RFI成型工藝在航空進(jìn)氣道調(diào)節(jié)板上的研究

摘要：采用RFI（樹脂膜熔滲）成型工藝方法，對(duì)典型進(jìn)氣道調(diào)節(jié)板實(shí)驗(yàn)件開展了工藝研究。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件RFI模具技術(shù)、QY9512樹脂的工藝性、纖維預(yù)制體制備的工藝參數(shù)以及樹脂含量控制技術(shù)進(jìn)行了研究。進(jìn)氣道調(diào)節(jié)板為板梁共固化結(jié)構(gòu)，縫合RFI調(diào)節(jié)板的研制面臨多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，需要設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)形式，在狹小的空間內(nèi)完成模具協(xié)調(diào)并處理好長(zhǎng)桁端頭與蒙皮翻邊的配合，并在使用復(fù)合材料縫合機(jī)制作纖維預(yù)制體取得突破。這一系列的研究為后續(xù)大型復(fù)雜RFI零件的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)今后同類型產(chǎn)品在復(fù)合材料行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：RFI縫合技術(shù)；纖維預(yù)制體；樹脂膜

中圖分類號(hào)：TG113 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2025）02-0233-04

復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，使其在結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)、比強(qiáng)度、比剛度、耐疲勞等方面的優(yōu)越性得到了充分肯定，但傳統(tǒng)樹脂基復(fù)合材料高昂的制造成本、低損傷容限的弱點(diǎn)也逐漸凸顯，成為了制約行業(yè)發(fā)展的因素[1-3]。

液體成型是目前國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料領(lǐng)域大力提倡和發(fā)展的重要技術(shù)，它可以結(jié)合縫合、編織等增強(qiáng)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料整體成型，不僅提高了構(gòu)件的整體性，還減少了緊固件數(shù)量和裝配工作量，大大降低復(fù)合材料的制造成本。RFI（樹脂膜熔滲）是先進(jìn)復(fù)合材料液體成型的主流技術(shù)之一，其主要工藝過程為：樹脂以膜的形態(tài)首先鋪覆在模具表面上，纖維織物或預(yù)成型體鋪覆在樹脂膜上，成型過程中樹脂膜在熱作用下熔融，其樹脂的黏度降低，進(jìn)而在溫度和壓力的作用下，樹脂主要沿增強(qiáng)體的厚度方向滲透并完全浸漬增強(qiáng)體，最終在熱壓作用下完成樹脂復(fù)合材料的固化成型[4-15]。

隨著越來越多的高性能樹脂應(yīng)用到RFI領(lǐng)域中，由RFI制造的復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域得到了大規(guī)模發(fā)展。為應(yīng)對(duì)復(fù)合材料領(lǐng)域的新形勢(shì)，本研究采用復(fù)合材料縫合機(jī)，選取代表性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進(jìn)氣道調(diào)節(jié)板展開全面實(shí)驗(yàn)性研究，突破了樹脂膜制備技術(shù)、預(yù)成型體制備技術(shù)、復(fù)雜機(jī)構(gòu)模具協(xié)調(diào)等多項(xiàng)RFI/縫合在航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，在該領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。[16]

1工藝現(xiàn)狀

目前，進(jìn)氣道調(diào)節(jié)板（圖1）為板梁共固化結(jié)構(gòu)，雖然尺寸不大，但涵蓋了“工”形和“C”形兩種長(zhǎng)桁，長(zhǎng)桁數(shù)量很多，間距小，每根長(zhǎng)桁都存在端頭包覆要求。為滿足結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度及整體性要求，降低制造時(shí)預(yù)制體變形量，需要對(duì)纖維預(yù)制體進(jìn)行縫合，然后，與預(yù)定型的長(zhǎng)桁組合共固化。

