深V型復(fù)材制件交聯(lián)固化成型技術(shù)創(chuàng)新研究

鄧飛飛 劉明澤 劉浩軒 劉夢輝 劉一帆

摘 要：復(fù)合材料具有比強度高、比模量高、比重小和抗疲勞性能優(yōu)異等特點，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用占比日益增加。研究從實際工程應(yīng)用角度出發(fā)，以開口角度小且深度大的深V型制件為研究對象，從產(chǎn)品厚度、內(nèi)部質(zhì)量、表面質(zhì)量及固化變形控制等方面進行多方位攻關(guān)，分別采用陰模成型和陽模成型2種工藝方法制造試驗件，通過理論分析和工藝試驗論證，解決了深V型制件實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，為類似深V型結(jié)構(gòu)零件的精確制造提供經(jīng)驗積累和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；深V型結(jié)構(gòu)；陰模成型；陽模成型；產(chǎn)品質(zhì)量；型面精度

中圖分類號：TQ342.742;V250

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2024）03-0057-04

Innovative research on cross link curing technology for deep V-shaped composite parts

DENG Feifei，LIU Mingze，LIU Haoxuan，LIU Menghui，LIU Yifan

（Avic Xian Aircraft Industry Group Company Co.，Ltd.，Xian 710089，China

）

Abstract：The composite materials possess the characteristics of high specific strength and modulus，low specific weight and excellent fatigue resistance，which applying to the aerospace field increasingly.From the perspective of practical engineering application，this paper selects the deep V-shape parts with small opening angle and large depth as the research object，and carries out multi-directional research from the aspects of product thickness，internal quality，surface quality and curing deformation control，respectively using two technology methods of negative molding and positive molding to manufacture test parts.The quality problems of deep V-shape parts in actual production are solved through theoretical analysis and experimental demonstration.It provides experience accumulation and technical support for precise manufacturing of similar deep V-shape structure parts.

Key words：composite material;deep V-shape structure;negative molding;positive molding;product quality;profile accuracy

V型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計廣泛應(yīng)用于飛機外表面［1-2］。然而復(fù)合材料固化過程中因樹脂基體交聯(lián)反應(yīng)、樹脂的固化收縮、纖維和樹脂熱膨脹系數(shù)不同以及模具與制件間的相互作用等因素導(dǎo)致殘余應(yīng)力與固化變形的產(chǎn)生，影響V型制件外形精度，變形后的零件在裝配階段無法進行外形修復(fù)，進而引起強迫裝配及裝配階差等問題［3-9］。因此開展工藝研究，制造質(zhì)量合格且高外形精度的V型結(jié)構(gòu)零件，對我國飛機的研制具有重要戰(zhàn)略意義。通過有限元分析及試驗驗證，研究了模具形式對60°拐角V 型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料固化變形的影響［10］；對60°和90°拐角V 型制件的固化變形進行了分析，并完成了工裝型面補償與設(shè)計［11］。然而，目前對深V型結(jié)構(gòu)零件成型方案研究報道較少［12］。研究從實際工程應(yīng)用角度出發(fā)，針對熱壓罐固化過程中深V型制件頻繁出現(xiàn)的厚度、內(nèi)部質(zhì)量、表面質(zhì)量及固化變形控制等方面的技術(shù)難點，分別采用陰模成型和陽模成型2種工藝方法制造試驗件，通過一系列技術(shù)研究及工藝試驗論證，解決了深V型制件實際生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題。為類似深V型結(jié)構(gòu)零件的精確制造提供經(jīng)驗積累和技術(shù)支撐。

