小型無(wú)人機(jī)復(fù)合材料圓管的成型工藝

張旭東 趙偉超 張 娟

（1 西北工業(yè)大學(xué)365所，西安 710065）

（2 西安航空制動(dòng)科技有限公司，西安 710065）

0 引言

樹(shù)脂基復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比，最為突出的特點(diǎn)是比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)靈活、熱穩(wěn)定性好、物理性能優(yōu)異等［1］，在無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，且對(duì)于中小型固定翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，環(huán)氧樹(shù)脂體系碳纖維預(yù)浸料作為復(fù)合材料先驅(qū)體，也越來(lái)越廣泛應(yīng)用于輕質(zhì)、高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中［2-3］。作為連接機(jī)翼并支撐垂、平尾的復(fù)合材料圓管是固定翼無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要受力部件，通常其長(zhǎng)徑比大、薄壁，甚至厚度呈階梯分布，使用時(shí)要承受彎矩、扭矩和剪力等復(fù)合載荷，其中彎矩為主要載荷，因此一般來(lái)講，成型的圓管內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密越有利于復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)的整體發(fā)揮，因此成型該產(chǎn)品較為適合的方法為預(yù)浸料成型工藝；同時(shí)為有效提高尾撐端頭的裝配連接性及氣動(dòng)外形要求，利用熱膨脹工藝及組合工裝模具可以進(jìn)一步得到滿足小型固定翼無(wú)人機(jī)使用的輕質(zhì)、高性能的碳纖維復(fù)合材料薄壁類層壓圓管［4-7］。

熱膨脹工藝是指復(fù)合材料預(yù)浸料在閉合剛性組合模具中橡膠彈性體通過(guò)受熱膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料加壓固化的成型工藝方法［8-9］，其成型原理是橡膠彈性體作為“均壓板”受熱膨脹，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料固化成型過(guò)程中壓力的均勻傳遞和分配。對(duì)于碳纖維復(fù)合材料圓管成型來(lái)說(shuō)，可以是芯模膨脹、陰模成型，也可以是陰模向內(nèi)膨脹、芯模成型，具體選擇依工藝制造技術(shù)而定，一般來(lái)說(shuō)前者成型的產(chǎn)品外形尺寸可控，且有利于后續(xù)內(nèi)形的裝配連接，后者則反之。

本文擬采用丙烯酸酯橡膠作為熱膨脹工藝的“均壓”材料［10-12］，利用其可任意賦形的典型特點(diǎn)，得到具有膨脹良好、尺寸可控的膨脹芯模，并利用上、下陰模進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型固定翼無(wú)人機(jī)復(fù)合材料圓管的工藝成型。

1 復(fù)合材料圓管結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料圓管用于連接固定翼無(wú)人機(jī)機(jī)翼和支撐尾部結(jié)構(gòu)的一種復(fù)合材料主承力層壓構(gòu)件，其長(zhǎng)度為612 mm、內(nèi)徑42 mm、壁厚1.5 mm，如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料圓管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of composite tube

2 復(fù)合材料圓管成型工藝研究

2.1 成型工藝方案的擬定

根據(jù)產(chǎn)品制造要求，在確保產(chǎn)品外形尺寸及質(zhì)量可控的前提下，復(fù)合材料圓管內(nèi)徑應(yīng)滿足制造公差要求，能與各金屬連接件正常連接及固定，因此采用上、下模具及芯模的組合方式，通過(guò)碳纖維預(yù)浸料鋪層、真空固化爐的加熱及芯模的受熱膨脹施壓得到產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、外觀質(zhì)量良好、內(nèi)徑尺寸可控的碳纖維復(fù)合材料圓管。如圖2所示，上、下陰模的內(nèi)形與產(chǎn)品外形一致，膨脹芯模的外型面與產(chǎn)品內(nèi)形一致，其中丙烯酸酯橡膠膠層厚度以其單片名義厚度進(jìn)行計(jì)算、補(bǔ)償。

