復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋成型技術(shù)研究

李 鋒，袁 超，陳 靜

（1.海裝駐北京地區(qū)第五軍事代表室，北京101300；2.中國航空制造技術(shù)研究院復材中心，北京101300）

復合材料具有比強度高、比剛度大等優(yōu)點，已成為航空航天領(lǐng)域重要的輕量化結(jié)構(gòu)材料。隨著復合材料成型技術(shù)的不斷發(fā)展，復合材料用量已成為衡量航空飛行器先進性的重要指標之一[1-2]。

為了提高復合材料的利用率，充分發(fā)揮復合材料的可設(shè)計性和整體成型的優(yōu)點，越來越多的復合材料零件選擇了帶筋條結(jié)構(gòu)以保證零件剛度，減輕零件重量。復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋就是一種結(jié)構(gòu)效率很高的整體成型零件，但成型這種肋難以保證零件內(nèi)部筋條的位置精度和內(nèi)部質(zhì)量。考慮到對加筋結(jié)構(gòu)盒式肋內(nèi)部筋條的加壓問題和脫模問題，在已有的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋成型技術(shù)中，往往采用橡膠模具等選擇熱膨脹成型。如何解決復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋的熱壓罐成型，在保證零件內(nèi)部質(zhì)量和型面精度的同時，提供操作簡便、高效率的技術(shù)方法和模具，是一個難題[3]。

本文研究的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋成型技術(shù)，創(chuàng)新地提出了滑動式加壓的分體組合模具，研究了預浸料鋪疊密實程度、成型壓力對零件最終成型質(zhì)量的影響，為型面復雜的內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋的成型提供了新的解決方案。

1 零件結(jié)構(gòu)特點

某型號復合材料肋為內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋，如圖1所示，零件外形呈水滴狀，盒式肋內(nèi)部有兩處加筋結(jié)構(gòu)，肋橫截面呈“C”形，屬于封閉盒式肋。

圖1 內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋示意圖

1.1 工藝難點分析

復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋外形復雜，封閉盒式肋R角處纖維變形大，鋪疊困難。同時，若采用整體成型，內(nèi)部兩處加筋結(jié)構(gòu)難以在盒式肋成型過程中充分加壓，容易存在孔隙等缺陷；若采用分步成型，則增加制造成本與零件重量。另外，如何保證成型過程中內(nèi)部筋條的定位精度，也是一個工藝難點。由于上述復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋內(nèi)部呈復雜曲面，筋條難以在成型過程中尋找定位基準，造成內(nèi)部兩處加筋結(jié)構(gòu)偏移。

1.2 工藝方案設(shè)計

對于本文描述的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋，設(shè)計了一套組合工裝，如圖2所示。

圖2 成型模具示意圖

前后分體模具組裝在主體模具上。將前后分體模塊從主體模具上取下后，主體模具如圖3所示。

圖3 主體模具示意圖

前分體模和后分體?？梢酝ㄟ^前分體模配合滑軌及后分體模配合滑軌在主體模具上進行相對滑動，從而完成熱成型過程中對內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)的加壓過程。

在零件成型過程中，先分別在前分體模、后分體模和主體模具成型凸臺上進行預浸料鋪疊，鋪疊完成后，將前分體模和后分體模組裝在主體模具前平臺和主體模具后平臺上，然后再進行零件外層預浸料的鋪疊，鋪疊完成后封裝，最后放入熱壓罐成型。

對于本文研究的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋，設(shè)計了一套可以通過滑軌相對滑動的分體組合工裝，實現(xiàn)了復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋的鋪疊和成型過程。

2 預浸料鋪疊密實程度對成型質(zhì)量的影響

在零件鋪疊過程中，研究了預浸料鋪疊密實程度對成型質(zhì)量的影響，選擇了每鋪1/2/4/8層抽一次真空，每次抽真空20 min的方法，成型后的零件通過金相法測試零件孔隙率，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 預浸料鋪疊密實程度對成型質(zhì)量的影響

從表1中可以看出，每鋪1層預浸料及每鋪2層預浸料進行一次抽真空操作，所得零件孔隙率低，成型質(zhì)量好；每鋪4層預浸料進行一次抽真空操作，所得零件的孔隙率有所升高；每鋪8層預浸料進行一次抽真空操作，所得零件的孔隙率明顯升高，內(nèi)部質(zhì)量變差。因此，對于本文描述的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋，預浸料鋪疊越密實，零件成型質(zhì)量越好。考慮到操作及成本，建議每鋪2層預浸料進行一次抽真空操作。

3 成型壓力對成型質(zhì)量的影響

成型壓力對零件的成型質(zhì)量影響較大，在本文描述的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋熱壓罐成型過程中，研究了成型壓力對零件質(zhì)量的影響。分別選擇了加壓0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa進行實驗，成型后的零件通過金相法測試零件孔隙率，實驗結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出，當成型壓力在0.5 MPa以下時，零件內(nèi)部壓力傳遞不均勻，零件成型后孔隙率較高，內(nèi)部質(zhì)量較差；當成型壓力為0.6 MPa時，零件內(nèi)部質(zhì)量隨著成型壓力的提高有所改善；當成型壓力大于等于0.7 MPa時，零件壓力能有效保證零件在熱成型過程中的壓實，從而使得孔隙率角度、內(nèi)部質(zhì)量較好。因此，對于本文描述的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋，在一定范圍內(nèi)，成型壓力越大，零件成型質(zhì)量越好?？紤]到設(shè)備及生產(chǎn)成本，建議選擇成型壓力0.7 MPa。

表2 成型壓力對成型質(zhì)量的影響

4 驗證

采用本文所述工藝方案及工裝，選擇中溫環(huán)氧預浸料鋪疊，熱壓罐成型后的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋外型、外觀、內(nèi)部質(zhì)量檢驗合格，能滿足設(shè)計技術(shù)要求，已在某型號上得到驗證和應(yīng)用。

5 結(jié)論

對于復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋，設(shè)計了一套可以通過滑軌相對滑動的分體組合工裝，實現(xiàn)了復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋的鋪疊和成型過程。

對于本文描述的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋，預浸料鋪疊越密實，零件成型質(zhì)量越好。考慮到操作及成本，建議每鋪2層預浸料進行一次抽真空操作。

對于本文描述的復合材料內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)盒式肋，在一定范圍內(nèi)，成型壓力越大，零件成型質(zhì)量越好?？紤]到設(shè)備及生產(chǎn)成本，建議選擇成型壓力0.7 MPa。