基于VARI 工藝的J 型加筋壁板成型工藝研究

張 琳，黨 杰

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料用量在航空航天、民用領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。加筋壁板是廣泛應(yīng)用于飛機機身、翼面等部位的典型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件之一，其傳統(tǒng)的制造方法是使用螺釘將蒙皮與筋條結(jié)構(gòu)連接起來，緊固件數(shù)量多，制品整體重量大，裝配成本高。為了減少緊固件使用，降低制品重量，加筋壁板的制造逐漸采用整體成型技術(shù)。VARI（真空輔助樹脂灌注）成型工藝是一種適合大型復(fù)合材料制件整體成型的低成本制造技術(shù)，它作為液體成型技術(shù)中最具有發(fā)展前景的技術(shù)之一，在軍、民機以及汽車領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用［1-4］。

1 VARI 成型工藝簡介［5］

VARI 成型工藝的原理是：將按結(jié)構(gòu)和性能要求制備好的纖維預(yù)制體放置在模具上，在真空條件下排除纖維增強體中的氣體，使液態(tài)樹脂在預(yù)制體內(nèi)流動、滲透，實現(xiàn)對預(yù)制體纖維及其織物的浸潤，再經(jīng)一定溫度下固化、冷卻脫模后得到能夠承載的復(fù)合材料構(gòu)件。VARI 成型工藝流程如圖1 所示。

圖1 VARI 成型工藝流程圖Fig.1 Flow chart of VARI molding process

VARI 成型是在一定的真空條件下完成的，樹脂流動由真空壓力驅(qū)動，因此不需要熱壓罐，這樣既省去了熱壓罐及配套設(shè)備的投入，又避免了成型構(gòu)件尺寸受熱壓罐尺寸限制的缺點，尤其適合制造大型、超大型復(fù)合材料構(gòu)件。同時還可以結(jié)合縫合、編織等手段實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的整體成型，從而減少了零件及緊固件數(shù)量，降低了裝配成本。成型的制品孔隙率低，力學(xué)性能與熱壓罐工藝制品接近。當然，VARI 制品也存在一些缺陷，其常見缺陷及形成原因、影響因素和防止措施見表1［6-9］。

表1 VARI 制品常見缺陷、形成原因、影響因素和防止措施Table 1 Common defects, causes, influencing factors and preventive measures of VARI products

2 一種高性能VARI 工藝成型J 型加筋壁板的出膠結(jié)構(gòu)和方法

目前，航空復(fù)合材料J 型加筋壁板逐漸采用VARI工藝成型，但采用單面模具容易發(fā)生樹脂浸潤不徹底，在R 區(qū)易產(chǎn)生樹脂堆積和纖維堆積，最終產(chǎn)品表面產(chǎn)生干斑、缺膠缺陷，無損檢測時內(nèi)部為空隙密集。圖2 為某民用飛機上的J 型加筋壁板的成品結(jié)構(gòu)示意圖，它是由J 型筋條和碳纖維織物組合的碳纖維復(fù)合材料制品，J形筋條預(yù)制體的結(jié)構(gòu)拆解圖如圖3 所示。為了避免用傳統(tǒng)單面模具成型該制品產(chǎn)生干斑、缺膠等缺陷，本文提出了一種高性能VARI 工藝成型J 型加筋壁板的出膠結(jié)構(gòu)和方法，采用陰模和陽模結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單面模具，提高了樹脂沿長度方向的流動性，保證樹脂能夠完全浸潤預(yù)制體。

圖2 J 型加筋壁板成品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the finished product structure of J-shaped stiffened wall panel

圖3 J 型筋條預(yù)制體的結(jié)構(gòu)拆解圖Fig.3 Structural disassembly diagram of J-shaped rib preform

2.1 高性能VARI 工藝成型J 型加筋壁板的出膠結(jié)構(gòu)

高性能VARI 工藝成型復(fù)合材料的出膠結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括蒙皮和陰陽模成型結(jié)構(gòu)，陰陽模成型結(jié)構(gòu)設(shè)置在蒙皮上。陰陽模成型結(jié)構(gòu)包括陰模和陽模。使用時，陽模固定在蒙皮上，陰模安裝在陽模上，蒙皮上鋪設(shè)碳纖維織物，陰模和陽模之間為J 型筋條預(yù)制體。

圖4 出膠結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the glue out structure

陽模包括陽模本體和定位塊A，如圖5 所示。陽模本體的橫截面為矩形，縱截面為直角梯形，其兩端分別設(shè)有第一定位孔。陽模本體的兩端端面上分別設(shè)有定位塊A，每個定位塊A 上分別開設(shè)有第二定位孔。

圖5 陽模的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the male mold

陰模包括Z 型本體和定位塊B，如圖6 所示。 Z 型本體一端的高度低于另一端的高度，即Z 型本體的較高端為大Z 端，較低端為小Z 端。Z 型本體上設(shè)有Z 型容置腔，Z 型本體的上部布置有導(dǎo)口，導(dǎo)口與Z 型容置腔連通。導(dǎo)口是直徑為1～2 mm 的圓孔，至少設(shè)計為兩排，每排的數(shù)量至少為三個，可以通過導(dǎo)口導(dǎo)氣、注膠以及出膠。另外，也可以單獨在Z 型本體上設(shè)置注膠口和出膠口，且注膠口優(yōu)選設(shè)置在Z 型本體的大Z 端端面上，出膠口優(yōu)選設(shè)置在Z 型本體的小Z 端端面上。Z 型本體的上部兩端面上分別設(shè)有定位塊B，每個定位塊B 上設(shè)有第三定位孔，第三定位孔與第一定位孔所在位置上下對應(yīng)。

圖6 陰模的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the female mold

2.2 高性能VARI 工藝成型J 型加筋壁板的方法

利用上述出膠結(jié)構(gòu)成型復(fù)合材料，具體包括如下步驟。

（1）將含有定性劑的碳纖維織物鋪貼至蒙皮上。

（2）在陽模本體上鋪貼C 型預(yù)制體，將C 型預(yù)制體的上端底面壓在陽模本體的上表面，將C 型預(yù)制體的下端底面壓在陽模本體的下表面，C 型預(yù)制體鋪貼完成后，通過加熱完成C 型預(yù)制體定型。

（3）在陰模本體上鋪貼Z 型預(yù)制體，將Z 型預(yù)制體的上端底面壓在陰模本體的Z 型容置腔的上表面，將Z 型預(yù)制體的下端底面壓在陰模本體的Z 型容置腔的下表面，Z 型預(yù)制體鋪貼完成后，通過加熱完成Z 型預(yù)制體定型。

（4）將陽模本體連同C 型預(yù)制體壓在碳纖維織物上，用螺栓分別穿過陽模本體兩端端面上的定位塊A 上的第二定位孔，將陽模與蒙皮固定在一起；將Z 型本體連同Z 型預(yù)制體（預(yù)先在Z 型本體和Z 型預(yù)制體之間鋪放好輔助材料隔離膜和導(dǎo)流布）壓在鋪有C 型預(yù)制體的陽模本體上，使Z 型本體上部兩端面上的定位塊B 上的第三定位孔與陽模本體兩端的第一定位孔上下對應(yīng)，然后用螺栓將陰模與陽模固定在一起。

（5）在Z 型本體表面鋪放輔助材料導(dǎo)流管、真空管等，整體封裝真空袋，之后在Z 型本體的上表面兩端分別設(shè)置注膠口和出膠口，注膠口設(shè)置在大Z 端，出膠口設(shè)置在小Z 端，連接樹脂收集器和真空泵檢查氣密性。

（6）將出膠結(jié)構(gòu)及預(yù)制體（預(yù)制體為由C 型預(yù)制體和Z 型預(yù)制體組合的J 型筋條預(yù)制體及碳纖維織物）升溫至注膠溫度，然后通過步驟5 設(shè)置的注膠口進行注膠，注膠完成后進行固化，固化完成后脫模，即可得到J型加筋壁板復(fù)合材料制品，該制品與傳統(tǒng)方法成型制品的質(zhì)量對比情況見表2。

表2 與傳統(tǒng)方法成型制品的質(zhì)量對比情況Table 2 Quality comparison of molded products with traditional methods

3 結(jié)論

（1）采用陰陽模成型結(jié)構(gòu)，且陰模本體上設(shè)置多排均布圓形導(dǎo)口，通過均布導(dǎo)口的導(dǎo)氣作用，可以提高樹脂沿長度方向的流動性，增加樹脂的浸潤能力，有利于樹脂完全浸潤預(yù)制體，這是避免J 型加筋壁板的表面產(chǎn)生干斑、缺膠缺陷的有力措施。

（2）陰模和陽模上均設(shè)有定位孔，三組定位孔既能保證模具各部分的裝配位置準確，又能保證陰模、陽模、蒙皮裝配聯(lián)接后緊密貼合，成為一個牢固的整體，從而可以防止后續(xù)注膠過程中陰模發(fā)生浮動或移位造成的工件厚度尺寸不準確。

（3）在Z 型本體的上表面兩端分別設(shè)置注膠口和出膠口，注膠口設(shè)置在大Z 端，出膠口設(shè)置在小Z 端。從模具上部注膠，借助重力作用有利于樹脂自上而下流動，提高了樹脂沿高度方向的流動性。

總之，VARI 工藝以其強大的優(yōu)勢在航空航天制造等領(lǐng)域占據(jù)了一定的地位，其應(yīng)用越來越廣泛。本文提出的高性能VARI 工藝成型J 型加筋壁板的出膠結(jié)構(gòu)和方法有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量，有效地避免了干斑、缺膠等缺陷的出現(xiàn)，具有一定的推廣價值。