變截面舵類零件復合材料成型工藝研究

黃鳳軍 李秀文 閆云飛 張雅靜

（1.山西平陽機械廠代表室，侯馬 043000；2.山西平陽機械廠，侯馬 043000）

以高性能碳纖維復合材料為典型代表的先進復合材料，相對于傳統金屬來說比強度比模量較高，具有輕質、高強度、優良的減振性、耐腐蝕性強、抗疲勞特性好、可設計性強等特點，但由于成本、設備、技術方面的限制，前期其應用主要在航空航天方面，其制件一般有外形跨度大、曲面過度平緩的特性，復合材料層厚度一般為3～5mm，表面受力小且分布均勻，雖然結構尺寸大但型式相對簡單。本文研究的某舵類零件原為鋁合金材質，由于減重、耐腐蝕等要求需用復合材料進行優化。相比之下，本制件具有截面面積小且為變截面、厚度變化大（3～20mm）、受力大、形位精度要求高等特點，給制作工藝設計、過程控制及模具設計提出了較高要求。

1 研制工作情況

1.1 產品情況簡介

某產品舵為操縱和控制航向的重要零件，由舵板和舵桿組成，如圖1所示。為了減輕該產品重量，減少能耗，從而提高產品性能，新型舵采用碳纖維復合材料，舵桿仍選用馬氏體時效鋼材料，舵桿部分鑲嵌在復合材料舵板中。舵板縱向截面為上下對稱結構、由于舵的加工、安裝精度直接影響到產品航向精確度。因此舵板的型值面與舵桿的相對位置等精度要求高，成形難度大，同時與目前其它行業已應用的成熟零件相比，該舵厚度及厚度變化大，最大厚度超過20mm，最小厚度不足3mm，受力要求高，內部質量不易控制，其主要技術指標如下：

（1）舵桿與舵板裝配時，舵桿方頭與舵板兩者中心面對稱度為0.24mm。

（2）方頭中軸線和舵板中軸線夾角不大于±0.6°。

（3）舵面型值成型要求不低于90%，測量點統計偏差為±0.25mm。

圖1 產品結構圖

1.2 工藝方案

本文所研究的舵結構，成型工藝采用上下對模、碳纖維預浸料鋪層工藝，舵的尺寸、形位精度主要靠模具進行保證。

1.3 模具方案

模具結構采用閉合式結構，分型面位置在舵板中線。為保證模具加工精度且易損件便于更換，舵整體采用了上下框架式、上下舵面板成型的結構，同時上下舵面板與四周框架間隙留有溢膠槽，上下框、上框與上模板、下框與下模板之間采用兩銷定位結構。

模具精度取產品精度的三分之一，上下舵面板型值面尺寸偏差為±0.08mm。為保證舵桿與舵板裝配精度，舵桿方頭與舵板兩者中心面的對稱度為0.24mm，上框與上模板、下框與下模板裝配和尺寸裝配的尺寸相差不超過0.06mm，模具裝配完成后上下面平行度不大于0.03mm。舵桿方頭中軸線和舵板中軸線夾角不大于±0.6°。

1.4 鋪層及工藝過程設計

為保證纖維力學性能傳遞良好，并提升曲面型值偏差精度，型面曲線纖維需整體連續搭接，開口處在舵板尾部，上下端面及尾部為加工面。通過在上下模板型腔內采取鋪層遞減的方式進行搭接。為防止鋪層剝離，采用兩步成型法，即先鋪制預成型體，然后進行整布鋪層，保證外表面鋪層連續性。

舵板鋪層設計內容主要包括舵板鋪層層數確定、每層預浸料形狀設計以及具體尺寸設計，借助設計軟件按碳纖維預浸料參數指標進行鋪層特性參數分析，得到舵板理論鋪層層數、每層預浸料形狀以及具體尺寸，舵板的鋪層根據其所受外載荷來確定，舵板在調整過程中主要受扭力的作用，橫向為主受力方向，舵板結構為中線對稱結構，故鋪層角度可設計為均衡對稱層壓。

舵板實際鋪層層數確定后，乘以經驗系數獲得初始實際鋪層層數，由于舵受力大，且內部質量要求高，后續要根據成形后內部質量檢測和扭矩試驗情況進行分析并調整，確定最終鋪層層數。

2 成型過程質量控制措施

編制成型工藝操作過程中，要嚴格按工藝規定執行。操作環境需要做到干凈無塵，從低溫箱中取出的預浸料，必須放在常溫下晾置6h以上，待晾置的預浸料密封袋外無冷凝水出現時，方可啟袋使用，這樣做是避免低溫回潮影響預浸料質量。上述操作過程中，要通過控制卡片記錄產品圖號、過程控制參數以及操作者信息，以便進行跟蹤。鋪層過程中，角度偏差≤±3%，層間要做到壓實、無氣泡、無皺褶，每鋪貼3層抽真空壓實一次，真空壓力控制在0.08MPa以上，時間持續至少15min。

3 尺寸檢測情況

成型完成的碳纖維復合材料舵零件需要進行四個方面的檢測。

3.1 外觀

經外觀檢查符合產品外觀要求，表面光順、連續，過度均勻，手觸摸沒有凸凹感，表面無裂紋、氣泡、氣孔、劃痕以及腐蝕斑點等，無卷邊、凹陷等缺陷。

3.2 型值

用Global9128高精度三坐標測量儀進行采點測量，采點數為252個，90%測量點數據偏差在±0.25mm內，滿足圖紙要求。

3.3 對稱度、夾角

用Global9128高精度三坐標測量儀檢測，舵桿方頭與舵板兩者中心面對稱度為0.08，不超過0.2；經專用舵檢測規檢查，舵桿和舵板中軸線夾角符合圖紙要求。

3.4 力學性能試驗

在垂直于整體面基準的平面基準點上加載靜載荷1kN，在該載荷作用下，舵板結構件上方頭、翼角等各處檢測點變形量滿足力學性能要求。

4 結論

本文介紹的某產品舵復合材料成型工藝方案和模具方案，經檢測和實際應用后證明該模具結構合理、操作方便，鋪層設計合理，成型加工零件滿足圖紙技術要求，可廣泛適用于樹脂基復合材料舵類零件的工藝設計、模具設計和加工中，為樹脂基復合材料舵類預浸料層壓零件鋪層工藝及模具結構設計奠定了堅實基礎。