縫合RFI調(diào)節(jié)板的研制面臨多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，需要設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)形式，在狹小的空間內(nèi)完成模具協(xié)調(diào)并處理好長(zhǎng)桁端頭與蒙皮翻邊的配合，在使用復(fù)合材料縫合機(jī)制作纖維預(yù)制體取得突破，然后，對(duì)復(fù)雜RFI結(jié)構(gòu)件固化參數(shù)進(jìn)行深入探索。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1總體方案

以復(fù)雜結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)板為研究對(duì)象，經(jīng)歷從平板件、典型件到整體零件的研制過程，利用復(fù)合材料縫合機(jī)，融合縫合技術(shù)，深入研究預(yù)制體制備技術(shù)、復(fù)雜零件RFI成型技術(shù)，以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)迭代，同時(shí)開展RFI成型工藝研究，工藝流程方案，見圖2。

2.2模具方案

調(diào)節(jié)板蒙皮模具采用陰模結(jié)構(gòu)，陰模模面作為樹脂膜的載體。長(zhǎng)桁芯模為鋼制結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)桁之間設(shè)計(jì)鋁制定位模具，并與兩端頭定位卡板相協(xié)調(diào)，長(zhǎng)桁上翻邊加蓋鋁制蓋板。由于纖維預(yù)制體在未進(jìn)行樹脂熔滲時(shí)相對(duì)體積較大，為保證各分模具順利組合，并保留足夠的樹脂流通通道，在各定位模具尺寸上預(yù)留足夠的間隙，通過金屬熱膨脹模擬計(jì)算，可以保證零件固化溫度時(shí)各長(zhǎng)桁能達(dá)到預(yù)定位置，模具結(jié)構(gòu)形式見圖3。

模具的熱膨脹量可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

ΔL=L0×（T高–T0）×a （1）

式中：ΔL—模具在某一尺寸的熱膨脹量；

L0—模具在常溫下的尺寸；

T高—材料固化時(shí)達(dá)到的最高溫度；

T0—常溫溫度；

a—模具材料的熱膨脹系數(shù)。

2.3材料

實(shí)驗(yàn)材料選用采用U3160/QY9512材料體系。

2.4設(shè)備

采用的KSL縫合機(jī)為雙針縫合線形，其具體縫合形式參見圖4，選取縫紉材料Kevlar29縫線對(duì)設(shè)備進(jìn)行了安裝調(diào)試和充分驗(yàn)證。復(fù)合材料縫合機(jī)主要參數(shù)水平如下：

1）縫合機(jī)可在工業(yè)機(jī)器人支持下進(jìn)行2維縫合，支持縫線為碳纖維、凱夫拉或者玻璃纖維，縫合線形為雙針縫合。

2）最大縫合范圍為4 000 mm×500 mm，3 000 mm×1 000 mm，2 000 mm×1 250 mm。

3）縫合針距可在3～8 mm調(diào)節(jié)，縫合上表面層雙針針距為20～30 mm，隨預(yù)制體厚度變化有少許波動(dòng)，對(duì)預(yù)制體最大縫合厚度8 mm。

4）工業(yè)機(jī)器人在裝有縫紉頭的情況下重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度為±0.8 mm。

3結(jié)果與討論

3.1QY9512樹脂工藝性研究

對(duì)RFI成型工藝用樹脂性能的基本要求是：樹脂在室溫或一定溫度下具有良好的成膜性；樹脂在熔融溫度下能持續(xù)一段時(shí)間的低黏度，能夠保證足夠的時(shí)間對(duì)纖維預(yù)制體進(jìn)行潤(rùn)濕，隨后黏度隨溫度升高而增加，直至凝膠固化；樹脂熔融狀態(tài)時(shí)對(duì)纖維預(yù)成型體具有良好的浸潤(rùn)性。

QY9512樹脂在材料標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確的樹脂膜制備工藝參數(shù)，需要自行摸索。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并對(duì)該樹脂在不同溫度下成膜性能進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，在不影響樹脂膜滲透工藝窗口和得到最好的樹脂膜質(zhì)量原則下，最終制定了在80 ℃下制備樹脂膜的方案，見表1。

