某型機復合材料C型外翼后梁研制

房曉斌，郭俊剛，艾 明，石卓峰

（航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

隨著復合材料在飛機制造領域中的廣泛應用，部分飛機承力構件材質由金屬材料轉變為復合材料[1]。新型號飛機研制過程中，復合材料C型翼梁已逐漸作為設計首選結構，因此需要掌握成熟的復合材料C型翼梁成型工藝[2，3]。復合材料C型翼梁通常采用熱壓罐固化成型工藝，由于固化過程中產生的殘余應力和應變影響脫模后產生固化變形，同時伴隨著R區厚度超差問題，對復合材料C型翼梁研制提出了挑戰，需要設計合理的成型模具和合理的成型工藝。

1 復合材料C型外翼后梁介紹

1.1 外翼后梁結構

復合材料C型外翼后梁長度約5 170 mm，寬度約360 m，高86 mm；變厚度，厚度由5.20 mm漸變為3.52 mm，存在多處臺階過度；零件整體呈C型結構，如圖1所示。

圖1 復合材料C型外翼后梁示意圖Fig.1 Schematic diagram of composite based C-type outer wing rear beam

1.2 外翼后梁原材料

碳纖維單向帶預浸料：AC531/CCF800H，中航復合材料有限責任公司；碳纖維織物預浸料：AC531/CF8611，中航復合材料有限責任公司。

1.3 主要技術指標

（1）外觀質量：復合材料制件的表面應光滑平整，表面無貧、富樹脂，表面纖維被樹脂均勻覆蓋。

（2）內部質量：分層、脫膠和孔隙密集等缺陷在可控范圍內；孔隙率＜2%。

（3）厚度控制：理論厚度的±5%。

（4）外形公差：理論型面±0.2 mm，允許在間距每250 mm的距離上施加30 N的力。

（5）隨爐件力學性能滿足相關材料技術規范。

2 復合材料C型外翼后梁研制

2.1 成型方案選擇

成型方案的選擇是復合材料C型梁零件制造的基礎和關鍵問題。復合材料C型梁常用的成型方案主要有2種：陰模固化成型、陽模鋪貼陰模固化成型[4]。陽模成型和陰模成型2種方案的比較見表1。

結合復合材料C型梁2種成型方法的優缺點，對照零件配合面的要求和零件的結構特征，基于現有條件的工藝成熟度，總結了復合材料C型梁成型方法選取原則，見表2。分析某型機復合材料C型外翼后梁結構特征，選取陽模鋪貼陰模固化成型方案。

2.2 制造工藝流程

復合材料C型外翼后梁選取陽模鋪貼陰模固化成型方案，零件研制過程中存在固化變形問題和厚度超差問題。固化變形可以通過成型模具的型面補償進行消除，厚度超差可以通過放置壓力墊進行控制[5～9]。因此，復合材料C型梁制造工藝流程分為2步進行，第1步是壓力墊的制作，第2步是零件固化成型。圖2為零件固化成型工藝流程，壓力墊制作工藝流程在壓力墊設計章節進行介紹。 2.3 制造工藝

表1 復合材料C型梁成型方法比較Tab.1 Comparison of forming methods of composite based C-type beam

表2 復合材料C型梁成型方法選取原則Tab.2 Selection principle of forming method of composite based C-type beam

圖2 復合材料C型外翼后梁制造工藝流程Fig.2 Manufacturing process flow chart of composite based C-type outer wing rear beam

2.3.1 模具和檢驗型架設計

復合材料C型外翼后梁成型用模具主要包括：陽模鋪貼模和陰模固化成型模。當進行外形檢測時，需要固定在檢驗型架上輔助定位。

2.3.1.1 模具、檢驗型架材料的選用

復合材料成型模具常用材料有普通鋼、殷鋼和復合材料等，其優缺點見表3。對于復合材料C型外翼后梁零件，為了保證零件的外形和內部質量，成型模具選用殷鋼材料。鋪貼模用于將預浸料片鋪貼成C型預制體，從制造成本考慮，選用普通鋼材料。檢驗型架僅用于零件外形檢測過程中的輔助定位，其本身僅有穩定性要求，一般選用鋁合金材料。

2.3.1.2 陰模成型模具

陰模成型模具用于零件固化成型，為了保證整體剛性和氣流通暢要求設計為薄壁框架結構，模具材質為Invar鋼，工作表面根據工藝模型設計[10]，見圖3。

表3 模具材料的比較Tab.3 Comparison of mold materials

圖3 復合材料C型外翼后梁陰模成型模具Fig.3 Cavity block forming mold of composite based C-type outer wing rear beam

