異形大厚度蜂窩夾層結構前緣成型技術研究

成艷娜 劉訓新 劉向陽 陳亮子

（中航飛機西安飛機工業集團股份有限公司，西安 710089）

復合材料具有質輕、比強度高、比模量高、抗腐蝕性好以及可設計性強等優點，尤其適用于大型或者整體飛機零件結構，是優良的航空結構材料。目前，它的用量在飛機結構上的比重日益提升，某種程度上已經成為衡量飛機先進程度的指標之一[1]。隨著復合材料的不斷發展，它的應用范圍逐漸從內部裝飾件向次承力件延伸。近年來，復合材料的應用范圍更是向主承力梁和大壁板等主承力件過渡[2]。前緣類零件是飛機中較為常見的次承力件，外形為雙曲面，橫截面為U形結構，主要起到承載和整流等作用，廣泛應用于活動翼面、外翼和尾翼等部位[3]。復合材料類前緣主要分為夾層和層壓兩種結構形式。采用夾層結構的U形前緣零件擁有更好的承載力，且由于夾層材料質量較輕，大大降低了零件的質量。因此，夾層類的前緣制件在飛機上被廣泛使用。

本項目圍繞異形大厚度蜂窩夾層結構前緣的成型技術開展研究。針對以上技術難點，從異形大厚度蜂窩芯銑切及拼接方案、前緣制件熱壓罐成型工藝方案設計以及固化收口變形控制等方面進行探索，制定零件的制造工藝流程，最終實現此類異形大厚度蜂窩夾層前緣類零件的精確、高質量成型。

1 試驗件設計及制造方案

1.1 材料與設備

試驗件主材料為碳纖維織物CYCOM 970/PWC T300 3K ST（CCF），蜂窩芯選用NH1-2.7-48芳綸剛性紙蜂窩芯。

1.2 試驗件結構

試驗件為深U異形大厚度蜂窩夾層結構前緣，長度約為4 100 mm，開口寬度約為280 mm，開口深度約為450 mm，層壓區厚度約為3 mm，蜂窩芯為V形尖劈結構。

1.3 試驗件成型方案設計

前緣試驗件進行了共固化和共膠接兩種成型工藝方案的試驗，從異形大厚度蜂窩芯銑切及拼接成型方案設計、異形大厚度蜂窩夾層結構成型方案設計以及U型結構固化變形控制等3個方面展開研究。

2 結果與討論

2.1 異形大厚度蜂窩芯銑切及拼接方案

傳統前緣零件的蜂窩芯厚度10～30 mm。一般將曲面展開為平板狀態后手工下料并銑切斜面角度，然后與面板膠接，成型方案相對簡單。本項目中前緣試驗件的夾芯蜂窩長度約為3 600 mm，最大高度為412 mm，為V形尖劈結構。通過選取合理的數控銑切分離面，可實現異形結構的銑切加工，滿足后續與面板膠接質量要求。

根據該蜂窩芯零件的結構特征，如圖1所示，將整體蜂窩芯分割為A、B、C共3個子零件。分離面通過內側V形最低點，降低了整體結構的銑切加工難度。因為分離面為平面，所以后續子蜂窩芯零件的拼接成型操作相對簡單，拼接質量更容易保證。

圖1 蜂窩芯分離面示意圖

數控加工時，采用常規的銑切方法，切削力較大，容易引起蜂窩芯與膠帶脫粘，從而造成局部型面凹陷，尤其是尾緣較薄的部位缺損嚴重，難以保證零件的型面加工精度和加工質量。采用超聲波數控銑床進行子零件加工，配合專用的刀柄和刀具，在銑切過程中產生的切削力較小，蜂窩芯不易與膠帶脫粘，零件加工精度和加工質量明顯提高。

A、B、C這3個子零件蜂窩芯單獨數控加工完成后，采用FM490A泡沫膠進行拼接。為防止蜂窩芯收縮，在斜面周邊填充寬度約6 mm的發泡膠FM490A。

通過選取合適的分離面、采用超聲波數控銑床單獨加工子零件、泡沫膠拼接以及四周泡沫膠防收縮4方面的措施，成功制造出V形尖劈結構蜂窩芯零件，其型面精度滿足與面板膠接的要求。

2.2 異形大厚度蜂窩夾層結構前緣熱壓罐成型工藝方案

通過試驗件制造質量對比，最終選取共固化方式作為異形大厚度蜂窩夾層結構前緣的成型方案。為避免外蒙皮產生褶皺，在鋪貼完成后增加熱壓實工藝，保證了氣動外形面的表面質量。

在共固化和共膠接成型試驗中，由于蜂窩芯端頭截面為非承力方向。蜂窩芯芯格壁區域在罐壓作用下會向內滑移，并產生塌陷收縮，帶動預浸料滑移，從而導致制件產生分層和皺褶等缺陷。通過在工裝兩側端肋處增加金屬擋塊，在內型面增加金屬勻壓板等措施，保證蜂窩芯內型面受壓均勻，避免了蜂窩芯出現坍塌褶皺收縮的現象。

預浸料由樹脂基體和增強纖維組成。在熱壓罐中高溫高壓固化時，樹脂發生了交聯反應。在固化的過程中，樹脂在重力作用下會向前緣R區流動，進而帶動纖維發生屈曲[4]。本試驗件制造過程中通過在工裝上增加防滑條進行鋪層限位，保證了纖維不會發生屈曲的現象。

2.3 前緣制件固化變形控制

熱固性樹脂基纖維增強復合材料結構件在熱壓罐中高溫高壓固化成型是一個復雜的熱、化學和力學性能急劇變化的過程。由于復合材料基體和纖維熱收縮的差異、樹脂基體的固化收縮、制件與模具之間的熱膨脹系數差異以及溫度、固化度和樹脂流動的空間不均勻性引起的材料性能差異等，導致U形前緣固化脫模后會出現收口的現象[5-6]。

在試驗件制造過程中，采用《前緣類復合材料制件固化變形控制研究及應用》的研究成果[7]，解決了本試驗中前緣制件固化變形的問題。制件型面檢測結果見表1，消除了前緣的收口變形效應，有效控制了前緣的固化變形問題。

表1 測量數據分析

3 結論

以異形大厚度蜂窩夾層結構前緣為研究對象，通過理論分析和試驗件制造，得到以下結論。

（1）針對大尺寸V形尖劈結構蜂窩芯零件，采用選取合適的分離面、超聲波數控銑床單獨加工子零件、泡沫膠拼接以及四周泡沫膠防收縮等4個措施，成功制造出V形尖劈結構蜂窩芯零件，且其型面精度能夠滿足與面板膠接的要求。

（2）采用凹模共固化方案成型異形大厚度蜂窩夾層結構前緣，提高了內外蒙皮和蜂窩芯的匹配程度，其制件氣動外形面的表面質量較好。

（3）前緣試驗件型面檢測數據基本合格，為解決該類異形前緣零件的精確制造提供了新思路。