夾層組件中蜂窩芯收縮控制技術(shù)研究

黃雪萌 成艷娜 白婭萍 楊益 李堯 王卓

摘 要：復(fù)合材料夾層組件中蜂窩芯與碳纖維預(yù)浸料共固化成型，工程上選用的進(jìn)口Nomex紙蜂窩芯（HRH-10-1/8-3.0）邊緣銑切角度及厚度尺寸較大，采用傳統(tǒng)膠膜穩(wěn)定化法預(yù)成型后仍存在不同程度的蜂窩芯收縮，變形量無法估計(jì)。通過開展技術(shù)研究，分別從蜂窩芯邊緣銑切角度、頂部R區(qū)尺寸、斜削角填充、蜂窩芯余量控制4個(gè)方面采取相應(yīng)的工藝措施。通過開展相關(guān)工藝試驗(yàn)證明了措施的可行合理，有效地解決了復(fù)合材料蜂窩夾層組件成型過程中蜂窩芯收縮問題。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;共固化成型;夾層組件;Nomex蜂窩芯;收縮控制

中圖分類號(hào)：????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）01-0019-04

Research on shrinkage control technology of honeycomb core in sandwich assembly

HUANG Xuemeng，CHENG Yanna，BAI Yaping，YANG Yi，LI Yao，WANG Zhuo

（AVIC Xi′an Aircraft Industry Group Company Ltd.，Xi′an 710089，China）

Abstract：Co-curing molding of honeycomb core and carbon fiber prepreg in composite sandwich assembly，the engineering selected imported Nomex paper honeycomb core（HRH-10-1/8-3.0）has larger edge milling angle and thickness，the honeycomb core shrinkage still exists more or less after preforming with the traditional film stabilization method，the amount of deformation is incalculable.In this paper，through technical research，the corresponding technological measures were taken from four aspects：the edge milling angle of the honeycomb core，the size of the top R zone，the Chamfer angle filling，and the control of the honeycomb core allowance.The feasibility and rationality of the measures were proved by the process test，and the shrinkage problem of honeycomb core in the forming process of composite honeycomb sandwich component was effectively solved.

Key words：composite material;co-curing molding;sandwich assembly;nomex honeycomb core;shrinkage control

復(fù)合材料具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、模量高、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其適用于大型及整體結(jié)構(gòu)，是理想的航空結(jié)構(gòu)材料，因此在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用日益廣泛。一種蜂窩夾層組件為了增加剛度和減輕質(zhì)量，選用的進(jìn)口Nomex（諾梅克斯）紙蜂窩芯（HRH-10-1/8-3.0）邊緣銑切角度為（27±3）°，厚度均為20 mm。對(duì)于Nomex蜂窩芯來說，蜂窩平面壓縮強(qiáng)度比較高，而在L向和W向則不具備較高的承壓能力，在熱壓罐內(nèi)進(jìn)行膠接共固化時(shí)，側(cè)向壓力會(huì)引起蜂窩芯的收縮失穩(wěn)變形。

針對(duì)蜂窩芯收縮問題，傳統(tǒng)的工藝方法是采用膠膜穩(wěn)定化法預(yù)處理。但邊緣銑切角度及厚度尺寸較大的蜂窩芯，采用傳統(tǒng)膠膜穩(wěn)定化法處理后仍存在不同程度的蜂窩芯收縮，變形量無法估計(jì)，最終成型的蜂窩芯夾層組件外形難以滿足外形要求。因此，傳統(tǒng)的工藝方法僅適合邊緣銑切角度及厚度尺寸小的蜂窩芯，針對(duì)邊緣銑切角度及厚度尺寸較大的蜂窩芯傳統(tǒng)的工藝方法已不再適用。

本文通過開展相關(guān)工藝試驗(yàn)，對(duì)夾層組件中蜂窩芯收縮影響因素進(jìn)行探討，對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式的蜂窩芯收縮控制方法進(jìn)行研究，有助于積累大邊緣銑切角度、大厚度蜂窩芯收縮控制經(jīng)驗(yàn)，為構(gòu)建在這類結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的其他零件的制造提供參考。

1 產(chǎn)品介紹

1.1 產(chǎn)品材料

預(yù)浸料樹脂體系：高溫固化環(huán)氧樹脂（Cytec公司生產(chǎn)）;預(yù)浸料增強(qiáng)材料：高模碳纖維（Cytec公司生產(chǎn)）;芳綸紙蜂窩芯材（Hexcel公司生產(chǎn)）。

1.2 結(jié)構(gòu)尺寸

組件的長(zhǎng)×寬×高為1 950 mm×910 mm×521 mm;蜂窩芯長(zhǎng)×寬×厚為962 mm×668 mm×20 mm。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

蜂窩夾層組件是一種常見的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)兼顧了零件結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度以及減重效果要求，其基本結(jié)構(gòu)為“三明治”結(jié)構(gòu)（見圖1）。