圖2 成型工藝示意圖Fig.2 A drawing of composite processing

為有效提高碳纖維預(yù)浸料在受熱狀態(tài)下的樹(shù)脂滑移、防止增強(qiáng)纖維產(chǎn)生纖維皺褶等現(xiàn)象，固化前需對(duì)產(chǎn)品的預(yù)浸料預(yù)鋪層進(jìn)行必要的真空預(yù)壓實(shí)及熱壓實(shí)。同時(shí)，為有效阻止增強(qiáng)纖維層間滑移、樹(shù)脂受熱流出以及確保橡膠彈性體在密閉空間內(nèi)的可控膨脹，需要在上、下陰模組合后的模具兩端設(shè)置擋板，以形成密閉組合體。

2.2 選材和材料性能試驗(yàn)

采用北京科拉斯有限公司提供的Airpad丙烯酸酯橡膠片作為膨脹芯模主要材料，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 丙烯酸酯橡膠主要性能Tab.1 Main properties of acrylate rubber

產(chǎn)品成型主要材料采用江蘇恒神股份有限公司生產(chǎn)的單層名義厚度δ=0.2 mm、樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%的斜紋碳纖維織物預(yù)浸料，性能實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 0.6 MPa壓力下碳纖維織物預(yù)浸料部分力學(xué)性能Tab.2 Some mechanical properties of twill carbon fabric prepreg after curing under 0.6 MPa

2.3 成型工藝流程

首先在金屬芯模上進(jìn)行丙烯酸酯橡膠片的成型，得到與產(chǎn)品內(nèi)徑尺寸一致的含橡膠層金屬芯模；再在其上進(jìn)行碳纖維預(yù)浸料的鋪層和成型，得到產(chǎn)品預(yù)鋪層；最后將產(chǎn)品預(yù)鋪層處于上、下陰模及擋板形成的密閉組合體中進(jìn)行固化，待固化結(jié)束后脫模、外形加工及光整處理得到復(fù)合材料圓管產(chǎn)品。

2.4 膨脹芯模的制作

在金屬芯模上鋪貼2層丙烯酸酯橡膠片，經(jīng)真空袋壓法進(jìn)行固化成型，其中固化溫度為176 ℃，加熱時(shí)間2 h，固化壓力為0.5 MPa。成型完畢后，對(duì)表面進(jìn)行光整處理，并鋪貼1層帶膠脫模布。采用Airpad橡膠片制作的膨脹芯?？稍?76 ℃、1.4 MPa熱壓條件下使用100次以上，最高使用溫度可達(dá)202 ℃，沒(méi)有發(fā)生破壞環(huán)氧、酚醛或雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂體系現(xiàn)象。

2.5 復(fù)合材料圓管成型

按工藝要求在膨脹芯模上鋪貼碳纖維織物預(yù)浸料，其中要求第一層卷制張力盡可能的大，確保后續(xù)鋪貼的各層具有最佳的纖維伸展能力和等內(nèi)張力狀態(tài)，且要求鋪貼第1 層及后續(xù)每3～4 層真空預(yù)壓實(shí)1次，鋪層結(jié)束后進(jìn)行真空熱壓實(shí)1次。

2.6 固化成型

待膨脹芯模冷卻至室溫后出爐，將其定位于下陰模，將上陰模蓋上，通過(guò)螺栓連接上下陰模。將擋板定位于上、下陰模兩端后，用螺栓固定連接，最終形成含產(chǎn)品預(yù)鋪層的密閉組合體。

將密閉組合體放入真空固化爐中進(jìn)行固化，主要固化參數(shù)為（125±5）℃，保溫1.5～2 h，當(dāng)制件平均溫度降至60 ℃以下時(shí)出爐，自然冷卻至室溫后脫模。通過(guò)外形銑切、光整處理后，得到復(fù)合材料圓管產(chǎn)品。

