淺談復合材料C型梁的制造工藝

房曉斌，郭俊剛，王宏博，李奇輝

（航空工業西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

由于復合材料具有比強度較高、比剛度較大、耐疲勞性和可設計性較好等優點而廣泛應用于結構制造領域。現在飛機結構中復合材料C型梁已用作承力件和次承力件，該零件的精確制造是航空企業和科研院所研究的一大方向[1]。目前，大多數研究人員和學者主要針對復合材料C型梁固化變形控制和厚度控制方面進行研究，而在實際生產中更需要注重全方位制造工藝設計，以降低零件制造風險。

1 材料性能和工藝性研究

1.1 材料的性能研究

材料性能研究是按照工藝規范和技術文件要求鋪貼及固化不同規格材料性能試板的。首先按照測試規范加工試樣并完成性能測試，然后按照工藝規范和技術文件中的驗收指標，判斷該材料的物理和化學性能是否能滿足工程應用要求。若材料的測試結果未達標，反饋給相關部門和材料供應商，共同改進和提高材料的各項性能；若材料的測試結果達標，確認材料性能試板和性能測試試樣的制造工藝，將其作為復合材料C型梁制造工藝的主要參數，復合材料C型梁選用的材料，通常為高溫環氧體系預浸料。

1.2 材料的工藝性研究

材料的工藝性主要是指適用性和可塑性這2個方面。適用性通常表現為材料數控下料操作和鋪貼操作的好壞等；可塑性表現為內部質量合格和外部質量合格等。簡單來說，在材料各項性能滿足工藝規范和技術文件要求條件下，工程技術人員設計與復合材料制件結構相似、材料相同、鋪層相同的試驗件，采用專用成型模具，完成試驗件的全流程制造，觀察制造過程中材料的下料機鋪貼操作，檢測試驗件內部質量和外部質量，判定該材料的適用性和可塑性是否滿足要求。

2 復合材料C型梁外形設計和鋪層設計基本要求

2.1 復合材料C型梁外形設計基本要求

復合材料C型梁設計初期，結構設計人員與工程技術人員需緊密聯系，在不增加飛機部件裝配難度的情況下，設計成便于熱壓罐固化成型的結構。如將大尺寸復合材料C型梁分段設計，復雜接頭設計在連接桿上，以簡化復合材料C型梁成型模具制造難度，降低C型梁鋪貼及銑切難度等。

2.2 復合材料C型梁鋪層設計基本要求

復合材料C型梁的鋪層設計在滿足結構強度要求的條件下，制件內、外表面的材料需選用碳纖維織物預浸料，用于降低制造過程中外形銑切和制孔難度。若復合材料C型梁內、外表面材料選用單向帶預浸料，則外形銑切和制孔操作時經常性會出現邊緣分層和邊緣毛刺現象。

3 復合材料C型梁固化變形控制

3.1 復合材料C型梁固化變形的影響

復合材料C型梁普遍采用熱壓罐固化成型，由于固化過程中產生的殘余應力和應變，產品脫模后易產生“收口變形”，影響了飛機部件的裝配工作[2～4]。復合材料C型梁緣條固化變形使其外形偏離了設計要求，從而導致蒙皮與梁間螺栓連接裝配孔錯位。若對裝配件進行強制裝配將會產生殘余應力、密封不好等問題，亦會降低結構的強度和疲勞壽命，甚至造成制件報廢。

3.2 復合材料C型梁固化變形的影響因素

復合材料C型梁產生固化變形的影響因素主要有3個方面：①工藝因素，主要包括固化時的升降溫速率、固化壓力等；②結構設計因素，主要包括零件鋪層角度、鋪層厚度等；③模具因素，主要包括模具材質、表面光潔度和模具結構形式等。

3.3 復合材料C型梁固化變形控制方法

結構設計人員基于強度及外形尺寸等方面考慮，規定了復合材料C型梁選用材料和鋪層信息[5]；而復合材料C型梁采用熱壓罐固化成型時通常參照工藝規范中的固化參數。結構設計因素和工藝因素在某種程度上的確定性，可以降低固化變形控制的難度。目前，國內相關單位都在開展復合材料C型梁固化變形控制研究工作。航空企業較多采用模具型面補償量試錯及修正的方法，以消除復合材料C型梁固化變形的影響，滿足型號研制需求。而科研院所則較多開展復合材料C型梁固化變形有限元模擬仿真方面的工作。

