雙曲縱橫加筋壁板共固化成型工藝研究

王 瑩 蘇 霞 肖光明

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

復合材料在現代先進機體結構上的用量日益增長，并逐漸實現了從非承力和次承力構件到尾翼級主承力構件再到機翼與機身主承力構件的應用。在航空領域中飛機結構輕量化尤為重要，碳纖維復合材料的出現解決了這個難題，復合材料在航空飛行器中廣泛應用，使結構質量降低40%、成本降低30%[1-2]。

該文論述的復合材料雙曲縱橫加筋壁板是一種較為復雜的結構形式，與共膠接工藝相比，采用的共固化工藝外形尺寸大，結構形式復雜，在共固化成型過程中需要使用大量的模具工裝，模具材料的選擇和模具結構的設計在很大程度上影響復合材料構件的內部質量和表面狀態。這一類型的制件制造還存在較多的制造加工難點，例如長桁胚料的預制體制備、預壓實工藝參數設定、長桁軸線度控制以及轉移運輸等技術質量問題。該文以雙曲U型外翼加筋壁板為研究對象，從工藝流程、工裝結構和參數設置等方面進行深入研究，制定一套合理的工藝方案，并研制了符合設計要求的制件。

1 產品描述

1.1 產品結構介紹

該文截取雙曲縱橫加筋層壓結構壁板為典型結構，由1張蒙皮，9根“U”形長桁（展向）、2根“L”形長桁（展向），10根長桁層壓夾芯（展向），1根“T”形肋下緣條（航向）組成。全部零件為復材件（如圖1所示）。零件最大尺寸為5.20m×2.85m，最大厚度為7.47mm。

圖1 外翼翼盒下壁板總體結構示意圖

該文中論述的零件結構復雜，由圖1可以看出，縱橫分布的加強筋之間均存在裝配關系；蒙皮厚度變化區間較大，從機翼尖部到機翼根部存在的厚度差為5mm，對其工裝結構來說，制件在熱壓罐中的放置位置都是保證產品完全固化的重要因素。

1.2 使用材料介紹

該文中論述的外翼翼盒下壁板主要是復合材料碳纖維制品，由于其要求制件剛強度要求，此次試驗件采用了T800級碳纖維預浸料。所涉及的主材料見表1。

表1 材料信息表

1.3 主要技術指標

主要技術指標見表2。

表2 主要技術指標

2 工藝方案與制造流程

采用蒙皮與9根“U”形長桁（展向）2根“L”形長桁（展向）共固化，同時與10根長桁層壓夾芯（展向），1根“T”形肋下緣條（航向）共膠接方案，熱壓罐成型。如圖2所示。

圖2 制造流程簡圖

3 工裝方案選擇

3.1 “T”形肋上緣條工裝

上緣條零件為“T”形，零件長度為2542mm，寬度為94mm，腹板面高度為85mm，厚度為4.15mm。考慮零件成型的可靠性以及經濟性，工裝選用鋼材料，由底座和2個“L”形半長桁模具（帶減輕孔）組成，如圖3所示。2個“L”形半長桁模具減輕位置應對稱，其中一個“L”形半長桁模具應與工裝底座一體（即定模），另一個“L”形半長桁模具分段（即動模），該長桁零件須分別鋪貼后進行組合，因此工裝采用動-定模的結構形式，分別完成鋪貼后，由動模的一側推向定模的一側，從而實現組合；在工裝一側增加擋條使分段半模連成一體，其自身無連接關系，兩半模完成組合后，須使用工裝檔條限定長絎模具位置，保證成型質量；在工裝上劃出零件邊緣線，以確保零件手工切割正確；在肋緣條面上標記相對蒙皮上變截面的開始線和終止線及緣條邊20mm余量線，當用于長桁與蒙皮組合時，對比兩者的匹配性，保證膠接質量；為保證零件厚度，工裝應帶有控制肋腹板厚度的控厚塊（控厚塊的公差為0～-0.1mm），用于保證零件厚度；同時有啟模/脫模裝置（撬口），便于零件脫模；工裝上配套ARIPAD及AIRCAST3700壓力墊作為輔助工裝，且應有曲率變化，用于保證緣條面質量。

圖3 長桁工裝結構示意圖

3.2 組合膠接夾具

該文論述的組合膠接夾具為鋼材料，如圖4所示，該工裝用于下蒙皮、肋緣條、長桁層壓夾芯（共10根）和長桁（共9根“U”形長桁，2根“L”形長桁）固化成型。由壁板鋪貼成型模、卡板、“L”形角材以及輔助定位裝置組合而成。該工裝在各長桁位置處有一定位裝置，用于保證長桁零件在固化過程中的位置準確度；每根長桁位置處配有“L”形擋板，擋板間至少每米增加1個加強板，用于增強“L”形擋板的強度，注意避開各加強板位置，便于操作，避免在高溫高壓固化時的變形，且此加強板應與“L”形擋板為一體，不可拆卸。“L”形擋板應分段，每米1個分段，并且通過加強板連接；每根“U”形長桁的腹板面，且每隔1m配有一套夾緊裝置，并通過彈簧固定在長桁定位裝置上，夾緊裝置起到了固定長桁鋪貼工裝的作用；工裝上設有卡板，卡板位置設置在肋軸線處，卡板上同時設置了定位卡槽，與長桁厚度間隙為0.5mm，確保零件固化過程中長桁軸線位置，同時保證裝配時的準確性。

