變厚度復(fù)合材料C型梁膠接固化成型技術(shù)改進及工藝優(yōu)化

摘 要：復(fù)合材料C型梁是飛機機翼結(jié)構(gòu)中的主承力零件，研究C型梁的高質(zhì)量成型對于飛機制造具有重要意義。本文介紹了一種變厚度復(fù)合材料C型梁的研制成型方法，對C型梁的結(jié)構(gòu)特點和成型難點進行了分析，具體介紹了零件成型的工藝方案和零件成型的質(zhì)量。結(jié)果表明，采用陽模鋪貼固化、預(yù)壓實、壓力墊輔助成型、犧牲層膠接共固化等成型工藝方案研制的復(fù)合材料C型梁，零件表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量、外形、隨爐試板性能等方面均滿足零件設(shè)計和裝配要求。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；C型梁；犧牲層；壓力墊

中圖分類號：TB332；TQ050.4 + 3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0061-04

ImprovementandprocessoptimizationofC-beambondingandcuring molding technology of variable thicknesscomposite materials

CAO Tao，ZHOU Pan，F(xiàn)ANG Xiaobin，DONG Jialei，LU Bin

（AVIC Xi’an Aircraft Industry Group Comapny Co.，Ltd.，Xi’an 710089，China）

Abstract：Composite C-beams are the main load-bearing components in aircraft wing structures，and it is of greatsignificance to study the high-quality forming of C-beams for aircraft manufacturing. In this paper，the developmentand molding method of a variable thickness composite C-beam was introduced，the structural characteristics andmolding difficulties of the C-beam were analyzed，and the process scheme of part forming and the quality of partforming were specified. The results showed that the composite material C-beam developed using molding processessuch as convex mold placement and solidification，precompaction，pressure pad assisted molding，and sacrificial lay?er adhesive co-curing can meet the design and assembly requirements in terms of surface quality，internal quality，appearance，and furnace test plate performance of the parts.

Key words：composite material；C-beam；sacrificial layer；pressure pad

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有比強度高、比剛度高、高可靠、抗疲勞、可設(shè)計性強等先進性能，是大型飛機理想的結(jié)構(gòu)材料，其在航空設(shè)計制造領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)從最初的次承力結(jié)構(gòu)（如舵面、阻力板、艙門）發(fā)展到機翼/機身（如機翼/機身壁板、梁、肋）等主承力結(jié)構(gòu) [1-4] 。復(fù)合材料在飛機主承力結(jié)構(gòu)件上的典型應(yīng)用當(dāng)屬機翼梁，國內(nèi)外飛機機翼結(jié)構(gòu)通常采用翼盒結(jié)構(gòu)布局，翼盒一般由前后梁、內(nèi)部翼肋框架和上下壁板組成。復(fù)合材料C型梁是翼盒中最主要的承力構(gòu)件 [5] ，一般由受剪切載荷的腹板和受軸向拉、壓載荷的緣條組成，其具有質(zhì)量輕、承載能力強、使用壽命長等優(yōu)異特點。

本文針對變厚度、外形精度要求高的復(fù)合材料C型梁，采用熱壓罐工藝制備方法，開展了相關(guān)技術(shù)研究，并對成型的C型梁的內(nèi)外部質(zhì)量進行了分析和討論。

1 試驗零件與研制方案

1. 1 零件介紹

1. 1. 1 零件結(jié)構(gòu)

零件為C型層壓結(jié)構(gòu)，長度為7 888 mm。零件厚度最大處為13 mm，零件存在7處厚度分區(qū)和多處臺階過渡，厚度從13 mm漸變到4.5 mm。零件兩側(cè)緣條面有犧牲層。

零件主體材料選用中航復(fù)材中心AC531/CCF800H碳纖維單向帶預(yù)浸料和AC531/CF8611 碳纖維織物預(yù)浸料，犧牲層材料選用3238A/EW250F玻璃纖維織物預(yù)浸料，零件本體和犧牲層使用J-272C膠膜膠接。

1. 1. 2 結(jié)構(gòu)復(fù)雜性

（1）厚度多變性：零件存在多個厚度分區(qū)，按照 5%的厚度偏差計算，零件最薄處厚度偏差為0.225 mm，零件最厚處厚度偏差為0.650 mm。零件使用陽模成型，厚度偏差最終會累積到零件外表面，使得零件外表面近似于“波浪形”。零件緣條面外側(cè)需要和上下壁板配合，這會導(dǎo)致裝配時在裝配面存在不同的間隙，增大了裝配的工作量。對于零件的外形控制提出了更高的要求 [6] 。厚度偏差導(dǎo)致裝配時產(chǎn)生不均勻間隙如圖1所示；