（1）模具型面補償量試錯及修正

模具型面補償是航空企業消除復合材料C型梁固化變形影響的有效方法[6，7]。通常，按照復合材料C型梁選用材料進行分類，結合鋪層信息計算出模具型面補償量。第1步，匯總已生產完工制件的選用材料、鋪層信息、外形檢測數據和模具補償量等，作為新制復合材料C型梁零件模具補償量的參考數據，初步設計模具補償量θ1；第2步，提取復合材料C型梁外形特征設計小尺寸試驗件，在小尺寸試驗件模具設計時帶入補償量θ1，并完成模具制造（圖1為小尺寸模具試驗件示意圖）；第3步，利用小尺寸試驗件模具完成試驗件制造，采用數字化檢測設備完成小尺寸試驗件的外形檢測，分析計算出合理的模型型面補償量θ2，將其作為1∶1制件模具型面補償量；第4步，根據模型型面補償量θ2，設計并制造復合材料C型梁模具，實現復合材料C型梁固化變形控制。

（2）復合材料C型梁固化變形的有限元分析

ABAQUS軟件是國際上先進的大型通用有限元軟件之一，其可以分析復雜的工程力學問題，具有駕馭龐大求解規模的能力，在非線性力學分析功能方面能夠達到世界領先水平[8]。未來隨著復合材料制造水平的發展，針對復合材料C型梁固化變形，有效的解決方法是使用有限元模擬仿真軟件分析復合材料C型梁固化變形并計算出固化變形補償量。具體做法是，通過將多場耦合數值模擬模型計算出的溫度、固化度、黏度和樹脂流動情況等；再通過固化變形模型求解出的殘余應力導入到C型構件固化變形模型中，將材料的各向異性和化學伸縮效應采用結合實驗校正與ABAQUS有限元建模的方法進行模擬仿真。通過實驗來確定復合材料厚度方向上的化學伸縮系數，利用實驗得到的參數和溫度場模擬得到的結果，在ABAQUS中建立幾何模型，定義物理性能參數、選擇合適的邊界條件和劃分適當的網格，從而進行復合材料C型梁固化變形的有限元分析，圖2為有限元模擬流程圖。通過有限元分析得出復合材料C型梁固化變形量，由工程技術人員計算出固化變形補償量。

圖1 小尺寸試驗件模具Fig.1 Mould for small size test specimen

圖2 有限元模擬流程Fig.2 Flow path of finite element simulation

4 復合材料C型梁厚度控制

復合材料C型梁制造過程中，經常會出現厚度超差，超差部位主要集中在R區。通常采用陽模固化后R區偏薄、采用陰模固化后R區偏厚[9]。如何控制復合材料C型梁R區厚度，常用的方法有2種：①是AIRPAD壓力墊控厚；②是AIRCAST3700壓力墊控厚。但是這2種方法都有局限性，不能作為通用的厚度控制方法。

（1）AIRPAD壓力墊控厚

AIRPAD壓力墊與陽模模具配合使用（如圖3所示），其內表面是工作表面，制作時需要借助與制件外表面尺寸相同的假件或者專用壓力墊模具，熱壓罐固化成型。AIRPAD壓力墊與陰模模具配合使用（如圖4所示），其外表面是工作表面，制作時需要借助與制件內表面尺寸相同的假件或者專用壓力墊模具，熱壓罐固化成型。

圖3 陽模配合用AIRPAD壓力墊Fig.3 AIRPAD pressure pad for positive die mould

圖4 陰模配合用AIRPAD壓力墊Fig.4 AIRPAD pressure pad for die mould

AIRPAD壓力墊組合方式為1層AIRPAD+若干層高溫預浸料+1層AIRPAD，高溫預浸料牌號、層數和尺寸大小由工程技術人分析復合材料C型梁外形結構、選用材料和鋪層信息等確定。實踐結果表明，AIRPAD壓力墊無論與陽模模具還是與陰模模具配合使用，均可有效控制復合材料C型梁全型面厚度。

（2）AIRCAST3700壓力墊控厚

AIRCAST3700壓力墊通常與陰模模具配合使用時（如圖5所示），AIRCAST3700壓力墊需要借助與制件內表面尺寸相同的假件或者專用壓力墊模具，并且放置內芯模，室溫硫化成型。

圖5 陰模配合用AIRCAST3700壓力墊Fig.5 AIRCAST3700 pressure pad for die mould

AIRCAST3700壓力墊控厚的穩定性比較差，使用時經常不能達到理想效果，如果壓力墊厚度不合適，則會造成制件內表面出現不平整。同時，由于AIRCAST3700壓力墊伴隨制件固化多次使用會出現收縮，不推薦經常性使用。若復合材料C型梁研制批次少，且尺寸不大時，可使用AIRCAST3700壓力墊，厚度設計為30～35 mm時可保證較好的控厚效果。

