密肋加強的異型復合材料壁板組件成型技術研究

王學春 WANG Xue-chun；劉夢輝 LIU Meng-hui；張旭艷 ZHANG Xu-yan；黨曉麗 DANG Xiao-li；郭勃睿 GUO Bo-rui

（中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089）

0 引言

纖維復合材料具有比強度/比剛度較高、抗疲勞、耐腐蝕、結構尺寸穩(wěn)定性好、可設計性強、便于大面積成型等優(yōu)點，在航空、航天、汽車、能源等諸多領域有著越來越廣泛的應用，且應用范圍不斷從非承力構件向次承力、主承力構件擴展[1]，其在產(chǎn)品結構重量中的占比已成為衡量產(chǎn)品先進性的重要指標之一。近年來，肋或長桁加強的加筋壁板結構件，在787和空客A350等進行的機身和機翼結構中[2]，有著越來越廣泛的應用；隨著飛機機體、翼面結構設計的不斷優(yōu)化，組件型面及結構也愈發(fā)復雜。本文以某型飛機的典型機副翼上壁板作為對象，進一步探究型面、結構愈加復雜的加筋壁板肋結構件成型工藝及裝備。

1 產(chǎn)品結構及裝配定義

1.1 產(chǎn)品結構

不同于一般的加筋壁板肋結構件，某型飛機的典型機副翼上壁板為密肋加強的異型復合材料層壓結構，由蒙皮和19個加強肋構成，其蒙皮型面復雜，加強肋分布密集，對于設計制造技術水平的要求很高。產(chǎn)品整體長約6500mm，寬約1200mm，高約200mm；蒙皮整體截面為弓形，尾緣處為接近180°的翻邊結構，加強肋為J型結構。材料為高溫固化碳纖維織物預浸料和高溫固化玻璃纖維織物預浸料，加強肋和蒙皮配合區(qū)域使用膠膜膠接組合。零件整體為變鋪層、變厚度結構，蒙皮厚度為3～7mm，加強肋厚度為2～3mm。圖1為產(chǎn)品結構示意圖。

圖1 產(chǎn)品結構示意圖

1.2 裝配定義

上壁板為副翼組件中最重要、最復雜的零件，氣動外形、裝配關系復雜。其中，蒙皮外表面為氣動外形面；蒙皮尾緣翻邊上表面、蒙皮內(nèi)表面中部無加強肋區(qū)域、J型加強肋上緣面為該零件與下壁板、承力梁、金屬功能件等零部件的裝配配合區(qū)域，零件的整體厚度、外形以及內(nèi)部質量要求較為嚴格。產(chǎn)品裝配配合關系如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品裝配配合關系示意圖

2 成型工藝及裝備

2.1 成型工藝

對于加筋壁板類零組件，可選用的成型工藝方法有二次膠接、共膠接和共固化3種。其中，共膠接方式相比于其他兩種成型方式，具有流程較短、質量可控、工藝難度較低等優(yōu)點，是成型各類加筋壁板的主流選擇[3]。結合工藝方法和零件結構限制，選用預先固化蒙皮，再將鋪疊預壓好的未固化加強肋通過結構膠膜一體膠接到蒙皮上，即干態(tài)蒙皮+濕態(tài)加強肋的共膠接成型工藝方法。產(chǎn)品成型工藝流程如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品工藝流程圖

2.1.1 蒙皮成型

共膠接成型工藝方法，首先需要單獨進行干態(tài)蒙皮的制造。在產(chǎn)品工藝流程中，蒙皮成形及檢測包含自“材料準備（蒙皮）”至“超聲檢測”共12道工序。在此過程中，產(chǎn)品的尾緣區(qū)域鋪貼及成型是關鍵點，采用“先平鋪，再翻鋪”的方式，包含“鋪貼及壓實”、“安裝尾緣芯?！薄ⅰ拔簿壏仭?道工序。即先將所有材料平鋪完成，再安裝尾緣芯模，翻鋪產(chǎn)品尾緣，逐層緊實，并在進行必要的軟模填充后，采用熱壓罐法固化。固化后，需要對產(chǎn)品進行“內(nèi)外”兩方面的檢測；即為保證尾緣裝配配合區(qū)域型面，使用尾緣輪廓檢驗卡板進行的尾緣輪廓檢查，和為保證產(chǎn)品的內(nèi)部質量進行的超聲檢測。蒙皮尾緣鋪貼成型過程見圖4。

圖4 蒙皮尾緣鋪貼及成型示意圖

2.1.2 膠接裝配

組件的膠接裝配在產(chǎn)品的工藝流程中包含自“材料準備（加強肋）”至組件的“超聲檢測”共14道工序。J型加強肋采用“分模鋪貼，合模裝配”的方式鋪貼成型；首先完成J型肋各部分的鋪貼，R區(qū)填充及合模，之后整體與蒙皮進行膠接裝配及補償。在進行加強肋R區(qū)填充時，應嚴格計算和控制填充的預浸料寬度，以保證底緣膠接配合區(qū)域平整。填充寬度計算方法為：，其中，r為零件外形的R區(qū)圓角半徑，w為需要填充的預浸料寬度，d為產(chǎn)品用預浸料的單層固化厚度[3]。加強肋結構及R區(qū)填充區(qū)域見圖5。

