凹模成型C型復合材料梁制件制造技術研究

白婭萍 王浩軍 房曉斌 徐小偉 黃雪萌

摘 要：分析了不同工裝結構的優缺點，對于某型選用牌號CYCOM 970/PWC T300 3K環氧樹脂增強碳纖維預浸料的民用支線飛機8米級C型實體層壓復合材料梁，確定采用凸模鋪貼和凹模固化的制造方案，預先設計厚度為3.48 mm的特征試驗件，評估不同類型壓力墊制備試件質量;整條式硅橡膠壓力墊制備的3#試件，無損及外觀、厚度均滿足要求。選用整條式硅橡膠壓力墊，使用凸模鋪貼和凹模固化，制造出合格的8 m級C型梁零件。

關鍵詞：凹模成型C型梁;壓力墊類型;硅橡膠壓力墊;C型復合材料梁

中圖分類號：TQ050.4+3;TG76 ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0074-05

復合材料以其優異的抗疲勞、抗腐蝕、可設計性和卓越的減重效果，在飛機上應用逐漸增多[1]。國內外先進飛機中復合材料集中應用于機身、機翼、尾翼等主承力結構件中，部分飛機用量已超50%，其中樹脂基復合材料已成為應用主體[2]。國內復合材料的應用有較好的基礎，國內復合材料航空制件已進入結構整體化、大尺寸、主承力結構應用階段[3];制造技術智能化與產品質量穩定性要求更高[4]。復合材料制件由碳纖維織物、碳纖維單向帶、玻璃纖維織物等以不同鋪層、不同尺寸鋪疊而成;原材料屬性、幾何結構、鋪層設計等制件內部因素影響產品尺寸精度[5]。隨著復合材料制件在飛機上應用比重提升[6]，復合材料精確制造成為制造技術及質量提升的研究重點。

在熱壓罐高溫、高壓作用下，由于C型結構特征，制件固化變形和厚度偏差制約著飛機復合材料梁類制件的精確制造應用范圍。國內外學者針對C型結構制件固化變形與厚度之間關系，進行了大量研究，有學者對比分析了同等材料相同工藝參數條件下C型梁制件，16層厚度制件回彈變形小于8層厚度制件[7]。針對層合板結構，有學者對比分析了同等材料相同工藝參數條件下，4、8和16層制件變形翹曲情況，厚度越大，制件變形翹曲越小[8]。研究表明，同等材料體系和相同工藝條件下，復合材料結構的厚度越大則回彈越小。同一復合材料制件在熱壓罐中不同部位、制件不同厚度處溫度值不同，制件內部溫度場影響著制件的固化變形和制造精度。有使用有限元方法，模擬分析了復合材料制件厚度和纖維體積含量的固化度和溫度變化規律，結果表明：制件厚度越大，固化過程中溫度梯度越大，制件固化后殘余應力越高[9]。實際工程應用中，制件選用材料、鋪貼結構、鋪層厚度、裝配需求存在特殊要求，需借助已有研究成果，確定制造工藝方案。

1 研究內容及結果討論

1.1 研究背景

某型民用支線飛機大尺寸C型實體層壓梁，選用牌號CYCOM 970/PWC T300 3K環氧樹脂增強碳纖維預浸料，外形如圖1所示。梁總長度8 800 mm，腹板面寬220 mm，兩緣條高度60 mm;C型梁沿長度方向、寬度方向中心線均對稱，從端頭至中心處共3種厚度，分別為2.13、3.48和4.52 mm，不同厚度之間鋪貼光滑流線過渡;C型梁R區倒角半徑分別為6、7和9 mm;梁緣條與腹板夾角依據厚度與R區半徑過渡，由中心線夾角87.5°向梁端頭夾角84.5°過渡;產品設計要求該梁零件必須使用凹模成型，以確保裝配需求。本文結合工程實際，研究凹模成型該8 m級C型復合材料梁制造技術研究。

1.2 制造工藝方案

為保證制件成型質量，凹模鋪貼須使用壓力墊，以改善固化過程中壓力傳遞不均而導致的R區質量問題。首先使用專用的壓力墊成型工裝制造壓力墊，之后數控下料，在凸模上鋪貼;鋪貼完成后轉移至凹模上，放置壓力墊，制袋固化。具體制造工藝方案如圖2所示。

鋪墊模準備（凸模）→ 梁鋪貼→ 成型模準備（凹模）→ 坯料轉模→ 放置壓力墊→ 制袋→ 固化→ 脫膜→ 銑切→ 無損檢測→ 邊緣密封→ 噴漆→ 標識→ 檢驗→ 交付

