復合材料C型梁熱隔膜成型與手鋪成型工藝對比

摘 要：研究復合材料C型梁的高質(zhì)量成型，對減輕飛機質(zhì)量、減少裝配工作量、提高結(jié)構(gòu)強度等具有重要意義。本文對C型梁的結(jié)構(gòu)特點和成型難點進行分析，介紹了熱隔膜成型和手工鋪貼成型的工藝方案、制造過程和零件質(zhì)量。結(jié)果表明，與手工鋪貼成型相比，熱隔膜成型具有成型效率高、成型質(zhì)量穩(wěn)定、不受工人技能水平影響的優(yōu)點，適用于復合材料C型梁的制造。

關(guān)鍵詞：復合材料；C型梁；熱隔膜

中圖分類號：TB 332 " 文獻標志碼：A

國內(nèi)外飛機機翼結(jié)構(gòu)通常采用翼盒結(jié)構(gòu)布局，翼盒一般由前后梁、內(nèi)部翼肋框架和上下壁板組成，復合材料C型梁是翼盒中最主要的承力構(gòu)件[1-2]。

手工鋪貼C型梁操作難度大，易在零件R區(qū)產(chǎn)生纖維褶皺等缺陷，對操作人員的技能水平要求高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。熱隔膜成型是通過手工鋪貼或自動鋪帶機鋪貼平板預制體，然后將平板預制體轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型機上，通過升高溫度和施加壓力使平板預制體貼合模具，然后升高溫度固化[3-4]。這種方式能夠避免手工鋪貼的不足，提高C型梁的生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

本文針對變厚度帶有過渡區(qū)的復合材料C型梁，采用手工鋪貼成型和熱隔膜成型并對2種成型方式的C型梁的內(nèi)外部質(zhì)量進行分析和討論。

1 零件介紹與研制方案

1.1 零件介紹

1.1.1 零件結(jié)構(gòu)

零件為等直變截面C型結(jié)構(gòu)梁，長度為850mm，翼根處寬度為156mm，翼尖處寬度為130mm。零件共有3處厚度分區(qū)。從翼根到翼尖厚度分別為3.52mm、3.10mm和2.82mm。翼根和翼尖側(cè)局部鋪貼有玻璃布。

零件主體材料選用中航復材中心AC531/CCF800H碳纖維單向帶預浸料和AC531/CF8611碳纖維織物預浸料，局部玻璃布選用中航復材中心AC531/EW110C玻璃纖維織物預浸料。復合材料C型梁示意圖如圖1所示。

1.1.2 制造復雜性

復雜性體現(xiàn)在以下3點。1）加強層料片定位難。零件預制體需要在平板工裝、熱隔膜成型模、熱壓罐成型模等工裝上轉(zhuǎn)移制造，在轉(zhuǎn)移過程中如果加強層位置發(fā)生竄動，加強層料片位置與成型模型面不匹配，零件固化后外表面會呈現(xiàn)褶皺不光順的情況。2）R區(qū)截面突變可能阻礙熱隔膜過程中料片的層間滑移，不同層料片之間相對滑動困難，從而造成較高的層間剪切應力，壓應力的積累可能導致鋪層褶皺或纖維屈曲，影響產(chǎn)品成型質(zhì)量，須探索適合零件熱隔膜成型的溫度和壓力[5]。3）零件最厚鋪層約24層，厚度為3.52mm，熱隔膜成型時可能發(fā)生R區(qū)纖維屈曲或皺褶，須探索適合零件熱隔膜成型的溫度和壓力。適當提高溫度有利于降低層間摩擦力，利于層間滑移，但是成型溫度過高，樹脂流動性過好，可能使局部樹脂溢出，纖維體積分數(shù)減少，局部厚度偏薄。

1.1.3 主要技術(shù)指標

外觀質(zhì)量：復合材料制件的表面應光滑平整，表面無貧、富樹脂。

內(nèi)部質(zhì)量：零件內(nèi)部無孔隙密集、分層等缺陷。

厚度控制：厚度公差為±8％，R區(qū)厚度公差為±10%。

外形公差：梁的緣條面型面公差為-0.2mm～+0.2mm。

1.2 研制方案

1.2.1 成型方法

熱壓罐成型是C型梁常用的技術(shù)成熟較高的成型方法。熱壓罐成型C型梁常用凸模成型的方法，凸模成型是指模具表面為C型梁的內(nèi)型面，這種方式鋪貼操作簡單，無損質(zhì)量穩(wěn)定，零件R區(qū)不易出現(xiàn)厚度偏厚和分層、孔隙等內(nèi)部缺陷。

