復(fù)合材料J型加筋壁板制造技術(shù)研究

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610073）

先進(jìn)復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比模量、優(yōu)異的耐疲勞性能和耐腐蝕性能，以及良好的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)異的特性，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著復(fù)合材料成型技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展。一方面，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量在飛行器中所占比重迅速增加，如美軍的F35戰(zhàn)機(jī)復(fù)材結(jié)構(gòu)用量已經(jīng)達(dá)到31%[3]；另一方面，隨著復(fù)合材料增韌技術(shù)不斷發(fā)展，復(fù)合材料性能不斷提高[4]，其應(yīng)用范圍逐漸由最初的非承力或次承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)擴(kuò)展，并伴隨著大型化、整體化的發(fā)展趨勢(shì)，如F22機(jī)表可視部位的機(jī)身和機(jī)翼都大量使用了增強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，加筋壁板結(jié)構(gòu)是其中數(shù)量較大的典型結(jié)構(gòu)之一[5-6]。加強(qiáng)筋的引入可以提高復(fù)材壁板的整體剛度，但傳統(tǒng)加筋壁板制造多使用螺釘連接筋條結(jié)構(gòu)與蒙皮，這既增加了零部件數(shù)量和重量，還增加了不菲的裝配成本。為了降低零件重量，減少裝配件的使用，復(fù)合材料加筋壁板可以實(shí)現(xiàn)整體成型，即使用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠膜將筋條與蒙皮直接粘接[7]。同時(shí)，為了滿足壁板的剛度要求，目前大量采用了J型、T型、Ω型等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的加筋壁板，可較大程度提高加筋壁板結(jié)構(gòu)的抗彎等方面力學(xué)性能。本文主要討論J型加筋壁板的成型工藝選擇、工藝方法和質(zhì)量影響因素等問題，典型J型加筋壁板的截面見圖1。

J型加筋壁板成型工藝選擇

復(fù)合材料加筋壁板的筋條膠接成型工藝可分為二次膠接、共膠接和共固化3種。二次膠接即預(yù)先固化筋條和蒙皮，再將二者通過結(jié)構(gòu)膠膜二次膠接到一起的工藝方法，其工藝流程繁瑣、膠接質(zhì)量難以保證且成本較高，目前已很少采用。共固化即將未固化蒙皮、未固化筋條通過結(jié)構(gòu)膠膜一次整體固化/膠接成型的工藝方法，其具有工藝流程短、成本低、膠接質(zhì)量好的特點(diǎn)，但同時(shí)固化/膠接過程控制難度極大、質(zhì)量缺陷風(fēng)險(xiǎn)大，目前還不是主流選擇。共膠接技術(shù)可分為先固化蒙皮和先固化筋條兩種形式，即預(yù)先固化蒙皮，再將鋪疊預(yù)壓好的未固化筋條組件通過結(jié)構(gòu)膠膜一體膠接到蒙皮上；或預(yù)先固化筋條，再將筋條通過一定加壓方式放置于未固化蒙皮上，再與蒙皮一起膠接固化。相比于其他兩種成型方式，共膠接方式流程較短、質(zhì)量可控、工藝難度較低，是成型各類加筋壁板的主流選擇[8]。為了保證機(jī)體表面蒙皮的固化質(zhì)量和強(qiáng)度，選擇了先固化蒙皮的共膠接方式成型加筋壁板。

羅剛堂等[9]以復(fù)合材料T型加筋壁板作為典型結(jié)構(gòu)，從模具設(shè)計(jì)角度對(duì)該型零件的的成型工藝進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，與硬模/硬模配合方式相比，硬模/軟模配合方式可以提高壓力傳導(dǎo)效率，提高膠接質(zhì)量。本文的研究中也是選擇單面的硬模成型方式。王瑩等[10]介紹了復(fù)合材料J型加筋壁板的成型制造工藝，其主要從模具設(shè)計(jì)和工藝制造兩方面進(jìn)行論述。結(jié)合上述研究，完善了本文研究中的成型模具設(shè)計(jì)和工藝方法。

此外，隨著新的裝配理念的出現(xiàn)，對(duì)于零件的裝配適用性提出了越來越高的要求，不僅要求制造出內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能符合要求的復(fù)材零件，還需要滿足裝配尺寸和外形精度要求。基于上述，在總結(jié)相關(guān)科研工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文主要從工藝優(yōu)化、過程控制、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方面開展了J型加筋壁板共膠接成型精確制造技術(shù)的研究。

采用先固化蒙皮的共膠接工藝的J型加筋壁板的典型工藝流程見圖2。

試驗(yàn)過程與討論

J型加筋壁板的研制與生產(chǎn)是一項(xiàng)系統(tǒng)工作，本文主要從R區(qū)的精確填充、筋條的外型模成型、框架式插銷垂直定位法、筋條共膠接組裝、精確加工成型等方面開展研制攻關(guān)工作。