1.2 工裝材料選用

工裝材料選用是復合材料制造技術的重點，常用的金屬工裝主要有鋼、鋁、Invar合金等;表1中列出了3種常見工裝材料的關鍵特性。

（1）鋼制工裝以其良好的耐久性、易于加工和低廉的價格，是碳纖維復合材料制件首選的工裝材料。但鋼制工裝相比碳纖維/環氧樹脂復材制件，具有較高的熱膨脹系數，不利用制件外形尺寸精確控制;

（2）鋁制工裝質量輕便、易加工，具更高的熱膨脹系數和更大的熱傳導系統，是玻璃纖維復合材料制件首選的工裝材料。但鋁制工裝表面易產生劃痕或裂紋，且耐久性差，對于多架次產品需頻繁更換工裝;

（3）Invar合金以其低膨脹合金特性，與碳纖維/環氧樹脂復材制件熱膨脹系數匹配度高，是目前制造碳纖維復合材料制件最佳的工裝材料;但其價格高昂，可加工性差，升溫速率較慢。對于制件外形要求高的梁、壁板等零件，常常選用Invar合金工裝。

結合以上分析，基于該梁結構特征和裝配要求，選用普通鋼凸模鋪貼、Invar合金鋼凹模固化的工裝方案，以確保制件比質量和外形尺寸精度。

2.3 工裝結構討論

熱壓罐固化復合材料C型梁制件，工裝模式通常分為凸模成型和凹模成型，凸模與凹模的工裝形式簡圖如圖3所示。

不同工裝結構對應不同工程設計需求零件，兩種成型方案的優缺點如表2所示。在實際工程中，平衡成本、質量、制造難點等因素，選取最佳工裝方案。針對該梁零件，有學者根據提取厚度、緣條夾角、腹板寬度、緣條高度、R角半徑等特征尺寸，選用了1.25°工裝型面補償角，選用凹模工裝，減小或消除最終成型后的復合材料產品的固化變形，降低了反復修模造成的高成本、長周期制造難點[10]。但制件制造過程中出現了R區厚度超差、R區無損質量、表面質量缺陷等問題，需要調整壓力墊形式實現質量提升。

2.4 凹模固化壓力墊類型討論

復合材料制件表面質量、內部無損質量和表面質量，受制于固化過程中制件承受壓力的作用。實際生產制造過程中，根據制件預浸料樹脂流動性、制件尺寸、固化壓力等選擇不同形式壓力墊。梁零件壓力墊材料一般選用Aircast 3700硅橡膠或Airpad材質與碳纖維共同體。壓力墊制造一般使用帶有芯模的壓力墊成型模，工裝內表面為梁零件內型面，芯模設置為高度可調節，以制造不同厚度規格的壓力墊用于試驗。

對于該8 m級零件，設計厚度為3.48 mm的典型特征試驗件，進行典型壓力墊類型確定討論，分別按照表3所列壓力墊類型制備梁試驗件，產品實物如圖4所示。表3中各試件對應簡圖中，橘黃色箭頭代表正常罐壓，紅色箭頭代表集中在圓角處的壓力，綠色區域代表潛在的低壓力區或痕跡線區域。以下結合表3結果，分析討論不同壓力墊類型試驗結果。

2.4.1 無壓力墊

不使用壓力墊制造的1#試件，R區無損檢測存在密集孔隙，內外表面質量較差。R區受壓不足，制件靠袋面即內R區表面纖維皺褶。R區壓力傳遞差，制件靠模面即外R區表面貧膠。固化過程中膠液向R區流動，R區靠袋面出現富樹脂區，厚度超差，制件整體厚度不均。因此，若使用凹模鋪貼，必須使用壓力墊。

2.4.2 僅R區硅橡膠壓力墊

使用僅R區Aircast 3700硅橡膠壓力墊制備2#試件，無損檢測合格;壓力墊邊緣處制件內表面存在壓痕，R區均勻，滿足要求;腹板面局部厚度超差。試件在罐壓作用下，不同區域承受的壓力不同，R區處壓力墊利于R區壓力更均衡，以減少制件褶皺、降低樹脂聚集、增加壓實度。壓力墊邊緣壓力傳遞不均，成型后制件上在綠色圓圈區域可見線和壓痕。

2.4.3 整條式硅橡膠壓力墊

使用整條式Aircast 3700硅橡膠壓力墊制備3#試件，無損檢測合格。整條式的壓力墊用來在角部聚集壓力，以減少褶皺、樹脂堆積和增減壓實度，同時提高制件表面質量。腹板面局部出現微小纖維皺褶和波紋，這是由于固化過程中硅橡膠與碳纖維預浸料坯體熱膨脹系統不一致，壓力墊與坯體之間配合不到位，導致部分區域出現波浪。檢查波浪區域厚度，厚度滿足公差要求。調整壓力墊尺寸后，此方案可作為產品制造備選。