3 研制中解決的主要技術(shù)問(wèn)題

3.1 圓管尺寸公差控制

在復(fù)合材料圓管成型過(guò)程中，由于外徑尺寸受上、下陰?？刂?，內(nèi)徑尺寸受膨脹芯模的熱膨脹壓力影響，壓力過(guò)高時(shí)壁厚相對(duì)較小，壓力過(guò)小時(shí)壁厚相對(duì)較大，因此需要采用合理措施對(duì)熱膨脹壓力進(jìn)行計(jì)算和控制，確保批產(chǎn)穩(wěn)定性，尤其是相對(duì)穩(wěn)定的產(chǎn)品含膠量。

復(fù)合材料圓管尺寸公差實(shí)際也受鋪層影響，各鋪層的內(nèi)張力呈逐漸遞減趨勢(shì)，當(dāng)?shù)?層鋪貼不緊實(shí)或內(nèi)張力達(dá)不到最大狀態(tài)時(shí)，后續(xù)鋪層則易出現(xiàn)卷制疏松、纖維皺褶等現(xiàn)象，尤其是真空熱壓實(shí)后表觀效果非常明顯，也進(jìn)而導(dǎo)致鋪層實(shí)際厚度過(guò)大，與上、下陰模型面實(shí)際不匹配。

3.2 固化工藝參數(shù)的控制

丙烯酸酯橡膠有其特定的固化參數(shù)，在此固化參數(shù)下橡膠會(huì)得到最佳性能及表觀質(zhì)量。固化參數(shù)包括固化溫度、升溫速率等，這些因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，在固化過(guò)程中需嚴(yán)格控制；且由于產(chǎn)品預(yù)鋪層處于密閉組合體中，在升溫時(shí)應(yīng)嚴(yán)格采用熱電偶控溫方式進(jìn)行緩慢升溫，盡可能地縮小膨脹芯模與上、下陰模的溫差，一般情況下溫差不易超過(guò)30 ℃。

3.3 鋪層孔隙的避免及控制

鋪層孔隙受預(yù)浸料本身狀態(tài)及實(shí)際鋪層手段影響，其中預(yù)浸料極易受到水分子的侵蝕，通過(guò)氫鍵作用附著于樹(shù)脂基體分子鏈段中，整個(gè)成型過(guò)程中水分子會(huì)形成許多不同大小的孔隙，且孔隙存在不同程度的正壓力［13］，進(jìn)而對(duì)整個(gè)成型質(zhì)量及產(chǎn)品性能產(chǎn)生極大的影響，因此嚴(yán)格控制預(yù)浸料的封裝解凍、鋪層環(huán)境的溫度、相對(duì)濕度等參數(shù)極為重要。另外，預(yù)浸料成型過(guò)程中合理的鋪層手段及真空壓實(shí)也是有效避免或減少孔隙存在的有效途徑之一。

4 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)硅橡膠澆鑄方式相比，丙烯酸酯橡膠具有任意賦形性和良好鋪貼性，制備的熱膨脹芯模具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、工藝成型相對(duì)簡(jiǎn)便及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

（2）在預(yù)浸料成型過(guò)程中，使用丙烯酸酯橡膠膨脹芯模能保證熱膨脹性能受控，克服了制件成型過(guò)程中可能出現(xiàn)的架橋、孔隙率大、表面皺褶及缺膠等現(xiàn)象。

（3）對(duì)大長(zhǎng)徑比薄壁類碳纖維復(fù)合材料層壓圓管的零件，在采用預(yù)浸料成型及真空袋壓法的工藝過(guò)程中，使用丙烯酸酯橡膠膨脹芯模及組合工裝的方法，得到了表面無(wú)任何壓痕、皺褶、內(nèi)形質(zhì)量良好的零件，該方法是一種良好的預(yù)浸料成型熱膨脹工藝方法。