大尺寸蜂窩夾芯梁成型工藝研究

李春媛++艾明++李紅安

摘 要：蜂窩夾芯梁是復合材料零件特有的一種結構形式，它將層壓梁和蜂窩夾芯零件的優勢融為一體，具有力學承載特性好，整體重量輕、抗變形能力強等特點。該文以大尺寸蜂窩夾芯梁為研究對象，探討了此類零件的制造方案，詳細分析了蜂窩芯收縮、內部分層等常見技術問題，給出了相應的解決措施并進行了典型件驗證。

關鍵詞：復合材料 大尺寸 蜂窩夾芯梁

中圖分類號：V25 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0112-02

21世紀以來，作為先進科技成果集中體現的航空產業呈現出蓬勃向上的發展態勢。與此同時，復合材料的應用范圍不斷拓展[1]。相比傳統的金屬材料，在同等重量的前提下，復合材料具有更高的力學強度、良好的耐疲勞、耐腐蝕性能。得益于此，在航空產業中，越來越多的零（組）件采用復合材料制造。

可設計性強是復合材料的另一突出優勢，通過結構形式及鋪層角度設計，可使最終產品在力學性能、外形輪廓、整體重量等預期目標間取得最佳平衡?？傮w而言，復合材料零件可以分為層壓件、蜂窩（泡沫）夾芯件、組合件等多種結構形式。梁、框、肋等細長型零件大多選擇層壓結構；壁板、口蓋等蒙皮類零件一般選擇蜂窩（泡沫）夾芯結構；而運動翼面等承力部位則可選用加筋壁板、楔形段等組合件的結構形式。

蜂窩夾芯梁是一種較為特殊的結構形式，它在傳統層壓梁結構中加入蜂窩芯元素，使梁類零件具備了更好的力學承載特性和抗扭曲性能并進一步降低了產品重量[2]。相比于蒙皮壁板，梁類零件的腹板寬度較窄，腹板與緣條相接的R區，曲率變化較大。在多種因素共同作用下，蜂窩夾芯梁的制造難度較大，易出現蜂窩芯收縮，蜂窩芯邊緣鋪層架橋等技術質量問題。該文以蜂窩夾芯梁為研究對象，從工藝流程、工裝結構、銑切定位等方面深入探討了此類零件的制造方案。

1 結構分析

蜂窩夾芯梁典型件由7塊蜂窩芯與1根“C”型梁構成。零件長度約8 000 mm，腹板寬度約350 mm，層壓區最厚處約6.8 mm，最薄處約3 mm。緣條最寬處約100 mm，最窄處約20 mm。零件主材料為環氧碳纖維預浸料，靠工裝面局部為環氧玻璃纖維預浸料，蜂窩芯采用芳綸紙蜂窩芯。零件外形如圖1。

2 制造方案

2.1 工藝流程

該零件采用數控下料，手工鋪貼，共固化工藝整體成型，數控銑切外形輪廓。蜂窩芯放置時，使用激光投影系統確定其位置。制造流程如圖2。

2.2 工裝結構

通過分析其結構特點，該零件選用凸模制造。由于外形尺寸較大，必須考慮零件與工裝在高溫環境下的熱膨脹效應[3]。因此，選用與主材料熱膨脹系數最為接近的殷鋼制造工裝（見表1）。

3 技術難點及解決措施

3.1 內部及表面質量控制

典型件的鋪層結構較為復雜，存在較多的減薄區和下陷區域。腹板面帶有7塊蜂窩芯，芯上層預浸料的鋪貼難度較大，在蜂窩芯邊緣易出現皺褶、架橋等缺陷。為杜絕此類問題的發生，該研究采取了如下措施：（1）鋪貼時，以減薄區和下陷區為中心，向四周鋪貼預浸料，防止預浸料鋪層局部帶應力而引起分層缺陷；（2）所有芯下層預浸料每1～3層抽真空壓實一次，保證芯下層預浸料間貼合緊密；（3）所有芯上層預浸料均以零件腹板的中心區域為基準，向四周鋪貼。且先鋪貼蜂窩芯區域，再鋪貼層壓區域；（4）芯上層預浸料每鋪貼一層，均需抽真空壓實一次，保證鋪層間密實；（5）壓實時，在蜂窩芯之間放置由Airpad制作的壓力墊，保證壓力傳導均勻，也可杜絕表面皺折的出現。

3.2 蜂窩芯收縮

受多種因素的影響，蜂窩夾芯零件在固化過程中可能出現蜂窩芯的收縮，導致外形超差、分層、脫粘等缺陷。為從根本上解決此問題，在成型模兩側緣條面的余量區設計有防滑凹槽。在鋪貼時，將預浸料的余量區嵌入至工裝上的防滑凹槽內，并用同種材料將防滑凹槽填平。通過上、下兩層預浸料的拉緊作用，限制了蜂窩芯的移動和收縮。鋪貼完畢后，制作真空袋時，在蜂窩芯根部區域打褶，真空袋在此處保持一定的彈性和余量，避免局部壓力過大。

3.3 數控銑切定位

為保證零件外形輪廓的準確性，大尺寸零件固化后一般采用數控設備銑切外形。在零件脫模前，需使用鉆模板鉆制數控銑切定位孔[6]。因此，數控銑切定位孔鉆制的準確程度決定著零件的銑切質量。受工裝的實際制造精度、鉆模板與工裝的配合程度、工人的操作水平等因素的影響，數控定位孔在鉆制過程中時常出現偏差，影響零件的最終外形輪廓。為改善此問題，該研究中，零件在數控銑切時采用定位凸塊進行定位。在成型模兩端頭余量區設計有定位凹槽，鋪貼時，將此定位凹槽用預浸料填滿并壓實。固化后，即在零件余量區形成一個定位凸塊。此定位凸塊的準確度僅受工裝實際制造精度的影響，可靠性更高。數控銑切后，零件外形輪廓更為準確。

4 結語

蜂窩夾芯梁將層壓梁與蜂窩夾芯壁板融合為一體，制造難度較大。該文以大尺寸蜂窩夾芯梁為研究對象，從工裝結構、工藝方案、技術難點等多方面進行了研究。探討了蜂窩芯邊緣局部架橋、鋪層皺褶、蜂窩芯收縮、數控定位不準確等技術及質量問題，有針對性地提出了解決措施，取得了良好的效果。

參考文獻

[1] 陳紹杰.我國先進復合材料產事業發展[J].玻璃鋼，2014 （1）：13-26.

[2] 柴子龍.復合材料蜂窩芯夾芯結構疲勞行為研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.