某型機(jī)復(fù)合材料C型外翼后梁研制

房曉斌，郭俊剛，艾 明，石卓峰

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089）

隨著復(fù)合材料在飛機(jī)制造領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，部分飛機(jī)承力構(gòu)件材質(zhì)由金屬材料轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料[1]。新型號飛機(jī)研制過程中，復(fù)合材料C型翼梁已逐漸作為設(shè)計首選結(jié)構(gòu)，因此需要掌握成熟的復(fù)合材料C型翼梁成型工藝[2，3]。復(fù)合材料C型翼梁通常采用熱壓罐固化成型工藝，由于固化過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和應(yīng)變影響脫模后產(chǎn)生固化變形，同時伴隨著R區(qū)厚度超差問題，對復(fù)合材料C型翼梁研制提出了挑戰(zhàn)，需要設(shè)計合理的成型模具和合理的成型工藝。

1 復(fù)合材料C型外翼后梁介紹

1.1 外翼后梁結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料C型外翼后梁長度約5 170 mm，寬度約360 m，高86 mm；變厚度，厚度由5.20 mm漸變?yōu)?.52 mm，存在多處臺階過度；零件整體呈C型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料C型外翼后梁示意圖Fig.1 Schematic diagram of composite based C-type outer wing rear beam

1.2 外翼后梁原材料

碳纖維單向帶預(yù)浸料：AC531/CCF800H，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司；碳纖維織物預(yù)浸料：AC531/CF8611，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）外觀質(zhì)量：復(fù)合材料制件的表面應(yīng)光滑平整，表面無貧、富樹脂，表面纖維被樹脂均勻覆蓋。

（2）內(nèi)部質(zhì)量：分層、脫膠和孔隙密集等缺陷在可控范圍內(nèi)；孔隙率＜2%。

（3）厚度控制：理論厚度的±5%。

（4）外形公差：理論型面±0.2 mm，允許在間距每250 mm的距離上施加30 N的力。

（5）隨爐件力學(xué)性能滿足相關(guān)材料技術(shù)規(guī)范。

2 復(fù)合材料C型外翼后梁研制

2.1 成型方案選擇

成型方案的選擇是復(fù)合材料C型梁零件制造的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問題。復(fù)合材料C型梁常用的成型方案主要有2種：陰模固化成型、陽模鋪貼陰模固化成型[4]。陽模成型和陰模成型2種方案的比較見表1。

結(jié)合復(fù)合材料C型梁2種成型方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對照零件配合面的要求和零件的結(jié)構(gòu)特征，基于現(xiàn)有條件的工藝成熟度，總結(jié)了復(fù)合材料C型梁成型方法選取原則，見表2。分析某型機(jī)復(fù)合材料C型外翼后梁結(jié)構(gòu)特征，選取陽模鋪貼陰模固化成型方案。

2.2 制造工藝流程

復(fù)合材料C型外翼后梁選取陽模鋪貼陰模固化成型方案，零件研制過程中存在固化變形問題和厚度超差問題。固化變形可以通過成型模具的型面補(bǔ)償進(jìn)行消除，厚度超差可以通過放置壓力墊進(jìn)行控制[5～9]。因此，復(fù)合材料C型梁制造工藝流程分為2步進(jìn)行，第1步是壓力墊的制作，第2步是零件固化成型。圖2為零件固化成型工藝流程，壓力墊制作工藝流程在壓力墊設(shè)計章節(jié)進(jìn)行介紹。 2.3 制造工藝

表1 復(fù)合材料C型梁成型方法比較Tab.1 Comparison of forming methods of composite based C-type beam

表2 復(fù)合材料C型梁成型方法選取原則Tab.2 Selection principle of forming method of composite based C-type beam

圖2 復(fù)合材料C型外翼后梁制造工藝流程Fig.2 Manufacturing process flow chart of composite based C-type outer wing rear beam