采用AR2000流變分析儀對(duì)QY9512樹脂進(jìn)行了黏度分析，發(fā)現(xiàn)其在120 ℃低黏度平臺(tái)能夠保持60 min以上，然后樹脂黏度才會(huì)出現(xiàn)明顯上升，略高于材料標(biāo)準(zhǔn)給出的保溫時(shí)間?？紤]調(diào)節(jié)板結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，保證預(yù)制體充分浸漬，可以在材料標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)選擇后段加壓，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)件也充分驗(yàn)證了該加壓方案。

3.2U3160纖維預(yù)制體制備

1）蒙皮預(yù)制體制備

進(jìn)氣道調(diào)節(jié)板蒙皮由24層U3160纖維布構(gòu)成，首先在操作平臺(tái)上進(jìn)行剪裁和鋪貼，然后轉(zhuǎn)移到縫合機(jī)工作平臺(tái)上進(jìn)行縫合，每根長(zhǎng)桁下表面沿長(zhǎng)桁臥邊兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行縫合?？紤]U3160預(yù)制體的操作性，選擇了合適的縫合參數(shù)，見表2。本研究搭建了簡(jiǎn)易托架以保證雙針穿線時(shí)不與操作臺(tái)進(jìn)行干涉。

2）長(zhǎng)桁預(yù)制體制備

為保證長(zhǎng)桁坯料形成預(yù)定位，在長(zhǎng)桁坯料上布置少量定型劑（本實(shí)驗(yàn)采用QY9512樹脂代替，該定型劑計(jì)入制件樹脂總質(zhì)量）。長(zhǎng)桁鋪疊完成后連同長(zhǎng)桁模具在加溫平臺(tái)上90 ℃進(jìn)行預(yù)熱，使定型劑發(fā)揮充分作用，冷卻后修整外形備用。

3.3樹脂膜制備

在加溫平臺(tái)上鋪一層帶剛度平板，然后鋪疊一層無孔隔離膜，樹脂膜區(qū)域四周布置擋條以防止QY9512樹脂成膜時(shí)流失，打開加溫平臺(tái)，升溫至80℃。將計(jì)算好的QY9512樹脂（為確保預(yù)制體的充分浸潤(rùn)，通常在樹脂理論質(zhì)量基礎(chǔ)上增減10%～15%的余量）均勻地到無孔隔離膜上，等溫20 min，融化的樹脂可自動(dòng)流淌成膜，局部不能到達(dá)區(qū)域用輔助刮板刮平，然后連同平板一起轉(zhuǎn)移，迅速冷卻。

3.4蒙皮長(zhǎng)桁組合

將調(diào)節(jié)板長(zhǎng)桁兩端頭的定位卡板固定到蒙皮陰模上，按照樹脂膜-蒙皮預(yù)制體-長(zhǎng)桁模具坯料-長(zhǎng)桁定位模具-長(zhǎng)桁蓋板的順序進(jìn)行組合；然后將蒙皮底部四周密封以防止樹脂流失，只保留長(zhǎng)桁上翻邊的樹脂通道以保證整體浸潤(rùn)。

3.5蒙皮長(zhǎng)桁組合

按照雙層有孔隔離膜-透氣氈-密封膠條-真空袋的順序進(jìn)行封裝?？紤]模具加熱時(shí)的溫度均勻性，增加80 ℃保溫平臺(tái)，執(zhí)行以下固化曲線，見圖5。

3.6零件質(zhì)量

使用U3160/QY9512材料體系制備的一系列實(shí)驗(yàn)件以及進(jìn)氣道調(diào)節(jié)板在外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和位置精度都能滿足要求。經(jīng)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)件單層壓厚為0.15 mm，符合材料標(biāo)準(zhǔn)控制要求；纖維體積含量為60%（帶長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)略低）；制件孔隙率為1.5%以下。平板對(duì)比實(shí)驗(yàn)件如圖6所示；進(jìn)氣道調(diào)節(jié)板實(shí)驗(yàn)件如圖7所示。