2.4.4 分段式硅橡膠壓力墊

使用分段式Aircast 3700硅橡膠壓力墊制備4#試件，無損檢測合格。分段式壓力墊可看作2#試件用壓力墊改良，分段式硅橡膠壓力墊用來在角部增壓，以減少褶皺、樹脂堆積和增加壓實度。此種壓力墊消除了3#試件中腹板面纖維皺褶和波紋，壓力墊邊緣壓痕較2#試件細小。試件總體厚度合格，但由于局部壓力墊作用，腹板面厚度厚度不均。

2.4.5 2段式硅橡膠壓力墊

使用2段式Aircast 3700硅橡膠壓力墊制備5#試件，無損檢測合格。2段式壓力墊可看作4#試件用壓力墊改良，將壓力墊設計為漸變厚度，可以在角部增壓，以減少褶皺、樹脂堆積和增加壓實度。腹板面未出現皺褶和波紋，且壓力墊邊緣壓痕較4#試件細小。試件總體厚度合格，由于壓力墊較薄，厚度實測值趨上差。由于壓力墊較薄且邊緣脆弱，不適用于多批次使用。

2.4.6 Airpad一體式壓力墊

Airpad一體式壓力墊需使用專用工裝鋪貼制造。Airpad一體式壓力墊通常設計為1層Airpad+n層同產品材質預浸料+1層Airpad，即三明治結構，內外表面使用保證壓力墊的延展性，中間夾層使用同產品材質預浸料，以保證壓力墊剛性，并保證壓力墊與復合材料制件之間熱膨脹系統相差較小，Airpad一體式壓力墊，除圓角區域外為同等厚度，用來在圓角區域施加壓力。鋪貼后的預浸料坯體與固化后梁實體制件厚度存在差異，本試件所用壓力墊未使用梁實體制件制造，壓力墊與預浸料坯體配合度較差。因此，使用Airpad一體式壓力墊制備6#試件，無損檢測合格，內表面及R區存在皺褶，腹板面厚度合格但不均，R區厚度超厚。該類型壓力墊需使用熱壓罐高溫固化后成型，且Airpad壓力墊適用周期較硅橡膠壓力墊周期短。2.5 產品制造

依據以上試驗結果，明確了工藝方案，設計并制造用于成型產品的壓力墊成型模、凸模鋪貼模、凹模固化模，具體如圖5所示。結合生產實際和壓力墊適用周期，選用整條式硅橡膠壓力墊制造8 m級梁制件;壓力墊與梁實物如圖6所示。

3 結語

（1）飛機復合材料制件高度依賴于成型工裝，靠工裝表面的制件外形精確。在飛機設計過程中，基于裝配精度需求，設計規定制造時貼模面，該8 m級C型復合材料梁需凹模成型;

（2）凹模成型C型梁工藝有以下兩種形式：凹模鋪貼固化;凸模鋪貼后轉模至凹模制袋固化。本文分析了不同工裝結構的優缺點，對于該民用支線飛機8 m級C型復合材料實體層壓梁，確定采用凸模鋪貼凹模固化的工藝方案，能確保零件裝配精度，提高裝配表面質量。驗證了凸模鋪貼、凹模固化成型方法的可行性;

（3）設計厚度為3.48 mm的典型特征試驗件，通過不同類型壓力墊進行對比試驗，最終確定：對于選用牌號CYCOM 970/PWC T300 3 K環氧樹脂增強碳纖維預浸料的C型實體層壓梁，使用凹模成型時，整條式硅橡膠壓力墊和Airpad一體式壓力墊均可制備出合格的試件;

（4）凹模固化C型復合材料梁制件，R區厚度及表面質量受制于預浸料坯體上的壓力墊結構形式。不同結構壓力墊對于壓力墊傳遞和壓力均勻性調節作用不同，實際生產中需要結合制件所用材料、工程要求、工裝形式等確定壓力墊類型;

（5）為保證制件成型質量，凹模鋪貼須使用壓力墊，以改善固化過程中壓力傳遞不均而導致的R區質量問題。首先使用專用的壓力墊成型工裝制造壓力墊;之后數控下料，在凸模上鋪貼，鋪貼完成后轉移至凹模上，放置壓力墊，制袋固化。綜合成本及使用周期，最終選用整條式硅橡膠壓力墊，使用凸模鋪貼后凹模固化制造出合格的8 m級C型梁零件。

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