2.3.1 模具和檢驗(yàn)型架設(shè)計

復(fù)合材料C型外翼后梁成型用模具主要包括：陽模鋪貼模和陰模固化成型模。當(dāng)進(jìn)行外形檢測時，需要固定在檢驗(yàn)型架上輔助定位。

2.3.1.1 模具、檢驗(yàn)型架材料的選用

復(fù)合材料成型模具常用材料有普通鋼、殷鋼和復(fù)合材料等，其優(yōu)缺點(diǎn)見表3。對于復(fù)合材料C型外翼后梁零件，為了保證零件的外形和內(nèi)部質(zhì)量，成型模具選用殷鋼材料。鋪貼模用于將預(yù)浸料片鋪貼成C型預(yù)制體，從制造成本考慮，選用普通鋼材料。檢驗(yàn)型架僅用于零件外形檢測過程中的輔助定位，其本身僅有穩(wěn)定性要求，一般選用鋁合金材料。

2.3.1.2 陰模成型模具

陰模成型模具用于零件固化成型，為了保證整體剛性和氣流通暢要求設(shè)計為薄壁框架結(jié)構(gòu)，模具材質(zhì)為Invar鋼，工作表面根據(jù)工藝模型設(shè)計[10]，見圖3。

表3 模具材料的比較Tab.3 Comparison of mold materials

圖3 復(fù)合材料C型外翼后梁陰模成型模具Fig.3 Cavity block forming mold of composite based C-type outer wing rear beam

2.3.1.3 陽模鋪貼模具

陽模鋪貼模具用于鋪貼操作，為了保證整體剛性和減重需求設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)，模具材質(zhì)為Q235鋼，工作表面根據(jù)工藝模型設(shè)計。若該模具用于復(fù)合材料假件制作，需將模胎長度方向縮比。圖4為復(fù)合材料C型外翼后梁陽模鋪貼模具。

圖4 復(fù)合材料C型外翼后梁陽模鋪貼模具Fig.4 Positive die paving mold of composite based C-type outer wing rear beam

2.3.1.4 檢驗(yàn)型架

檢驗(yàn)型架用于零件外形檢測時輔助定位，為了保證整體剛性和減重需求，設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)，型架材質(zhì)為鋁合金。檢驗(yàn)型架按部件裝配姿態(tài)設(shè)計定位方式，并設(shè)置定位孔。若采用數(shù)字化檢測設(shè)備檢測零件外形，該檢驗(yàn)型架可滿足輔助定位需求；若采用檢驗(yàn)卡板檢測零件外形，可在該檢驗(yàn)型架上設(shè)置檢驗(yàn)卡板。圖5為復(fù)合材料C型外翼后梁檢驗(yàn)型架。

圖5 復(fù)合材料C型外翼后梁檢驗(yàn)型架Fig.5 Test frame of composite based C-type outer wing rear beam

2.3.2 工藝模型設(shè)計

工藝模型設(shè)計雖然只是復(fù)合材料C型外翼后梁研制過程中的一個環(huán)節(jié)，但卻有非常重要的作用。工藝模型相對理論模型，是將理論模型的2側(cè)緣條面向外側(cè)偏移一定角度θ，而偏移角度θ即是復(fù)合材料C型外翼后梁固化變形的補(bǔ)償量。因此工藝模型設(shè)計主要可分為2步進(jìn)行，第1步計算出復(fù)合材料C型外翼后梁固化變形補(bǔ)償，第2步根據(jù)復(fù)合材料C型外翼后梁固化變形補(bǔ)償量修改零件緣條面理論型面。

復(fù)合材料C型外翼后梁固化變形補(bǔ)償量，在現(xiàn)有工藝水平條件下，最有效、最快速的獲取方法是設(shè)計與復(fù)合材料C型外翼后梁選用材料相同、鋪層相同的小尺寸試驗(yàn)件，待小尺寸試驗(yàn)件固化后測量其變形數(shù)據(jù)，將小尺寸試驗(yàn)件變形數(shù)據(jù)作為小尺寸試驗(yàn)件和復(fù)合材料C型外翼后梁固化變形補(bǔ)償量。由于復(fù)合材料C型外翼后梁有2組鋪層形式，因此設(shè)計了2項(xiàng)小尺寸試驗(yàn)件計算固化變形補(bǔ)償量。

根據(jù)復(fù)合材料C型外翼后梁固化變形補(bǔ)償量修改零件緣條面理論型面設(shè)計工藝模型，一般較常使用的方法是將零件緣條面離散為多個截面，對每個截面進(jìn)行修正補(bǔ)償?shù)玫叫碌慕孛妫賹⑿拚蠼孛婢€重構(gòu)形成新的緣條面，然后修正R角使新的緣條面與理論腹板面光滑過渡。圖6為工藝模型多截面設(shè)計。

