深U形蜂窩夾層結構整流罩制造技術研究

成艷娜 劉訓新 李楠

摘要：以零件幾何外形和質量控制作為關注重點，從深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件成型、重量、厚度控制及固化變形控制等方面進行了多方位攻關，相關成型工藝方案及質量控制技術得到整體攻克，為U型復合材料夾層結構整流罩零件的精確制造積累了經驗。

關鍵詞：整流罩;U形蜂窩;重量及厚度;變形控制

中圖分類號：V214文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2019）00-0158-05

復合材料具有質輕、比強度高、比模量高、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強等特點，尤其適用于大型及整體結構，是理想的航空結構材料，在飛機結構上的應用日益廣泛。隨著復合材料用量的不斷增加，其應用范圍也不斷拓展，由最初的內裝飾零件逐步擴展至次承力件，直至主承力件。整流罩為飛機上的次承力件，外形雙曲，截面為U型，是保證飛機氣動外形的重要零件。復合材料整流罩類零件一般分為層壓、蜂窩夾層兩種結構形式，采用熱壓罐成型工藝制造。由于采用了蜂窩芯，產品重量得以大幅降低，因此，蜂窩夾層結構整流罩零件逐漸受到了設計人員的青睞。

某型飛機的整流罩零件為外形雙曲率、深U型、變截面的蜂窩夾層結構。因零件曲率大、結構復雜，且采用整體的剛性蜂窩芯，給零件的成型帶來極大的挑戰。另一方面，整流罩類零件均采用熱壓罐成型，而采用熱壓罐固化的復合材料制件普遍存在固化變形現象。這主要是由于復合材料在固化成型階段經歷了復雜的溫度和壓力歷程，發生樹脂基體交聯反應、樹脂基體固化收縮以及樹脂流動等一系列復雜的物理一化學過程。此外，增強纖維和基體樹脂熱脹系數不同，固化工藝參數不同，以及零件一模具相互作用，使得在固化成型階段復合材料零件內部極易產生殘余應力，最終導致零件脫模后出現不同程度的“收口”變形效應，影響其外形精度。變形后的復合材料零件無法在裝配過程中進行外形修配。因此，為滿足后續裝配需求，復合材料零件的精確制造勢在必行。

本文通過分析深U型蜂窩夾層結構整流罩零件的結構特征，確定了該類零件的制造技術難點。在實際生產中，以零件幾何外形和質量控制作為關注重點，針對熱壓罐成型過程中涉及的深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件成型、重量、厚度控制及固化變形控制等方面的技術難點進行了多方位的攻關。通過一系列的技術研究及試驗件制造驗證，相關成型工藝方案及質量控制技術得到整體攻克，在U型復合材料夾層結構整流罩零件的精確制造方面積累了一定經驗，為類似結構的制造提供技術參考。

1整流罩零件結構特點

1.1結構簡介

整流罩零件為雙曲率、深U型、變截面的蜂窩夾層結構，外形尺寸約為1927mm（長度）×494mm（開口寬度）×753mm（開口深度），如圖1所示，由1塊整體蜂窩芯及內外面板組成。其中，內外面板材料為中溫玻璃纖維織物3218/EW250F，夾芯材料為六邊形剛性蜂窩芯NH-1-2.7-48，厚度20mm。為防止雷電損傷，在整流罩的外表面鋪貼1層防雷擊金屬網。

1.2技術指標要求

產品主要技術指標為：

.重量公差±4%;

.厚度公差±8%;

.外形尺寸公差按HB7741-2004;