（2）半徑多變性：零件在不同厚度區(qū)域存在不同的內(nèi)R半徑，不同的內(nèi)R半徑和厚度會產(chǎn)生不同的固化變形量，增大了固化變形補償量計算和模具修型的難度 [7] 。零件的外R半徑和緣條外形不統(tǒng)一，需要實時精確控制犧牲層銑切量；

（3）犧牲層補償：C型梁在固化過程中會出現(xiàn)厚度偏差、緣條面回彈等情況，這會導(dǎo)致在裝配時出現(xiàn)間隙、干涉等問題。在C型梁緣條面鋪貼犧牲層進行補償，零件固化后通過機加犧牲層達到設(shè)計要求的尺寸和理論外形，是解決C型梁裝配問題的方法之一 [8] 。但由于犧牲層材料與零件本體材料物理化學(xué)性能的不同，可能導(dǎo)致零件外形超差。

1. 1. 3 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）外觀質(zhì)量：復(fù)合材料制件的表面應(yīng)光滑平整，表面無貧、富樹脂，表面纖維被樹脂均勻覆蓋；

（2）內(nèi)部質(zhì)量：零件內(nèi)部無空隙密集、分層等缺陷；

（3）厚度控制：厚度公差為±5％；

（4）外形公差：緣條面犧牲層加工區(qū)域型面公差-0.3～+0.1 mm；

（5）隨爐試板力學(xué)性能需滿足驗收技術(shù)條件要求。

1. 2 研制方案

成型方案的選擇是復(fù)合材料C型梁零件制造的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。成型方案包括陽模/陰模成型、模具方案、預(yù)壓實方案、壓力墊方案等方面，需要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點，按照已有的技術(shù)能力進行選擇和分析。

1. 2. 1 成型方法

熱壓罐成型C型梁有陽模固化成型和陰模固化成型2種方式。陽模成型是指模具表面為C型梁的內(nèi)型面，R區(qū)也容易出現(xiàn)褶皺。陰模成型是指模具表面為C型梁的外型面，但是R區(qū)容易出現(xiàn)厚度偏厚及分層、孔隙等內(nèi)部缺陷 [11] 。

根據(jù)復(fù)合材料C型梁變厚度、成型精度要求高等特點，采用陽模固化成型。為保證零件外形滿足要求，模具進行了修型補償，同時采用預(yù)壓實、壓力墊等輔助控制內(nèi)外部質(zhì)量。

1. 2. 2 工藝流程優(yōu)化

復(fù)合材料C型梁成型工藝流程如圖2所示。

由圖2可知，復(fù)合材料C型梁的成型可以分為翼梁本體固化、犧牲層膠接共固化、數(shù)控銑切及后續(xù)相關(guān)工序。

1. 2. 3 模具方案

框架式成型工裝是熱壓罐成型工藝常用的固化工裝，由與預(yù)制體直接接觸的芯模與格柵結(jié)構(gòu)的支撐框架組成，且在支撐框架上設(shè)置有通風(fēng)口?？蚣苁焦ぱb具有零件固化成型精度高、受熱升溫快、溫度分布均勻的優(yōu)點 [9] 。

工裝材料的選擇是工裝方案的關(guān)鍵因素之一。

與普通碳鋼相比，INVAR鋼在受熱時溫度分布更加均勻，在很長的溫度范圍內(nèi)熱膨脹系數(shù)與復(fù)材接近，材料耐久性好。復(fù)材模具密度小、重量輕、熱膨脹系數(shù)小，但是材料成本高，高溫使用后耐久性變差 [10] 。

對于復(fù)合材料C型梁，為了保證零件的成型后的外觀質(zhì)量和外形精度，工裝材質(zhì)選擇為INVAR鋼 [12] 。

為了消除復(fù)合材料C型梁固化變形的影響，需要對模具進行修型補償 [13] ，修型后的模具型面比未修型的型面更“胖”。零件收口變形后，外形達到理論位置。修型補償?shù)倪^程是：根據(jù)C型梁材料、厚度分區(qū)、R角大小等方面的信息，計算出C型梁各個區(qū)域的固化變形補償量；然后根據(jù)C型梁不同區(qū)域的固化變形補償量及零件數(shù)模，構(gòu)建C型梁修型后的工藝數(shù)模；最后提取工藝數(shù)模的內(nèi)型面作為零件成型模的型面，工藝數(shù)模的外型面作為壓力墊成型模的型面 [14] 。

1. 2. 4 預(yù)壓實方案

C型梁在成型過程中，經(jīng)常出現(xiàn)孔隙密集、分層等問題。在鋪貼過程中，通常每鋪貼1到6層進行一次冷抽壓實，以保證預(yù)制體的密實程度。但對于厚度較厚的零件，冷抽壓實無法完全去除預(yù)浸料層間的氣體，這時就需要使用預(yù)壓實 [15] 。