2.3.1.3 陽模鋪貼模具

陽模鋪貼模具用于鋪貼操作，為了保證整體剛性和減重需求設計為框架結構，模具材質為Q235鋼，工作表面根據工藝模型設計。若該模具用于復合材料假件制作，需將模胎長度方向縮比。圖4為復合材料C型外翼后梁陽模鋪貼模具。

圖4 復合材料C型外翼后梁陽模鋪貼模具Fig.4 Positive die paving mold of composite based C-type outer wing rear beam

2.3.1.4 檢驗型架

檢驗型架用于零件外形檢測時輔助定位，為了保證整體剛性和減重需求，設計為框架結構，型架材質為鋁合金。檢驗型架按部件裝配姿態設計定位方式，并設置定位孔。若采用數字化檢測設備檢測零件外形，該檢驗型架可滿足輔助定位需求；若采用檢驗卡板檢測零件外形，可在該檢驗型架上設置檢驗卡板。圖5為復合材料C型外翼后梁檢驗型架。

圖5 復合材料C型外翼后梁檢驗型架Fig.5 Test frame of composite based C-type outer wing rear beam

2.3.2 工藝模型設計

工藝模型設計雖然只是復合材料C型外翼后梁研制過程中的一個環節，但卻有非常重要的作用。工藝模型相對理論模型，是將理論模型的2側緣條面向外側偏移一定角度θ，而偏移角度θ即是復合材料C型外翼后梁固化變形的補償量。因此工藝模型設計主要可分為2步進行，第1步計算出復合材料C型外翼后梁固化變形補償，第2步根據復合材料C型外翼后梁固化變形補償量修改零件緣條面理論型面。

復合材料C型外翼后梁固化變形補償量，在現有工藝水平條件下，最有效、最快速的獲取方法是設計與復合材料C型外翼后梁選用材料相同、鋪層相同的小尺寸試驗件，待小尺寸試驗件固化后測量其變形數據，將小尺寸試驗件變形數據作為小尺寸試驗件和復合材料C型外翼后梁固化變形補償量。由于復合材料C型外翼后梁有2組鋪層形式，因此設計了2項小尺寸試驗件計算固化變形補償量。

根據復合材料C型外翼后梁固化變形補償量修改零件緣條面理論型面設計工藝模型，一般較常使用的方法是將零件緣條面離散為多個截面，對每個截面進行修正補償得到新的截面，再將修正后截面線重構形成新的緣條面，然后修正R角使新的緣條面與理論腹板面光滑過渡。圖6為工藝模型多截面設計。

圖6 工藝模型多截面設計Fig.6 Multi section design of process model

2.3.3 下料和鋪貼

復合材料C型外翼后梁的鋪層角度公差為織物±2°、單向帶±1°。織物邊緣和切割段要求搭接，搭接寬度0～26 mm；單向帶邊緣和切割段要求對接，對接間隙小于1 mm。因此，采用自動下料機下料，激光投影儀定位，人工鋪貼的方式進行。

下料操作需要預先編制下料程序，其基本過程為：使用CATIA軟件打開工程模型，進入Composites Design模塊，按順序完成換面、換線、切片、可行性分析等操作，到達可出下料程序要求；打開MAGESTIC排料軟件，按照軟件操作要求完成下料程序輸出。在這一過程中，由于復合材料C型外翼后梁結構復雜性，下料程序的輸出±45°料片拼接邊緣經常出現纖維非連續現象，需要工程技術人員逐個排查手動修正；同時，工程技術人員需要檢查料片數量是否齊全，不能有缺失鋪貼料片的情況出現。

工程技術人員在編制下料程序時生成的數據，使用Tur LASER軟件，輸入模具激光靶標實測數據，可以生成投影文件。將生成的投影文件輸入激光投影儀，進行鋪層的激光投影定位，進行人工鋪貼。

為了將在鋪貼模具上完成鋪貼操作的預制體輕松轉移，需要對鋪貼模具工作表面進行預處理，在分別驗證鋪貼模具工作表面刷涂脫模劑、粘貼脫模布、放置隔離膜3種方法后，實踐證明放置隔離膜的方法效果最好（表4）。該方法已經大量應用于陽模鋪貼操作中。

為了保證零件在固化過程中袋內真空通暢，除了制袋操作要求之外，需要在零件內外表面各鋪貼一層可剝保護層。

表4 鋪貼模工作表面處理對預制體脫模的影響Tab.4 Effect of working surface treatment of paving mold on preform demoulding

2.3.4 預壓實和轉移

復合材料C型外翼后梁鋪貼完成后，為了更好地保證零件內部質量，需要進行預壓實。預壓實工藝參數為：1）對真空袋施加不低于0.08 MPa的真空壓力，并保持全過程抽真空，真空度不低于0.08 MPa；2）室溫加（ 0.60±0.035）MPa罐 壓 ； 3）以 ≤ 3℃/min的速率升溫至（75 ±5）℃，保溫5～20 min；4）保溫結束后以≤3 ℃/min的速率降溫；5）零件溫度降至60 ℃以下卸壓出罐。預壓實工藝參數可根據實際情況進行調整。