1 轉(zhuǎn)角R區(qū)的精確填充

筋條的R區(qū)和蒙皮間會(huì)存在一個(gè)三角形間隙區(qū)域，必須要填充完全，以保證零件無孔隙，確保力的傳遞，保證零件的力學(xué)性能。一般填充物為與該零件使用相同的預(yù)浸料，成型后的填充物一般稱為芯材，膠接組裝時(shí)在芯材的外表面裹一層同牌號(hào)的膠膜，確保芯材與壁板、筋條的粘接強(qiáng)度。

J型筋條的R區(qū)截面外形如圖3所示，通過計(jì)算其截面積，結(jié)合預(yù)浸料的理論厚度，可以計(jì)算出來所需預(yù)浸料的寬度，計(jì)算方法為：

式中，r為零件外形的R區(qū)的半徑；w為預(yù)浸料的寬度；d為預(yù)浸料的厚度。

為了確保R區(qū)填充的質(zhì)量，設(shè)計(jì)了芯材成型模具，將需要的預(yù)浸料按照計(jì)算的寬度裁剪好，卷成棒狀長條，包裹膠膜，放入成型模具，合模后封裝真空袋并在熱壓罐內(nèi)進(jìn)行預(yù)定型。該方法通過對(duì)填充芯材進(jìn)行預(yù)定型，獲得所需理論外形，操作簡便、制備的芯材結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，如圖4和圖5所示。

2 J型筋條的外型模成型

圖1 J型筋條截面圖Fig.1 Sectional view of J type stiffened panel

圖2 J型加筋壁板典型工藝流程Fig.2 Classic flow chart of J type stiffened panel forming process

圖3 R區(qū)填充芯材截面示意圖Fig.3 Sectional view of core material for R area

將J型筋分解為一個(gè)Z型部分和一個(gè)C型部分，分別鋪疊再組合為完整筋條的組件，其組合過程見圖6。

在成型模具設(shè)置過程中，存在內(nèi)型模成型和外型模成型兩種思路，即在C型部分的內(nèi)部設(shè)置鋼制的工裝，在Z型部分的外側(cè)設(shè)置軟質(zhì)工裝；或在Z型部分的外側(cè)設(shè)置鋼制的工裝而在C型部分的內(nèi)部設(shè)置軟質(zhì)工裝，如圖7所示。采用在C型部分的內(nèi)部設(shè)置鋼制的硬模工裝，優(yōu)勢(shì)在于可以從整個(gè)J型筋條的外部均勻施壓，簡化了封裝真空袋的難度，降低了架橋等封袋故障的機(jī)率，而且可以保證零件的膠接固化質(zhì)量。但此種模具設(shè)計(jì)方案在實(shí)際科研生產(chǎn)過程中面臨著一系列問題。

圖4 填充芯材加工Fig.4 Core material

首先，采用內(nèi)型模工藝，鋼制硬模在C型部分內(nèi)部，可有效提高筋條內(nèi)腔的成型精度和表面質(zhì)量，但由于Z型面外部采用軟模，尺寸控制能力較差，因此這個(gè)工藝方案會(huì)使復(fù)合材料制造的誤差都積累在J型筋條的外部，即J型筋外部的尺寸精度較低。其次，在筋條成型和膠接過程中，樹脂固化過程產(chǎn)生一些積膠或樹脂會(huì)粘接在鋼制模具邊緣，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)型模的脫模過程非常困難。

為了克服使用內(nèi)型模所帶來的缺陷，嘗試使用外型模成型J型筋條,即在Z型部分的外側(cè)設(shè)置鋼制的硬模，C型部分的內(nèi)部設(shè)置橡膠軟模以維形。

在試驗(yàn)件試制過程中發(fā)現(xiàn)，采用外型模成型的J型筋條可規(guī)避內(nèi)型模的一些不利因素，外側(cè)表面平整度顯著提高利于裝配；其次，筋條的高度可以控制在規(guī)定范圍之內(nèi)；最后，由于不會(huì)因?yàn)橐缒z而產(chǎn)生干涉阻礙，外型模鋼模脫模過程容易很多。

圖8為使用外型模成型制作的典型零件。無損檢測(cè)結(jié)果顯示，該筋條固化與膠接的質(zhì)量都符合技術(shù)要求，證明外型模成型時(shí)軟模方向施加的壓力足以保證筋條的固化/膠接質(zhì)量。

圖5 R區(qū)填充芯材Fig.5 Core material for R area

圖6 J型筋條壁板結(jié)構(gòu)分解圖Fig.6 Breakdown drawing for the structure of J type stiffened panel

