碳纖維復合材料T形長桁類零件熱隔膜成型工藝研究

王學春 WANG Xue-chun；劉浩軒 LIU Hao-xuan；劉訓新 LIU Xun-xin；黃雪萌 HUANG Xue-meng；白婭萍 BAI Ya-ping

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，西安 710089）

0 引言

航空航天結構件由于特殊的應用環境，對于減重要求較為苛刻，為了充分發揮材料性能，經常會采用諸如L形、J形、T形、工形等各種長桁作為蒙皮結構的加強筋，從而使結構件剛度和強度提升。復合材料因其具備低密度、高強度、高剛度、可設計性強以及可整體化成型等優點，越來越多的被應用于大型化和復雜化的飛機結構中[1]。

目前國內普遍采用傳統手工鋪貼的制造工藝，且產品質量過多地受到人為因素的牽制，使得產品穩定性差且生產效率低。而國內某民用飛機的尾翼壁板，則計劃采用自動鋪帶機成型蒙皮，以及長桁前的平板胚料，并采用熱隔膜設備進行預成型，通過一種特制膜的輔助作用經過抽真空和熱輻射加熱等方法[2]，將層壓平板壓向工裝，以形成所需形狀，最后通過翻轉設備完成長桁與蒙皮的組合，送進熱壓罐共固化成型。全自動化的工藝方案，具有成型效率高、成本低、可制備高表面質量的復雜零件等優點[3]，受到廣泛關注。

國外在熱隔膜預成型工藝技術領域已開展了較為充分的研究，該工藝已被成功應用于波音777長桁、V22長桁和A400M機翼前梁等大型構件中[4]。英國GKN公司采用雙隔膜制造了A400M機翼前梁，該構件是第一個用熱隔膜成型的大尺寸關鍵部件。B77和V22的長桁分別采用反向和正向熱隔膜成型法，該方法已發展成為一種重要的低成本制造技術[5]。

國內的全自動化技術尚處于實驗階段，加之熱隔膜預成型過程受到預浸料本身的物理特性、工藝參數的設定等諸多因素綜合影響，存在諸多尚未解決的難題。針對目前熱隔膜預成型技術工程化及自動化技術應用的需求日益迫切，本文采用成熟的自動鋪帶機及熱隔膜成型設備，對采用自動鋪帶鋪貼的平板胚料與熱隔膜預成型制造結合的成型工藝方法，對工藝參數及影響因素進行了研究，以求為國內民用飛機的自動化成型技術的工程化應用提供有益參考。

1 實驗方法

1.1 零件結構

選取長桁零件開展實驗，該長桁由左、右兩側L型腹板，底緣面及R區填充物共四部分組成。鋪層信息為單側腹板面共12層，除靠袋面第一層為玻璃布，其余11層為單向帶；底緣面共11層，為純單向帶。

1.2 材料及工裝

試驗件制造所涉及的材料為：①CYCOM977-2-35%-12KHTS-134-T1-ATL-150預浸料單向帶，35型2類134級，比利時Solvay公司；②MXB7668/120玻璃布，I型1類120規格，比利時Solvay公司；③輔助材料如透氣粘、隔離膜、真空袋等，美國Airtech公司。

試驗件制造所需的工裝：①鋼制平板工裝，用于平板胚料的自動鋪帶成型；②鋼制零件成型模，高度為167mm，用于長桁的預成型及固化。

1.3 設備簡介

本文采用奧地利FILL公司熱隔膜設備，由加熱框+隔膜框+真空臺（由10個加熱區組成）構成；通過一種特制膜的輔助作用經過抽真空和熱輻射加熱等方法，將層壓平板壓向工裝，以形成所需形狀；本次實驗采取單隔膜成型工藝，較為簡單，應用廣泛；具有改善原本手工鋪貼引起的壓實不好、纖維有褶皺屈曲等問題，保證產品R角質量，提高產品強度和表面質量等優點，適用于梁、長桁等的成型。

1.4 工藝方案和流程

第一步采用自動鋪帶機準備平板胚料。熱隔膜成型前一共需要用自動鋪帶機鋪放左腹板、右腹板和底緣面工3塊平板胚料。需要采用機器附帶超聲波銑刀將毛料裁切至所需尺寸。再將平板胚料轉運至成型工裝上。

第二步熱隔膜預成型。在成型工裝刷涂脫模劑，保證升溫過程中胚料不粘附于工裝上；通過叉車將成型模工裝裝夾到工作臺區域。平板胚料放置工裝上后需要在上表面鋪放一層隔離膜，尺寸比胚料稍大即可，然后用壓敏膠帶將其固定于成型模上，起固定作用；熱電偶在每個加熱區布置兩個即可，放置在余料邊緣區域，起監控記錄作用。接下來在熱隔膜機中進行預成型參數的設定。“加載方案”即運行程序，是由“HDF程序設定”+“加熱程序”+“加熱器設置”三部分組成。“HDF程序設定”即流程，“加熱程序”為流程中的子步驟，“加熱器設置”即對各區域加熱器功率的參數設定。