5 復合材料C型梁模具設計基本要求

復合材料C型梁制造過程中，除了使用成型模固化成型，還需使用真空銑具銑切外形，使用檢驗型架輔助檢測外形。當使用陰模成型模時，還需配套鋪貼模，根據需要配套翻轉機構。

（1）成型模設計基本要求

復合材料C型梁成型模一般選用金屬材料，比如殷鋼和普通鋼，鑒于復合材料C型梁制造精度要求越來越高，建議盡可能選用殷鋼材料。待復合材料C型梁工藝狀態穩定后，可以考慮將成型模的殷鋼型板更換為復材型板。

復合材料C型梁成型模分為陽模成型模和陰模成型模2種，選擇哪一種形式需要根據制件外形尺寸和配合精度綜合考慮。一般飛機襟翼和副翼復合材料C型梁，其緣條面寬度變化在50～150 mm范圍內，且厚度不大于3 mm，建議選用陽模成型模；外翼和尾翼復合材料C型梁，其緣條面寬度若大于200 mm、厚度大于3 mm時，由于制件厚度公差帶來的影響，建議選用陰模成型模。

為了保證模具的剛性，較大尺寸成型模需設計為整體框架結構，利用軟件模擬熱壓罐中氣流方向，設計合理的氣流通道；根據工裝設計手冊，設計合理的導氣槽和真空管路。（2）鋪貼模和翻轉機構設計基本要求

鋪貼模主要用于復合材料C型梁的鋪貼成型，不用于固化成型，一般選用金屬材料，鋁合金或者普通鋼，根據實際需要可整體也可分塊，只要保證模胎的剛性即可。由于制造工藝有時需要進行預壓實，建議鋪貼模設計為整體模胎。

翻轉機構作用是將鋪貼模進行翻轉，用于將鋪貼模與凹成型模進行組合的一個輔助裝置。翻轉機構目前常見的是機械式，由2組翻轉裝置和2組連接裝置組成。翻轉裝置固定在地面上，位置根據鋪貼模長度進行調節，連接裝置一端與鋪貼模連接，另一端與翻轉裝置連接。

（3）真空銑具設計基本要求

真空銑具是復合材料C型梁數控銑切的輔助裝置，要求整體剛性較好，吸附力較好。銑具結構為框架式，框架上設置銑具型板，材質以鋁和鋼為主，高度滿足機床主軸頭擺動90°要求。銑具型板寬度比梁腹板寬度小2～5 mm，設計抽氣孔和抽氣槽，邊緣處設置一圈真空圈凹槽，放置真空圈，用來防止真空漏氣。零件外形輪廓對應的型板區域設計退刀槽，退刀槽邊緣按照零件邊緣向內偏移2 mm，寬度及深度滿足數控加工要求，如圖6所示。復合材料C型梁緣條面寬度較窄，與真空銑具吸附面較小，需要設置可卸式壓板，圖7為真空銑具設計圖。

圖6 真空銑具草圖Fig.6 Vacuum milling tool sketch

圖7 真空銑具設計圖Fig.7 Vacuum milling tool design drawing

（4）檢驗型架設計基本要求

檢驗型架用于復合材料C型梁外形檢測，一般為框架結構，帶有可靈活拆卸的檢驗卡板，根據復合材料C型梁結構特征設計定位孔。當選擇依據檢驗型架上檢驗卡板檢測制件外形時，將制件固定在型架上，檢測制件表面與卡板之間的間隙，計算出外形偏差；當選擇使用數字化設備檢測制件外形時，將檢驗卡板拆卸掉，固定后，完成制件外形的數字化檢測，通過計算機分析實際檢測外形與理論外形的偏差。

6 展望

當前，先進復合材料在飛機制造領域應用不斷增加，已成為航空制造領域一個發展趨勢，大型復合材料制件、承重件研制已成為各國著力發展的方向[1]。復合材料C型梁可用于飛機結構的承力件和次承力件，在減輕飛機重量，提升結構強度方面有著重要意義。在我國復合材料C型梁普遍采用手工鋪貼、熱壓罐成型的方法，其人為因素影響很大，不利于產品質量的控制。為了提高產品加工精度，保證質量穩定性，有關科研技術人員應學習國外先進經驗，加強自主創新，掌握復合材料C型梁加工制造中的核心和關鍵技術。自動鋪貼工藝和熱隔膜壓實工藝技術研究已在我國許多企業廣泛開展，待技術成熟后，有望進一步實現復合材料C型梁的精確制造[10]。隨著科學技術的不斷提高，復合材料C型梁的精確制造技術應成為一套規范化、標準化的技術，采用該項技術，可以縮短研制周期，降低生產成本。