復(fù)合材料工型封閉結(jié)構(gòu)肋定位成型研究

蔣金隆

（中國航空制造技術(shù)研究院，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，已廣泛應(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]。

航空復(fù)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(jié)構(gòu)及質(zhì)量。復(fù)合材料模具的設(shè)計(jì)制造對復(fù)合材料構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量影響較大[3-4]。

復(fù)合材料由于其優(yōu)秀的各向異性和可設(shè)計(jì)型，能通過構(gòu)型和鋪層的設(shè)計(jì)滿足各項(xiàng)要求。然而，在復(fù)合材料設(shè)計(jì)過程中，往往因?yàn)樘厥獾男兔婧褪芰顩r，設(shè)計(jì)出的部分肋型面復(fù)雜、多處帶閉角結(jié)構(gòu)等，給復(fù)合材料零件成型帶了巨大挑戰(zhàn)。本文研究的復(fù)合材料復(fù)雜型面閉角結(jié)構(gòu)工型肋成型技術(shù)，為型面復(fù)雜、帶閉角結(jié)構(gòu)的工型肋、J 形肋等的成型提供了新的解決方案。

1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某型號(hào)復(fù)合材料肋為層壓板結(jié)構(gòu)，俯視圖呈對此月牙狀，且有加強(qiáng)筋，如圖1 所示。肋截面呈工型，且一側(cè)為閉角結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖1 某型號(hào)復(fù)材肋俯視圖

圖2 某型號(hào)復(fù)材肋截面圖

2 工藝難點(diǎn)分析

某型號(hào)復(fù)合材料肋為復(fù)雜工型封閉結(jié)構(gòu)工型肋，型面復(fù)雜，在零件鋪疊過程中，由于肋本身存在曲率，預(yù)浸料鋪疊基準(zhǔn)難以確定，且產(chǎn)品存在加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，成型過程零件的加強(qiáng)筋很難加壓，一般需要設(shè)計(jì)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(fù)合材料工型肋為四周封閉結(jié)構(gòu)。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(zhǔn)，零件成型后側(cè)邊（緣條面）容易出現(xiàn)高低階差。

3 工藝方案設(shè)計(jì)

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(yù)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(cè)的預(yù)浸料，最后采用進(jìn)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(yōu)缺點(diǎn)及對零件成型質(zhì)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(fā)現(xiàn)，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(fù)合材料復(fù)雜型面封閉結(jié)構(gòu)工型肋，由于零件四周包圍封閉切存在加強(qiáng)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(zhǔn)確定位，需要設(shè)計(jì)定位裝置，既要保證上模具及下模具在鋪疊后能準(zhǔn)確定位消除階差，還需要保證加強(qiáng)筋無質(zhì)量缺陷。

4 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。本文在工裝設(shè)計(jì)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(jìn)行定位。定位梁還能保住壓力持續(xù)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(shè)計(jì)

零件鋪疊過程中，由于復(fù)合材料復(fù)雜工型封閉結(jié)構(gòu)肋型面曲率大，零件鋪疊基準(zhǔn)難以確定，因此在鋪疊過程中，將預(yù)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(biāo)識(shí)中位線。同時(shí)在上、下模具的鋪疊邊緣線之外都進(jìn)行中位線標(biāo)識(shí)，以中位線作為預(yù)浸料0°鋪層的基準(zhǔn)線，依次進(jìn)行鋪疊。

同時(shí)為保證預(yù)浸料鋪疊質(zhì)量，選擇每鋪疊4 層預(yù)浸料后，進(jìn)行一次抽真空操作，真空度不低于0.08 MPa，抽真空時(shí)間不短于20 min。

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

6 驗(yàn)證

采用本文所述工藝方案及圖4 所述工裝，選擇中溫環(huán)氧預(yù)浸料鋪疊，熱壓罐成型后的復(fù)合材料復(fù)雜型面封閉結(jié)構(gòu)工型肋外型、外觀、內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)合格，能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

7 結(jié)論

對于復(fù)合材料復(fù)雜工型封閉結(jié)構(gòu)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(yù)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(cè)的預(yù)浸料，最后采用進(jìn)罐成型的工藝方案，成型后的零件能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

對于復(fù)合材料復(fù)雜型面封閉結(jié)構(gòu)工型肋，設(shè)計(jì)了一套組合工裝，既能保證上、下模具的定位準(zhǔn)確，又能通過定位梁保證壓力持續(xù)傳遞。

在鋪疊過程中，通過設(shè)置鋪疊基準(zhǔn)，多次抽真空及合模后R 區(qū)的預(yù)浸料單向帶填充，保證鋪疊質(zhì)量，從而保證最終零件的成型質(zhì)量。