絲束滑移現(xiàn)象有所改善;當(dāng)壓力增大到400N時(shí),可以良好的完成鋪放,鋪放表面質(zhì)量良好。

3)平板試驗(yàn)件鋪放驗(yàn)證。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,準(zhǔn)備爬坡角10°的NH-1.83-48蜂窩進(jìn)行平板鋪放試驗(yàn),鋪放壓力400N。試驗(yàn)步驟如下:

(1)在固定且調(diào)平的工裝上,進(jìn)行輔助層的自動(dòng)鋪絲。

(2)在輔助層上,確定蜂窩位置,在膠膜上放置蜂窩前需在輔助層與蜂窩間鋪放J-375膠膜進(jìn)行蜂窩膠接及固定。

(3)因自動(dòng)鋪放設(shè)備的鋪放壓輥在蜂窩底部爬坡時(shí),與蜂窩和蒙皮存在空隙。為保證鋪放時(shí)壓力向下的傳遞,該位置使用填充物填充。

(4)因進(jìn)行蜂窩材料在高溫下的耐壓性較差,處于蜂窩孔格內(nèi)的預(yù)浸料胚體無法獲得較高的成型壓力,內(nèi)部易出現(xiàn)孔隙密集缺陷。為使蜂窩受到的壓力均勻的向孔格處的蒙皮分散,保證蒙皮的成型質(zhì)量,將蜂窩外表面的孔格用膠膜封閉。

(5)將鋪放程序輸入鋪絲機(jī),進(jìn)行蜂窩上表面的纖維鋪放,完成鋪放后效果見圖3.2,最終得到了質(zhì)量良好的平板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制件

圖3.2 鋪放完成后效果

4)小結(jié)

通過平板鋪絲適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)確定,蜂窩爬坡角應(yīng)小于10°時(shí)可以順利鋪放,鋪放壓力升至400N以上時(shí)可以得到良好的鋪放質(zhì)量。

3.3 曲面蜂窩夾層壁板試驗(yàn)件鋪放試驗(yàn)

3.3.1 曲面蜂窩夾層壁板試驗(yàn)件外形介紹

1)機(jī)身壁板外廓尺寸長約為4m,寬度方向弧長約為3m,設(shè)計(jì)重量約為25kg。

2)機(jī)身壁板分為層壓板區(qū)及蜂窩夾層區(qū)兩部分;層壓板區(qū)最厚處約為2.4mm,最薄處約為1.0mm;蜂窩夾層區(qū)最厚處約為11.6mm,最薄處約為11.0mm。

3.3.2 機(jī)身壁板蜂窩鋪放仿真 根據(jù)平面類蜂窩試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲面上蜂窩鋪放的仿真驗(yàn)證,第一次仿真過程中發(fā)現(xiàn),鋪放曲面兩端曲率大發(fā)生干涉,兩側(cè)蜂窩位置與蒙皮彎折位置干涉,進(jìn)而造成鋪絲無法進(jìn)行。后將鋪放曲面兩端平滑處理,使其與模具面重合;并調(diào)整兩段蜂窩距離蒙皮彎折處50mm。

后進(jìn)行第二次仿真發(fā)現(xiàn),存在曲面不連續(xù)、碎面多,造成鋪放質(zhì)量差;蜂窩爬坡及下坡多處發(fā)生碰撞,造成鋪放質(zhì)量差。為改善鋪放質(zhì)量,進(jìn)行鋪放曲面修復(fù)處理和平滑處理,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格均勻化,提高網(wǎng)格質(zhì)量;并將蜂窩高度由15mm調(diào)整至10mm,中部蜂窩區(qū)域的爬坡比降至1:10。

經(jīng)過鋪放曲面修復(fù),曲面網(wǎng)格處理等修改后開展自動(dòng)鋪放模擬,進(jìn)行軌跡鋪放模擬分析,制造鋪放驗(yàn)證模擬分析,鋪放效果顯著改善,中部/兩端蜂窩爬坡區(qū)域鋪放質(zhì)量良好,兩側(cè)爬坡區(qū)域鋪放質(zhì)量局部改善,可以進(jìn)行鋪放驗(yàn)證。

