復合材料工型封閉結構肋定位成型研究

蔣金隆

（中國航空制造技術研究院，北京101300）

復合材料具有比強度高、比剛度大等優點，已成為航空航天領域重要的輕量化結構材料，已廣泛應用于飛機的各個部件，復合材料用量已成為衡量航空飛行器先進性的重要指標之一[1-2]。

航空復合材料零件一般采用熱壓罐工藝成型，模具是主要工藝裝備，用以保證零件形狀、結構及質量。復合材料模具的設計制造對復合材料構件的產品質量影響較大[3-4]。

復合材料由于其優秀的各向異性和可設計型，能通過構型和鋪層的設計滿足各項要求。然而，在復合材料設計過程中，往往因為特殊的型面和受力狀況，設計出的部分肋型面復雜、多處帶閉角結構等，給復合材料零件成型帶了巨大挑戰。本文研究的復合材料復雜型面閉角結構工型肋成型技術，為型面復雜、帶閉角結構的工型肋、J 形肋等的成型提供了新的解決方案。

1 零件結構特點

某型號復合材料肋為層壓板結構，俯視圖呈對此月牙狀，且有加強筋，如圖1 所示。肋截面呈工型，且一側為閉角結構，如圖2 所示。

圖1 某型號復材肋俯視圖

圖2 某型號復材肋截面圖

2 工藝難點分析

某型號復合材料肋為復雜工型封閉結構工型肋，型面復雜，在零件鋪疊過程中，由于肋本身存在曲率，預浸料鋪疊基準難以確定，且產品存在加強筋結構，成型過程零件的加強筋很難加壓，一般需要設計分體模具且能保持壓力傳遞。

工型肋一般采用上、下模具合模的方法成型，由于上述復合材料工型肋為四周封閉結構。如果采用上、下模具合模成型，上、下模具合模過程沒有定位基準，零件成型后側邊（緣條面）容易出現高低階差。

3 工藝方案設計

對于工型肋，在熱壓罐成型過程中，一般采用上、下模具合模成型，即在上模具和和下模具上分別鋪貼預浸料，然后將上、下模具合模，在上、下模具合并后的模具上鋪疊緣條側的預浸料，最后采用進罐成型的工藝方案，如圖3 所示。

圖3 成型示意圖

上、下模具采用鋼材料或者膨脹材料（比如橡膠等）的優缺點及對零件成型質量的影響如表1 所示。

表1 工藝方案分析表

分析表1 可以發現，采用膨脹材料難以控制最終零件的外形及階差，因此上模具及下模具都采用鋼材料，以保證零件成型后能順利脫模。

對于本文研究的復合材料復雜型面封閉結構工型肋，由于零件四周包圍封閉切存在加強筋，上、下模具的定位也存在較大困難，因此為了保證上、下模具的準確定位，需要設計定位裝置，既要保證上模具及下模具在鋪疊后能準確定位消除階差，還需要保證加強筋無質量缺陷。

4 組合工裝設計

工裝是保證復合材料零件外形尺寸及內部質量的重要因素。本文在工裝設計過程中，將零件上、下外形面分別作為上模具的下型面和下模具的上型面。上、下模具通過定位梁進行定位。定位梁還能保住壓力持續傳遞。組合模具如圖4所示，其中，①為上、下模具的定位梁，②為上模體，③為上模體，④為定位塊，⑤為成型的零件。

圖4 組合模具示意圖

5 鋪疊方案設計

零件鋪疊過程中，由于復合材料復雜工型封閉結構肋型面曲率大，零件鋪疊基準難以確定，因此在鋪疊過程中，將預浸料料片在下料過程中剪裁為方塊料片，并在料片背襯紙上標識中位線。同時在上、下模具的鋪疊邊緣線之外都進行中位線標識，以中位線作為預浸料0°鋪層的基準線，依次進行鋪疊。

同時為保證預浸料鋪疊質量，選擇每鋪疊4 層預浸料后，進行一次抽真空操作，真空度不低于0.08 MPa，抽真空時間不短于20 min。

在上、下模具合模后，鋪疊緣條部分預浸料前，需要對上、下合模后的R 角區域填充預浸料單向帶，保證成型后零件的R 區填充飽滿無缺陷。

6 驗證

采用本文所述工藝方案及圖4 所述工裝，選擇中溫環氧預浸料鋪疊，熱壓罐成型后的復合材料復雜型面封閉結構工型肋外型、外觀、內部質量檢驗合格，能滿足設計技術要求。

7 結論

對于復合材料復雜工型封閉結構工型肋，采用上、下模具合模成型，即在上模具和和下模具上分別鋪貼預浸料，然后將上、下模具合模，在上、下模具合并后的模具上鋪疊緣條側的預浸料，最后采用進罐成型的工藝方案，成型后的零件能滿足設計技術要求。

對于復合材料復雜型面封閉結構工型肋，設計了一套組合工裝，既能保證上、下模具的定位準確，又能通過定位梁保證壓力持續傳遞。

在鋪疊過程中，通過設置鋪疊基準，多次抽真空及合模后R 區的預浸料單向帶填充，保證鋪疊質量，從而保證最終零件的成型質量。