雙曲縱橫加筋壁板共固化成型工藝研究

王 瑩 蘇 霞 肖光明

（中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

復(fù)合材料在現(xiàn)代先進機體結(jié)構(gòu)上的用量日益增長，并逐漸實現(xiàn)了從非承力和次承力構(gòu)件到尾翼級主承力構(gòu)件再到機翼與機身主承力構(gòu)件的應(yīng)用。在航空領(lǐng)域中飛機結(jié)構(gòu)輕量化尤為重要，碳纖維復(fù)合材料的出現(xiàn)解決了這個難題，復(fù)合材料在航空飛行器中廣泛應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低40%、成本降低30%[1-2]。

該文論述的復(fù)合材料雙曲縱橫加筋壁板是一種較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，與共膠接工藝相比，采用的共固化工藝外形尺寸大，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在共固化成型過程中需要使用大量的模具工裝，模具材料的選擇和模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計在很大程度上影響復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量和表面狀態(tài)。這一類型的制件制造還存在較多的制造加工難點，例如長桁胚料的預(yù)制體制備、預(yù)壓實工藝參數(shù)設(shè)定、長桁軸線度控制以及轉(zhuǎn)移運輸?shù)燃夹g(shù)質(zhì)量問題。該文以雙曲U型外翼加筋壁板為研究對象，從工藝流程、工裝結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置等方面進行深入研究，制定一套合理的工藝方案，并研制了符合設(shè)計要求的制件。

1 產(chǎn)品描述

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

該文截取雙曲縱橫加筋層壓結(jié)構(gòu)壁板為典型結(jié)構(gòu)，由1張蒙皮，9根“U”形長桁（展向）、2根“L”形長桁（展向），10根長桁層壓夾芯（展向），1根“T”形肋下緣條（航向）組成。全部零件為復(fù)材件（如圖1所示）。零件最大尺寸為5.20m×2.85m，最大厚度為7.47mm。

圖1 外翼翼盒下壁板總體結(jié)構(gòu)示意圖

該文中論述的零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由圖1可以看出，縱橫分布的加強筋之間均存在裝配關(guān)系；蒙皮厚度變化區(qū)間較大，從機翼尖部到機翼根部存在的厚度差為5mm，對其工裝結(jié)構(gòu)來說，制件在熱壓罐中的放置位置都是保證產(chǎn)品完全固化的重要因素。

1.2 使用材料介紹

該文中論述的外翼翼盒下壁板主要是復(fù)合材料碳纖維制品，由于其要求制件剛強度要求，此次試驗件采用了T800級碳纖維預(yù)浸料。所涉及的主材料見表1。

表1 材料信息表

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)

2 工藝方案與制造流程

采用蒙皮與9根“U”形長桁（展向）2根“L”形長桁（展向）共固化，同時與10根長桁層壓夾芯（展向），1根“T”形肋下緣條（航向）共膠接方案，熱壓罐成型。如圖2所示。

圖2 制造流程簡圖

3 工裝方案選擇

3.1 “T”形肋上緣條工裝

上緣條零件為“T”形，零件長度為2542mm，寬度為94mm，腹板面高度為85mm，厚度為4.15mm?？紤]零件成型的可靠性以及經(jīng)濟性，工裝選用鋼材料，由底座和2個“L”形半長桁模具（帶減輕孔）組成，如圖3所示。2個“L”形半長桁模具減輕位置應(yīng)對稱，其中一個“L”形半長桁模具應(yīng)與工裝底座一體（即定模），另一個“L”形半長桁模具分段（即動模），該長桁零件須分別鋪貼后進行組合，因此工裝采用動-定模的結(jié)構(gòu)形式，分別完成鋪貼后，由動模的一側(cè)推向定模的一側(cè)，從而實現(xiàn)組合；在工裝一側(cè)增加擋條使分段半模連成一體，其自身無連接關(guān)系，兩半模完成組合后，須使用工裝檔條限定長絎模具位置，保證成型質(zhì)量；在工裝上劃出零件邊緣線，以確保零件手工切割正確；在肋緣條面上標(biāo)記相對蒙皮上變截面的開始線和終止線及緣條邊20mm余量線，當(dāng)用于長桁與蒙皮組合時，對比兩者的匹配性，保證膠接質(zhì)量；為保證零件厚度，工裝應(yīng)帶有控制肋腹板厚度的控厚塊（控厚塊的公差為0～-0.1mm），用于保證零件厚度；同時有啟模/脫模裝置（撬口），便于零件脫模；工裝上配套ARIPAD及AIRCAST3700壓力墊作為輔助工裝，且應(yīng)有曲率變化，用于保證緣條面質(zhì)量。

圖3 長桁工裝結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 組合膠接夾具

該文論述的組合膠接夾具為鋼材料，如圖4所示，該工裝用于下蒙皮、肋緣條、長桁層壓夾芯（共10根）和長桁（共9根“U”形長桁，2根“L”形長桁）固化成型。由壁板鋪貼成型模、卡板、“L”形角材以及輔助定位裝置組合而成。該工裝在各長桁位置處有一定位裝置，用于保證長桁零件在固化過程中的位置準(zhǔn)確度；每根長桁位置處配有“L”形擋板，擋板間至少每米增加1個加強板，用于增強“L”形擋板的強度，注意避開各加強板位置，便于操作，避免在高溫高壓固化時的變形，且此加強板應(yīng)與“L”形擋板為一體，不可拆卸?！癓”形擋板應(yīng)分段，每米1個分段，并且通過加強板連接；每根“U”形長桁的腹板面，且每隔1m配有一套夾緊裝置，并通過彈簧固定在長桁定位裝置上，夾緊裝置起到了固定長桁鋪貼工裝的作用；工裝上設(shè)有卡板，卡板位置設(shè)置在肋軸線處，卡板上同時設(shè)置了定位卡槽，與長桁厚度間隙為0.5mm，確保零件固化過程中長桁軸線位置，同時保證裝配時的準(zhǔn)確性。