2 工藝方案

2.1 ?成型方法

復(fù)合材料制件的成型方法，是根據(jù)產(chǎn)品的外形、結(jié)構(gòu)與使用要求，結(jié)合材料的工藝性予以確定。通過分析各種成型方法的利弊，最后選擇了熱壓罐真空袋成型工藝方法。采用這種方法，成型模加工制造相對(duì)容易，利于產(chǎn)品的起模，工藝方法較易實(shí)現(xiàn)，且能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

工藝方法中先采用蜂窩穩(wěn)定化法將膠膜與蜂窩芯預(yù)先固化，形成預(yù)成型體，此時(shí)蜂窩芯下表面為固化后的膠膜，提高了蜂窩芯的抗側(cè)向壓力的能力。同時(shí)，由于蜂窩芯穩(wěn)定后不易變形，易于對(duì)蜂窩芯進(jìn)行機(jī)械加工，形成銳角面。之后再將上下表面濕蒙皮、蜂窩芯和膠膜按順序組合在一起，蒙皮的固化和面板與蜂窩芯的膠接固化一次成型。這種共固化成型方法芯子與面板粘接強(qiáng)度高，制造周期短、成本低，成型后的產(chǎn)品厚度相對(duì)均勻、力學(xué)性能可靠，保證了復(fù)合材料制件的內(nèi)部質(zhì)量和穩(wěn)定性。

2.2 ?工藝流程

工藝流程：

在工藝流程中，蜂窩芯存在收縮風(fēng)險(xiǎn)的工序發(fā)生在兩次進(jìn)熱壓罐固化過程中。為解決第一次蜂窩芯收縮，可增加穩(wěn)定化前數(shù)控銑切蜂窩芯的尺寸，相對(duì)減少穩(wěn)定化固化過程中蜂窩芯收縮量。為防止蜂窩芯與蒙皮共固化過程中蜂窩芯二次收縮，擬從蜂窩芯邊緣銑切角度、頂部R區(qū)尺寸及斜削角填充3方面開展技術(shù)研究。

3 ?技術(shù)研究

針對(duì)蜂窩芯夾層組件開展技術(shù)研究，制定初步工藝方案并安排針對(duì)性對(duì)比試驗(yàn)。采用4種工藝措施進(jìn)行技術(shù)研究。

3.1 工藝試驗(yàn)

3.1.1 制件介紹

制造夾層組件采取如下兩種成型工藝：穩(wěn)定化預(yù)成型和共固化成型。

制件尺寸：700 mm×700 mm;

蜂窩芯尺寸：500 mm×500 mm;

鋪層順序：45°/45°/0°/45°/0°/膠膜/蜂窩芯/膠膜/0°/45°/0°/45°/0°/45°。

3.1.2 固化參數(shù)

蜂窩穩(wěn)定化條件：固化溫度為175～185 ℃，保溫時(shí)間為2～2.5 h，成型壓力為0.080～0.1 MPa。

共固化條件：固化溫度為175～185 ℃，保溫時(shí)間為至少2 h，成型壓力為0.27～0.33 MPa。

3.1.3 試驗(yàn)方案

按表1共制作4組試驗(yàn)件，為達(dá)到對(duì)比試驗(yàn)效果，使用相同的預(yù)浸料及蜂窩芯材，在相同的固化參數(shù)下，僅將邊緣銑切角度、頂部R角尺寸、斜削角填充作為工藝試驗(yàn)中的單變量制作試驗(yàn)件2#～4#并分別與基礎(chǔ)試驗(yàn)件1#進(jìn)行對(duì)比。

3.1.4 試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，固化后試驗(yàn)件1#～4#中的蜂窩芯均存在不同程度的收縮變形，但對(duì)比試驗(yàn)件2#～4#蜂窩芯的收縮量相較于基礎(chǔ)試驗(yàn)件1#蜂窩芯的收縮量均有所減小，可見從蜂窩芯邊緣銑切角度、頂部R角尺寸及斜削角填充3方面可有效減小蜂窩芯收縮。從外觀質(zhì)量上看，試驗(yàn)件1#～3#中蜂窩芯的收縮帶動(dòng)表面蒙皮鋪層褶皺，組件外觀質(zhì)量差。試驗(yàn)件4#蜂窩芯收縮量較小，表面蒙皮鋪層平整，組件外觀質(zhì)量良好。

3.2 蜂窩芯邊緣銑切角度控制技術(shù)研究

一種夾層組件所選用的蜂窩芯相較于其他傳統(tǒng)蜂窩芯邊緣銑切角度大。零件在熱壓罐中共固化成型，在相同固化壓力的作用下（P1=P2），沿蜂窩芯側(cè)向產(chǎn)生的分力（P〃1和P〃2），是導(dǎo)致蜂窩芯在推力作用下發(fā)生收縮的主要原因。通過控制蜂窩芯邊緣銑切角度的公差，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，調(diào)整邊緣銑切角度公差（-3°～0°），減小邊緣銑切角度（α2<α1），可使得側(cè)向產(chǎn)生的分力減小（P〃2

