高密肋結構整體壁板VARI成型技術研究

蘇 霞 閆 超 李祎燊 楊紹昌 程 龍

（1 中航西安飛機工業集團股份有限公司，西安 710089）

（2 西北工業大學，西安 710072）

0 引言

復合材料自問世以來就一直在航空工業中發揮著重要作用，受到飛機結構設計師的青睞，在航空結構上獲得了廣泛的應用，目前復合材料在飛機結構中的用量是體現飛機結構先進性的標志，也是大幅度提高飛機性能的重要保證［1-2］。隨著飛機制造技術的發展，活動面等關鍵部段越來越多地采用整體壁板結構形式，復雜結構的整體成型技術應運而生。低成本制造工藝中的典型工藝VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）成型工藝具有靈活度高、組合性強的特點，可成形尺寸精度高、結構復雜多變的整體結構［3-4］。

本文選擇活動面結構中常用的高密肋結構壁板典型結構作為研究對象，從高密肋結構模具設計與制造、預制體制備、注膠口/出膠口選擇等進行分析研究，探索一種加工精度高、整體成型好、制造效率高，制造成本低的工藝方法，擬在型號中推廣應用。

1 樣品制備

1.1 結構與選材

截取高密肋結構壁板典型結構，由蒙皮、兩個工型筋條、三個C 型筋條組成，如圖1 所示。蒙皮為變厚度結構，其最大厚度為4.96 mm，最小厚度為2.4 mm；C 型筋條等厚結構，厚度均為2.24 mm；工型筋條變厚結構，最大厚度為4.48 mm，最大高度為93.9 mm。樹脂選用高溫固化環氧樹脂5284VARI，織物選用帶定型劑的U3160單向織物。

圖1 高密肋結構壁板示意圖Fig.1 Schematic diagram of high-density rib structure plate

1.2 主要技術指標

主要技術指標見表1。

表1 主要技術指標Tab.1 The main technical parameters

1.3 工藝方案與制造流程

采用VARI 工藝實現零件的一次性整體成型，其產品制造流程如圖2所示。

圖2 高密肋結構壁板制造流程Fig.2 Manufacturing process of high-density rib structure plate

1.4 預定型工藝選擇

預成型體的制備是VARI 工藝中重要的部分，為滿足制件定型要求，需要選擇相應合適的定型參數，相應的參數選擇區間由材料性能和低成本的制造工藝原則進行確定。分別選擇2%、4%、6%的定型劑，采用控制變量法分別測定溫度、壓力及保壓時間對纖維體積分數的影響。其測試結果分別如圖3～圖5所示。結果顯示升高溫度、增大壓力、延長時間都有利于增加纖維體積分數，最終纖維預成體的纖維體積分數趨于穩定，達到一個最大值。當預定型溫度、壓力、保壓時間分別為120 ℃、0.1 MPa、60 min時，使用4%濃度的定型劑制備的預制體最終纖維體積分數為60.4%，當定型劑濃度增加到6%時，最終預制體的纖維體積分數為60.41%，并沒有明顯變化。這也與相關研究的結論相符，在體積分數相同時，較大的定型劑濃度可能會導致纖維織物中空隙堵塞從而影響樹脂在其中的滲透性［5-6］。過高的溫度和過大的壓力會帶來制造成本的增加，因此綜合分析，預定型工藝選擇定型劑濃度為4%，溫度為120 ℃，壓力為0.1 MPa，保壓時間為60 min為適宜的工藝參數。

圖3 定型劑濃度為2%時不同壓力壓實曲線Fig.3 Compaction curve with different pressure when setting agent concentration of 2%

圖4 定型劑濃度為4%時不同壓力壓實曲線Fig.4 Compaction curve with different pressure when setting agent concentration of 4%

圖5 定型劑濃度為6%時不同壓力壓實曲線Fig.5 Compaction curve with different pressure when setting agent concentration of 6%

1.5 注膠方案選擇

高密肋壁板具有變厚度、多特征區域的結構特點，樹脂在注塑過程中易出現流動前鋒不一致，造成干斑、貧膠等缺陷。因此，為保證樹脂流動前鋒推進一致，樹脂流動距離最短，注膠時間最短，保證在樹脂的工藝窗口完成對纖維預制體的完全浸潤，根據VARI 成型的工藝特點，基于對加強肋等特征區域分區注射的控制方法，分析高密肋壁板的結構特點確定了三種注膠方案［7-9］。分別為線注射-線冒口、線注射-點冒口、線注射-線冒口+筋點冒口，采用PAMRTM 軟件對三種方案進行模擬仿真，模擬結果如圖6～圖8 所示。通過模擬仿真發現采用線注射-線冒口，樹脂流動前鋒工型筋條流動滯后，易導致工型筋條樹脂浸潤不充分，內部產生空腔等無損缺陷。采用線注射-點冒口樹脂流動前鋒基本一致，但樹脂浸潤時間較長，同時由于筋條高度以及樹脂的質量作用，筋條浸潤不完全。采用線注射-線冒口+筋點冒口，樹脂浸潤時間最短，通過控制筋條位置冒口的開關，控制筋條位置的流動前鋒，可以使蒙皮與筋條的流動前沿一致，從而實現整體結構的完全浸潤，保證制品的內部質量。故模具設計時選擇線注射-線冒口+筋條點冒口注膠方案。