預(yù)壓實是將預(yù)制體封裝在真空袋中，利用熱壓罐的高壓氣體（壓力可達到0.3～1.0 MPa），強迫預(yù)浸料層間氣體排出樹脂和纖維網(wǎng)絡(luò)彈性骨架的過程 [16] 。

在這一過程中溫度不宜過度升高，否則樹脂發(fā)生固化反應(yīng)，更加不利于氣體的排出 [17] 。需要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征選擇預(yù)壓實的壓力。根據(jù)已有經(jīng)驗，預(yù)壓實壓力選擇為0.8 MPa。

1. 2. 5 壓力墊方案

復(fù)合材料C型梁使用陽模固化時，零件R區(qū)常出現(xiàn)超薄的情況，使用壓力墊是控制C型梁厚度的常用方法，壓力墊還能起到保護零件外表面質(zhì)量、避免R區(qū)褶皺及分層的作用。

1. 2. 6 犧牲層膠接固化成型方案

犧牲層材料的選擇需要滿足結(jié)構(gòu)、工藝等方面的要求，通常有碳纖維預(yù)浸料和玻璃纖維預(yù)浸料兩種。使用碳纖維預(yù)浸料作為犧牲層時，犧牲層可以選擇和本體相同的材料，對本體固化變形的影響更小，但是這種方式材料成本更高，同時由于犧牲層和零件本體材料相同，在后續(xù)加工過程中無法準(zhǔn)確判斷犧牲層和零件本體的界面，極易銑傷零件本體造成零件報廢。使用玻璃纖維預(yù)浸料作為犧牲層時，材料成本低，且在銑切過程中可以很容易地通過顏色的不同判斷銑切程度，實時調(diào)整銑切量。因此選擇玻璃纖維預(yù)浸料作為犧牲層，避免在加工過程中對零件本體的損傷。

犧牲層的成型方式有二次膠接、共固化、共膠接3種。因此選擇共膠接工藝膠接固化犧牲層。這種方式膠接質(zhì)量好，零件內(nèi)外部質(zhì)量穩(wěn)定。犧牲層的鋪貼方式可分為無過渡和有過渡2種如圖3所示。綜上所述，犧牲層采用玻璃纖維預(yù)浸料、共膠接、R區(qū)光滑過渡的方式成型。

2 試驗零件成型質(zhì)量與分析

2. 1 外觀質(zhì)量

零件的表面光滑平整，表面無貧、富樹脂，表面纖維被樹脂均勻覆蓋。R區(qū)纖維過渡光滑，無纖維屈曲等現(xiàn)象。

2. 2 無損檢測

對復(fù)合材料C型梁進行了100%面積的內(nèi)部質(zhì)量檢查，以確定缺陷類型、位置、尺寸和數(shù)量。復(fù)合材料C型梁在裝配部位及零件邊緣20 mm內(nèi)，不允許出現(xiàn)分層、孔隙密集或富膠缺陷。

零件無損檢測結(jié)果滿足驗收技術(shù)條件要求。零件無分層、孔隙密集、夾雜等內(nèi)部缺陷。

2. 3 厚度檢測

使用磁力測厚儀檢測了C型梁腹板面和緣條面的實測厚度，如圖4、圖5所示。

C型梁腹板面厚度偏差范圍為-0.15%～4.62%。

平均厚度偏差為 2.00%。緣條面厚度偏差范圍為-0.15%～3.21%，平均厚度偏差為1.78%。

2. 4 外形檢測

激光跟蹤儀是建立在激光和自動控制技術(shù)基礎(chǔ)上的一種高精度三維測量系統(tǒng)，基于球坐標(biāo)法測量原理，通過測角、測距實現(xiàn)三維坐標(biāo)的精密測量 [18] 。

零件數(shù)控加工完成后，將零件放置在銑具上保持真空吸附，使用激光跟蹤儀和T-Probe測量了零件的緣條面外形。共測量了2899個點，測量點實測偏差范圍為-0.299 5～-0.006 8 mm，平均偏差為-0.159 6 mm，零件緣條面外形滿足驗收技術(shù)條件中-0.3～+0.1mm的要求。零件緣條面外形檢測結(jié)果如圖6所示。

2. 5 隨爐試板性能

零件隨爐試板的力學(xué)性能均滿足驗收技術(shù)條件要求。彎曲強度平均值實測大于指標(biāo)值14.1%，彎曲強度最小值實測大于指標(biāo)值21.6%，層間剪切強度平均值實測大于指標(biāo)值4.0%，層間剪切強度最小值實測大于指標(biāo)值18.8%。隨爐試板孔隙率實測值為1.0%。

