復(fù)合材料C型梁熱隔膜成型與手鋪成型工藝對(duì)比

摘 要：研究復(fù)合材料C型梁的高質(zhì)量成型，對(duì)減輕飛機(jī)質(zhì)量、減少裝配工作量、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等具有重要意義。本文對(duì)C型梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成型難點(diǎn)進(jìn)行分析，介紹了熱隔膜成型和手工鋪貼成型的工藝方案、制造過(guò)程和零件質(zhì)量。結(jié)果表明，與手工鋪貼成型相比，熱隔膜成型具有成型效率高、成型質(zhì)量穩(wěn)定、不受工人技能水平影響的優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)合材料C型梁的制造。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；C型梁；熱隔膜

中圖分類號(hào)：TB 332 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

國(guó)內(nèi)外飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)通常采用翼盒結(jié)構(gòu)布局，翼盒一般由前后梁、內(nèi)部翼肋框架和上下壁板組成，復(fù)合材料C型梁是翼盒中最主要的承力構(gòu)件[1-2]。

手工鋪貼C型梁操作難度大，易在零件R區(qū)產(chǎn)生纖維褶皺等缺陷，對(duì)操作人員的技能水平要求高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。熱隔膜成型是通過(guò)手工鋪貼或自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪貼平板預(yù)制體，然后將平板預(yù)制體轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型機(jī)上，通過(guò)升高溫度和施加壓力使平板預(yù)制體貼合模具，然后升高溫度固化[3-4]。這種方式能夠避免手工鋪貼的不足，提高C型梁的生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

本文針對(duì)變厚度帶有過(guò)渡區(qū)的復(fù)合材料C型梁，采用手工鋪貼成型和熱隔膜成型并對(duì)2種成型方式的C型梁的內(nèi)外部質(zhì)量進(jìn)行分析和討論。

1 零件介紹與研制方案

1.1 零件介紹

1.1.1 零件結(jié)構(gòu)

零件為等直變截面C型結(jié)構(gòu)梁，長(zhǎng)度為850mm，翼根處寬度為156mm，翼尖處寬度為130mm。零件共有3處厚度分區(qū)。從翼根到翼尖厚度分別為3.52mm、3.10mm和2.82mm。翼根和翼尖側(cè)局部鋪貼有玻璃布。

零件主體材料選用中航復(fù)材中心AC531/CCF800H碳纖維單向帶預(yù)浸料和AC531/CF8611碳纖維織物預(yù)浸料，局部玻璃布選用中航復(fù)材中心AC531/EW110C玻璃纖維織物預(yù)浸料。復(fù)合材料C型梁示意圖如圖1所示。

1.1.2 制造復(fù)雜性

復(fù)雜性體現(xiàn)在以下3點(diǎn)。1）加強(qiáng)層料片定位難。零件預(yù)制體需要在平板工裝、熱隔膜成型模、熱壓罐成型模等工裝上轉(zhuǎn)移制造，在轉(zhuǎn)移過(guò)程中如果加強(qiáng)層位置發(fā)生竄動(dòng)，加強(qiáng)層料片位置與成型模型面不匹配，零件固化后外表面會(huì)呈現(xiàn)褶皺不光順的情況。2）R區(qū)截面突變可能阻礙熱隔膜過(guò)程中料片的層間滑移，不同層料片之間相對(duì)滑動(dòng)困難，從而造成較高的層間剪切應(yīng)力，壓應(yīng)力的積累可能導(dǎo)致鋪層褶皺或纖維屈曲，影響產(chǎn)品成型質(zhì)量，須探索適合零件熱隔膜成型的溫度和壓力[5]。3）零件最厚鋪層約24層，厚度為3.52mm，熱隔膜成型時(shí)可能發(fā)生R區(qū)纖維屈曲或皺褶，須探索適合零件熱隔膜成型的溫度和壓力。適當(dāng)提高溫度有利于降低層間摩擦力，利于層間滑移，但是成型溫度過(guò)高，樹(shù)脂流動(dòng)性過(guò)好，可能使局部樹(shù)脂溢出，纖維體積分?jǐn)?shù)減少，局部厚度偏薄。

