整體化“E”形復合材料框成型工藝設計

摘 要 隨著航空先進復合材料應用愈發廣泛，復合材料零件的形式逐漸增多，應用也愈發廣泛，框是飛機的重要組成部分，常用作機身隔框或其他骨架零件，其直接影響著飛機的外形準確度和結構承載能力，“E”形復合材料框的巧妙設計和嘗試提高了復合材料框的整體化水平，避免了金屬框類零件難加工、疲勞性差等缺點，分析此“E”形復合材料框零件的結構特點，基于真空袋-熱壓罐成型方法，闡述了該類零件成型的工藝難點和關鍵控制點，巧妙設計成型工裝方案，嚴格控制工藝操作流程，制造出內部質量好、外形尺寸精準、外觀良好的復合材料“E”形框零件。

關鍵詞 復合材料；E形；真空袋-熱壓罐成型；框

Process Design of Integrated E-shaped Composite Frame

MENG Qingjie， ZHANG Wang， GU Xuelin， ZHANG Renwang

（Shenyang Aircraft Co.， Ltd.， Shenyang 110034）

ABSTRACT With the increasing application of advanced composite materials in aviation， the forms of composite parts are gradually increasing and their applications are becoming more extensive. Frames are an important part of the aircraft， commonly used as fuselage frames or other skeletal parts， which directly affect the accuracy of the shape and structural load-bearing capacity. The ingenious design of E-shaped composite frame have improved the level of integration of composite frames， avoiding the shortcomings of metal frames such as difficult processing and poor fatigue resistance. The structural characteristics of E-shaped frame are analyzed， based on the vacuum bag-autoclave curing process， the technical difficulites and key control points are elaborated. Relying on the scientifically design of molding tooling structure and meticulous control of the operational process， the E-shaped composite frames with excellent quality， recise external dimensions， and good appearance are successfully manufactured.

KEYWORDS composite; E-shaped; vacuum bag-autoclave curing process; frame

1 引言

框是飛機的重要組成部分，常用作機身骨架零件，直接影響著飛機的外形準確度和結構承載能力，在飛機的整體框架中起著重要的作用［1］。框分為普通框和加強框兩大類［2］，普通框用來維持機身的截面形狀，主要承受蒙皮傳入機身周邊的空氣動力和機身彎曲變形引起的分布壓力。加強框主要將裝載的質量力和各部件傳入的集中力加以擴散，然后以剪流形式傳給蒙皮［3］。研究表明，在墜撞過程中機身框是主要的吸能部件，能夠吸收大于40 %的沖擊動能［4］。民機常用的三種隔框為鈑金框、型材框和機加框［5］。作為典型結構件之一的金屬框類零件由于其結構特點，加工變形問題十分復雜且難以控制，某些金屬框（鋁合金、結構鋼）在濕熱環境條件下的腐蝕損傷［6］不僅會導致巨大經濟損失，甚至可能引起影響面很大的機群性故障和事故。隨著先進復合材料制造技術的快速發展和廣泛應用，機身框的制造工藝從傳統的鈑金、數控加工工藝逐步發展到復合材料成型工藝［7］。

復合材料框多為弧形細長類層壓板結構件，長度方向為弧形，纖維方向沿弧向。框的橫截面通常為“L”形、“C”形、“Z”形，按照裝配連接關系可分為分體框和整體框［8］，分體框為框本體通過剪切角片與壁板連接，整體框為框本體在結構上結合了角片的功能直接與壁板連接，整體框設計可以減輕重量，減少裝配量。分體框與整體框與壁板的連接關系如圖1所示，“C”形+“L”形分體框和“E”形整體框示意如圖（2）所示。截面呈“E”形的框零件的設計制造提高了復合材料框零件的整體性，在安全性、降低成本、減輕結構重量、控制零件變形等方面具有其他材料和結構形式無可比擬的優勢，但其工藝可行性差［9］。本文基于真空袋-熱壓罐傳統方法，以截面為“E”形復合材料框零件的工藝實現為目標，提高飛機復合材料零件整體化制造水平，突破“E”形框在實際生產中技術障礙。

2 “E”形框

2.1 零件結構

“E”形復合材料框為弧形細長零件，曲率半徑約1465 mm，弦長約2715 mm，零件各部分厚度2.4 mm，其結構如圖3所示，其中圖3（a）為“E”形框整體結構示意圖，圖3（b）為“E”形框截面示意圖，“E”形框共分為四部分坯料組合而成，三組C形坯料和R角區域填充料。

2.2 材料

碳纖維織物預浸料：牌號：BA9916-II/CF3052，單層厚度0.3 mm，用于零件的鋪疊；

碳纖維單向帶預浸料：牌號：BA9916-II/CCF300，單層厚度0.125 mm，用于R角區域的填充。

2.3 鋪層設計

由于該零件本身的結構特殊性，其中鋪層坐標系角度0°為沿零件的弧線方向，以陽模為貼模面開始鋪疊，內部C形坯料鋪層角度為［45°/90°/-45°/0°］，外部C形坯料鋪層角度為［0°/-45°/90°/45°］。

