盒形結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件厚度控制研究

白婭萍，蘇 霞，杜鵬飛，徐小偉，郭俊剛

（中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

0 引 言

飛機性能的進步基于材料技術(shù)的提升，一代材料決定一代飛機，飛機性能與材料技術(shù)相互推動、不斷發(fā)展[1]。經(jīng)過百年發(fā)展，飛機機體結(jié)構(gòu)材料已進入以復(fù)合材料為主的制造階段。相較于金屬結(jié)構(gòu)零件，同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件質(zhì)量可減輕25%～30%，且復(fù)合材料具有其他材料無法比擬的氣動彈性，因此提高復(fù)合材料零件的使用是近年來飛機設(shè)計制造的關(guān)注重點[2]。熱壓罐固化預(yù)浸料鋪貼的復(fù)合材料零件制造需要借助成型模，按照工程要求完成預(yù)浸料坯體鋪貼，之后使用工藝輔助材料制袋，在熱壓罐中按照規(guī)定的溫度、壓力、時間完成固化[3]。隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的提升和飛機結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的進步，C形結(jié)構(gòu)肋、盒形隔板復(fù)合材料零件在飛機制造中廣泛應(yīng)用。

何周理等[4]通過C形截面框結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的分析研究，在抗彎曲性能方面，遞減削層方案優(yōu)于遞增削層方案。楊青等[5]完成了零件厚度、模具材質(zhì)、零件長度、緣條與腹板夾角的R角半徑等因素對復(fù)合材料C/L形結(jié)構(gòu)零件固化變形的影響進行了研究，為飛機設(shè)計及制造提出了可靠的數(shù)據(jù)支持。閔觀華等[6]總結(jié)了樹脂基體與纖維增強體之間固化收縮不同，預(yù)浸料與成型模之間熱膨脹系數(shù)不同，固化結(jié)束后壓力溫度載荷等去除后零件內(nèi)部殘余應(yīng)力重新分布對復(fù)合材料殼結(jié)構(gòu)固化變形影響。同時，零件鋪層角度設(shè)計、固化周期等因素相互耦合，影響不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的回彈變形[7]。魏冉等[8]總結(jié)了制造過程中常用的C形結(jié)構(gòu)補償，為基于設(shè)計鋪層厚度及外形尺寸選擇，對模具補償修型以解決零件固化后回彈變形問題，確定了研究范圍內(nèi)常用的回彈變形角度。以上研究側(cè)重于回彈變形補償方向，實際生產(chǎn)過程中，在保證回彈變形滿足使用要求的前提下，需要重點關(guān)注零件厚度控制。

隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，由C/L/U形結(jié)構(gòu)衍生的盒形結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件在大尺寸梁、壁板之間連接過渡應(yīng)用逐漸增多，某新型民用飛機尾翼部分采用大量圖1所示的盒形結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件。該盒形結(jié)構(gòu)具有C/L/U形的變形特征，現(xiàn)有回彈變形研究可指導(dǎo)模具修型補償，但該盒形結(jié)構(gòu)各緣條面曲率變化不同、鋪層層數(shù)少、外形尺寸小，零件存在收口變形、厚度超差、表面質(zhì)量差等制造難點。

圖1 某新型民用飛機尾翼部分盒形結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件

1 研究背景

某民用飛機尾翼部分選用大量盒形實體層壓結(jié)構(gòu)，零件使用牌號為CYCOM 970/PWC T300 3K環(huán)氧樹脂增強的碳纖維預(yù)浸料，基于裝配需求，部分區(qū)域表面鋪貼防腐環(huán)氧樹脂增強的玻璃纖維織物。零件總體尺寸小，外形、開孔等特征尺寸多。基于生產(chǎn)經(jīng)驗及參考文獻[9,10]，模具確定為殷瓦鋼合金凸模工裝，緣條面設(shè)置1.35°回彈補償進行工裝修型。使用修型后凸模工裝，Gerber自動下料機切割預(yù)浸料，手工鋪貼，抽真空壓實，根據(jù)熱分布結(jié)果布置領(lǐng)先和滯后熱電偶，制袋并完成滲漏檢查后，使用熱壓罐，依據(jù)規(guī)范在（0.5±0.035）MPa固化壓力下，升溫至（180±5）℃后，保溫不少于120 min，完成零件固化。盒形零件外形關(guān)鍵特性多、尺寸要求高，鋪層設(shè)計較薄，以下討論該類型零件回彈變形、厚度控制、壓力墊選型等問題。

2 試驗內(nèi)容及結(jié)果討論

該盒形零件使用6層單層厚度為0.22 mm的碳纖維預(yù)浸料鋪貼而成，零件理論總體厚度為1.32 mm，工程允許厚度公差為±0.20 mm，即厚度實測值為1.22～1.42 mm時零件合格。對試驗件進行檢測評定，典型試驗件表征為R區(qū)及腹板面厚度超差，偏薄0.20～0.40 mm。對零件進行超聲波檢測，零件R區(qū)無損檢測質(zhì)量不穩(wěn)定，有孔洞缺陷。目視檢查零件外觀、零件腹板面及R區(qū)，存在表面皺褶。基于以上問題開展以下試驗研究。

2.1 平板結(jié)構(gòu)厚度研究

試件厚度首先受制于預(yù)浸料固化對厚度的影響。為驗證該材料厚度是否均勻，鋪貼尺寸均為400 mm×400 mm的6層碳布、10層碳布、20層碳布3種不同厚度試板，按固化參數(shù)固化后進行厚度測量，以掌握該材料固化厚度實測數(shù)據(jù)。固化后分別測量厚度并分析得出不同試板厚度實測值與理論值的對比曲線，如圖2所示。