1 深V型制件結(jié)構(gòu)特點

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

深V型層壓零件尺寸約為680 mm（長度）×300 mm（開口寬度）×500 mm（開口深度），兩側(cè)邊夾角約為36 °，結(jié)構(gòu)如圖1所示。零件外表面為氣動外形面，內(nèi)表面有減重丟層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品包含2個厚度分區(qū)，理論厚度分別為1.66 mm和2.58 mm。產(chǎn)品鋪層中主體材料為高溫固化環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料BA9916-Ⅱ/CF3031，內(nèi)外表面鋪貼一層高溫固化環(huán)氧玻璃織物預(yù)浸料BA9916-II/EW100A。氣動外形面鋪貼一層防雷擊金屬網(wǎng)SG-4和一層膠膜J-116F，金屬網(wǎng)提供高電導(dǎo)率防止雷擊損傷，膠膜提高金屬網(wǎng)的適用性、施工性和成型性等。

試驗中深V型制件擬分別采用陰模成型和陽模成型2種工藝方案，相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）和（b）所示，工裝材質(zhì)均為普通鋼。工裝上帶有激光定位系統(tǒng)的目標頭位置孔，用于預(yù)浸料鋪貼過程中丟層結(jié)構(gòu)定位。

1.2 技術(shù)指標要求

產(chǎn)品主要技術(shù)指標：

（a）厚度公差±8%；

（b）質(zhì)量公差±7%；

（c）表面質(zhì)量：目視檢查制件表面，制件表面應(yīng)光滑平整，表面無貧富樹脂、褶皺等缺陷；

（d）內(nèi)部質(zhì)量：采用超聲檢測；

（e）型面檢查：采用成型工裝檢查貼胎間隙，在間距每250 mm的距離上施加50 N力輕壓下，零件貼模間隙小于等于0.3 mm；

（f）外形尺寸公差按HB 7741—2004要求。

2 深V型制件制造技術(shù)難點

2.1 深V型制件R角區(qū)域厚度不易控制

零件層壓區(qū)域厚度公差為±8%，該要求對于深V型制件的R角區(qū)域來說不易控制，主要基于以下幾方面原因：（a）碳纖維預(yù)浸料單層厚度0.23 mm±0.02 mm，公差達±8.7%，材料厚度指標已超出±8%要求；（b）陰模成型時，在熱壓罐固化過程中，受固化壓力梯度及重力作用，樹脂向深V型制件底部流動，造成R區(qū)厚度超厚；（c）陽模成型時，易造成深V型制件R區(qū)厚度偏薄。

2.2 深V型制件R角區(qū)域易出現(xiàn)無損質(zhì)量問題

因深V型制件自身具有開口角度小、深度大等特征，陰模成型時，固化時壓力難以有效傳遞至零件底部，導(dǎo)致R區(qū)產(chǎn)生架橋現(xiàn)象［13-15］，造成R區(qū)出現(xiàn)分層和孔隙。陽模成型時，固化過程中制件整體相對容易加壓且較為均勻，一般不會產(chǎn)生分層及孔隙等缺陷。

2.3 深V型制件R角區(qū)域表面質(zhì)量超差

深V型制件外表面為氣動外形面，其表面質(zhì)量要求較高。陰模成型時氣動外形面為貼工裝面，外表面可由工裝型面進行保證；但因產(chǎn)品深度過大，固化時壓力不易均勻傳遞到零件底部，易造成產(chǎn)品內(nèi)表面R區(qū)出現(xiàn)褶皺。陽模成型時內(nèi)表面為貼工裝面，其表面質(zhì)量可由工裝型面保證；外表面靠近真空袋，外形面精度較差且R區(qū)易出現(xiàn)皺褶［16-17］。

2.4 深V型制件固化變形

深V型制件降溫過程中易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致零件脫模后出現(xiàn)不同程度的收口變形現(xiàn)象，影響其外形精度。結(jié)合前期類似結(jié)構(gòu)零件的制造經(jīng)驗，單邊收口5～10 mm，嚴重超出設(shè)計的貼模間隙要求，難以滿足裝配需求。針對深V型制件固化變形問題，一般通過補償模具型面來抵消制件固化變形量［18］。