圖6 線注射-線冒口模擬仿真圖Fig.6 The simulation diagram of line injection -line riser

圖8 線注射-線冒口+筋點冒口模擬圖Fig.8 The simulation diagram of line injection -line and point riser

1.6 工裝設計分析

工型和C 型筋條下緣面因與壁板整體成型，固化后無法進行邊緣修整，故筋條下緣條凈尺寸，根據修整工具的可行尺寸，其余各邊均保留5或15 mm 的余量以方便固化成型的修整。工裝的非余量區域皆留有適當高度的凸臺，以保證工裝間的無間隙配合，避免樹脂流入縫隙造成零件的局部富樹脂。工裝型板厚度為50 mm，以保證工裝剛度，在溫度場作用下不宜變形。筋條上緣條面為裝配面，為保證裝配面平整度，設計剛性壓力墊。為避免棱邊過于尖銳造成真空袋的破損，同時便于工裝模具的加工，工裝外緣與真空袋接觸的棱條倒3～5 mm的圓角。

1.7 預制體制備及制袋

根據操作可行性及相應的設計要求，單向纖維織物鋪貼時保證纖維角度容差±3°。為提高纖維預制體纖維體積分數，采用多次分層壓實的方法，每鋪3～5層抽真空壓實一次，壓實真空值至少0.08 MPa，時間至少15 min，以保證纖維織物層間壓實。分別將蒙皮、C型筋條、工型筋條預制體鋪貼完成后，將脫模布、導流網依次鋪到蒙皮上，再放置軟模。將工形筋條和C形筋條按工裝要求進行裝配。根據確定好的注膠方案布置注膠口和出膠口。在蒙皮預成形體的前端和后端分別布置螺旋管作為線注口和線出膠口，螺旋管比蒙皮長度短3～5 mm，在筋條出膠口上鋪放透氣氈Airweave N10，放置膠座連接樹脂管。在制件兩個對角余量處放置熱電偶。并進行滲漏檢查，對零件抽真空至少15 min，真空度不低于0.08 MPa，關閉真空，真空滲漏率不超過0.017 MPa/5 min，以此保證在樹脂滲流填充預制體過程中壓力梯度維持在預設值，過程如圖9所示。

圖9 預制體制備及組合示意圖Fig.9 Preform preparation and combination schematic diagram

1.8 注膠及產品固化

在VARI成型工藝中，注冒口的壓力梯度是樹脂流動速度和填充時間的重要影響因素，保證在樹脂注塑過程中真空度也是保持預制體厚度、增加纖維體積分數和提高成型質量的關鍵［10-11］。按照成型工裝—樹脂收集器—真空系統順序，將所有除注膠口外樹脂管連接真空系統，打開夾子直到真空度穩定在≥0.08 MPa，夾緊模具與真空系統連通的樹脂管，確保10 min后真空數值無變化，再次連通上述真空系統。

注膠時通過控制出膠口開關順序可使冒口關閉的相應區域樹脂流動減緩，從而調整各特征區域樹脂流動情況，最終使蒙皮和筋條流動前鋒推進基本保持一條直線。在實際樹脂填充過程中，當蒙皮流動前峰距離蒙皮邊緣還有10 mm 時，打開所有冒口。待所有冒口都有樹脂溢出5 min 后，用夾子夾緊除注口處所有冒口，繼續充模5 min 后，用夾子夾緊注口。注膠過程中樹脂流動前鋒如圖10所示。

圖10 樹脂流動前鋒Fig.10 Diagram of resin flow front

按照文件要求的固化參數將零件進行固化，脫模修整，經尺寸及無損檢測，各項指標滿足設計要求。產品如圖11所示。

圖11 產品實物圖Fig.11 Product physical drawing

2 結果分析

產品外形、軸線度、厚度、尺寸、內部質量經檢測滿足設計要求。

為驗證零件力學性能及內部質量，對產品隨爐試件按照ASTMD 標準進行拉伸、壓縮、彎曲以及剪切力學性能測試，測試結果滿足設計技術要求。對產品余量區試樣進行電鏡掃描，測定孔隙率為1.71%，電鏡掃描照片如圖12所示。

采用硫酸消化法，對產品纖維體積分數進行測定，測試結果顯示產品的纖維體積分數為56.3%。

3 結論

（1）針對U3160單向織物的壓縮性進行了實驗與分析，確定了既符合低成本制造原則又可獲取較高預制體纖維體積分數相應的工藝參數和壓實方法。定型工藝參數選擇定型劑濃度為4%、溫度為120 ℃、壓力為0.1 MPa、保壓時間為60 min，同時每鋪3～5層抽真空壓實一次，壓實真空值至少0.08 MPa，時間至少15 min，可獲得較高纖維體積分數預制體。

（2）對高密肋壁板這種多特征區域的結構件進行了結構特點分析并根據分區注膠的思想進行了數值仿真模擬和實驗驗證，得出采用線注射-線冒口+筋條點冒口注膠方案為最佳注膠方案，同時在樹脂填充過程中，通過控制出膠口開關順序，能夠調整各特征區域樹脂流動情況。驗證了對于較大尺寸的復雜結構零件VARI工藝分區注膠的有效性。