.蜂窩芯邊緣允許收縮，收縮量小于6mm。

.型面檢查：采用成型工裝檢查貼胎間隙，不施加外力時要求最大貼膜間隙不大于lmm/m。或在300mm距離上施加50N的力，加力處的貼膜間隙應小于0.5mm。

.表面質量檢查：目視檢查制件表面，要求零件漆層連續，光滑、均勻，無顆粒、流痕、氣泡、縮孔、桔皮，漆層表面無擦、劃傷。

.內部質量采用X光及超聲檢測。

2整流罩零件制造技術難點

根據整流罩零件結構特征及技術指標要求，其制造技術難點主要包括以下方面：

2.1深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件成型難度大

整流罩蜂窩芯零件尺寸約為1807mm（長度）×494mm（開口寬度）×708mm（開口深度），厚度20mm，斜面角度25°，長度方向為L向。蜂窩芯零件曲率大，截面為U型，且各截面曲率漸變。而蜂窩芯原材料一般為平面結構，因此必須先按數模將蜂窩芯展開至平面，再加工其外形。如何選擇合適的展開截面是保證拼接成型質量的關鍵。另一方面，六邊形剛性蜂窩芯不同于柔性蜂窩芯，展開成平面狀態后仍無法按照工裝進行一定曲率下的自由賦型，且在一定拉伸或擠壓情況下，易出現芯格變形、褶皺、撕裂、凹陷等缺陷，無法滿足后續使用要求。一般通過膠膜穩定化處理實現剛性蜂窩芯的定型。具體的穩定化處理參數及細節操作關系到最終的蜂窩芯成型質量，需進行研究驗證。

2.2整流罩零件厚度不易控制

零件層壓區厚度公差±8%，該要求對于U型整流罩零件來說較難控制，主要原因有三個方面。a）整流罩零件采用中溫固化環氧玻璃織物預浸料成型，該材料的樹脂含量高達45±3%（常見材料約為38%），粘度大且流動性好，固化后制件易造成厚度超差。b）玻璃布單層厚度0.25±0.035，公差達±14%，材料厚度指標已超過要求的±8%;c）整流罩零件為U型結構，采用凹模成型，固化過程中樹脂受重力影響，U型頂部樹脂易流動至U型底部，造成頂部厚度超薄而底部超厚的情況。

2.3整流罩零件重量不易控制

整流罩零件重量公差要求±4%，而常見的重量公差要求一般為±5%～±10%。影響整流罩零件重量的因素主要有蜂窩芯成型過程中的填充膠用量、發泡膠用量、膠膜用量，組件成型時的膠膜用量、面板玻璃布用量。材料種類多，需合理分配并嚴格控制不同環節的用量才能保證最終的產品重量滿足設計指標要求。

2.4整流罩零件固化變形

整流罩零件脫模后出現不同程度的“收口”變形效應，影響其外形精度。按照類似零件制造經驗，單邊收口變形量可達到10mm～15mm，不滿足設計要求的貼胎間隙值，嚴重影響后續裝配。針對整流罩類復合材料制件固化變形問題，一般通過調整模具型面來補償制件變形量，以控制變形程度或抵消變形的影響作用。模具的調整量通常根據以往的經驗或反復試模。該方法大大增加了制件的成本預算和研制周期，嚴重制約復合材料在復雜裝配關系結構中的應用。

隨著復合材料結構類型及用量的大幅增加，工程上對復合材料固化變形的預測與固化變形補償方法提出了緊迫的現實要求。改變依靠工藝人員經驗和反復試錯進行變形量預測和補償的方法，建立復雜外形曲面零件變形量補償專用技術，成為必須面對和解決的問題。復雜構型復合材料固化變形的預測方法，大致可分為以下3類，包括有限元模型預測方法、回歸分析預測方法以及基于神經網絡的預測方法。然而，出于工程應用需求的考慮，則希望固化變形預測方法具有步驟簡單規范、計算效率高、成本低、實用性強等特點。

3制造技術研究

針對上述4個技術難點，系統性的開展以下方面的攻關研究。

3.1深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件成型技術

從平面結構的蜂窩芯原材料到深U型變曲率的蜂窩芯零件，成型過程中需進行蜂窩芯展開、制v型槽、拼接、穩定化、銑切斜邊、填膠等工序，如圖2所示。其中的關鍵技術點為制v型槽和穩定化處理。

制V型槽主要是針對蜂窩芯零件R區，操作目的是去除平面狀態到R狀態轉變時產生的“多肉”部分，使R區剛性蜂窩芯具有一定的可彎折性，并通過在v型槽內填充灌封膠使其固型。本項目研究過程中，首先在蜂窩芯數模中分析R區的曲率半徑、R區寬度，在保證型面貼合度及芯格不擠壓的前提下，確定出最優的v型槽數量及位置，并通過制作R區V型槽樣板，將該工序操作標準化，降低了操作難度，保證了v型槽質量的穩定性。