3 制造技術(shù)控制研究

3.1 厚度與內(nèi)部質(zhì)量控制

深V型制件R區(qū)厚度超厚，易造成R區(qū)產(chǎn)生分層，進而影響產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，因此試驗中將厚度與內(nèi)部質(zhì)量看做一個變量進行同時控制。結(jié)合制件結(jié)構(gòu)特點及預(yù)浸料性能分析，主要采取2方面措施：（a）采用碳纖維預(yù)浸料制作平板試驗件，測定試驗件單層固化厚度。根據(jù)試驗結(jié)果，采取預(yù)壓實及玻璃布吸膠等工藝措施進行調(diào)節(jié)；（b）制造典型試驗件，綜合分析平板試驗件中工藝措施的可行性，根據(jù)典型試驗件制造結(jié)果進一步優(yōu)化工藝措施。

按照工藝流程分別完成陽模成型和陰模成型試驗件的制造，試驗件實物及R區(qū)局部放大圖見圖3。陽模成型的試驗件厚度整體上分布比較均勻；陰模成型的試驗件兩側(cè)邊厚度較為均勻，但是R區(qū)厚度明顯增加。采用磁力測厚儀對產(chǎn)品厚度進行測量，結(jié)果如表1所示，陰模成型試驗件R區(qū)厚度存在超差情況。

采用金相顯微鏡對制件R區(qū)的切割端面進行進一步觀察，金相照片如圖4所示。

由圖4可知，陰模成型的深V型制件R區(qū)存在較多富樹脂。此外，利用超聲檢測儀對2種成型工藝制造的試驗件進行內(nèi)部質(zhì)量檢查。陽模成型的試驗件無損合格，檢測中未發(fā)現(xiàn)孔隙密集和分層等缺陷；陰模成型的試驗件2個側(cè)邊無損合格，R區(qū)出現(xiàn)分層并伴有孔隙。

綜上分析，盡管工藝上采取措施對產(chǎn)品厚度及內(nèi)部質(zhì)量加以調(diào)節(jié)，但是受限于制件開口角度小、深度大的結(jié)構(gòu)特征，陰模成型的制件未能完全消除上述2方面問題。綜合制件實測厚度、實物和金相照片以及超聲檢測結(jié)果，陽模成型更有利于深V型制件整體厚度和內(nèi)部質(zhì)量控制。

3.2 表面質(zhì)量控制

為提高深V型制件的表面質(zhì)量，減少零件表面的褶皺等缺陷，在零件表面放置AIRPAD壓力墊。結(jié)合產(chǎn)品的厚度及結(jié)構(gòu)特點，AIRPAD壓力墊共設(shè)置4層，內(nèi)外表面為整層未固化的AIRPAD，中間2層為高溫碳纖維預(yù)浸料，并且將其中一層預(yù)浸料從R區(qū)附近裁剪掉一條10～20 mm寬的窄條，適當降低R區(qū)的剛性，提高其與預(yù)浸料R區(qū)之間的貼合度。壓力墊結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖見圖5。

AIRPAD壓力墊制造過程分成制造工藝假件，以及利用工藝假件制造壓力墊2部分，其制造流程簡圖如圖6所示。陽模成型壓力墊制造過程：在陰模工裝上按產(chǎn)品鋪層鋪貼預(yù)浸料，熱壓罐固化成型假件，在假件工作表面（外表面）刷涂脫模劑，然后在假件外表面進行AIRPAD壓力墊鋪貼。陰模成型壓力墊制造過程如下：在陽模工裝上按產(chǎn)品鋪層鋪貼預(yù)浸料，熱壓罐固化成型假件，在假件工作表面（內(nèi)表面）刷涂脫模劑，然后在假件內(nèi)表面進行AIRPAD壓力墊鋪貼。鋪貼完成后，按照預(yù)浸料固化參數(shù)進行熱壓罐固化，最后根據(jù)零件等寬線修整壓力墊輪廓［10］。

