復合材料C型梁類零件變形控制工藝方法的研究

王浩軍，黃雪萌，房曉斌，白婭萍

(西安飛機工業(集團）有限責任公司，陜西 西安 710089)

0 引言

先進復合材料具有輕質、高強、良好的抗疲勞性、耐腐蝕、可設計性突出、成型工藝性好等特點，在航空產品上得到廣泛應用，已成為新一代飛機機體的主體結構材料。

復合材料構件的固化變形對零件的外形精度和構件之間的連接匹配會產生極為不利的影響,從變形原因的角度出發，復合材料構件的固化變形可分為三類：由熱膨脹系數不一致引起的變形、收縮變形以及模具與構件相互作用而導致的變形。

某型機尾翼C型梁為復合材料零件,零件的驗收質量要求高，零件成型質量直接影響著裝配質量。現以熱壓罐成形設備為基礎，通過試驗與理論分析相結合的方法，研究在一定工藝參數（溫度、壓力、保溫時間、升/降溫速率）、結構設計參數（鋪層方向、厚度以及R）、模具參數（模具材料、模具形式）下，復合材料C型梁類零件變形控制的工藝方法。

1 產品介紹

1.1 產品材料

樹脂體系：高溫固化環氧樹脂，Cytec公司生產；增強材料：高模碳纖維，Cytec公司生產。

1.2 結構尺寸

長×寬 ×高：8 636 mm×220 mm×56 mm。

1.3 結構特點

（1）C型梁沿中心線對稱 ，從外側到梁中心線測量得到三種厚度

2.13 mm/3.48 mm/4.52 mm 。

（2）存在三種尺寸的倒角，倒角半徑分別為6mm/7 mm/ 9mm。

（3）緣條與腹板夾角由中心向外從87.5°減小至84.5°（見圖 1）。

2 工藝研究

2.1 特征信息的提取方法

復合材料C型梁類零件的特征信息包括零件厚度、緣條面與腹板面的夾角度數、R角半徑及下限區等。將這些信息提取并集合到一起，依據成本及制造過程的難易程度來確定特征試驗件的長度尺寸，寬度及高度尺寸則與正式零件保持一致。

C型梁零件特征信息（見圖2）：

（1）梁沿中心線左右對稱，簡化研究對象，只取一側研究。

（2）在一半梁的上、下緣條上共截取15個局部截面，在截取的15個截面上緣條面角度從92.32°～95.47°均勻變化。簡化起見選取 ： 92.5°、94.0°、 95.5°， 三個角度進行研究。

（3）梁緣條外側頭部有個30.06 mm長的折彎區域，將該段區域外側的緣條型面向內收窄了1.499 mm。在試驗件上這段下陷區設計成30 mm長度上厚度下陷1.5 mm。

圖2 C型梁特征信息示意圖

（4）梁零件存在三種尺寸的R角，三種R角與零件的三種厚度一一對應（見圖3），對應關系為：

厚度4.52 mm區域對應R角半徑9 mm ；厚度3.48 mm區域對應R角半徑7 mm ；厚度2.13 mm區域對應 R角半徑6 mm 。

圖3 C型梁厚度-R角關系圖

2.2 特征試驗件工藝模型構建

通過特征信息的提取來構建局部特征試驗件模型，其中有三個變厚區，每一個區域長度尺寸設為100 mm，一個下陷區長度尺寸設為30 mm，三個過渡區定義長度尺寸為25 mm，最終得到長度尺寸為405 mm的特征試驗件模型（見圖4）。所有試驗用材料、工藝參數與梁制件完全一致。除零件特征信息外，工藝模型構建時考慮反變形補償值，一側按照名義型面，另一側按照反變形補償型面（1.25°），這樣可以得到反變形補償和名義型面的對比。

圖4 C型特征試驗件模型圖

圖5 C型特征試驗件反變形補償示意圖

2.3 特征試驗件制造

在一定工藝參數（溫度、壓力、保溫時間、升/降溫速率）、結構設計參數（鋪層方向、厚度以及R）、模具參數（模具材料、模具形式）下，按照工藝流程使用熱壓罐成型梁零件的局部特征試驗件。

