基于VARI工藝的J型加筋壁板成型工藝研究

張 琳，黨 杰

（西安航空職業技術學院，陜西西安 710089）

隨著復合材料制造技術的不斷發展，復合材料用量在航空航天、民用領域的應用也越來越多。加筋壁板是廣泛應用于飛機機身、翼面等部位的典型復合材料結構件之一，其傳統的制造方法是使用螺釘將蒙皮與筋條結構連接起來，緊固件數量多，制品整體重量大，裝配成本高。為了減少緊固件使用，降低制品重量，加筋壁板的制造逐漸采用整體成型技術。VARI（真空輔助樹脂灌注）成型工藝是一種適合大型復合材料制件整體成型的低成本制造技術，它作為液體成型技術中最具有發展前景的技術之一，在軍、民機以及汽車領域獲得了越來越多的應用［1-4］。

1 VARI 成型工藝簡介 ［5］

VARI成型工藝的原理是：將按結構和性能要求制備好的纖維預制體放置在模具上，在真空條件下排除纖維增強體中的氣體，使液態樹脂在預制體內流動、滲透，實現對預制體纖維及其織物的浸潤，再經一定溫度下固化、冷卻脫模后得到能夠承載的復合材料構件。VARI成型工藝流程如圖1所示。

圖1 VARI成型工藝流程圖Fig.1 Flow chart of VARI molding process

VARI成型是在一定的真空條件下完成的，樹脂流動由真空壓力驅動，因此不需要熱壓罐，這樣既省去了熱壓罐及配套設備的投入，又避免了成型構件尺寸受熱壓罐尺寸限制的缺點，尤其適合制造大型、超大型復合材料構件。同時還可以結合縫合、編織等手段實現復雜構件的整體成型，從而減少了零件及緊固件數量，降低了裝配成本。成型的制品孔隙率低，力學性能與熱壓罐工藝制品接近。當然，VARI制品也存在一些缺陷，其常見缺陷及形成原因、影響因素和防止措施見表1［6-9］。

表1 VARI制品常見缺陷、形成原因、影響因素和防止措施Table 1 Common defects, causes, influencing factors and preventive measures of VARI products

2 一種高性能VARI工藝成型J型加筋壁板的出膠結構和方法

目前，航空復合材料J型加筋壁板逐漸采用VARI工藝成型，但采用單面模具容易發生樹脂浸潤不徹底，在R區易產生樹脂堆積和纖維堆積，最終產品表面產生干斑、缺膠缺陷，無損檢測時內部為空隙密集。圖2為某民用飛機上的J型加筋壁板的成品結構示意圖，它是由J型筋條和碳纖維織物組合的碳纖維復合材料制品，J形筋條預制體的結構拆解圖如圖3所示。為了避免用傳統單面模具成型該制品產生干斑、缺膠等缺陷，本文提出了一種高性能VARI工藝成型J型加筋壁板的出膠結構和方法，采用陰模和陽模結構取代傳統的單面模具，提高了樹脂沿長度方向的流動性，保證樹脂能夠完全浸潤預制體。

圖2 J型加筋壁板成品結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the fi nished product structure of J-shaped stiffened wall panel

圖3 J型筋條預制體的結構拆解圖Fig.3 Structural disassembly diagram of J-shaped rib preform

2.1 高性能VARI工藝成型J型加筋壁板的出膠結構

高性能VARI工藝成型復合材料的出膠結構如圖4所示，包括蒙皮和陰陽模成型結構，陰陽模成型結構設置在蒙皮上。陰陽模成型結構包括陰模和陽模。使用時，陽模固定在蒙皮上，陰模安裝在陽模上，蒙皮上鋪設碳纖維織物，陰模和陽模之間為J型筋條預制體。

圖4 出膠結構的結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the glue out structure

陽模包括陽模本體和定位塊A，如圖5所示。陽模本體的橫截面為矩形，縱截面為直角梯形，其兩端分別設有第一定位孔。陽模本體的兩端端面上分別設有定位塊A，每個定位塊A上分別開設有第二定位孔。