3 工藝設計

3.1 工藝難點

真空袋-熱壓罐成型是一種廣泛運用于復合材料零件的成型方法，封裝真空袋將鋪疊完的預浸料坯料置于真空體系中，通過抽真空排出預浸料中含有的低分子揮發物及夾雜在預浸料中的氣體，從而得到內部質量合格的復合材料零件。該復合材料框基于傳統的真空袋-熱壓罐成型工藝，因其復雜的零件本征結構，首先需確定零件各部分坯料的鋪疊順序及各坯料之間的協調配合關系，控制鋪疊過程中鋪層的纖維角度和剪口位置，控制零件外觀質量及重要尺寸；工裝設計應滿足“E”形框零件各部分在熱壓罐固化過程中的加壓順暢是保證零件內部質量的關鍵；組合固化后，因“E”形框整體曲率較大、結構復雜，在不損壞零件的前提下進行脫模是亟待解決的問題。

3.2 工裝方案

工裝是成型合格復合材料零件的關鍵，該框成型模具為組合模，如圖4（a）所示，由以下幾部分組成：（1）零件；（2）固化平板；（3）活動芯模；（4）固定芯模；（5）活動擋塊；（6）頂緊裝置。其中固化平板、芯模、活動擋塊及頂緊裝置均采用金屬材料，金屬成形模具表面光潔度好、尺寸控制精良、使用壽命長久。頂緊裝置的設置可有效將內部C形坯料鋪疊完成后緊實的組合，再將采用專用R角填料成形模具制作的R角填料填充至相應位置，在頂緊裝置作用下鋪疊外部C形坯料；活動芯模及活動擋塊長度方向均布撬口用于脫模時模具的撬動，撬口布置與形式如圖3（b）所示，坯料鋪疊至活動芯模翻邊及活動擋塊處，使得脫模撬動時零件承力均勻；最外部可增加纖維增強的橡膠復合勻壓蓋板可均勻零件在熱壓罐中的受壓，保證零件外觀質量。

3.3 工藝流程

3.3.1 制備勻壓蓋板

以成型工裝為母模，選用成本相對較低的玻璃纖維預浸料鋪疊、固化與零件等厚度的工藝件，經過外形修整后，在工藝件外表面鋪疊、封裝、固化纖維增強的橡膠復合勻壓蓋板，用于零件外表面形面的保證。

3.3.2 零件鋪疊組合

分別根據鋪層表將兩組內部C形坯料緊實鋪疊至活動芯模和固定芯模，注意C形坯料在單面余量處鋪疊出彎邊，計算出R角填料的填充量采用專用R角填料成形模具制作的R角填料，在頂緊裝置作用下將已鋪疊部分坯料的活動芯模與固定芯模靠緊，并于室溫采用真空袋封裝壓實，使得兩組內部C形坯料緊密貼合，將R角填料放置于準確位置，根據鋪層角度要求開始鋪疊外部C形坯料，外部C形坯料兩側鋪疊出彎邊，兩次真空袋封裝壓實，確保各部分坯料的尺寸及位置關系，零件鋪疊、組合過程如圖5（a）所示。

3.3.3 封裝固化

卸除頂緊裝置，按工藝順序放置相應輔助材料及勻壓蓋板，封裝至固化平板，進熱壓罐固化，固化參數如下：開始即加壓，壓力為0.6～0.7 MPa；全程抽真空，真空值不小于0.08 MPa；升溫速率0.5 ℃～3 ℃/min，升溫至180 ℃，180 ℃±5 ℃保溫180 min～190 min；降溫至60 ℃以下后泄壓出罐，降溫速率不超過2 ℃/min。

3.3.4 脫模

去除真空袋、勻壓蓋板及相應輔助材料，采用脫模工具同時撬動兩次撬口位置，根據模具脫離順序進行脫模，脫模過程如圖5（b）所示，撬動后零件附于活動芯模和活動擋塊上與固定芯模脫離，再將零件與活動芯模、活動擋塊分離。

3.3.5 機加下料

根據零件邊緣線進行機加下料，去除零件余量，下料前應考慮工裝材料在固化溫度時的熱膨脹系數與零件本身熱膨脹系數差對零件邊緣線的影響。

3.3.6 質量檢查

通過將零件返回至成型模檢查和相應尺寸檢測，該“E”形框外形尺寸測量合格；超聲無損檢測合格、孔隙率測試合格、外觀質量良好，因其本征結構和鋪疊過程中預浸料纖維角度控制零件不存在扭曲變形情況。

4 結語

該“E”形復合材料框成形模具設計及工藝控制，解決了鋪疊過程中緊實鋪疊困難的問題，封裝后熱壓罐中框零件各部分加壓順暢，內部質量優良，輔以外部復合材料勻壓蓋板可均勻加壓，創新式脫模方式改善了“E”形框的脫模不易的現狀，此種工藝方法可制備內部質量好、外形尺寸精準、外觀良好的復合材料“E”形框零件。框類零件整體化設計制造及未來其工裝模塊化設計思想的綜合運用將簡化零件及工裝結構，提高產品精度、性能穩定性、降低成本；目前大部分復合材料框采用手工鋪疊制造，可采用自動化鋪放設備提升自動化水平，提高其質量一致性和穩定性。

參 考 文 獻

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