穩定化處理的目的是進行彎折后蜂窩芯的定型。本項目中的蜂窩芯零件尺寸大，需由多塊蜂窩采用泡沫膠拼接而成，因此穩定化同時可完成蜂窩芯的拼接固化。常用的穩定化處理方法為膠膜法，即在蜂窩芯的貼模面鋪貼整層膠膜，進熱壓罐固化后進行蜂窩芯定型。由于膠膜固化后變硬，導致蜂窩芯與上下面板共固化成型時的型面匹配性變差，固化后整流罩制件在膠接面易產生架橋分層等無損缺陷。本項目對蜂窩芯穩定化方案進行了細節方面的優化，將整層膠膜更改為距蜂窩芯邊緣寬度80～100mm范圍，在蜂窩芯斜面邊緣底部鋪貼6～10mm寬度的泡沫膠用于防止蜂窩芯收縮，同時取消R區膠膜，并將v型槽的填充膠轉移到后續零件成型時進行。通過以上更改，保證了穩定化后的蜂窩芯尺寸穩定性，同時使蜂窩芯在曲率較大部位具有一定的柔軟度，提高了蜂窩芯與上下面板共固化過程中的型面匹配度。

通過R區開V型槽、蜂窩芯穩定化工藝改進等措施，實現了平面狀態剛性蜂窩芯的柔性化處理，成功制造出與上下面板型面匹配度較好的蜂窩芯零件。

3.2零件厚度及重量控制

零件的厚度和重量兩個因素之間相互影響、相互制約。本項目中整流罩零件的厚度和重量指標要求均嚴于常見產品。根據零件結構特點及所使用的材料性能分析，主要采取三方面措施。1）梳理零件制造過程中所需的材料種類及理論重量范圍，在實際制造過程中嚴格控制，確保每種材料的用量不超過理論范圍。2）制作玻璃纖維織物的平板試驗件，測量固化后的重量及單層厚度。根據測試結果，通過干玻璃布吸膠、預壓實等工藝措施進行雙向調節，尋找平衡點。3）制造典型件，全面評估驗證平板試驗件中的工藝措施，根據典型件制造結果進一步優化，對預壓實參數進行固化。通過以上措施，成功實現了整流罩零件的厚度和重量控制，詳見表1.

3.3固化變形控制

整流罩零件的固化變形控制主要通過在工藝設計階段用工藝數模取代產品數模進行工裝型面補償設計來實現。目前構建工藝模型的途徑主要有兩種，一是制造理論型面的試驗件，通過測量固化后試驗件的實際型面，確定固化變形量，給出1：1或一定修正比例的反向補償量，用于構建工藝數模。二是采用軟件進行理論分析，確定整流罩數模的幾何結構特征，根據固化變形經驗公式給出不同弧段的補償量，然后分段補償并重構幾何特征，最終形成工藝模型，詳細流程見圖3。

針對本項目中的整流罩零件，采用第一種途徑構建工藝數模進行固化變形控制。按照理論數模制造試驗件A。按照工藝數模設計成型工裝型面，制造整流罩試驗件B。利用三維激光跟蹤儀分別測定試驗件型面。零件氣動外緣型值基本公差為（0±1.0）mm，比對分析結果如圖4及圖5所示。

綜合分析圖4、圖5及表2可知，按照工藝數模制造試驗件B，其固化后的變形量可減少約90%，型面合格點數由66%提高到96%，基本實現了整流罩零件的固化變形控制。

在工程應用過程中，固化變形補償量的預測需根據補償后制件的實際型面偏差值進行迭代優化，通過持續的積累和完善，不斷提高預測和補償的準確度，最終實現整流罩類制件的變形可控化。

4結論

本項目以U型蜂窩夾層結構整流罩為研究對象，針對其熱壓罐成型過程中涉及的四個難點開展技術研究。通過理論分析及試驗件制造，總結出以下結論，為類似零件的制造提供技術參考。

（1）通過R區開v型槽、蜂窩芯穩定化工藝改進等措施，實現了平面狀態剛性蜂窩芯的柔性化處理，成功制造出與上下面板型面匹配度較好的深U型大曲率整體剛性蜂窩芯零件。

（2）通過理論計算及制造過程嚴格控制，結合干玻璃布吸膠、預壓實等工藝措施進行雙向調節，可實現重量及厚度兩個因素的平衡控制。

（3）可通過正向補償預測及實物測量后反向補償兩種途徑進行整流罩零件的工藝數模構建，并利用工藝數模進行工裝補償設計，實現整流罩零件的固化變形控制。無論哪種方式，均需在工程應用過程中，根據補償后制件的實際型面偏差值進行迭代優化，通過持續的積累和完善，不斷提高預測和補償的準確度，最終實現整流罩類制件的變形可控化。