圖5 J型加強肋結構及R區(qū)填充區(qū)域示意圖

2.2 工藝裝備

受產(chǎn)品尾緣結構限制，副翼上壁板組件無法采用一般加筋壁板肋零件所采用的先固化長桁，再固化組件的成型方式，其加強肋成型模也無法采用常用的“左右合模”結構[4]，對產(chǎn)品工藝裝備的設計和制造要求較高。為在滿足產(chǎn)品設計要求的基礎上，盡可能簡化產(chǎn)品成型過程中的操作要求，降低產(chǎn)品制造難度；成型膠接夾具工裝需兼顧蒙皮固化成型及加強肋膠接組合的功能，整體采用與復合材料熱膨脹系數(shù)相近的殷瓦鋼材質，分別采用“凹+凸”，“硬+軟”的組合式可拆卸式結構，實現(xiàn)產(chǎn)品蒙皮的單獨成型制造及其余加強肋結構的組合膠接固化。

2.2.1 蒙皮成型工裝

工藝裝備的設計和制造，必須與產(chǎn)品的成型工藝方法相協(xié)調(diào)，工裝結構中用于實現(xiàn)蒙皮固化成型的部分，采用“凹+凸”的結構形式，實現(xiàn)蒙皮單獨鋪貼成型固化的功能。為保證產(chǎn)品氣動外形表面的成型質量，工裝整體型面必須采用“凹?！苯Y構，即蒙皮外表面為固化貼膜面；同時，為提高鋪貼的可操作性，保證尾緣即翻邊裝配區(qū)域的成型質量，零件尾緣區(qū)域需采用“凸模”成型。結合現(xiàn)實需求，在工裝整體型面采用“凹?！苯Y構的基礎上，將蒙皮的尾緣芯模設計為可拆卸的“凸模”結構，結合兩種工裝形式的優(yōu)點，實現(xiàn)異型尾緣結構蒙皮的成型制造。工裝尾緣結構如圖6所示。

圖6 工裝尾緣結構圖

2.2.2 肋成型芯模

J型加強肋成型芯模用于產(chǎn)品加強肋的鋪貼及其與蒙皮的組合裝配及膠接固化，采用分體合模結構。為兼顧鋪層操作的便利和膠接裝配時與蒙皮型面的良好配合性，并盡量降低工裝制造難度和精度要求，芯模采用“硬+硬”與“硬+軟”相結合的結構。產(chǎn)品預浸料鋪貼和試裝配組合時，兩側芯模均采用鋼制硬模，提高可操作性；組合完成后，將加強肋“Z型”一側的硬模替換為硅橡膠軟模，使用典型J型肋的成熟工裝形式[3]，避免硬模工裝配合誤差造成的產(chǎn)品內(nèi)部質量缺陷。J型加強肋成型工裝結構如圖7所示。

圖7 鋪貼“硬+硬”（左），固化“硬+軟”（右）工裝結構圖

2.3 質量檢測

按照產(chǎn)品的設計、裝配和使用要求，需要對其外形輪廓、表面質量、蒙皮及加強肋厚度、內(nèi)部質量等進行檢查。

①外形輪廓即厚度檢測：使用成型工裝、尾緣檢測卡板等工裝工具，檢查測量產(chǎn)品氣動外形面的貼胎間隙和尾緣裝配配合區(qū)域的外形輪廓度（即尾緣輪廓度，檢驗卡板見圖6）。使用游標卡尺、壁厚千分尺、磁力測厚儀等檢測產(chǎn)品蒙皮及加強肋厚度。

②表面質量檢查：使用強光手電輔助，目視檢查零件表面質量，無褶皺，貧、富樹脂，劃傷等缺陷，表面平整。

③內(nèi)部質量檢測：使用超聲掃描檢測設備，對產(chǎn)品進行100%超聲檢測，對蒙皮、加強肋、膠接界面等進行內(nèi)部探傷，確保產(chǎn)品沒有分層、孔隙密集、脫粘、弱粘接等內(nèi)部質量缺陷。使用的超聲掃描檢測設備見圖8。

圖8 超聲掃描檢測設備圖

經(jīng)檢測，使用上述工藝方法和裝備制造成型的壁板組件外形、厚度表面、內(nèi)部均無缺陷，質量合格。

3 結語

文中，以上壁板組件為研究對象，對密肋加強的異型復合材料壁板組件復合材料壁板組件的成型工藝裝備、工藝方法、質量檢測等方面進行了全面研究。在此類產(chǎn)品的制造工程實踐中，工藝裝備的設計和產(chǎn)品成型工藝方案的制定應同步協(xié)調(diào)進行，且應嚴格控制其制造過程，強化復材產(chǎn)品過程控制，進一步提高復合材料制造技術水平，為飛機產(chǎn)品整體結構優(yōu)化奠定基礎。