先進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐成型技術(shù)

蘇 鵬 崔文峰

（大連長豐實(shí)業(yè)總公司，大連 116038）

先進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐成型技術(shù)

蘇 鵬 崔文峰

（大連長豐實(shí)業(yè)總公司，大連 116038）

近年來，隨著復(fù)合材料在航空航天中的廣泛應(yīng)用，其加工制造理論和技術(shù)水平在逐步提高。其中，熱壓罐成型技術(shù)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型中較為成熟的方法，在航空航天產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用。但是，由于現(xiàn)代大型飛機(jī)中應(yīng)用的復(fù)合材料整體構(gòu)件輪廓復(fù)雜度越來越高，尺寸也越來越大，傳統(tǒng)熱壓罐成型技術(shù)已經(jīng)無法滿足制造實(shí)際應(yīng)用需求。因此，為提高制品的質(zhì)量和工作效率，熱壓罐成型工藝的改進(jìn)和優(yōu)化依然是當(dāng)前主要的途徑。本文根據(jù)傳統(tǒng)熱壓罐成型工藝流程和特點(diǎn)，從提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的角度分析其工藝過程，針對下料環(huán)節(jié)、溫度控制環(huán)節(jié)、壓力控制環(huán)節(jié)以及模具設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，給出現(xiàn)階段的最新研究進(jìn)展。

航空航天 復(fù)合材料 熱壓罐成型技術(shù) 溫度場控制技術(shù)

1 傳統(tǒng)熱壓罐成型工藝

熱壓罐成型工藝的工作原理是利用罐內(nèi)的高溫壓縮氣體產(chǎn)生的壓力對復(fù)合材料坯料進(jìn)行加熱加壓以完成固化成型。熱壓罐成型系統(tǒng)是由罐體、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成。表1是熱壓罐各個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)要求，該技術(shù)要求的滿足可使熱壓罐罐內(nèi)壓力和溫度均勻分布。

表1 熱壓罐各個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)要求[1]

熱壓罐工藝流程：①預(yù)浸料下料（裁剪）；②鋪疊毛坯；③抽真空預(yù)壓實(shí)（坯料與模具貼合）；④（組裝）固化；⑤（降溫）脫模；⑥無損檢測；⑦切邊打磨；⑧稱重。

當(dāng)前，在熱壓罐抽真空壓實(shí)環(huán)節(jié)借助真空袋與模具之間抽真空形成的負(fù)壓，對復(fù)合材料坯料進(jìn)行加壓?，F(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成熟的技術(shù)有真空袋成型法、壓力袋成型法和雙真空袋成型法。其中，真空袋成型法加壓不大于0.1MPa，只適用于薄板制作或者蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是制品外形表面質(zhì)量精度較差。壓力袋成型法是通過向橡皮囊構(gòu)成的壓力袋（氣壓室）內(nèi)注入壓縮氣體實(shí)現(xiàn)對復(fù)材坯料的加壓，壓力可達(dá)0.25～0.5MPa，特點(diǎn)是對模具的剛度和強(qiáng)度要求高，制品的機(jī)械性能好于真空袋成型法制品。雙真空袋壓成型法起源于美國空軍，采用濕法環(huán)氧預(yù)浸料對飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)。它有兩套真空系統(tǒng)，適用于揮發(fā)分含量較高的樹脂體系，如酚醛和聚酰亞胺。

熱壓罐成型工藝已由最初制備飛機(jī)承力較小的構(gòu)件擴(kuò)張到垂尾，方向舵和平尾發(fā)展到當(dāng)前的機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)。綜合熱壓罐的技術(shù)要求和工藝特點(diǎn)，熱壓罐成型工藝的優(yōu)點(diǎn)有：①熱壓罐內(nèi)的溫度和壓力均勻變化，保證了固化過程制品受熱均勻；②使用范圍廣泛，模具相對比較簡單，效率高，適合大面積復(fù)雜型面的蒙皮、壁板和機(jī)身的成型；③熱壓罐內(nèi)的溫度、壓力幾乎能滿足所有聚合物基復(fù)合材料的成型工藝要求，如低溫成型的聚酯基復(fù)材、高溫高壓成型的聚酰亞胺等；④成型工藝穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)有：①采用人工鋪疊和下料效率低，耗時(shí)長，勞動(dòng)強(qiáng)度大，廢料較多；②固化過程中用到的輔助材料價(jià)格昂貴。