圖4 組合膠接夾具結(jié)構(gòu)示意圖

4 “U”形長桁制造工藝預(yù)壓實參數(shù)

“U”形長桁的預(yù)壓實工藝是該零件成型的關(guān)鍵一步，“U”形長桁鋪貼完成后，需要與蒙皮進行膠接工藝，11 根長桁長度均為5m ，如果 “U”形長桁不進行預(yù)處理工藝，那么很難完成后續(xù)長桁的轉(zhuǎn)移以及裝配工序。為滿足“U”形長桁成型要求，需要選擇相應(yīng)合適的定型參數(shù)，此前無相應(yīng)規(guī)范對此工序有指導(dǎo)及借鑒意義，因此預(yù)壓實即定性參數(shù)的確定是此次研究的重點內(nèi)容，相應(yīng)的參數(shù)選擇由材料性能和熱壓罐成型工藝原則進行確定?？紤]到該零件后續(xù)機加工序的可操作性，該文中論述的“U”形長桁在鋪貼過程中采用無余量鋪貼，鋪貼完成后的 “U”形長桁是軟的狀態(tài)，且無須后續(xù)機械加工處理，“U”形長桁預(yù)壓實后直接與蒙皮進行膠接固化。預(yù)壓實的參數(shù)顯得尤為關(guān)鍵，參數(shù)設(shè)置不合理，5m長的零件轉(zhuǎn)移就是一個技術(shù)難題，還無法進一步裝配，也不利于零件成型質(zhì)量。

為了保證參數(shù)可靠，根據(jù)其樹脂特性及壁板后續(xù)的成型工藝參數(shù)，固定其固化壓力，升降溫以及加壓點的設(shè)置，以保溫時間為變量，分別設(shè)定4個不同的保溫時間，分別為（60±5）℃、（75±5）℃、（83±5）℃、（90±5）℃來驗證“U”形長桁的最佳預(yù)壓實參數(shù)。采用控制變量法分別從 “U”形長桁后續(xù)的成型質(zhì)量、脫模操作性以及后續(xù)膠接質(zhì)量保證等多維度進行對比，結(jié)果顯示，隨著溫度升高其固化度也會持續(xù)升高，最終確定預(yù)壓實保溫溫度為（83±5）℃，見表3。

表3 不同保溫時間下的成型效果

該制件最終選擇參數(shù)四作為預(yù)壓實參數(shù)，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量，又能夠滿足工藝技術(shù)要求。

5 長桁與蒙皮組合定位方案

該文中次級零件較多，且縱橫分布，尺寸大、曲率大、制造難點在于各次級零件在蒙皮上的定位，若各次級零件定位不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致長桁軸線度偏差、零件翹曲變形等問題，對后續(xù)裝配造成無法制造的風(fēng)險。為保證各次級零件在蒙皮上定位的準(zhǔn)確性，該研究采取“先中間、后兩段”、“先縱向、后橫向”的次級零件放置順序（如圖5所示），第一步放置組合膠接夾具中配備的“U”形長桁定位卡板，第二步將最中間“U”形長桁插入卡板下方，即 U6 長桁，第三步通過定位銷將U6長桁定位在組合膠接夾具定位孔內(nèi)，中間U6長桁定位后，依次放置膠膜、長桁層壓夾芯、U5/U7長桁、膠膜、長桁層壓夾芯、U4/U8長桁、膠膜、長桁層壓夾芯、U3/U9長桁、膠膜、長桁層壓夾芯、U2/U10長桁、膠膜、長桁層壓夾芯、U1/U11長桁，注意放置各個 “U”形長桁的方式與 U6長桁一致，均需將長桁插入卡板下方，確保長桁放置的位置準(zhǔn)確；最后放置固化完成的橫向T肋緣條；依次完成各次級零件的放置后，調(diào)取激光投影程序，使用激光線進行一次放置位置的校核，再次確保長桁等次級零件位置的準(zhǔn)確性，隨后放置“L”形角材，通過連接塊連接各個“L”形角材，最后，采用真空袋外夾子固定的方式，即完成制袋工序后使用夾子夾緊長桁以及肋位進入熱壓罐固化，使用袋外夾子夾緊 “U”形長桁來確保固化過程中長桁位置的準(zhǔn)確性，避免因固化過程中膠液流淌所造成的長桁滑動，從而引發(fā)的長桁位置度超差缺陷。

圖5 “U”形長桁放置組合流程簡圖

6 性能測試

產(chǎn)品外形、軸線度、厚度、尺寸、內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)檢測滿足設(shè)計要求。同時采用了制作隨爐試板驗證產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，按照ASTMD標(biāo)準(zhǔn)進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切力學(xué)性能測試以及孔隙率測試，測試結(jié)果滿足設(shè)計技術(shù)要求。

7 結(jié)論

該文以大尺寸雙曲加筋壁板結(jié)構(gòu)為研究對象，從工裝結(jié)構(gòu)，工藝流程、技術(shù)難點等多方面進行研究。深入探討了制件制造過程中的技術(shù)難點，有針對性地制訂解決措施并實施驗證，并工程批量化穩(wěn)定生產(chǎn)，最終確定了一套流程合理，可操作性強，制件質(zhì)量有保障制造方案。同時為后續(xù)同類型的制件制造提供了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗。