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(jī)機(jī)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(jī)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(qiáng)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(dāng)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(jī)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 fi nished 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(jìn)行注膠，注膠完成后進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(qiáng)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。