1.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

外觀質(zhì)量：復(fù)合材料制件的表面應(yīng)光滑平整，表面無(wú)貧、富樹(shù)脂。

內(nèi)部質(zhì)量：零件內(nèi)部無(wú)孔隙密集、分層等缺陷。

厚度控制：厚度公差為±8％，R區(qū)厚度公差為±10%。

外形公差：梁的緣條面型面公差為-0.2mm～+0.2mm。

1.2 研制方案

1.2.1 成型方法

熱壓罐成型是C型梁常用的技術(shù)成熟較高的成型方法。熱壓罐成型C型梁常用凸模成型的方法，凸模成型是指模具表面為C型梁的內(nèi)型面，這種方式鋪貼操作簡(jiǎn)單，無(wú)損質(zhì)量穩(wěn)定，零件R區(qū)不易出現(xiàn)厚度偏厚和分層、孔隙等內(nèi)部缺陷。

手工鋪貼成型是指按照零件鋪層順序，在準(zhǔn)備好的工裝上按順序逐層鋪貼預(yù)浸料。熱隔膜成型是指將預(yù)浸料層板放置于熱隔膜模具上，通過(guò)一種特制膜的輔助作用經(jīng)過(guò)抽真空和加熱等方法，將層板壓向模具，形成所需形狀的預(yù)制體。

綜上所述，采用熱壓罐成型、凸模制造、手工鋪貼或隔膜成型的方式成型復(fù)合材料C型梁。

1.2.2 工藝流程

熱隔膜成型時(shí)，首先需要在平板工裝上鋪貼料片，鋪貼完成后將平板坯料轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型模上。其次，使用熱隔膜成型機(jī)加溫加壓，使平板坯料與熱隔膜成型模緊密貼合。將預(yù)制體轉(zhuǎn)移到熱壓罐成型模上。最后，放置壓力墊進(jìn)行制袋，送入熱壓罐進(jìn)行固化。零件固化后完成外形檢測(cè)、厚度檢測(cè)及后續(xù)工序。

使用手工鋪貼成型時(shí)，在熱壓罐成型模上鋪貼料片，放置壓力墊進(jìn)行制袋，送入熱壓罐進(jìn)行固化。零件固化后完成數(shù)控銑切、無(wú)損檢測(cè)、外形檢測(cè)、厚度檢測(cè)、邊緣密封、尺寸檢測(cè)及后續(xù)工序。

1.2.3 熱隔膜成型料片定位方案

采用基準(zhǔn)邊和特征點(diǎn)位的聯(lián)合約束方案，確保鋪貼、轉(zhuǎn)移、定位過(guò)程中基準(zhǔn)統(tǒng)一、定位準(zhǔn)確。當(dāng)在平板工裝上鋪貼料片時(shí)，料片翼根側(cè)緊靠擋條鋪貼，鋪貼出30mm余量基準(zhǔn)邊。將平板胚料轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型模上，料片的基準(zhǔn)邊緊靠熱隔膜成型模上的定位凸臺(tái)，定位凸臺(tái)定位邊與30mm余量線平齊。料片寬度方向居中放置。在零件余量區(qū)使用壓敏膠帶將料片與熱隔膜成型模粘接固定。熱隔膜成型完成后，將預(yù)制體基準(zhǔn)邊對(duì)準(zhǔn)熱壓罐成型模上的30mm余量線放置。

1.2.4 工裝方案

熱隔膜成型溫度范圍為60℃～90℃，可不考慮工裝與零件熱膨脹系數(shù)不同的影響，熱隔膜成型模材質(zhì)選擇鋁合金，同時(shí)鋁合金的密度低，降低工裝自身質(zhì)量。工裝設(shè)置有便于搬運(yùn)的凹槽，便于將工裝轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型設(shè)備的真空臺(tái)上。工裝上帶有30mm余量線和零件線。工裝上帶有定位凸臺(tái)。

熱壓罐成型模為鋼制框架式成型模，框架式工裝具有零件固化成型精度高、受熱升溫快、溫度分布均勻的優(yōu)點(diǎn)。零件尺寸較小，工裝與零件熱膨脹系數(shù)差異對(duì)零件成型影響較小，工裝材質(zhì)選擇為Q235鋼，Q235鋼材料成本低、加工成本低、耐久性好。