圖6 工藝模型多截面設(shè)計Fig.6 Multi section design of process model

2.3.3 下料和鋪貼

復(fù)合材料C型外翼后梁的鋪層角度公差為織物±2°、單向帶±1°。織物邊緣和切割段要求搭接，搭接寬度0～26 mm；單向帶邊緣和切割段要求對接，對接間隙小于1 mm。因此，采用自動下料機(jī)下料，激光投影儀定位，人工鋪貼的方式進(jìn)行。

下料操作需要預(yù)先編制下料程序，其基本過程為：使用CATIA軟件打開工程模型，進(jìn)入Composites Design模塊，按順序完成換面、換線、切片、可行性分析等操作，到達(dá)可出下料程序要求；打開MAGESTIC排料軟件，按照軟件操作要求完成下料程序輸出。在這一過程中，由于復(fù)合材料C型外翼后梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，下料程序的輸出±45°料片拼接邊緣經(jīng)常出現(xiàn)纖維非連續(xù)現(xiàn)象，需要工程技術(shù)人員逐個排查手動修正；同時，工程技術(shù)人員需要檢查料片數(shù)量是否齊全，不能有缺失鋪貼料片的情況出現(xiàn)。

工程技術(shù)人員在編制下料程序時生成的數(shù)據(jù)，使用Tur LASER軟件，輸入模具激光靶標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)，可以生成投影文件。將生成的投影文件輸入激光投影儀，進(jìn)行鋪層的激光投影定位，進(jìn)行人工鋪貼。

為了將在鋪貼模具上完成鋪貼操作的預(yù)制體輕松轉(zhuǎn)移，需要對鋪貼模具工作表面進(jìn)行預(yù)處理，在分別驗(yàn)證鋪貼模具工作表面刷涂脫模劑、粘貼脫模布、放置隔離膜3種方法后，實(shí)踐證明放置隔離膜的方法效果最好（表4）。該方法已經(jīng)大量應(yīng)用于陽模鋪貼操作中。

為了保證零件在固化過程中袋內(nèi)真空通暢，除了制袋操作要求之外，需要在零件內(nèi)外表面各鋪貼一層可剝保護(hù)層。

表4 鋪貼模工作表面處理對預(yù)制體脫模的影響Tab.4 Effect of working surface treatment of paving mold on preform demoulding

2.3.4 預(yù)壓實(shí)和轉(zhuǎn)移

復(fù)合材料C型外翼后梁鋪貼完成后，為了更好地保證零件內(nèi)部質(zhì)量，需要進(jìn)行預(yù)壓實(shí)。預(yù)壓實(shí)工藝參數(shù)為：1）對真空袋施加不低于0.08 MPa的真空壓力，并保持全過程抽真空，真空度不低于0.08 MPa；2）室溫加（ 0.60±0.035）MPa罐 壓 ； 3）以 ≤ 3℃/min的速率升溫至（75 ±5）℃，保溫5～20 min；4）保溫結(jié)束后以≤3 ℃/min的速率降溫；5）零件溫度降至60 ℃以下卸壓出罐。預(yù)壓實(shí)工藝參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

預(yù)壓實(shí)完成后，在鋪貼工裝2端頭零件余量區(qū)，按照零件30 mm等寬線切割小缺口，作為轉(zhuǎn)移至鋪貼模后的定位線，這一步操作，也可以在鋪貼模具上設(shè)置鉆模板，利用鉆模板鉆制定位孔。由于復(fù)合材料C型外翼后梁理論質(zhì)量為16.5 kg，可將其從鋪貼模取下由操作人員搬運(yùn)至鋪貼模,借助零件30 mm等款項(xiàng)和激光投影位置，完成轉(zhuǎn)移工作。

2.3.5 壓力墊設(shè)計和制作

總結(jié)前期復(fù)合材料C型梁零件在未采用控厚措施和采用一些控厚措施下R區(qū)厚度變化情況，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)預(yù)浸料和國外預(yù)浸料的厚度變形有較大區(qū)別，且2類預(yù)浸料適合的控厚措施也不太一致。針對中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的預(yù)浸料，當(dāng)用于復(fù)合材料C型梁零件制造，且零件選取陰模固化的成型方案時，需制作AIRPAD壓力墊進(jìn)行控厚。