預壓實完成后，在鋪貼工裝2端頭零件余量區，按照零件30 mm等寬線切割小缺口，作為轉移至鋪貼模后的定位線，這一步操作，也可以在鋪貼模具上設置鉆模板，利用鉆模板鉆制定位孔。由于復合材料C型外翼后梁理論質量為16.5 kg，可將其從鋪貼模取下由操作人員搬運至鋪貼模,借助零件30 mm等款項和激光投影位置，完成轉移工作。

2.3.5 壓力墊設計和制作

總結前期復合材料C型梁零件在未采用控厚措施和采用一些控厚措施下R區厚度變化情況，發現國產預浸料和國外預浸料的厚度變形有較大區別，且2類預浸料適合的控厚措施也不太一致。針對中航復合材料有限責任公司生產的預浸料，當用于復合材料C型梁零件制造，且零件選取陰模固化的成型方案時，需制作AIRPAD壓力墊進行控厚。

復合材料C型外翼后梁選取陰模模固化成型，因此AIRPAD壓力墊的工作表面為外表面，其制作過程分為制作假件，以及利用假件制作AIRPAD壓力墊。AIRPAD壓力墊制作流程見圖7。

（1）制作假件

借用外翼后梁鋪貼模，選取高溫碳纖維織物預浸料，鋪貼16層0°，按照高溫碳纖維織物預浸料固化參數固化成型假件。

（2）制作AIRPAD壓力墊

在假件工作表面（內表面）刷涂脫模劑，不建議粘貼脫模布，然后在假件內表面進行AIRPAD壓力墊的鋪貼。

AIRPAD壓力墊共8層，第1層和第8層為整層未固化的AIRPAD，第2層至第7層為高溫碳纖維織物預浸料。預浸料僅在R區鋪貼，寬度依次為60 mm、50 mm、40 mm、30 mm、2 0 mm、10 mm。AIRPAD壓力墊按照高溫碳纖維織物預浸料固化參數固化，按照零件等寬線剪切修整。

3 復合材料C型外翼后梁質量檢測

圖7 復合材料假件和AIRPAD壓力墊制作流程Fig.7 Production process of composite fake parts and AIRPAD pressure pad

對復合材料C型外翼后梁外觀質量、內部質量和外形尺寸進行檢測，檢測結果表明，研制的復合材料C型外翼后梁滿足了設計要求。

1）外觀質量

復合材料C型外翼后梁表面光滑平整，織物纖維清晰可見，表面無貧、富樹脂，表面纖維被樹脂均勻覆蓋。

2）內部質量

使用奧林巴斯EPOCH 1000便攜式超聲檢測儀對復合材料C型外翼后梁進行無損檢測，未見超標缺陷，滿足復合材料制件制造與驗收技術條件要求。隨爐件取樣制作的孔隙率測試試樣，按文件GB/T 3365—2008檢測其孔隙率小于2%，滿足復合材料制件制造與驗收技術條件要求。

3）厚度控制

使用游標卡尺和千分尺分別測量復合材料C型外翼后梁厚度，結果表明，零件非R區實際厚度都在理論厚度±4%以內，零件R區實際厚度都在理論厚度±5%以內，滿足復合材料制件制造與驗收技術條件中厚度公差±5%要求。

4）外形檢測

使用激光跟蹤儀測量復合材料C型外翼后梁外表面，測量結果：所有測量點中最大正偏差0.20 mm，最大負偏差-0.17 mm，相對理論型面的標準偏差0.06 mm，超過88%測量點的外形偏差≤±0.1 mm，滿足復合材料制件制造與驗收技術條件中外形公差±0.2 mm要求，表明零件實際外形非常好。

5）隨爐件性能

陰模成型模具上預留了隨爐件鋪貼及固化位置，固化時隨爐件靠近罐門一側。隨爐件取樣進行力學性能檢測，結果均滿足復合材料制件制造與驗收技術條件要求（表5）。

4 結語

表5 隨爐試板的力學性能Tab.5 Mechanical properties of test plate with furnace

當前，先進復合材料在飛機制造領域應用不斷增加已成為航空制造領域一個發展趨勢。復合材料C型梁可用于飛機結構的承力件和次承力件，在減輕飛機重量，提升結構強度方面有著重要的意義。本項成型工藝采取陽模鋪貼陰模固化、壓力墊控厚成型的方法，所生產復合材料C型外翼后梁零件滿足工程技術要求，產品質量穩定。本項成型工藝已在多個型號飛機梁肋零件生產中廣泛使用。