熱壓罐成型過程中，具有較大調(diào)控和改進(jìn)空間的工藝有：預(yù)浸料下料環(huán)節(jié)、加熱環(huán)節(jié)、加壓環(huán)節(jié)和模具材料和設(shè)計(jì)。

2 先進(jìn)熱壓罐成型工藝的研究進(jìn)展

2.1 工藝研究進(jìn)展

熱壓罐成型工藝的整體成型技術(shù)采用共固化/共膠接的方式，大大減少了零件、緊固件的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到制造一體化成型，易于實(shí)現(xiàn)翼身融合氣動(dòng)布局，增加機(jī)體表面光滑完整程度，避免因鉆孔引起的構(gòu)件加工損傷。同時(shí)，還可減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，降低制造成本。其中，最為關(guān)鍵的是各個(gè)構(gòu)件之間連接區(qū)域的制造質(zhì)量。

2.2 熱壓罐溫度場研究進(jìn)展

王永貴等[2-3]對框架式模具溫度變化規(guī)律進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)升溫時(shí)模具上高溫區(qū)在進(jìn)風(fēng)端處，低溫區(qū)在模具中間，而降溫時(shí)得到的結(jié)論和升溫時(shí)得到的結(jié)論相反。所以，溫度的不均勻是復(fù)合材料產(chǎn)生早期破壞的主要原因，也是影響復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。Hakan Ucan[4]提出一種“Masterbox”作為熱壓罐工藝在線控制系統(tǒng)，可借助有效的傳感器和調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料固化工藝的智能優(yōu)化。2016年賈云超等[5]利用CATIA軟件建立了熱壓罐模型，并用FLUENT軟件進(jìn)行了溫度場的模擬，運(yùn)用控制變量法發(fā)現(xiàn)：①氣流流速增加，可減小工裝表面的溫差；②升溫速率的增加，影響制品質(zhì)量；③低比熱容、高熱導(dǎo)率的工裝材料，有利于提高制品質(zhì)量。

2.3 熱壓罐加壓環(huán)節(jié)的研究進(jìn)展

熱壓罐工藝中，加壓點(diǎn)的確定直接影響復(fù)合材料的性能。包建文等[6]因熱壓罐成型工藝加壓點(diǎn)的不確定這一特點(diǎn)，采用凝膠時(shí)間理論對某種型號的復(fù)合材料運(yùn)用兩種工藝進(jìn)行成型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)程度參數(shù)小于凝膠參數(shù)時(shí)，加壓成型的復(fù)材內(nèi)部缺陷減低。因此，利用理論可準(zhǔn)確估算出樹脂基復(fù)材的固化反應(yīng)程度，從而確定加壓點(diǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。劉小龍等[7]利用Flexiforce薄膜壓力傳感器建立密實(shí)壓力在線測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)獲得樹脂基復(fù)合材料成型過程中密實(shí)壓力數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合材料成型工藝參數(shù)和模具方案提供重要依據(jù)。李艷霞等[8]提到，壓力測量膠片可用于定性分析模具傳壓效率。

2.4 熱壓罐模具的研究進(jìn)展

模具是目前熱壓罐成型工藝中的重要組成部分。模具要和材料一起放入高溫高壓的罐內(nèi)進(jìn)行固化，這對模具的性能要求極高，因此模具的改進(jìn)將大大提高構(gòu)件的質(zhì)量。一方面模具的制造原材料有很多，如殷鋼（承受溫度540℃）、單晶石墨（承受溫度430℃）、鋼、陶瓷等。賈云超等[5]對熱壓罐溫度場建模時(shí)提出，低比熱容、高熱導(dǎo)率的工裝材料有利于提高制品質(zhì)量。另一方面，由于某些模具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要利用軟件數(shù)值模擬，因此采用數(shù)字化設(shè)計(jì)和加工將極大減少模具制造的時(shí)間，并且能優(yōu)化模具，從而提高熱壓罐成型工藝制品的質(zhì)量。岳廣全等[9]指出：①模具的熱傳導(dǎo)性能不佳，會使得構(gòu)件變形；②模具的膨脹系數(shù)對尺寸較大的構(gòu)件影響較多；③模具的結(jié)構(gòu)形式影響構(gòu)件表面溫度的分布。韓培培等[10]利用CATIA軟件對復(fù)合材料U型梁成型模具及模具材料進(jìn)行選擇，并對材料的熱膨脹系數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、回彈角以及脫模等因素進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，模具數(shù)字化制造可采用的方法主要有CAPP、數(shù)控加工和數(shù)字化檢測。

