U形雙曲率蒙皮加筋復(fù)合材料構(gòu)件成型工藝研究

劉向陽(yáng) 劉 琦

（中航西飛復(fù)合材料廠，西安 710089）

復(fù)合材料因其卓越的減重效果、高比強(qiáng)度以及優(yōu)異的抗疲勞特性，在各行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣，已成為航空航天領(lǐng)域重要的輕量化材料。隨著復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料構(gòu)件廣泛用于飛機(jī)的機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等部段，已成為衡量飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造水平的標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。同時(shí)，其構(gòu)件結(jié)構(gòu)也由最初簡(jiǎn)單的層壓結(jié)構(gòu)發(fā)展成為了蜂窩夾芯、泡沫夾芯、膠接組合等結(jié)構(gòu)；多個(gè)單一構(gòu)件采用緊固件連接形成組件、部件的形式發(fā)展成為了多個(gè)零件進(jìn)行膠接、縫合形成整體復(fù)合材料組件的形式；成型工藝也由早期的樹脂浸潤(rùn)干纖維手工濕法裱糊工藝發(fā)展成為了干法預(yù)浸料自動(dòng)鋪放的自動(dòng)化熱壓罐固化工藝、低成本液體成型固化爐固化工藝以及非熱壓罐成型工藝（Out of Autoclave Process，OOA）等多樣化的成型工藝，從而為設(shè)計(jì)師和制造工程師帶來(lái)了更多的選擇[2]。

飛機(jī)的腹鰭、機(jī)翼翼尖、前緣、尾翼翼尖以及平前緣等均為U形截面，由復(fù)合材料U形層壓蒙皮或蜂窩芯、泡沫芯夾芯蒙皮和C形層壓或蜂窩芯、泡沫夾芯加強(qiáng)筋組成，均采用復(fù)合材料蒙皮加筋的結(jié)構(gòu)形式，其蒙皮和筋板采用緊固件連接[3]。復(fù)合材料構(gòu)件整體化可以通過減少零件數(shù)量和緊固件數(shù)量達(dá)到減重目的，已成為復(fù)合材料構(gòu)件發(fā)展的一大趨勢(shì)。為了達(dá)到減重的目的，工程設(shè)計(jì)中將腹鰭、翼尖等復(fù)合材料組件的蒙皮和筋板的連接形式由緊固件連接改為了結(jié)構(gòu)膠黏劑膠接，從而使其成為一個(gè)膠接整體，無(wú)需緊固件連接[4]。該類構(gòu)件一般為深U形雙曲度外形，開口寬度和深度比例在0.4以下，操作空間狹小，造成了筋板和蒙皮定位、夾緊、膠黏劑固化等問題[5]。本文通過對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型工藝的對(duì)比，選取二次膠接工藝，并對(duì)采用的膠接夾具結(jié)構(gòu)、加熱加壓工藝進(jìn)行了研究和驗(yàn)證，為類似復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)提供了工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

1 U形雙曲率蒙皮加筋復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

本試驗(yàn)件由U形雙曲率復(fù)合材料層壓蒙皮和4塊復(fù)合材料C形層壓筋板組成，蒙皮外廓尺寸為 1 040 mm×120 mm×195 mm，厚度為2.5 mm，鋪層為[0°/±45°/90°/±45°/0°]S；筋板外廓尺寸為160 mm× 115 mm×25 mm，厚度為1.0 mm，鋪層為[0°/±45°/90°/ ±45°/0°]。

1.2 材料和設(shè)備

復(fù)合材料蒙皮和筋板材料選用美國(guó)Cytec公司的MXB7701-1581環(huán)氧玻璃纖維預(yù)浸料，單層厚度為0.24 mm，樹脂含量為36%～40%；膠黏劑選用美國(guó)Cytec公司生產(chǎn)的FM73M環(huán)氧帶載體膠膜，厚度為0.25 mm，膠膜單位面積質(zhì)量為293 g·m-2。

預(yù)浸料固化設(shè)備選用德國(guó)肖茨公司生產(chǎn)的熱壓罐，有效尺寸為3 m×6 m，最高溫度為250 ℃，最大壓強(qiáng)為1.2 MPa，溫均性為±5.6 ℃；膠黏劑固化設(shè)備選用法國(guó)法賽圖固化爐，有效尺寸為6 m×3 m，最大溫度為200 ℃，溫均性為±6 ℃；無(wú)損檢測(cè)設(shè)備選用超聲A掃描無(wú)損探測(cè)儀；測(cè)力工具選用數(shù)顯測(cè)力計(jì)，量程為100 N。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

