閉口型雙曲率復合材料工字梁制造技術研究

西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089

復合材料由于比強度高，材料的可設計性使其在飛機上的應用越來越廣泛，應用部段包括外翼翼盒、艙門、進氣道、運動翼面等，且呈現(xiàn)出整體化、大型化、精確化、復雜化的特點。由于復合材料壓縮強度比拉伸強度低，因此在飛機結(jié)構(gòu)設計上經(jīng)常采用上下非對稱的工字梁。文章以某閉口型雙曲率復合材料工字梁為例，論述其成型過程中的制造難點、加工流程及制造關鍵技術。

1 某閉口型雙曲率復合材料工字梁結(jié)構(gòu)形式

閉口型雙曲率復合材料工字梁，長度約8.0m，寬度約1.2m，緣條高度約0.1m，厚度約4.5mm，如圖1所示。復合材料工字梁一側(cè)緣條面與腹板面之間夾角約60°，長度方向為雙曲面，呈現(xiàn)為閉口雙曲率結(jié)構(gòu)。復合材料工字梁選用材料為高溫固化環(huán)氧碳纖維織物和高溫固化環(huán)氧碳纖維單向帶。

圖1 閉口型雙曲率復合材料工字梁

2 復合材料工字梁制造難點及加工流程

2.1 復合材料工字梁閉口緣條脫模方法

該復合材料工字梁一側(cè)緣條面與腹板面之間呈銳角。復合材料制件在成型模具上完成固化后，需要有一定的開敞空間，確保其能夠輕松從模具上脫下。然而該復合材料工字梁設計銳角的一側(cè)緣條，顯然不具備輕松脫模的可行性，而且該側(cè)緣條借助芯模固化后，將無法從整體芯模上脫模。通過分析，提出將芯模設計為分塊結(jié)構(gòu)，使用時組合成為整體結(jié)構(gòu)，在完成零件固化處于脫模時，將分塊芯模一塊塊取下，從而達到復合材料工字梁開口緣條脫模的目的。由于該復合材料工字梁腹板寬度約為1.2m，為保證復合材料工資里閉口緣條一側(cè)芯模整體穩(wěn)定性，不宜在長度方向設計過多分塊，因此選擇寬度方向分塊為主，長度方向盡量減少分塊。分塊芯模組合后，設計不影響鋪貼操作的鎖緊裝置，該鎖緊裝置在完成上下芯模組合后，可快速拆卸。選擇合理位置設計定位銷或其他定位裝置，用于上芯模和下芯模之間的準確定位及組合。

2.2 復合材料工字梁緣條面厚度控制

復合材料工字梁緣條面與腹板面之間呈非規(guī)則T型結(jié)構(gòu)，在完成上芯模和下芯模鋪貼后，進行上芯模和下芯模組合時出現(xiàn)三角填充區(qū)。通常情況下，將裁減好的單向帶進行填充，由于該處的碳纖維單向帶未固化，處于一定的疏松狀態(tài)，在完成整體復合材料工字梁鋪貼后，零件緣條面外表面、三角填充區(qū)的上方有一定的突起，若不采取措施進行壓實，則會導致固化后該處保留突起狀態(tài)，緣條面不平整，該處厚度偏厚超差。為解決復合材料工字梁緣條面厚度超差問題，需要在緣條面的靠袋面一側(cè)放置具有一定剛性的勻壓板，將充分壓實緣條面，使得緣條面固化后無空隙密集、分層缺陷，且厚度合規(guī)。由于該復合材料工字梁兩件緣條面為曲面，傳統(tǒng)的平面金屬勻壓板不能起到較好的控厚效果，因此需要制作一套專用壓力墊。