對采用陰陽模成型的試驗件表面質(zhì)量進行檢查。陰模成型的制件內(nèi)表面R區(qū)局部仍出現(xiàn)褶皺，分析其原因為盡管內(nèi)表面帶有壓力墊，但因制件深度過大，固化過程中壓力難以有效傳遞至制件底部，導(dǎo)致壓力墊與預(yù)浸料間配合不充分，產(chǎn)生局部褶皺。陽模成型的制件外表面放置壓力墊，固化時壓力容易均勻傳遞至制件表面，氣動外形面未出現(xiàn)褶皺、階差等缺陷。因此基于上述分析，陰模成型的深V型制件氣動外形面質(zhì)量優(yōu)于陽模成型；通過工藝過程控制，陽模成型的制件氣動外形面質(zhì)量滿足設(shè)計要求，而內(nèi)表面質(zhì)量明顯優(yōu)于陰模成型。

3.3 固化變形控制

V型制件的固化變形控制一般是在前期工藝策劃階段使用工藝數(shù)模代替產(chǎn)品模型進行模具型面補償來實現(xiàn)的［19-20］。試驗選用構(gòu)建工藝數(shù)模用于深V型制件的固化變形控制。按照理論數(shù)模外形分別采用陰陽模成型制造試驗件，根據(jù)型面實測結(jié)果構(gòu)建工藝數(shù)模并完成模具型面的設(shè)計，最終完成型面補償后試驗件的制造及型面掃描。產(chǎn)品氣動外形面公差為（0±1.2）mm，分別比對陰陽模成型試驗件的型面檢測結(jié)果，具體見表2。

由表2可知，試驗中陰模成型和陽模成型試驗件整體變形趨勢基本一致。經(jīng)工藝補償，制件固化后的變形量可降低85%以上，型面合格點數(shù)由 60%提升至92%以上，基本實現(xiàn)了深V型制件的固化變形控制。在工程化應(yīng)用中，往往需要對補償后制件的型面進行測量，并與預(yù)測補償量進行比較，分析預(yù)測補償量和實際型面之間的偏差，持續(xù)優(yōu)化與迭代，不斷提高型面補償精度，最終實現(xiàn)深V型制件的變形可控化。

4 結(jié)語

（1）相比于陰模成型，陽模成型更有利于深V型制件整體厚度和內(nèi)部質(zhì)量控制;

（2）陰模成型的深V型制件氣動外形面質(zhì)量優(yōu)于陽模成型；通過工藝過程控制，陽模成型的制件氣動外形面質(zhì)量滿足設(shè)計要求，而內(nèi)表面質(zhì)量明顯優(yōu)于陰模成型;

（3）陰模成型和陽模成型試驗件整體變形趨勢基本一致。通過正向補償預(yù)測及實物測量后反向補償2種手段完成深V型制件工藝模型的創(chuàng)建，并完成模具型面補償設(shè)計，實現(xiàn)深V型制件的固化變形控制。在工程化應(yīng)用中，通過不斷迭代優(yōu)化型面補償?shù)木?，最終實現(xiàn)深V型制件的變形可控化;

（4）分別對陰陽模成型的制件厚度、內(nèi)部質(zhì)量、表面質(zhì)量及固化變形控制等內(nèi)容進行討論與分析，為類似結(jié)構(gòu)零件的制造提供經(jīng)驗積累和技術(shù)支撐。

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收稿日期：2023-10-18；修回日期：2024-01-12

作者簡介：鄧飛飛（1993-），男，碩士，工程師，主要從事樹脂基復(fù)合材料制造工藝研究;E-mail：1443719373@qq.com。

引文格式：鄧飛飛，劉明澤，劉浩軒，等.深V型復(fù)材制件交聯(lián)固化成型技術(shù)創(chuàng)新研究［J］.粘接，2024，51（3）：57-60.