2.3.1 工藝流程

工裝準備→材料準備→下料（帶余量）→鋪貼→制袋→固化→鉆孔→脫模→切割修整。

2.3.2 工藝試驗結果及分析

從表1數據可知，此構件的最大變形量為0.3°（相對于補償后變形前的成型曲面的變形量）。為了進行更可觀的比較，取A、B、C三個區域，對其在補償前后相對于原始曲面的變形量進行比較，如表2所示。可見通過補償后A區域減少了100%的變形量，B、C區域減少了80%的變形量。使得構件在固化變形后的形狀更接近復合材料構件的原始形狀，補償效果較好，可見基于變形的反變形補償算法具有可行性。

2.4 固化變形預測及工藝補償設計

以成型中的反變形補償方式制造的局部特征試驗件滿足梁整體制件的外形要求，預測梁整體制件的固化變形與反變形補償方式制造局部特征試驗件相一致。因此選取1.25°為梁整體制件的固化變形補償值。

表1 特征區域補償前后零件角度

表2 特征區域在型面補償前后變形后相對于原始位置的偏移量

C型梁外表面可分割成若干個截面，將這些若干個截面沿切點分別旋轉1.25°，再將若干截面平順連接，組成一個補償后的C型梁工藝型面模型。使用此工藝型面模型制造梁整體制件，最終實現成型后的復合材料產品與期望的形狀相一致。工藝型面模型建模過程見圖6。

圖6 工藝型面建模過程示意圖

2.5 模具型面補償修正

隨著航空工業的發展，先進的復合材料制件技術不斷提高，在飛機零、部件上應用越來越廣泛。高質量的復合材料制件必須有高質量的工裝來保證。提高復材零件工裝的設計、制造水平，是適應復合材料制件的發展要求和保證復合材料制件的質量基礎。

2.5.1 模具材料及結構

復合材料類零件工裝設計時根據零件的材料、外形結構、尺寸大小、精度要求、成型溫度、工裝制造能力等來確定工裝的材料和結構形式——金屬工裝或復合材料工裝。

通用的工裝材料主要有鋁、鋼、殷鋼、復合材料，對于C型梁類零件來說，鋁合金熱膨脹系數大，不適用于形狀復雜的零件，復合材料工裝受到工裝剛性和使用壽命的限制，也不是最理想的工裝材料，鋼和殷鋼適合成型此類零件，但C型梁曲率大易變形，殷鋼熱膨脹系數與復合材料更為接近。

由表3可知框架結構主要用于成型一些大尺寸外形弧度較大的復合材料零件。經過權衡，選擇殷鋼薄壁框架結構的工裝來成型C型梁類零件。

表3 復合材料零件工裝結構種類

2.5.2 模具型面構建

采用數值方法將復合材料構件的固化變形補償到構件成型模具型面的幾何設計中，采用對復合材料構件成型模具的型面進行變形補償方法來較小或者消除構件在熱壓罐成型過程中產生的變形。模具建模時考慮1.25°補償角度，按照工藝型面模型設計模具型面。

2.5.3 補償原理

通過將這種變形以反變形的方式補償到復合材料構件模具型面的設計中，從而實現減小或消除最終成型后的復合材料產品的固化變形，降低由反復修模、優化工藝所造成的高成本，縮短制造周期。

復合材料構件模具型面的補償原理（針對本文的凹模結構）示意圖如圖7所示。

3 結束語

（1）復合材料構件熱壓罐成型過程的變形控制是復合材料構件制造的一個關鍵問題。基于復合材料構件熱壓罐成型的變形預測，提出了特征信息提取、特征工藝模型構建等方法，通過反變形補償方法制造特征試驗件來預測整體件的固化變形，驗證了型面補償算法的有效性。

（2）復合材料構件的型面是設計成型模具型面的依據，將構件的固化變形補償納入到構件成型模具型面的幾何設計中，減小了構件的固化變形，實現了最終成型后的復合材料產品形狀與期望的形狀相一致。

圖7 復合材料構件固化成型的型面補償算法示意圖

（3）通過工藝補償修正技術形成一套完整的復合材料構件變形控制方法：特征信息提取、反變形補償、特征試驗件制造、固化變形預測、工藝補償設計、模具型面補償，從而減小或消除復合材料制件的固化變形，降低由反復修模、優化工藝所造成的高成本，縮短制造周期。