復合材料“J”型加筋壁板成型工藝研究

鄢和庚，張 斌，萬建平，馬 軍，高慧聰，王志強，黎小寶

（1.航空工業洪都，江西 南昌 330024；2.中國人民解放軍駐320廠軍事代表室，江西南昌330024）

0 引言

復合材料在飛機上的應用遵循由小到大、由簡到繁、從次承力結構到主承力結構的規律，機翼作為飛機主承力構件，由于其結構尺寸大、受力復雜等原因，也是先在小型飛機和軍用飛機上進行設計應用，在長期使用過程中積累了大量的設計、成型、使用和維護等工程經驗后，才逐步在大飛機上展開應用。

樹脂基復合材料是適應航空、航天等高科技領域的需要而發展起來的一種高性能復合材料，它具有輕質、高強度和可設計性等優越性能。整體化成型技術是復合材料設計制造一體化中的關鍵技術，是減少零件和緊固件的數目、減輕結構重量、降低生產成本、裝配成本的一個有效途徑。復合材料材料設計和結構設計，材料成型和構件成型是同時一次完成、不可分開的，充分地體現了復合材料整體成型結構的設計制造一體化的特點。

復合材料整體結構一般指采用共固化、共膠接、二次膠接以及預成型件液體成型等工藝方法，一次成型的大型復雜復合材料結構，如機身艙段、翼盒、整體油箱、大梁和加強框等。大面積整體成型是復合材料獨有的優點，是目前世界上復合材料領域重點發展的關鍵技術。

為保證飛機結構的整體性要求，機身和機翼壁板會盡可能往大尺寸設計，大尺寸設計會帶來壁板剛性不足問題，設計上通過在壁板內部增加“J”型加強筋條，來提高整體大型壁板的剛性和強度，更有效地提高結構整體質量。

1 復合材料“J”型加筋板

1.1 結構介紹

復合材料“J”型加筋壁板由“J”型筋條和壁板組成，“J”型筋條結構為腹板上部分有半邊凸緣，腹板下部分有兩邊凸緣，兩邊凸緣一側與壁板粘接。

圖1 “J”型加筋壁板結構示意圖

圖2 “J”型加筋結構示意圖

1.2 主要技術指標

1）壁板成型后無明顯變形，貼模間隙不大于0.5mm。

2）墻體位置公差±0.5mm。

3）無損探傷檢查零件膠接缺陷,單個缺陷最大尺寸：長+寬≤25.4mm。

2 復合材料“J”型加筋壁板工藝研制

2.1 成型工藝方案選擇

成型工藝方案的選擇是復合材料加筋壁板零件制造的關鍵。復合材料加筋壁板常用的成型工藝方法主要有三種，二次膠接、共膠接和共固化。

二次膠接就是把兩個以上已經固化成型的零件通過膠黏劑二次固化并膠接成一個整體制件的成型工藝方法，例如：壁板與筋條分別固化成型，通過膠膜進行粘接。二次膠接的優點是：避免了機械連接對復合材料制件的機械損傷，保持了復合材料的整體性，保證了復合材料優良的力學性能。缺點是膠接界面存在膠接應力，該應力降低了膠接結構件的層間剪切強度。

共固化：是將兩個或兩個以上零件通過一次固化成型，形成一個整體制件的工藝方法。共固化的優點是：減少了零件數量，縮短了裝配周期，節省了裝配費用，解決了零件間的裝配協調，同時也提高復合材料制件的整體強度和剛度，更充分的體現了復合材料的優越性。缺點是成型工藝復雜，產品一次合格率低。

共膠接：就是把一個或多個已經固化成型的零件與另一個或多個未固化的零件通過膠黏劑固化膠接成一個整體制件的成型工藝方法，例如：壁板已經固化，而筋條未固化，通過膠膜進行粘接。共膠接的優點是：避免了機械連接對復合材料制件的機械損傷，保持了復合材料的整體性，保證了復合材料優良的力學性能。更重要的是解決了多個已固化零件間組裝過程協調難的問題，同時降低了工藝難度，產品一次合格率高。缺點是膠接界面存在膠接應力，該應力降低了膠接結構件的層間剪切強度。