2.3 復合材料工字梁加工流程

復合材料工字梁加工流程如圖2所示。

圖2 復合材料工字梁加工流程

3 復合材料工字梁制造關鍵技術

（1）復合材料工字梁成型模具設計。根據(jù)復合材料工字梁制造方案規(guī)定，其成型模具設計為上下合模形式，上芯模分塊設計。在完成主體芯模設計后，為保證模具具備足夠的剛性，配套設計框架。最終，復合材料工字梁的成型模具設計為5個部分，即下框架、下芯模、上芯模、上框架和吊裝機構(gòu)，其中上芯模用于固化成型復合材料工字梁閉口側(cè)緣條及腹板，下芯模用于固化復合材料工字梁開口側(cè)緣條及腹板。復合材料工字梁成型模具下芯模與下框架整體焊接，可以減少螺栓連接，整體具有非常好的剛性。由于上芯模分塊設計和脫模需要，上芯模與上框架之間采用螺栓連接，螺栓安裝位置要求不干涉鋪貼、制造和固化，同時具有開敞的拆卸空間。為降低復合材料工字梁固化過程中的翹曲變形，復合材料工字梁成型模具的材料選擇為殷鋼材料。

（2）復合材料工字梁壓力墊成型模具設計。復合材料工字梁，兩側(cè)緣條面為雙曲構(gòu)型，無法采用傳統(tǒng)的金屬勻壓板實施控厚，因此需要設計專用的壓力成型模具，用于固化具有一定剛性的壓力墊，壓力墊成型模具的工作表面為復合材料工字梁緣條面外表面。對于復合材料工字梁壓力墊成型模具，在考慮制造成本和模具剛性的條件下，材料選擇為鋼質(zhì)材料。為保證制作的壓力大外形符合使用需求，對復合材料工字梁壓力墊成型模具的工作表面進行縮比設計。

（3）復合材料工字梁鋪貼實施過程。由于復合材料工字梁幅寬超寬，且緣條面呈雙曲變化，鋪貼過程中需要根據(jù)鋪貼經(jīng)驗不斷調(diào)整邊緣對縫處，確保0°、+45°、-45°、+90°拼接處符合鋪貼規(guī)范要求。復合材料工字梁的鋪貼，分為A、B、C、D四個部分，首先在下模和上模分別鋪貼C部分和D部分，鋪貼過程中嚴格執(zhí)行鋪貼操作和真空壓實，根據(jù)需要可進C部分和D部分預壓實。待D部分和C部分鋪貼完成后，使用吊裝設備進行C部分的吊裝和翻轉(zhuǎn)，同樣使用吊裝設備進行C部分和D部分組合。組合完成后，進行三角區(qū)加捻，最后鋪貼A部分和B部分。復合材料工字梁鋪貼示意圖如圖3所示。

圖3 復合材料工字梁鋪貼示意圖

（4）復合材料工字梁緣條面厚度控制。復合材料工字梁在完成鋪貼后，由于三角加捻區(qū)進行填充后有一定的突起，使用專用復合材料壓力墊進行壓實及控厚。復合材料壓力墊放置過程中，通過預先設計的定位孔，可保證放置位置準確。

（5）復合材料工字梁脫模。復合材料工字梁成型模具上芯模為分塊設計，芯模寬度方向兩側(cè)邊被零件包絡，在脫模時，必須從中間部位的芯模開始啟模，待中間部位的芯模取出后，方可進行兩側(cè)芯模的啟模。實際脫模過程中，借用吊車將中間部位芯模垂直吊起取下，然后將兩側(cè)芯模向內(nèi)偏移后吊出。

（6）復合材料工字梁外形銑切。復合材料工字梁外形銑切，在未使用真空銑具輔助銑切的情況下，使用五坐標柔性銑床進行操作。具體利用五坐標柔性銑床的吸盤吸附工字梁腹板面，兩端余量區(qū)銷釘定位完成外形銑切和腹板面制孔等操作。復合材料工字梁外形銑切如圖4所示。

圖4 復合材料工字梁外形銑切

4 結(jié)束語

在新一代飛機研制過程中，復合材料梁類零件逐步替代了金屬材料梁類零件，其結(jié)構(gòu)在C型的基礎上演變?yōu)镴型或工型，導致成型工藝變得更加復雜。文章開展的技術研究，成功研制了滿足工程需求的閉口型雙曲率復合材料工字梁，突破了閉口型、雙曲率復合材料工字梁模具設計技術，為后續(xù)研制復雜結(jié)構(gòu)復合材料工字梁提供了技術支持。