3.3 頂部R角尺寸控制技術(shù)研究

頂部R角連接蜂窩芯斜削面及頂部平面，通過工藝研究，當(dāng)R值增大時(shí)，蜂窩芯斜削面到頂部平面過渡平緩，可有效減小蜂窩芯收縮量（頂部R角尺寸改進(jìn)見圖3）。工程模型要求R角尺寸范圍為20～50 mm，對(duì)于普通蜂窩芯，一般情況下，R角值為20 mm時(shí)蜂窩芯無收縮，但一種夾層組件所用的蜂窩芯當(dāng)R角值為20 mm時(shí)，蜂窩芯仍會(huì)收縮。通過工藝試驗(yàn)，針對(duì)一種蜂窩芯當(dāng)頂部R值為50 mm時(shí)，可有效減少蜂窩芯的收縮量。

3.4 斜削角填充控制技術(shù)研究

普通的進(jìn)口Nomex芳綸紙蜂窩芯無需在斜削角中填充泡沫膠，蜂窩芯也不易收縮;但一種夾層組件所用的蜂窩芯邊緣銑切角度、厚度尺寸大，在固化過程中斜削角易失穩(wěn)，導(dǎo)致最終蜂窩芯收縮變形。因此，在蜂窩芯周邊斜削角處芯子孔格中填充泡沫膠可加固斜削角，泡沫膠填充寬度為3～6 mm，防止蜂窩芯在固化壓力作用下斜削角失穩(wěn)收縮（見圖4）。

3.5 蜂窩芯余量控制技術(shù)研究

收集一種夾層組件中蜂窩芯的收縮數(shù)據(jù)，分析裝配結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求，優(yōu)化蜂窩芯加工余量。通過開展蜂窩芯外形銑切余量與穩(wěn)定化后蜂窩芯收縮量的關(guān)系驗(yàn)證試驗(yàn)（如圖5），可知當(dāng)蜂窩芯銑切余量為4 mm時(shí)，可與穩(wěn)定化預(yù)成型收縮量相抵消，消除了蜂窩芯第1次收縮風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)蜂窩芯銑切余量為5 mm時(shí)，穩(wěn)定化后蜂窩芯收縮量為4.5 mm。夾層組件最終選擇在蜂窩芯銑切時(shí)增加5 mm余量進(jìn)行修整，通過增加穩(wěn)定化前數(shù)控銑切蜂窩芯的尺寸，可控制穩(wěn)定化預(yù)成型過程中蜂窩芯的第1次收縮，從而相對(duì)控制蜂窩芯與蒙皮共固化過程中發(fā)生的2次收縮變形。

3.6 改進(jìn)效果

通過開展蜂窩芯邊緣銑切角度、頂部R區(qū)尺寸、斜削角填充及蜂窩芯余量控制技術(shù)研究，將四項(xiàng)研究成果均應(yīng)用于蜂窩夾層組件中。改進(jìn)前，蜂窩芯局部收縮10～20 mm，蜂窩芯收縮帶動(dòng)鋪層表面褶皺，改進(jìn)后，蜂窩芯無收縮，鋪層表面平整光順，最終得到滿足外形要求的蜂窩夾層組件。典型試驗(yàn)件改進(jìn)效果如圖6。

4 結(jié)語

（1）針對(duì)邊緣銑切角度及厚度尺寸大的蜂窩芯，膠膜穩(wěn)定化法無法控制蜂窩芯收縮變型，通過開展工藝改進(jìn)可從邊緣銑切角度、頂部R區(qū)尺寸、斜削角、數(shù)控銑切蜂窩芯余量四方面控制蜂窩芯變形，從而控制蜂窩夾層組件外形質(zhì)量;

（2）蜂窩芯減少邊緣銑切角度、增加頂部R區(qū)尺寸，可以有效減小蜂窩芯在固化過程中收縮變形。在斜削角填充發(fā)泡膠、優(yōu)化數(shù)控銑切蜂窩芯余量等工藝方法可以控制蜂窩芯外形尺寸，最終短艙蜂窩夾層組件外形滿足要求;

（3）本文總結(jié)出邊緣銑切角度及厚度尺寸大的蜂窩芯的成型經(jīng)驗(yàn)，控制蜂窩芯收縮的工藝方法，可以針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合使用，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件尤為重要。復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)蜂窩芯收縮的控制需要持續(xù)改進(jìn)，不斷試驗(yàn)積累數(shù)據(jù)并進(jìn)行調(diào)整，以期達(dá)到最理想的效果。

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