手工鋪貼成型是指按照零件鋪層順序，在準備好的工裝上按順序逐層鋪貼預浸料。熱隔膜成型是指將預浸料層板放置于熱隔膜模具上，通過一種特制膜的輔助作用經(jīng)過抽真空和加熱等方法，將層板壓向模具，形成所需形狀的預制體。

綜上所述，采用熱壓罐成型、凸模制造、手工鋪貼或隔膜成型的方式成型復合材料C型梁。

1.2.2 工藝流程

熱隔膜成型時，首先需要在平板工裝上鋪貼料片，鋪貼完成后將平板坯料轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型模上。其次，使用熱隔膜成型機加溫加壓，使平板坯料與熱隔膜成型模緊密貼合。將預制體轉(zhuǎn)移到熱壓罐成型模上。最后，放置壓力墊進行制袋，送入熱壓罐進行固化。零件固化后完成外形檢測、厚度檢測及后續(xù)工序。

使用手工鋪貼成型時，在熱壓罐成型模上鋪貼料片，放置壓力墊進行制袋，送入熱壓罐進行固化。零件固化后完成數(shù)控銑切、無損檢測、外形檢測、厚度檢測、邊緣密封、尺寸檢測及后續(xù)工序。

1.2.3 熱隔膜成型料片定位方案

采用基準邊和特征點位的聯(lián)合約束方案，確保鋪貼、轉(zhuǎn)移、定位過程中基準統(tǒng)一、定位準確。當在平板工裝上鋪貼料片時，料片翼根側(cè)緊靠擋條鋪貼，鋪貼出30mm余量基準邊。將平板胚料轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型模上，料片的基準邊緊靠熱隔膜成型模上的定位凸臺，定位凸臺定位邊與30mm余量線平齊。料片寬度方向居中放置。在零件余量區(qū)使用壓敏膠帶將料片與熱隔膜成型模粘接固定。熱隔膜成型完成后，將預制體基準邊對準熱壓罐成型模上的30mm余量線放置。

1.2.4 工裝方案

熱隔膜成型溫度范圍為60℃～90℃，可不考慮工裝與零件熱膨脹系數(shù)不同的影響，熱隔膜成型模材質(zhì)選擇鋁合金，同時鋁合金的密度低，降低工裝自身質(zhì)量。工裝設置有便于搬運的凹槽，便于將工裝轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型設備的真空臺上。工裝上帶有30mm余量線和零件線。工裝上帶有定位凸臺。

熱壓罐成型模為鋼制框架式成型模，框架式工裝具有零件固化成型精度高、受熱升溫快、溫度分布均勻的優(yōu)點。零件尺寸較小，工裝與零件熱膨脹系數(shù)差異對零件成型影響較小，工裝材質(zhì)選擇為Q235鋼，Q235鋼材料成本低、加工成本低、耐久性好。

2 制造過程

2.1 熱隔膜成型

熱隔膜制造過程如圖2所示，在熱隔膜成型模上刷涂脫模劑，防止升溫過程中料片與工裝粘接，將熱隔膜預成型模轉(zhuǎn)移到熱隔膜機工作臺上，成型模需要擺放在熱隔膜機真空臺的中線上。使用透氣織物覆蓋工裝表面的尖銳凸起部分。將平板預制體轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型模上，避免損傷熱隔膜成型模的隔膜。在平板預制體上放置一層無孔隔離膜，用壓敏膠帶固定預制體及無孔隔離膜。最后設置熱隔膜參數(shù)，完成熱隔膜成型。

第一次熱隔膜成型時，熱隔膜參數(shù)如下：升溫至60℃；保溫20min；以5kPa/min的速率抽真空至15kPa，以10kPa/min的速率抽真空至40kPa；保壓5min；冷卻至溫度≤50℃。

第一次熱隔膜成型完成后，觀察預制體厚度過渡區(qū)的表面出現(xiàn)了輕微褶皺。其原因是熱隔膜成型過程中抽真空速率設置不合理。抽真空速率越大，預浸料坯料的變形就越快，而預浸料層間滑移時會產(chǎn)生較大的層間摩擦阻力，進而導致預制體過渡區(qū)出現(xiàn)纖維褶皺[6]。

第二次熱隔膜成型時，降低了抽真空速率，抽真空的參數(shù)如下：以3kPa/min的速率抽真空至15kPa，以8kPa/min的速率抽真空至40kPa；保壓5min；其余參數(shù)保持不變。熱隔膜成型完成后，預制體表面光滑無皺褶。