復(fù)合材料C型外翼后梁選取陰模模固化成型，因此AIRPAD壓力墊的工作表面為外表面，其制作過程分為制作假件，以及利用假件制作AIRPAD壓力墊。AIRPAD壓力墊制作流程見圖7。

（1）制作假件

借用外翼后梁鋪貼模，選取高溫碳纖維織物預(yù)浸料，鋪貼16層0°，按照高溫碳纖維織物預(yù)浸料固化參數(shù)固化成型假件。

（2）制作AIRPAD壓力墊

在假件工作表面（內(nèi)表面）刷涂脫模劑，不建議粘貼脫模布，然后在假件內(nèi)表面進(jìn)行AIRPAD壓力墊的鋪貼。

AIRPAD壓力墊共8層，第1層和第8層為整層未固化的AIRPAD，第2層至第7層為高溫碳纖維織物預(yù)浸料。預(yù)浸料僅在R區(qū)鋪貼，寬度依次為60 mm、50 mm、40 mm、30 mm、2 0 mm、10 mm。AIRPAD壓力墊按照高溫碳纖維織物預(yù)浸料固化參數(shù)固化，按照零件等寬線剪切修整。

3 復(fù)合材料C型外翼后梁質(zhì)量檢測

圖7 復(fù)合材料假件和AIRPAD壓力墊制作流程Fig.7 Production process of composite fake parts and AIRPAD pressure pad

對復(fù)合材料C型外翼后梁外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和外形尺寸進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明，研制的復(fù)合材料C型外翼后梁滿足了設(shè)計要求。

1）外觀質(zhì)量

復(fù)合材料C型外翼后梁表面光滑平整，織物纖維清晰可見，表面無貧、富樹脂，表面纖維被樹脂均勻覆蓋。

2）內(nèi)部質(zhì)量

使用奧林巴斯EPOCH 1000便攜式超聲檢測儀對復(fù)合材料C型外翼后梁進(jìn)行無損檢測，未見超標(biāo)缺陷，滿足復(fù)合材料制件制造與驗(yàn)收技術(shù)條件要求。隨爐件取樣制作的孔隙率測試試樣，按文件GB/T 3365—2008檢測其孔隙率小于2%，滿足復(fù)合材料制件制造與驗(yàn)收技術(shù)條件要求。

3）厚度控制

使用游標(biāo)卡尺和千分尺分別測量復(fù)合材料C型外翼后梁厚度，結(jié)果表明，零件非R區(qū)實(shí)際厚度都在理論厚度±4%以內(nèi)，零件R區(qū)實(shí)際厚度都在理論厚度±5%以內(nèi)，滿足復(fù)合材料制件制造與驗(yàn)收技術(shù)條件中厚度公差±5%要求。

4）外形檢測

使用激光跟蹤儀測量復(fù)合材料C型外翼后梁外表面，測量結(jié)果：所有測量點(diǎn)中最大正偏差0.20 mm，最大負(fù)偏差-0.17 mm，相對理論型面的標(biāo)準(zhǔn)偏差0.06 mm，超過88%測量點(diǎn)的外形偏差≤±0.1 mm，滿足復(fù)合材料制件制造與驗(yàn)收技術(shù)條件中外形公差±0.2 mm要求，表明零件實(shí)際外形非常好。

5）隨爐件性能

陰模成型模具上預(yù)留了隨爐件鋪貼及固化位置，固化時隨爐件靠近罐門一側(cè)。隨爐件取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測，結(jié)果均滿足復(fù)合材料制件制造與驗(yàn)收技術(shù)條件要求（表5）。

4 結(jié)語

表5 隨爐試板的力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of test plate with furnace

當(dāng)前，先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)制造領(lǐng)域應(yīng)用不斷增加已成為航空制造領(lǐng)域一個發(fā)展趨勢。復(fù)合材料C型梁可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的承力件和次承力件，在減輕飛機(jī)重量，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面有著重要的意義。本項(xiàng)成型工藝采取陽模鋪貼陰模固化、壓力墊控厚成型的方法，所生產(chǎn)復(fù)合材料C型外翼后梁零件滿足工程技術(shù)要求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。本項(xiàng)成型工藝已在多個型號飛機(jī)梁肋零件生產(chǎn)中廣泛使用。