2. 6 金相

金相可以用來鑒別和分析復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)、形貌、夾雜物形態(tài)等 [19] 。從C型梁加工后的余量區(qū)，在R區(qū)、腹板區(qū)和緣條區(qū)分別取2 cm×2 cm大小的試樣。將切割后的試樣在手動雙盤式研磨拋光機上進行拋光打磨，拋光機轉(zhuǎn)速500 r/min，使用600目水磨砂紙，在流動水下進行濕磨。將試樣表面打磨光滑平整，使試樣截面在金相顯微鏡下清晰可見。用金相顯微鏡對試樣進行金相檢測。

3 結(jié)語

（1）采用陽模鋪貼固化、模具修型補償、犧牲層數(shù)控銑切等工藝方案制造的復(fù)合材料C型梁，零件外形滿足要求；

（2）采用大壓力參數(shù)進行預(yù)壓實和固化、壓力墊輔助控制內(nèi)外部質(zhì)量，可有效避免零件產(chǎn)生內(nèi)部缺陷；

（3）本文介紹的工藝方法，可應(yīng)用于變厚度復(fù)合材料主承力C型梁的制造。

【參考文獻】

[1] 寧莉，楊紹昌，冷悅，等.先進復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用及其制造技術(shù)發(fā)展概述[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2020（5）：123-128.

[2] 周盼，房曉斌，劉向陽，等.大厚度復(fù)合材料翼梁成型技術(shù)改進及質(zhì)量控制[J].粘接，2023，50（7）：103-106.

[3] 黃雪萌，房曉斌，劉明澤，等.梁類零件R區(qū)質(zhì)量控制技術(shù)研究[J].橡塑技術(shù)與裝備，2020，46（24）：24-27.

[4] 馬志陽，高麗敏，徐吉峰.復(fù)合材料在大飛機主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù)，2021，64（11）：24-30.

[5] 黃春芳.復(fù)合材料機翼主梁結(jié)構(gòu)高剛度和高強度設(shè)計[D].長沙：國防科技大學(xué)，2018.

[6] 劉怡冰.復(fù)合材料翼盒制造工藝研究與實現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2015.

[7] 晏冬秀.碳纖維復(fù)合材料C型梁制造變形預(yù)測與控制[D].上海：上海交通大學(xué)，2016.

[8] 牛福春，何續(xù)斌，杜芳靜.飛機裝配協(xié)調(diào)方法研究[J].機械工程師，2017（7）：133-135.

[9] 呂佳鎂.復(fù)合材料構(gòu)件熱壓罐成型模具溫度場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].太原：中北大學(xué)，2022.

[10] 譚偉，那景新，任俊銘，等.高溫環(huán)境下碳纖維增強樹脂復(fù)合材料的層間力學(xué)性能老化行為與失效預(yù)測[J].復(fù)合材料學(xué)報，2020，37（4）：859-868.

[11] 白婭萍，王浩軍，房曉斌，等.凹模成型C型復(fù)合材料梁制件制造技術(shù)研究[J].粘接，2022，49（2）：74-78.

[12] 孫朝海，黃炎，楊康，等.工裝模具對復(fù)合材料件固化變形影響的有限元分析[J].材料導(dǎo)報，2021，35（S1）：607-612.

[13] 何靚，朱攀星，徐小偉，等.復(fù)合材料殘余應(yīng)力與固化變形機理及控制研究進展[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2022（7）：121-128.

[14] 房曉斌，郭俊剛，王宏博，等.淺談復(fù)合材料C型梁的制造工藝[J].粘接，2019，40（1）：50-53.

[15] 文詩琦，文友誼，何思敏，等.預(yù)壓實參數(shù)對復(fù)材構(gòu)件變厚層壓區(qū)孔隙率的影響[J].航空制造技術(shù)，2018，61（14）：45-49.

[16] 王國勇，趙亮.復(fù)合材料氣囊成型工藝的質(zhì)量缺陷研究

[J].宇航材料工藝，2006（S1）：56-59.

[17] 肖光明，金子坤，房曉斌，等.大厚度碳纖維復(fù)合材料C型梁制造工藝創(chuàng)新比較[J].粘接，2023，50（5）：52-56.

[18] 馬一心，范百興，黃劍.多臺激光跟蹤儀聯(lián)合動態(tài)位姿測量精度評定方法研究[J].測繪工程，2021，30（2）：55-59.

[19] 郝雅倩.鋁/鋁基復(fù)合材料/鋁復(fù)合板組織與力學(xué)性能的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2022.