2.2 手工鋪貼成型

手工鋪貼成型時，在熱壓罐成型模上刷涂脫模劑，防止固化后零件與工裝粘連。將數(shù)控設備裁剪好的料片按鋪層表的順序逐層鋪貼在熱壓罐成型模上，當在C型梁R區(qū)鋪貼時，應特別注意與工裝完全貼合和層間貼合，保證R區(qū)的料片無褶皺。鋪貼完成后放置壓力墊進行制袋及后續(xù)工序。手工鋪貼的預制體外觀質(zhì)量良好，表面光滑無皺褶。

3 零件成型質(zhì)量與分析

3.1 熱隔膜成型過程料片定位情況

測量熱隔膜成型預制體邊緣到熱隔膜預成型模余量刻線的距離，預制體長度方向上未發(fā)生滑移。測量預制體兩側(cè)緣條面超出工裝腹板面的寬度，兩側(cè)寬度距離基本相當。測量零件兩端頭到加強層料片的距離，加強層料片位置符合數(shù)模尺寸。

3.2 預制體厚度檢測

使用游標卡尺測量熱隔膜成型預制體和手工鋪貼預制體的實際厚度。由表1可知，2種方式成型的預制體在腹板和緣條位置的厚度基本相同。而在R區(qū)厚度方面，熱隔膜成型的預制體比手工鋪貼的預制體厚度略微偏薄，原因是熱隔膜成型在升溫過程中樹脂流動過好，R區(qū)曲率變化大，R區(qū)受壓較大，樹脂流失[7-8]。

3.3 外觀質(zhì)量

零件熱隔膜完成和手工鋪貼完成后，預制體表面光滑無皺褶。零件固化后，零件的表面光滑平整，表面無貧、富樹脂。R區(qū)纖維過渡光滑，無纖維屈曲等現(xiàn)象。實物如圖3所示。

3.4 無損檢測

零件無分層、孔隙密集、夾雜等內(nèi)部缺陷。

3.5 厚度檢測

使用測力測厚儀、游標卡尺檢測熱隔膜成型與手工鋪貼成型零件的平面區(qū)域和R區(qū)的實際厚度，結(jié)果見表2。

如圖4所示，零件平面區(qū)域和R區(qū)的實測厚度均滿足厚度公差±8%的要求。在平面區(qū)域，熱隔膜成型零件和手工鋪貼成型零件的厚度偏差基本相當。在R區(qū)，熱隔膜成型零件的厚度比手工鋪貼零件偏薄。手工鋪貼零件R區(qū)厚度偏差范圍為0.72%～1.49%，熱隔膜成型零件R區(qū)厚度偏差范圍為0%～0.51%。

3.6 外形檢測

零件開口尺寸偏差均滿足驗收技術(shù)條件±0.2mm的要求。C型梁的固化變形主要受到零件選用材料、鋪層設計、零件結(jié)構(gòu)、工裝材質(zhì)、固化參數(shù)等因素的影響[9]，熱隔膜成型僅改變了預制體的成型方式，其他成型過程與手工鋪貼成型相同，因此熱隔膜成型不會影響零件的固化變形結(jié)果。

3.7 金相

C型梁的R區(qū)的纖維和樹脂沿厚度方向均勻分布，沒有富樹脂區(qū)或富纖維區(qū)，纖維連續(xù)無屈曲、錯位，纖維與樹脂界面清晰無分離，如圖5所示。

3.8 熱隔膜成型與手工鋪貼成型對比

采用手工鋪貼成型時，零件表面有發(fā)生褶皺的風險，C型梁R區(qū)鋪貼由工人手工完成，R區(qū)鋪貼需要用力壓實，對工人的操作技能水平要求高，產(chǎn)品易出現(xiàn)質(zhì)量問題，成型效率低。采用熱隔膜成型時，零件表面光滑無褶皺，僅需要工人手工鋪貼平板坯料，其余成型過程由設備完成，鋪貼效率高，產(chǎn)品成型質(zhì)量穩(wěn)定，不受工人技能水平影響。

4 結(jié)語

采用熱隔膜成型與手工鋪貼成型的C型梁在外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量、厚度分布、外形情況等方面均能滿足驗收技術(shù)條件。熱隔膜成型的C型梁能滿足厚度偏差在±8%的范圍內(nèi)的要求，R區(qū)厚度比手工鋪貼薄。熱隔膜成型具有成型效率高、成型質(zhì)量穩(wěn)定、不受工人技能水平影響的優(yōu)點，適用于復合材料C型梁的制造。

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