膠接過程預(yù)裝筋板和蒙皮的配合間隙小于0.15 mm， 局部大于0.20 mm時(shí)，可增加1層膠膜補(bǔ)償。外形采用貼模檢查的方法，零件自由狀態(tài)下貼模間隙不大于0.3 mm，若超過0.3 mm，允許間隔250 mm施加50 N的力，且貼模間隙不大于0.2 mm。蒙皮、筋板零件及膠接后的內(nèi)部進(jìn)行超聲無(wú)損檢測(cè)時(shí)，允許的分層、空洞或脫黏的最大缺陷尺寸為X+Y＜2Z，其中：Z為9 mm；X、Y分別為缺陷的長(zhǎng)和寬的最大外廓 尺寸。兩個(gè)或兩個(gè)以上缺陷區(qū)域邊緣最小距離大于100 mm。筋板軸線度公差為±1.5 mm。

2 工藝研究

2.1 試驗(yàn)件成型方案

復(fù)合材料成型工藝分為共固化、共膠接、二次膠接3種形式。其中：共固化是指不同的復(fù)合材料構(gòu)件在一次固化過程中同時(shí)完成自身固化和相互膠接固化的工藝方法；共膠接是指把一個(gè)或多個(gè)已經(jīng)固化成型而另外一個(gè)或多個(gè)尚未固化的構(gòu)件通過膠黏劑（一般為膠膜）在一次固化中將它們固化并膠接成一個(gè)整體組件的工藝方法；二次膠接是指用膠接方法把兩個(gè)或多個(gè)已固化的復(fù)合材料構(gòu)件連接在一起，膠黏劑（膠膜）在膠接過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而固化的工藝方法。3種成型方案的對(duì)比分析表如表1所示。

表1 試驗(yàn)件成型方案分析

2.1.1 共固化成型方案

共固化成型即蒙皮和筋板各自在鋪貼模上鋪貼，然后在膠接工裝上進(jìn)行定位、組合，再由熱壓罐固化，采用凹模組合式工裝的成型方式[6]。凹模預(yù)浸料鋪貼困難、層間不易壓實(shí)、料片易架橋，而且組合后制袋工藝復(fù)雜，若傳壓不良還會(huì)導(dǎo)致蒙皮層間出現(xiàn)孔隙超差、分層等缺陷。筋板需要凈尺寸成型增加了工裝和零件制造難度[7]。由于濕狀態(tài)下預(yù)浸料厚度的影響，定位誤差較大，組合式工裝各零件制造精度和裝配精度要求較高，易出現(xiàn)軸線度超差及傳壓不到位而引起的膠接面脫黏現(xiàn)象。工裝包括筋板鋪貼模、蒙皮成型和膠接共用組合式專用膠接夾具。

2.1.2 共膠接成型方案

共膠接成型可以是固化后的蒙皮和未固化的筋板進(jìn)行膠接共固化，即蒙皮采用凸模鋪貼、軟模輔助成型固化，筋板采用鋪貼模鋪貼后轉(zhuǎn)移到膠接夾具上與蒙皮定位、組合，并進(jìn)行熱壓罐固化。此時(shí)工裝包括蒙皮成型模、筋板鋪貼模、組合式專用膠接夾具。此外，共膠接成型也可以是固化后的筋板和未固化的蒙皮進(jìn)行膠接共固化，即筋板采用凹模鋪貼、軟模輔助成型固化，然后與蒙皮進(jìn)行定位、組合，并進(jìn)行熱壓罐固化[8]。此時(shí)工裝包括筋板成型模、蒙皮成型和膠接共用組合式專用膠接夾具。由于熱壓罐固化真空袋制袋工藝復(fù)雜，打袋困難，容易導(dǎo)致傳壓不充分，從而引起蒙皮和筋板孔隙超差或分層、蒙皮和筋板膠接面脫黏。另外，組合式成型膠接夾具誤差積累、濕狀態(tài)的零件定位和成型，都易導(dǎo)致筋板軸線度超差。