第三步熱壓罐固化。左右半模合模、加捻、鋪貼底緣面平板胚料、制袋、熱壓罐成型、手工切割、無損檢測。

2 實驗過程及分析

產品熱隔膜預成型過程中，設備系統的因素、工藝參數的設定和準備階段的操作細節，均可能對產品的性能和質量產生影響。本次熱隔膜試驗件的制造，設置了3個實驗組，通過控制變量、完善參數設定等，展開實驗研究，如表1所示。

表1 三個實驗組對比

上述實驗表明，實驗件1和2在平板胚料的轉運過程中，不采取任何防護措施，會造成纖維的屈曲褶皺，并且被污染。實驗件3通過在平板胚料上下表面覆蓋一層隔離膜，并在轉運過程使用專用拖板或零件轉移架，避免了轉運過程中平板胚料會產生的凹陷、屈曲和皺褶。

對于流程及參數設定，實驗件1先抽真空后升溫相較于實驗件2和3先升溫再抽真空的順序而言，對于預成型后零件的表面質量影響并不明顯。當試驗件抽真空的壓力由50kPa降至30kPa，且降溫取出零件的溫度從43℃升至50℃時，會發現產品腹板面并未緊密貼合工裝，回彈變形明顯，證明過低的抽真空壓力和過高的取出溫度會使得產品預成型效果不理想。同時，根據報告，完善加熱器功率參數，使加熱過程更高效，減少能源損耗。最終通過不斷優化和完善的實驗件3，零件腹板面基本無回彈、腹板面仍有少許隔離膜皺褶痕跡，推測兩個腹板半模的工裝存在一個沒有導氣的平面，造成產品質量問題；零件底緣面邊緣因全部用藍膠帶固定，因此較#1和#2滑移現象大大減小；R角處光滑無褶皺。三個實驗件的表面質量如圖1所示。

圖1 實驗件表面質量a.實驗件1；b.實驗件2；c.實驗件3

試驗件3的零件在熱隔膜成型后，左右半模合模、加捻、鋪貼底緣面平板胚料、制袋、最后通過熱壓罐成型。脫模后第一時間觀察到的產品表面質量如圖2所示。底緣面加捻量不夠，導致加捻區域有明顯的凹痕；在加捻區域的兩側存在一段寬15mm×長35mm左右的印痕，檢查發現是勻壓板表面存在的痕跡導致；靠工裝面表面質量較好；R角目視光滑無褶皺。

圖2 實驗件3 a.固化后底緣面表面質量；b.固化后腹板面表面質量

將試驗件3銑切后的兩根長桁去做超聲無損檢測，未檢測到任何質量缺陷，產品合格。對銑切后的兩根長桁厚度進行檢測，長桁腹板面及底緣面的統計數據分別如圖3所示。產品厚度均偏下限，但均在公差范圍之內；厚度偏下限的區域主要位于產品的端頭邊緣處；較同類型同材料的手工鋪貼固化的產品比較，厚度相近，由于材料本身的高樹脂流動性導致產片厚度便下差。

圖3 a.腹板面實測厚度；b.底緣面實測厚度

試驗件3截取了一小部分余量在顯微鏡下進行了金相分析，通過顯微鏡下可以明顯看出，加捻量不夠，如圖4a所示；R區質量較好，無纖維屈曲等，如圖4b所示。

圖4 實驗件3 a.三角填充區金相結果；b.長桁R區金相結果

3 結論

在熱隔膜成型時，預成型前準備和預成型過程中，操作優化、參數完善對零件產品質量產生的影響都有影響。平板胚料在自動鋪帶完成后轉移至成型模工裝待預成型的過程中，需要通過平板車轉運，且對于長桁類零件需要在左右半模的平板胚料底緣面用壓敏膠帶進行固定。在熱隔膜成型工藝中，影響產品的質量和性能的最主要因素是成型時間、成型壓力和成型溫度；成型溫度過低會使產品表面質量不佳，存在褶皺且孔隙率不達標，料層間的滑移能力也有所下降，若成型溫度過高則會使得樹脂溢出，最終導致產品的纖維體積分數減小；成型時間過短、成型壓力過低，取出后的產品會有回彈變形，降低零件的力學性能。試驗件制造結果表明，采用熱隔膜技術成型出來的產品會避免手工鋪貼時容易產生的R角褶皺，但對于產品結構更復雜、帶有曲率的長桁、梁等結構還有待做進一步的研究和探索。