4結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)縫合RFI進(jìn)氣道調(diào)節(jié)板實(shí)驗(yàn)件的研制，突破了復(fù)雜RFI結(jié)構(gòu)零件模具技術(shù)、纖維預(yù)制體制備技術(shù)、樹脂膜制備技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)大型復(fù)雜RFI零件的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)；對(duì)復(fù)合材料縫合機(jī)進(jìn)行了較為全面的調(diào)試和驗(yàn)證，使其具備了科研生產(chǎn)的能力，形成了以其為代表的液體成型技術(shù)平臺(tái)，對(duì)今后同類型產(chǎn)品在復(fù)合材料行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用具有重要意義。主要技術(shù)分析如下：

1）復(fù)雜結(jié)構(gòu)件RFI模具技術(shù)

復(fù)雜結(jié)構(gòu)件使用RFI工藝進(jìn)行制造時(shí)，模具設(shè)計(jì)是其首要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模具設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能在模具型腔內(nèi)形成均勻的液體通道，在加壓情況下既不能存在死角，也不能存在可能致使樹脂大量流失的暴露通道；要充分考慮纖維預(yù)制體在未浸潤(rùn)和被充分浸潤(rùn)時(shí)的巨大差異，保證模具組合的操作性；要完善模具各組件協(xié)調(diào)能力，保證制件成型的整體性和精確度。

2）纖維預(yù)制體制備技術(shù)

復(fù)合材料縫合技術(shù)的引入使纖維預(yù)制體的精確制造成為可能，但是纖維預(yù)制體的變形能力并不是無止境的，在一些特定的大曲率環(huán)境下必須選擇合適的預(yù)制體成型方式。

3）樹脂含量控制技術(shù)

樹脂含量控制是RFI零件成型的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。樹脂含量直接關(guān)系到制件的厚度和外形尺寸，為保證預(yù)制體的完全浸漬，一般在樹脂膜制備時(shí)都會(huì)考慮一定的工藝余量，在固化成型時(shí)，可依據(jù)零件結(jié)構(gòu)不同通過吸膠材料和固化參數(shù)調(diào)整進(jìn)行精確控制。

4）復(fù)雜結(jié)構(gòu)RFI成型固化規(guī)范

基體材料性質(zhì)和制件型面高度尺寸都對(duì)固化規(guī)范有重大影響，工裝在樹脂浸潤(rùn)階段的熱分布狀態(tài)也影響到制件最終質(zhì)量，在面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件時(shí)，樹脂工藝性分析和典型特征工藝驗(yàn)證相結(jié)合的手段可成為一條捷徑。

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Experimental Study on RFI Molding Process in Aviation Inlet Adjusting Plate

CHENG Yu， MA Mihui， CHENG Yan

（AVIC Shenyang Aircraft Industry （Group） Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110850， China）

Abstract： In this paper， RFI （resin film infiltration） molding method is used to study the process of typical inlet adjusting plate test pieces. Through experiments， the RFI mold technology of complex structural parts， the manufacturability of QY9512 resin， the process parameters of fiber preform preparation and the resin content control technology were studied. The inlet adjusting plate is a plate-beam co-curing structure， and the development of stitched RFI adjusting plate faces many key technologies. It is necessary to design a reasonable mold structure， complete the mold coordination in a narrow space， and handle the cooperation between the end of the stringer and the skin flanging， and make a breakthrough in making fiber preforms by using composite sewing machines. This series of research has laid a technical foundation for the subsequent development of large and complex RFI parts， and is of great significance for the future development and application of similar products in the field of composite materials industry.

Key words： RFI suture technology; Fiber preform; Resin film