2.1.3 二次膠接方案

二次膠接是將蒙皮和筋板分別鋪貼、固化、成型的工藝方式，成型后的產(chǎn)品厚度及外形尺寸準(zhǔn)確。固化狀態(tài)下的零件定位簡(jiǎn)單，易實(shí)施。該方案實(shí)施過程中，需要采用固化爐加溫，由機(jī)械加壓粘接筋板和蒙皮，但是不用制袋，產(chǎn)品成型周期短，無(wú)需熱壓罐，成本較低。工裝包括蒙皮成型模、筋板成型模、專用膠接夾具。

通過以上分析，試驗(yàn)件成型選用二次膠接工藝 方案。

2.2 膠接夾具的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用凹模、卡板式支撐，在蒙皮兩端及對(duì)應(yīng)筋板的位置設(shè)置外形支撐卡板，并在等距離粘貼1 mm的橡膠板，在每個(gè)筋板位置設(shè)置螺旋式加壓裝置。加壓裝置由支架、螺母、旋轉(zhuǎn)螺桿、定位壓緊塊等組成。在筋板根部留10 mm余量，其上設(shè)置Φ2～4 mm定位孔，與定位塊用定位螺釘連接。定位塊與旋轉(zhuǎn)螺桿連接有自適應(yīng)性，即定位塊可沿筋板平面根據(jù)筋板和蒙皮的配合面進(jìn)行適度調(diào)整，但另一垂直方向需嚴(yán)格控制精度，否則會(huì)引起軸線度偏移。試驗(yàn)證明，在外形支撐卡板上加橡膠墊和定位塊的自適應(yīng)設(shè)計(jì)很好地解決了蒙皮外形定位、筋板和蒙皮定位的問題，從而使膠膜厚度、壓力傳遞都得 到了保證。

2.3 加熱加壓工藝

膠膜的固化工藝為：第一，加壓到0.17～0.69 MPa， 并以小于5 ℃·min-1的速率升溫；第二，在116～ 126 ℃下保溫至少90 min；第三，在適當(dāng)壓力下以小于等于5 ℃·min-1的降溫速率降溫到65 ℃以下出加熱設(shè)備。由此可以得出：升降溫速率范圍較寬，固化爐加熱可以滿足要求，機(jī)械加壓方案可行。

組合筋板與蒙皮時(shí)，要求模具緊密貼合且裝配到位，并要對(duì)筋板進(jìn)行預(yù)壓實(shí)。由于膠膜固化前比固化后厚，且膠膜加溫后會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，筋板和蒙皮之間的間隙會(huì)發(fā)生變化。按照膠膜特性，膠膜加熱到80 ℃時(shí)發(fā)生軟化。因此，要先將零件推入固化爐，加熱到75～85 ℃后再將壓緊塊旋壓到規(guī)定位置，進(jìn)行持續(xù)固化。壓緊過程中，膠接面必須要有膠膜溢出，膠膜溢出量為1～2 mm。試驗(yàn)證明，通過測(cè)量固化后的膠層厚度以及確定加壓裝置的限位位置，能夠保證膠接厚度的一致性，從而保證膠接質(zhì)量。

3 結(jié)論

在膠接夾具內(nèi)對(duì)試驗(yàn)件外形進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示其與夾具型面的間隙小于0.3 mm。對(duì)局部超過0.3 mm 的型面采用測(cè)力計(jì)進(jìn)行施壓，測(cè)力計(jì)顯示加力數(shù)值在50 N以下時(shí)，試驗(yàn)件外形和夾具間隙小于0.2 mm，外形滿足設(shè)計(jì)要求。采用超聲測(cè)量?jī)x對(duì)膠接面內(nèi)部進(jìn)行質(zhì)量探測(cè)，無(wú)分層、脫黏缺陷，無(wú)損檢測(cè)膠接質(zhì)量合格。按膠接夾具設(shè)置的筋板軸線檢驗(yàn)卡板進(jìn)行筋板軸線度檢測(cè)，軸線度保持在±1 mm內(nèi)，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。綜上所述，可得出以下結(jié)論：（1）對(duì)于U形雙曲率蒙皮加筋板復(fù)合材料構(gòu)件，二次膠接工藝是能夠保證膠接質(zhì)量且生產(chǎn)效率較高的成型工藝；（2）針對(duì)二次膠接工藝和膠膜材料特性，采用固化爐加熱、機(jī)械加壓的成型工藝對(duì)保證膠接質(zhì)量起到了關(guān)鍵作用；（3）針對(duì)此結(jié)構(gòu)，研制了自適應(yīng)定位的膠接夾具，能夠滿足各次級(jí)件的定位、固定和膠接功能，產(chǎn)品質(zhì)量一致性較好。