2 制造過(guò)程

2.1 熱隔膜成型

熱隔膜制造過(guò)程如圖2所示，在熱隔膜成型模上刷涂脫模劑，防止升溫過(guò)程中料片與工裝粘接，將熱隔膜預(yù)成型模轉(zhuǎn)移到熱隔膜機(jī)工作臺(tái)上，成型模需要擺放在熱隔膜機(jī)真空臺(tái)的中線上。使用透氣織物覆蓋工裝表面的尖銳凸起部分。將平板預(yù)制體轉(zhuǎn)移到熱隔膜成型模上，避免損傷熱隔膜成型模的隔膜。在平板預(yù)制體上放置一層無(wú)孔隔離膜，用壓敏膠帶固定預(yù)制體及無(wú)孔隔離膜。最后設(shè)置熱隔膜參數(shù)，完成熱隔膜成型。

第一次熱隔膜成型時(shí)，熱隔膜參數(shù)如下：升溫至60℃；保溫20min；以5kPa/min的速率抽真空至15kPa，以10kPa/min的速率抽真空至40kPa；保壓5min；冷卻至溫度≤50℃。

第一次熱隔膜成型完成后，觀察預(yù)制體厚度過(guò)渡區(qū)的表面出現(xiàn)了輕微褶皺。其原因是熱隔膜成型過(guò)程中抽真空速率設(shè)置不合理。抽真空速率越大，預(yù)浸料坯料的變形就越快，而預(yù)浸料層間滑移時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的層間摩擦阻力，進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)制體過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)纖維褶皺[6]。

第二次熱隔膜成型時(shí)，降低了抽真空速率，抽真空的參數(shù)如下：以3kPa/min的速率抽真空至15kPa，以8kPa/min的速率抽真空至40kPa；保壓5min；其余參數(shù)保持不變。熱隔膜成型完成后，預(yù)制體表面光滑無(wú)皺褶。

2.2 手工鋪貼成型

手工鋪貼成型時(shí)，在熱壓罐成型模上刷涂脫模劑，防止固化后零件與工裝粘連。將數(shù)控設(shè)備裁剪好的料片按鋪層表的順序逐層鋪貼在熱壓罐成型模上，當(dāng)在C型梁R區(qū)鋪貼時(shí)，應(yīng)特別注意與工裝完全貼合和層間貼合，保證R區(qū)的料片無(wú)褶皺。鋪貼完成后放置壓力墊進(jìn)行制袋及后續(xù)工序。手工鋪貼的預(yù)制體外觀質(zhì)量良好，表面光滑無(wú)皺褶。

3 零件成型質(zhì)量與分析

3.1 熱隔膜成型過(guò)程料片定位情況

測(cè)量熱隔膜成型預(yù)制體邊緣到熱隔膜預(yù)成型模余量刻線的距離，預(yù)制體長(zhǎng)度方向上未發(fā)生滑移。測(cè)量預(yù)制體兩側(cè)緣條面超出工裝腹板面的寬度，兩側(cè)寬度距離基本相當(dāng)。測(cè)量零件兩端頭到加強(qiáng)層料片的距離，加強(qiáng)層料片位置符合數(shù)模尺寸。

3.2 預(yù)制體厚度檢測(cè)

使用游標(biāo)卡尺測(cè)量熱隔膜成型預(yù)制體和手工鋪貼預(yù)制體的實(shí)際厚度。由表1可知，2種方式成型的預(yù)制體在腹板和緣條位置的厚度基本相同。而在R區(qū)厚度方面，熱隔膜成型的預(yù)制體比手工鋪貼的預(yù)制體厚度略微偏薄，原因是熱隔膜成型在升溫過(guò)程中樹(shù)脂流動(dòng)過(guò)好，R區(qū)曲率變化大，R區(qū)受壓較大，樹(shù)脂流失[7-8]。

3.3 外觀質(zhì)量

零件熱隔膜完成和手工鋪貼完成后，預(yù)制體表面光滑無(wú)皺褶。零件固化后，零件的表面光滑平整，表面無(wú)貧、富樹(shù)脂。R區(qū)纖維過(guò)渡光滑，無(wú)纖維屈曲等現(xiàn)象。實(shí)物如圖3所示。

3.4 無(wú)損檢測(cè)

零件無(wú)分層、孔隙密集、夾雜等內(nèi)部缺陷。

3.5 厚度檢測(cè)

使用測(cè)力測(cè)厚儀、游標(biāo)卡尺檢測(cè)熱隔膜成型與手工鋪貼成型零件的平面區(qū)域和R區(qū)的實(shí)際厚度，結(jié)果見(jiàn)表2。