圖2 不同鋪層數(shù)厚度結(jié)果分析

固化后目視檢查試板外觀，試板邊緣樹脂溢出較多，表明該材料樹脂流動性良好。為排除復(fù)合材料零件邊緣效應(yīng)影響，測量點位距離零件邊緣至少80 mm。圖2中分別列出3種鋪層數(shù)量對應(yīng)實測厚度值，3條虛線分別為對應(yīng)厚度理論中值，按公差±0.20 mm計算，分別給出3種鋪層數(shù)量對應(yīng)厚度范圍。由圖2可知：①零件鋪層越少，厚度越低于理論中值，零件厚度波動較大，6層試板所有測試點均低于厚度理論下限1.22 mm，使用該材料進行凸模制造盒形試驗，邊緣樹脂溢出會更嚴重，零件厚度存在較大隱患；②當鋪層數(shù)為20層時，試板厚度均勻，所有檢測點厚度均符合厚度公差。

該盒形隔板設(shè)計鋪層為6層，固化后厚度超薄受制于原材料性能限制，需要從壓力墊選型和邊緣樹脂封膠工藝措施兩方面進行厚度控制。

2.2 壓力墊對零件厚度的影響研究

復(fù)合材料固化成型時，壓力墊結(jié)構(gòu)形式對零件厚度、內(nèi)部無損、表面質(zhì)量影響較大。預(yù)浸料坯體在凸模上鋪貼完成后，在零件上放置壓力墊，制袋固化。設(shè)置無壓力墊試驗件為空白對照組，同時制造不同鋪層數(shù)對應(yīng)的壓力墊形式，具體內(nèi)容及試驗結(jié)果如表1所示。

由表1可知：①無壓力墊制造便于操作，經(jīng)濟效益高，但試件表面質(zhì)量不穩(wěn)定，易出現(xiàn)褶皺；②10層碳纖維預(yù)浸料壓力墊，對于零件厚度改善效果最佳，試件超聲波檢測及表面質(zhì)量均合格，試件表面質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量檢測合格，但局部厚度仍需采取其他工藝措施，實現(xiàn)厚度控制；③20層碳纖維預(yù)浸料壓力墊，超聲波檢測試件內(nèi)部出現(xiàn)密集孔隙缺陷，表面缺料，因此不建議選取厚度過大的壓力墊。

表1 不同結(jié)構(gòu)壓力墊對比試驗

2.3 制袋操作對零件厚度影響研究

根據(jù)表1試驗結(jié)果，選用10層碳纖維預(yù)浸料制備而成的壓力墊，試驗件僅局部區(qū)域厚度超差，超聲波檢測及外觀表面質(zhì)量評定均合格，可作為最優(yōu)壓力墊結(jié)構(gòu)選型方案。經(jīng)過分析可知，不同區(qū)域需要采取的改進方案不同。

（1）R區(qū)/腹板面超薄。在固化時的壓力作用下，壓力墊向下貼合預(yù)浸料坯體，樹脂向零件周邊流動較多，因此需要在零件腹板面增加與產(chǎn)品等厚度的控厚片進行厚度控制，減少樹脂向邊緣聚集流動。

（2）緣條面超薄。由于固化過程中的邊緣效應(yīng)，余量處樹脂向下流失，導(dǎo)致產(chǎn)品緣條面整體超薄。壓力墊切割外形僅與產(chǎn)品理論外形一致，實際鋪貼產(chǎn)品至少有30 mm余量，因此在零件緣條面，要求壓力墊厚度必須大于零件30 mm余量。

（3）固化時，壓力墊邊緣將會出現(xiàn)收口變形，為消除此影響，在試件預(yù)浸料坯體余量區(qū)，增加0.10 mm脫模布包覆的0.44 mm厚阻尼鋁箔控制厚度，并且試件周邊邊緣樹脂封膠，削弱產(chǎn)品邊緣效應(yīng)，減少樹脂向邊緣溢出，最終制得的試件厚度滿足工程需求。控厚方式及固化過程分析如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品控厚封膠

2.4 回彈變形研究

該試件模具緣條面設(shè)置1.35°回彈補償進行工裝修型，厚度控制試驗完成后，對試驗回彈變形進行討論。緣條面1、緣條面2、緣條面3通過拐角連接相互支撐，回彈較小。該零件固化后拐角處需切割修整，固化切割后，零件內(nèi)部殘余應(yīng)力重新分布，提升了零件變形的不確定性。因此，鋪貼過程中，在各緣條面拐角區(qū)域允許開剪口，減少鋪貼過程中織物的纖維絲束過度拉伸而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，消除固化后回彈變形的不確定性。固化后試件在裝配過程中外形無問題。使用激光跟蹤儀進行試件型面測量，使用CATIA軟件Digitized Sharp Editor模塊完成外形超差分析，如圖4所示。

圖4 外形超差分析

綜上分述，使用殷鋼模具減小固化過程中熱膨脹系統(tǒng)不匹配造成的回彈變形風險；修型角度1.35°，對于鋪層厚度為6層、牌號為CYCOM 970/PWC T300 3K環(huán)氧樹脂增強的碳纖維預(yù)浸料的盒形結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件選取合理；使用壓力墊更好地保障了產(chǎn)品的外形。

3 結(jié)束語

對于選用CYCOM 970/PWC T300 3K的環(huán)氧樹脂增強的碳纖維預(yù)浸料，凸模鋪貼外形尺寸小的盒形零件，在滿足工程結(jié)構(gòu)要求下，建議鋪層厚度設(shè)計大于10層。10層碳纖維預(yù)浸料壓力墊可保證試件表面質(zhì)量、內(nèi)部無損檢測質(zhì)量合格，對于厚度控制效果良好。相同試驗條件下，邊緣樹脂封膠、厚度控制措施的應(yīng)用對試件厚度控制改進明顯。