2.5 綜合工藝的發(fā)展

預(yù)浸料下料和鋪疊大多采用人工，但人工操做效率低，產(chǎn)生的廢料多，工耗長，勞動(dòng)強(qiáng)度大。自動(dòng)鋪帶技術(shù)（ATL）是通過數(shù)控技術(shù)將有隔離背襯紙的單向預(yù)浸料在鋪帶頭的作用下，完成預(yù)浸帶的剪裁、定位、鋪疊和輥壓，進(jìn)而直接鋪疊到模具表面的數(shù)字化技術(shù)。該技術(shù)可減少人工操作的勞動(dòng)力成本和原材料的浪費(fèi)。但是，國內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用并不廣泛，且維護(hù)費(fèi)用昂貴，設(shè)備復(fù)雜。因此，對于大型連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)可選擇該技術(shù)；對于科研或者小型企業(yè)，可結(jié)合人工和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新。

3 結(jié)語

熱壓罐成型工藝是航空領(lǐng)域內(nèi)復(fù)合材料，尤其是樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件成型應(yīng)用最廣泛也最成熟工藝之一。隨著理論知識的不斷補(bǔ)充，新技術(shù)的競爭，市場的需求，迫使傳統(tǒng)工藝更進(jìn)一步發(fā)展。熱壓罐工藝流程中升溫環(huán)節(jié)、加壓環(huán)節(jié)、預(yù)浸料下料鋪疊和模具，都可調(diào)控優(yōu)化。通過模擬熱壓罐成型工藝的溫度場、壓力檢測以及模具的性能檢測，提高復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量和工作效率，具有重要意義。熱壓罐成型工藝的升級優(yōu)化，勢必成為一個(gè)重要的研究方向。

[1]趙渠森.先進(jìn)復(fù)合材料手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，

2003：1206-1207 .

[2]王永貴，梁憲珠，曹正華，等.熱壓罐工藝成型先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件的溫度場研究綜述[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，2009，（3）：81-85.

[3]王永貴，梁憲珠.熱壓罐工藝的成型壓力對框架式模具溫度場的影響[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2009，（4）：70-73，76.

[4]Hakan Ucan，王迎芬.Masterbox：世界最大實(shí)驗(yàn)室用熱壓罐的固化工藝優(yōu)化[J].航空制造技術(shù)，2012，（18）：62-63.

[5]賈云超，關(guān)志東，李星，等.熱壓罐溫度場分析與影響因素研究[J].航空制造技術(shù)，2016，（Z1）：90-95.

[6]包建文，鐘翔嶼，李曄，等.樹脂基復(fù)合材料熱壓罐成型加壓工藝模擬[J].熱固性樹脂，2014，（1）：33-36.

[7]劉小龍，顧軼卓，李敏，等.采用薄膜傳感器的樹脂基復(fù)合材料熱壓罐工藝密實(shí)壓力測試方法[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2013，（5）：67-73.

[8]李艷霞.先進(jìn)復(fù)合材料熱壓罐成型固化仿真技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2016，（15）：76-81，86.

[9]岳廣全，張博明，杜善義，等.熱壓罐成型工藝所用框架式模具的變形分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，（5）：148-152.

[10]韓培培，孟慶杰.復(fù)合材料U形梁成型模具設(shè)計(jì)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2015，（3）：73-77.

Molding Technology of Advanced Composites Pressing

SU Peng,Cui Wenfeng
(Dalian Changfeng Industry Corporation, Dalian 116038)

In recent years, with the wide application of composite materials in aerospace, the theory and technology of processing and manufacturing have been gradually improved. Among them, the thermoforming tank molding technology is a more mature structure of the composite structure of the method, widely used in aerospace products. However, due to the complexity of the composite components used in the modern large-scale aircraft, the complexity of the overall structure is increasing, the size of the traditional hot-pressing tank molding technology has been unable to meet the practical application requirements. Therefore, in order to improve the quality of products and working efficiency, the improvement and optimization of the molding process of autoclave still is the main way at present. In this paper, according to the process and characteristics of traditional autoclave molding process, from the perspective of improving product quality and efficiency of its process, for the next material, temperature control links, pressure control links and mold design and other key technologies, give the latest research at this stage progress.

aerospace composite material, hot-pressing, forming technology, temperature field, control technology