如圖4所示，零件平面區(qū)域和R區(qū)的實(shí)測(cè)厚度均滿足厚度公差±8%的要求。在平面區(qū)域，熱隔膜成型零件和手工鋪貼成型零件的厚度偏差基本相當(dāng)。在R區(qū)，熱隔膜成型零件的厚度比手工鋪貼零件偏薄。手工鋪貼零件R區(qū)厚度偏差范圍為0.72%～1.49%，熱隔膜成型零件R區(qū)厚度偏差范圍為0%～0.51%。

3.6 外形檢測(cè)

零件開(kāi)口尺寸偏差均滿足驗(yàn)收技術(shù)條件±0.2mm的要求。C型梁的固化變形主要受到零件選用材料、鋪層設(shè)計(jì)、零件結(jié)構(gòu)、工裝材質(zhì)、固化參數(shù)等因素的影響[9]，熱隔膜成型僅改變了預(yù)制體的成型方式，其他成型過(guò)程與手工鋪貼成型相同，因此熱隔膜成型不會(huì)影響零件的固化變形結(jié)果。

3.7 金相

C型梁的R區(qū)的纖維和樹(shù)脂沿厚度方向均勻分布，沒(méi)有富樹(shù)脂區(qū)或富纖維區(qū)，纖維連續(xù)無(wú)屈曲、錯(cuò)位，纖維與樹(shù)脂界面清晰無(wú)分離，如圖5所示。

3.8 熱隔膜成型與手工鋪貼成型對(duì)比

采用手工鋪貼成型時(shí)，零件表面有發(fā)生褶皺的風(fēng)險(xiǎn)，C型梁R區(qū)鋪貼由工人手工完成，R區(qū)鋪貼需要用力壓實(shí)，對(duì)工人的操作技能水平要求高，產(chǎn)品易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，成型效率低。采用熱隔膜成型時(shí)，零件表面光滑無(wú)褶皺，僅需要工人手工鋪貼平板坯料，其余成型過(guò)程由設(shè)備完成，鋪貼效率高，產(chǎn)品成型質(zhì)量穩(wěn)定，不受工人技能水平影響。

4 結(jié)語(yǔ)

采用熱隔膜成型與手工鋪貼成型的C型梁在外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量、厚度分布、外形情況等方面均能滿足驗(yàn)收技術(shù)條件。熱隔膜成型的C型梁能滿足厚度偏差在±8%的范圍內(nèi)的要求，R區(qū)厚度比手工鋪貼薄。熱隔膜成型具有成型效率高、成型質(zhì)量穩(wěn)定、不受工人技能水平影響的優(yōu)點(diǎn)，適用于復(fù)合材料C型梁的制造。

參考文獻(xiàn)

[1]谷雨.碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].冶金與材料，2023，43（7）：118-120.

[2]寧莉，楊紹昌，冷悅，等.先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用及其制造技術(shù)發(fā)展概述[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2020（5）：123-128.

[3]蔣詩(shī)才，安學(xué)鋒，閆麗，等.國(guó)產(chǎn)T800級(jí)高韌性環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料C梁熱隔膜預(yù)成型工藝研究[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2020（12）：109-114.

[4]王學(xué)春，劉浩軒，劉訓(xùn)新，等.碳纖維復(fù)合材料T形長(zhǎng)桁類零件熱隔膜成型工藝研究[J].價(jià)值工程，2022，41（18）：55-57.

[5]王立冬.碳纖維預(yù)浸料層間滑移性能研究及在熱隔膜成型中的應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2020.

[6]李璐璐，任亞輝，孫松強(qiáng)，等.復(fù)合材料C型梁熱隔膜成型影響因素分析[J].航空制造技術(shù)，2020，63（8）：93-100.

[7]邊旭霞，顧軼卓，孫晶，等.熱隔膜工藝溫度與成型速率對(duì)C形復(fù)合材料成型質(zhì)量的影響[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2013（5）：45-50.

[8]姚雙，李敏，顧軼卓，等.碳纖維復(fù)合材料C形結(jié)構(gòu)熱隔膜成型工藝[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39（1）：95-99，104.

[9]晏冬秀.碳纖維復(fù)合材料C型梁制造變形預(yù)測(cè)與控制[D].上海：上海交通大學(xué)，2016.