復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼尖小翼成型技術(shù)研究

袁 超，邱啟艷

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空航天領(lǐng)域重要的輕量化結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的各個(gè)部件，復(fù)合材料用量已成為衡量航空飛行器先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[1-2]。夾層結(jié)構(gòu)具有重量輕、彎曲剛度及強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞、吸音、隔熱等優(yōu)點(diǎn)，因此在飛行器結(jié)構(gòu)上得到了廣泛應(yīng)用。研究及實(shí)踐證明，在機(jī)翼上加裝翼梢小翼，能有效減少阻力，提高飛機(jī)的燃油利用率，所以翼梢小翼在飛機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。為了減輕結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)保證制件剛度，越來(lái)越多的翼梢小翼采用泡沫夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝難點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

復(fù)合材料翼尖小翼為泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，由泡沫芯、復(fù)合材料封邊肋及外蒙皮組成，泡沫外型面與外蒙皮內(nèi)型面一致，如圖1 所示。其中泡沫芯由三塊泡沫拼接而成，為整個(gè)翼尖小翼提供剛度支撐，如圖2 所示。

圖1 復(fù)合材料翼尖小翼示意圖

圖2 翼尖小翼泡沫芯材示意圖

1.2 工藝難點(diǎn)

復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼尖小翼型面復(fù)雜，在零件成型過(guò)程中，既要翼尖小翼外型面尺寸準(zhǔn)確，又要保證外蒙皮及夾層結(jié)構(gòu)膠接面的內(nèi)部質(zhì)量，還要保證外蒙皮及封邊肋對(duì)泡沫芯材的密封性，對(duì)工藝方案的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。為保證翼尖小翼結(jié)構(gòu)復(fù)雜的外形尺寸及較高的內(nèi)部質(zhì)量，需要根據(jù)零件特點(diǎn)設(shè)計(jì)組成模具。模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何設(shè)計(jì)模具對(duì)零件不同位置進(jìn)行加壓，又是一個(gè)工藝難點(diǎn)。

翼尖小翼外蒙皮在蒙皮過(guò)程中，由于型面復(fù)雜，預(yù)浸料鋪疊難度大，容易因鋪疊曲率較大造成纖維屈曲、架橋等缺陷，需要在鋪疊過(guò)程中設(shè)計(jì)合理的鋪疊方案，提高鋪疊質(zhì)量。

2 工藝方案設(shè)計(jì)

熱壓罐成型泡沫夾層架構(gòu)一般有共固化、共膠接和二次膠接三種方式，對(duì)復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼尖小翼，分別采用共固化、共膠接及二次膠接的工藝方案分析，如表1 所示。

從表1 可以發(fā)現(xiàn)，采用共固化成型方案，封邊肋尤其是封邊肋與泡沫夾芯接觸的腹板面難以加壓，容易存在內(nèi)部缺陷。而采用二次膠接成型方案，外蒙皮與泡沫芯材膠接過(guò)程中，兩個(gè)膠接面容易出現(xiàn)配合問(wèn)題，造成膠接缺陷。綜上所述，選擇采用封邊肋先固化并與泡沫芯材拼接，后與外蒙皮一同膠接的工藝方案，既能保證封邊肋的內(nèi)部質(zhì)量，又能保證泡沫芯材與外蒙皮的膠接質(zhì)量。

表1 工藝方案分析表

3 組合工裝設(shè)計(jì)

工裝是保證復(fù)合材料零件外形尺寸及內(nèi)部質(zhì)量的重要因素。在復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼尖小翼成型過(guò)程中，組合工裝要保證零件外形尺寸，提供足夠成型壓力，還要保證零件能夠順利從模具取下完成脫模過(guò)程。

為保證模具熱膨脹系數(shù)與零件一致，減少因模具熱膨脹造成的內(nèi)應(yīng)力，采用復(fù)合材料模具。復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼尖小翼組合模具如圖3 所示，采用上下模合模的方式，其中，1 是上成型模，2 是下成型模。上成型模型面與翼尖小翼上型面一致，下成型模型面與翼尖小翼下型面一致，上、下成型模合模后，能對(duì)翼尖小翼外蒙皮進(jìn)行加壓。

4 鋪疊方案設(shè)計(jì)

翼尖小翼外蒙皮鋪疊過(guò)程中，由于鋪疊曲率大，容易造成纖維屈曲、架橋等缺陷。為保證鋪疊質(zhì)量，每鋪疊一層后，用未加熱熨斗對(duì)預(yù)浸料鋪層進(jìn)行壓實(shí)，并進(jìn)行抽真空，抽真空時(shí)間不少于20 min，真空度不小于0.095 MPa。在鋪疊過(guò)程中，在翼梢小翼蒙皮上設(shè)計(jì)8 處固定的相距不少于50 mm 的鋪疊剪口，方便鋪疊的同時(shí)，保證鋪疊一致性。

圖3 組合模具示意圖

5 結(jié)論

復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)翼尖小翼采用封邊肋先固化并與泡沫芯材拼接，后與外蒙皮一同共膠接的工藝方案，既能保證封邊肋的內(nèi)部質(zhì)量，又能保證泡沫芯材與外蒙皮的膠接質(zhì)量。組合模具選用復(fù)合材料模具，采取上、下成型模合模的方式，上成型模型面與翼尖小翼上型面一致，下成型模型面與翼尖小翼下型面一致，既能保證零件外形尺寸，提供足夠成型壓力，又能保證零件能夠順利從模具取下完成脫模過(guò)程。在鋪疊過(guò)程中，為保證鋪疊質(zhì)量，每鋪疊一層后，用未加熱熨斗對(duì)預(yù)浸料鋪層進(jìn)行壓實(shí)，并進(jìn)行抽真空，抽真空時(shí)間不少于20 min，真空度不小于0.095 MPa。