3.3.3 機(jī)身壁板鋪放 全尺寸壁板采用陰模成型,為了提高成型效率、縮短制造周期、適應(yīng)鋪絲工藝需求,采用共固化的成型工藝,首先鋪放外蒙皮,而后鋪放膠膜和蜂窩,然后鋪放內(nèi)蒙皮,最后在熱壓罐中共固化。工藝流程如圖3.3所示。

圖3.3 全尺寸蜂窩夾層壁板研制流程圖

采用該工藝的優(yōu)勢(shì)在于:1)利于保證氣動(dòng)面,使用陰模鋪貼更能夠保證氣動(dòng)面外形,2)成型效率高,利于節(jié)省成本和周期;3)鋪絲工藝更易實(shí)現(xiàn),易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪放的穩(wěn)定性;4)相對(duì)于陽模成型,內(nèi)蒙皮與蜂窩的膠接配合關(guān)系相對(duì)簡單,利于保證膠接面質(zhì)量。

1)蒙皮自動(dòng)鋪絲軌跡規(guī)劃及仿真

(1)鋪放曲面網(wǎng)格化處理。由于自動(dòng)鋪絲束軟件基于三角形網(wǎng)格進(jìn)行軌跡計(jì)算分析,為保證自動(dòng)鋪放路徑的準(zhǔn)確性,需要將待鋪放曲面進(jìn)行網(wǎng)格化處理。其中,待鋪放蒙皮共創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)33998個(gè),三角形單元67011個(gè),三角面片網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)。

(2)自動(dòng)鋪絲參數(shù)優(yōu)化設(shè)定。為保證曲面自動(dòng)絲束鋪放工藝過程的順利進(jìn)行,在自動(dòng)鋪絲軌跡規(guī)劃過程中需要優(yōu)化參數(shù),主要包括鋪絲頭參數(shù)、鋪層參數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)等幾類。

針對(duì)曲面蒙皮的結(jié)構(gòu)形式,設(shè)定的主要自動(dòng)鋪絲參數(shù)如下:1)最大調(diào)用絲束:32束;2)單根絲束寬度:6.35mm;3)最短鋪放距離:100mm;4)最大鋪放壓力:800N;5)絲束鋪放間隙:0.8mm;6)絲束錯(cuò)層距離:3.5×6.35mm。

(3)自動(dòng)鋪絲鋪放軌跡設(shè)計(jì)。依據(jù)蒙皮鋪層設(shè)計(jì),針對(duì)不同的鋪放邊界完成不同厚度區(qū)域的鋪放,鋪放邊界及鋪放軌跡進(jìn)行不同鋪放角度(0°、45°、-45°、90°)的設(shè)計(jì)。在完成鋪放角度模擬的情況下,針對(duì)不同鋪放角度開展鋪放轉(zhuǎn)彎能力、鋪放角度偏差及鋪放壓輥形變能力分析,分析結(jié)果如下圖所示。其中鋪放轉(zhuǎn)彎半徑R＞1000mm;鋪放角度偏差3°以內(nèi);鋪放0°過程中壓輥?zhàn)冃巫畲?約為3mm,可以滿足鋪放工藝要求。

(4)自動(dòng)鋪絲運(yùn)動(dòng)策略控制及仿真優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計(jì)的鋪放路徑,仿真鋪絲設(shè)備的運(yùn)動(dòng)策略部分,仿真設(shè)備在各角度的可視化路徑。

2)膠接及固化工藝。試驗(yàn)件的膠接和固化工藝按照中溫高模材料體系的工藝進(jìn)行,如下:室溫下抽真空,真空度不低于-0.095MPa,以0.5℃/min～2.0℃/min的速率升溫,在室溫至80℃加壓0.4MPa～0.7MPa;繼續(xù)升溫至130℃±5℃,保溫0h～1.5h;繼續(xù)升溫至180℃～190℃,保溫3h±0.5h;溫度以不大于3℃/min的速度冷卻至60℃以下可卸罐壓和真空,工藝曲線如下圖3.4所示。

圖3.4 膠接及固化工藝曲線

4 結(jié)論

1)通過采取組合式分塊化模具和疊層滑移型面恢復(fù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了局部大曲率蒙皮結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪絲工藝成型;

2)通過對(duì)蜂窩夾芯壁板結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪絲仿真成型驗(yàn)證,獲取了適應(yīng)于蜂窩壁板的自動(dòng)鋪絲工藝參數(shù);并制造出具有良好質(zhì)量的全尺寸直升機(jī)機(jī)身