綜合上述三種成型工藝優缺點可以看出，共膠接成型工藝較二次膠接和共固化更適合加筋壁板零件成型。

2.2 工藝流程

復合材料J型加筋壁板成型采用熱壓罐共固化

2.3 成型工裝結構

成型工裝設計是復合材料J型加筋壁板結構件共固化工藝的技術關鍵之一，合理的模具結構不僅可以保證結構件的外形尺寸和內部質量，而且還可以保證產品固化后能夠順利脫模，基于上述考慮，用于復合材料J型加筋壁板結構件共固化成型工藝的模具應具有以下功能：

1）保證J型加筋外形尺寸精度；

2）保證J型加筋位置精度；3）保證產品在固化過程中各部位都能夠均勻受壓；4）能夠滿足復合材料J型加筋壁板結構件固化工藝要求；

5）保證產品固化后能夠順利脫模。

2.3.1 組合成型模工裝結構

組合成型模分為三部分：板框式蒙皮成型模、“J”型筋條定位塊、桁架。其中，J型墻定位塊的主要配合方式有二種。一種是在“J”型內腔使用Airpad橡膠軟模，另一種是在“J”型內腔使用膨脹橡膠芯模，外部使用鋼質定位塊確保墻外表面質量及墻的直線度。

圖3 加筋壁板制造工藝流程圖

采用共固化與共膠接成型工藝，通過工藝試驗，對比J型墻不同定位塊配合方式下的墻成型質量、墻軸線度及厚度情況。對比以上兩種配合方式，在J型墻“U”形腔內使用Airpad橡膠軟膜，零件固化后，下凸緣區的膠接區皺褶，表面質量差，無損檢測無法進行；采用膨脹橡膠軟膜成型后的R角表面質量、凸緣表面質量、凸緣厚度好，對比分析，Airpad橡膠加溫膨脹力小，凸緣未壓實；因軟膜硬度不夠，加壓后零件表面不平整。通過工藝試驗的開展，發現J型墻與蒙皮采用共固化成型方法可行，且工裝結構操作方便。

“J”型筋條定位塊定位方式采用墻外定位方式，此定位方式的優點是：更有利于定位塊脫模；更有利于保證共固化后的“J”型墻外形尺寸。

圖4 組合成型模結構

2.3.2 “J”型筋條鋪貼模

“J”型筋條鋪貼模采用一半陽模和一半陰模對合結構形式，預制件在陰陽模上分別鋪貼完預浸料后再對合進行抽真空壓實，鋪貼模結構形式如圖5。

圖5 J型筋條鋪貼模示意圖

2.4 “J”型加筋壁板共膠接成型

“J”型加筋壁板組裝順序如下：將鋪貼好的壁板和未成型的“J”型筋條按軸線組裝在組合成型模上；壁板蒙皮非膠接區域鋪放置均壓板；用定位塊和桁架將J型筋條定好位；將真空袋、透氣氈等輔助材料穿過定位塊和桁架之間的定位銷；制好袋后檢查氣密性；按相關預浸料的固化工藝進行共固化成型。

3 質量控制

3.1 外形檢測

1）貼模度

將固化后的零件放入成型模，對好軸線檢查貼模度，零件貼模度良好，滿足技術要求；

2）筋條位置偏移量

將筋條對成型模上墻軸線檢查，筋條位置偏移量不大于0.5mm。

3.2 外觀質量

壁板貼模面光滑平整，“J”型筋條光滑平整，無明顯皺褶，R角區成形良好，未見明顯纖維堆積。

3.3 內部質量檢測

用超聲波檢測儀對壁板制件進行無損檢測，蒙皮和筋條未見超標缺陷，共固化質量比較穩定。

4 結論

1）J型加筋壁板可以采用共膠接固化成型工藝、共固化或二次膠接成型工藝，三者相比共膠接固化成型工藝更適合J型加筋壁板制造；

2）對比膨脹橡膠輔助芯模和Airpad橡膠軟模成型質量，膨脹橡膠輔助芯模更有利于J型加筋壁板成型；

3）采用桁架外定位工裝結構能夠保證筋條定位精度，且能夠很好地解決定位塊脫模難的問題。

[1]吳承思，李冬梅，李慶飛.T型復合材料長桁承載能力設計研究[J].纖維復合材料,2013（2）.

[2]鐘小丹，陳普會.復合材料加筋壁板長桁終止端混合連接設計分析[J].復合材料學報,2013(6).

[3]盛永清.工型復合材料加筋壁板制造工藝研究[D].哈爾濱工業大學，2016.