圖5 陽模的結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the male mold

陰模包括Z型本體和定位塊B，如圖6所示。 Z型本體一端的高度低于另一端的高度，即Z型本體的較高端為大Z端，較低端為小Z端。Z型本體上設有Z型容置腔，Z型本體的上部布置有導口，導口與Z型容置腔連通。導口是直徑為1～2 mm的圓孔，至少設計為兩排，每排的數量至少為三個，可以通過導口導氣、注膠以及出膠。另外，也可以單獨在Z型本體上設置注膠口和出膠口，且注膠口優選設置在Z型本體的大Z端端面上，出膠口優選設置在Z型本體的小Z端端面上。Z型本體的上部兩端面上分別設有定位塊B，每個定位塊B上設有第三定位孔，第三定位孔與第一定位孔所在位置上下對應。

圖6 陰模的結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the female mold

2.2 高性能VARI工藝成型J型加筋壁板的方法

利用上述出膠結構成型復合材料，具體包括如下步驟。

（1）將含有定性劑的碳纖維織物鋪貼至蒙皮上。

（2）在陽模本體上鋪貼C型預制體，將C型預制體的上端底面壓在陽模本體的上表面，將C型預制體的下端底面壓在陽模本體的下表面，C型預制體鋪貼完成后，通過加熱完成C型預制體定型。

（3）在陰模本體上鋪貼Z型預制體，將Z型預制體的上端底面壓在陰模本體的Z型容置腔的上表面，將Z型預制體的下端底面壓在陰模本體的Z型容置腔的下表面，Z型預制體鋪貼完成后，通過加熱完成Z型預制體定型。

（4）將陽模本體連同C型預制體壓在碳纖維織物上，用螺栓分別穿過陽模本體兩端端面上的定位塊A上的第二定位孔，將陽模與蒙皮固定在一起；將Z型本體連同Z型預制體（預先在Z型本體和Z型預制體之間鋪放好輔助材料隔離膜和導流布）壓在鋪有C型預制體的陽模本體上，使Z型本體上部兩端面上的定位塊B上的第三定位孔與陽模本體兩端的第一定位孔上下對應，然后用螺栓將陰模與陽模固定在一起。

（5）在Z型本體表面鋪放輔助材料導流管、真空管等，整體封裝真空袋，之后在Z型本體的上表面兩端分別設置注膠口和出膠口，注膠口設置在大Z端，出膠口設置在小Z端，連接樹脂收集器和真空泵檢查氣密性。

（6）將出膠結構及預制體（預制體為由C型預制體和Z型預制體組合的J型筋條預制體及碳纖維織物）升溫至注膠溫度，然后通過步驟5設置的注膠口進行注膠，注膠完成后進行固化，固化完成后脫模，即可得到J型加筋壁板復合材料制品，該制品與傳統方法成型制品的質量對比情況見表2。

表2 與傳統方法成型制品的質量對比情況Table 2 Quality comparison of molded products with traditional methods

3 結論

（1）采用陰陽模成型結構，且陰模本體上設置多排均布圓形導口，通過均布導口的導氣作用，可以提高樹脂沿長度方向的流動性，增加樹脂的浸潤能力，有利于樹脂完全浸潤預制體，這是避免J型加筋壁板的表面產生干斑、缺膠缺陷的有力措施。

（2）陰模和陽模上均設有定位孔，三組定位孔既能保證模具各部分的裝配位置準確，又能保證陰模、陽模、蒙皮裝配聯接后緊密貼合，成為一個牢固的整體，從而可以防止后續注膠過程中陰模發生浮動或移位造成的工件厚度尺寸不準確。

（3）在Z型本體的上表面兩端分別設置注膠口和出膠口，注膠口設置在大Z端，出膠口設置在小Z端。從模具上部注膠，借助重力作用有利于樹脂自上而下流動，提高了樹脂沿高度方向的流動性。

總之，VARI工藝以其強大的優勢在航空航天制造等領域占據了一定的地位，其應用越來越廣泛。本文提出的高性能VARI工藝成型J型加筋壁板的出膠結構和方法有利于保證產品質量，有效地避免了干斑、缺膠等缺陷的出現，具有一定的推廣價值。