圖4 組合膠接夾具結構示意圖

4 “U”形長桁制造工藝預壓實參數

“U”形長桁的預壓實工藝是該零件成型的關鍵一步，“U”形長桁鋪貼完成后，需要與蒙皮進行膠接工藝，11 根長桁長度均為5m ，如果 “U”形長桁不進行預處理工藝，那么很難完成后續長桁的轉移以及裝配工序。為滿足“U”形長桁成型要求，需要選擇相應合適的定型參數，此前無相應規范對此工序有指導及借鑒意義，因此預壓實即定性參數的確定是此次研究的重點內容，相應的參數選擇由材料性能和熱壓罐成型工藝原則進行確定。考慮到該零件后續機加工序的可操作性，該文中論述的“U”形長桁在鋪貼過程中采用無余量鋪貼，鋪貼完成后的 “U”形長桁是軟的狀態，且無須后續機械加工處理，“U”形長桁預壓實后直接與蒙皮進行膠接固化。預壓實的參數顯得尤為關鍵，參數設置不合理，5m長的零件轉移就是一個技術難題，還無法進一步裝配，也不利于零件成型質量。

為了保證參數可靠，根據其樹脂特性及壁板后續的成型工藝參數，固定其固化壓力，升降溫以及加壓點的設置，以保溫時間為變量，分別設定4個不同的保溫時間，分別為（60±5）℃、（75±5）℃、（83±5）℃、（90±5）℃來驗證“U”形長桁的最佳預壓實參數。采用控制變量法分別從 “U”形長桁后續的成型質量、脫模操作性以及后續膠接質量保證等多維度進行對比，結果顯示，隨著溫度升高其固化度也會持續升高，最終確定預壓實保溫溫度為（83±5）℃，見表3。

表3 不同保溫時間下的成型效果

該制件最終選擇參數四作為預壓實參數，既保證了產品質量，又能夠滿足工藝技術要求。

5 長桁與蒙皮組合定位方案

該文中次級零件較多，且縱橫分布，尺寸大、曲率大、制造難點在于各次級零件在蒙皮上的定位，若各次級零件定位不準確，會導致長桁軸線度偏差、零件翹曲變形等問題，對后續裝配造成無法制造的風險。為保證各次級零件在蒙皮上定位的準確性，該研究采取“先中間、后兩段”、“先縱向、后橫向”的次級零件放置順序（如圖5所示），第一步放置組合膠接夾具中配備的“U”形長桁定位卡板，第二步將最中間“U”形長桁插入卡板下方，即 U6 長桁，第三步通過定位銷將U6長桁定位在組合膠接夾具定位孔內，中間U6長桁定位后，依次放置膠膜、長桁層壓夾芯、U5/U7長桁、膠膜、長桁層壓夾芯、U4/U8長桁、膠膜、長桁層壓夾芯、U3/U9長桁、膠膜、長桁層壓夾芯、U2/U10長桁、膠膜、長桁層壓夾芯、U1/U11長桁，注意放置各個 “U”形長桁的方式與 U6長桁一致，均需將長桁插入卡板下方，確保長桁放置的位置準確；最后放置固化完成的橫向T肋緣條；依次完成各次級零件的放置后，調取激光投影程序，使用激光線進行一次放置位置的校核，再次確保長桁等次級零件位置的準確性，隨后放置“L”形角材，通過連接塊連接各個“L”形角材，最后，采用真空袋外夾子固定的方式，即完成制袋工序后使用夾子夾緊長桁以及肋位進入熱壓罐固化，使用袋外夾子夾緊 “U”形長桁來確保固化過程中長桁位置的準確性，避免因固化過程中膠液流淌所造成的長桁滑動，從而引發的長桁位置度超差缺陷。

圖5 “U”形長桁放置組合流程簡圖

6 性能測試

產品外形、軸線度、厚度、尺寸、內部質量經檢測滿足設計要求。同時采用了制作隨爐試板驗證產品內部質量，按照ASTMD標準進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切力學性能測試以及孔隙率測試，測試結果滿足設計技術要求。

7 結論

該文以大尺寸雙曲加筋壁板結構為研究對象，從工裝結構，工藝流程、技術難點等多方面進行研究。深入探討了制件制造過程中的技術難點，有針對性地制訂解決措施并實施驗證，并工程批量化穩定生產，最終確定了一套流程合理，可操作性強，制件質量有保障制造方案。同時為后續同類型的制件制造提供了寶貴的技術經驗。