復合材料泡沫夾層結構翼尖小翼成型技術研究

袁 超，邱啟艷

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300）

復合材料具有比強度高、比剛度大等優點，已成為航空航天領域重要的輕量化結構材料，廣泛應用于飛機的各個部件，復合材料用量已成為衡量航空飛行器先進性的重要指標之一[1-2]。夾層結構具有重量輕、彎曲剛度及強度大、抗失穩能力強、耐疲勞、吸音、隔熱等優點，因此在飛行器結構上得到了廣泛應用。研究及實踐證明，在機翼上加裝翼梢小翼，能有效減少阻力，提高飛機的燃油利用率，所以翼梢小翼在飛機上得到了廣泛的應用。為了減輕結構的重量，同時保證制件剛度，越來越多的翼梢小翼采用泡沫夾芯復合材料結構。

1 零件結構特點及工藝難點

1.1 結構特點

復合材料翼尖小翼為泡沫夾層復合材料結構，由泡沫芯、復合材料封邊肋及外蒙皮組成，泡沫外型面與外蒙皮內型面一致，如圖1 所示。其中泡沫芯由三塊泡沫拼接而成，為整個翼尖小翼提供剛度支撐，如圖2 所示。

圖1 復合材料翼尖小翼示意圖

圖2 翼尖小翼泡沫芯材示意圖

1.2 工藝難點

復合材料泡沫夾層結構翼尖小翼型面復雜，在零件成型過程中，既要翼尖小翼外型面尺寸準確，又要保證外蒙皮及夾層結構膠接面的內部質量，還要保證外蒙皮及封邊肋對泡沫芯材的密封性，對工藝方案的設計提出了較高的要求。為保證翼尖小翼結構復雜的外形尺寸及較高的內部質量，需要根據零件特點設計組成模具。模具設計過程中，如何設計模具對零件不同位置進行加壓，又是一個工藝難點。

翼尖小翼外蒙皮在蒙皮過程中，由于型面復雜，預浸料鋪疊難度大，容易因鋪疊曲率較大造成纖維屈曲、架橋等缺陷，需要在鋪疊過程中設計合理的鋪疊方案，提高鋪疊質量。

2 工藝方案設計

熱壓罐成型泡沫夾層架構一般有共固化、共膠接和二次膠接三種方式，對復合材料泡沫夾層結構翼尖小翼，分別采用共固化、共膠接及二次膠接的工藝方案分析，如表1 所示。

從表1 可以發現，采用共固化成型方案，封邊肋尤其是封邊肋與泡沫夾芯接觸的腹板面難以加壓，容易存在內部缺陷。而采用二次膠接成型方案，外蒙皮與泡沫芯材膠接過程中，兩個膠接面容易出現配合問題，造成膠接缺陷。綜上所述，選擇采用封邊肋先固化并與泡沫芯材拼接，后與外蒙皮一同膠接的工藝方案，既能保證封邊肋的內部質量，又能保證泡沫芯材與外蒙皮的膠接質量。

表1 工藝方案分析表

3 組合工裝設計

工裝是保證復合材料零件外形尺寸及內部質量的重要因素。在復合材料泡沫夾層結構翼尖小翼成型過程中，組合工裝要保證零件外形尺寸，提供足夠成型壓力，還要保證零件能夠順利從模具取下完成脫模過程。

為保證模具熱膨脹系數與零件一致，減少因模具熱膨脹造成的內應力，采用復合材料模具。復合材料泡沫夾層結構翼尖小翼組合模具如圖3 所示，采用上下模合模的方式，其中，1 是上成型模，2 是下成型模。上成型模型面與翼尖小翼上型面一致，下成型模型面與翼尖小翼下型面一致，上、下成型模合模后，能對翼尖小翼外蒙皮進行加壓。

4 鋪疊方案設計

翼尖小翼外蒙皮鋪疊過程中，由于鋪疊曲率大，容易造成纖維屈曲、架橋等缺陷。為保證鋪疊質量，每鋪疊一層后，用未加熱熨斗對預浸料鋪層進行壓實，并進行抽真空，抽真空時間不少于20 min，真空度不小于0.095 MPa。在鋪疊過程中，在翼梢小翼蒙皮上設計8 處固定的相距不少于50 mm 的鋪疊剪口，方便鋪疊的同時，保證鋪疊一致性。

圖3 組合模具示意圖

5 結論

復合材料泡沫夾層結構翼尖小翼采用封邊肋先固化并與泡沫芯材拼接，后與外蒙皮一同共膠接的工藝方案，既能保證封邊肋的內部質量，又能保證泡沫芯材與外蒙皮的膠接質量。組合模具選用復合材料模具，采取上、下成型模合模的方式，上成型模型面與翼尖小翼上型面一致，下成型模型面與翼尖小翼下型面一致，既能保證零件外形尺寸，提供足夠成型壓力，又能保證零件能夠順利從模具取下完成脫模過程。在鋪疊過程中，為保證鋪疊質量，每鋪疊一層后，用未加熱熨斗對預浸料鋪層進行壓實，并進行抽真空，抽真空時間不少于20 min，真空度不小于0.095 MPa。