圖7 內(nèi)型模成型Fig.7 Forming technique of inter mold

圖8 外型模成型J型筋條Fig.8 J type stiffened panel made by outer mold

3 框架式插銷垂直定位

為了保障J型加筋壁板的形狀、尺寸、位置精度，在其研制過程中，創(chuàng)造性地采用了一種框架式插銷垂直定位工裝來對(duì)外型模進(jìn)行精確定位。該工裝采用龍門架的形式，按照筋條的位置布局框架，把從框架上的襯套中垂直伸出的插銷插入到J型筋條外型模中以定位，每個(gè)筋條外型模至少使用兩個(gè)插銷來定位，其結(jié)構(gòu)見圖9。整個(gè)框架定位到壁板成型模上，組合成型J型加筋壁板。

選用框架式插銷垂直定位的方式主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）可實(shí)現(xiàn)筋條的無余量成型。本項(xiàng)目中選用先固化蒙皮的工藝成型J型加筋壁板，筋條在與蒙皮完成共膠接后，受蒙皮的干涉，難以對(duì)筋條進(jìn)行再加工，所以筋條必須實(shí)現(xiàn)無余量成型。若是采用傳統(tǒng)的兩邊定位，則筋條兩端很難確保制作到凈邊，難以實(shí)現(xiàn)無余量成型。

（2）可實(shí)現(xiàn)筋條的精確定位。傳統(tǒng)的兩邊定位方式，筋條長度方向的位置準(zhǔn)確度難以保證。采用框架垂直定位的方式，筋條未固化前，即可按照其成型模的長度將筋條修切到位，這樣不僅可以確保筋條的長度符合要求，還可以確保筋條的位置精度。

（3）相比傳統(tǒng)的兩邊定位方式，框架式垂直定位的適用范圍更廣。對(duì)于筋條數(shù)量多、排布位置復(fù)雜或者縱橫加筋結(jié)構(gòu)，兩邊定位的方式很難實(shí)現(xiàn)對(duì)筋條成型的定位，且模具形式過于復(fù)雜、跨度過大、加工難度大、定位塊難以設(shè)置；而采用框架式垂直定位的方式則適用任何復(fù)雜的筋條排布，模具加工難度低，利于工藝方法推廣。

但是，使用框架式插銷垂直定位，進(jìn)一步加大了真空袋封裝的難度。整個(gè)真空袋的封裝需要在框架下完成，操作空間有限，且所有的定位插銷均要在真空袋上開孔，帶來一定的封裝風(fēng)險(xiǎn)。為了克服上述問題，在工裝設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)抬高了框架的高度，擴(kuò)充了封袋操作空間；在每個(gè)筋條成型模插定位銷處設(shè)置了一個(gè)柱形襯套，即可用于插銷定位，其外壁還可設(shè)置為膩?zhàn)訔l粘接面。具體結(jié)構(gòu)見圖9。

應(yīng)用框架式插銷垂直定位方式制造的J型加筋壁板，筋條尺寸準(zhǔn)確、位置沒有偏移，可以滿足裝配的需求。

4 J型筋條共膠接組裝

本項(xiàng)目中應(yīng)用了筋條外型模成型工藝，筋條的外部是鋼制成的型模，筋條內(nèi)腔采用軟質(zhì)工裝用于維形和均壓，如圖10所示。J型筋條的下凸緣無余量成型部分使用硫化后的橡膠作擋條，可起到一定維形作用，上凸緣留有余量，可以使用未硫化的橡膠作擋條，后續(xù)可以機(jī)械切割；使用的輔助材料隔離布、透氣氈等，在J型筋條內(nèi)腔R區(qū)附近均應(yīng)斷開，以防架起。

在筋條的共膠接組裝中，需要控制以下幾個(gè)方面：

首先是軟質(zhì)工裝的制備與放置。軟質(zhì)工裝應(yīng)修切至零件周邊的橡膠擋條處；軟模周邊應(yīng)選擇合適厚度的輔助材料，防止軟質(zhì)工裝與零件不能完全貼合，不能均勻的傳遞壓力；放置在軟模與零件間的隔離布應(yīng)在R區(qū)斷開，確保軟質(zhì)工裝貼模度；應(yīng)使用硬質(zhì)的搟棒對(duì)放置完成的軟模R區(qū)域進(jìn)行搟壓，確保貼模。

其次是使用合適的橡膠擋條。在復(fù)合材料固化中，為了防止樹脂的流失，將未硫化的橡膠放置在零件周邊進(jìn)行格擋，橡膠擋條同時(shí)也起到維持制品形狀的作用。而J型筋條是無余量成型，對(duì)零件邊緣尺寸精度要求較高，但未硫化的橡膠易變形，維形作用較弱；同時(shí)，具有流動(dòng)性的未硫化橡膠在固化后會(huì)粘在筋條邊緣，難以有效清除。因此使用已經(jīng)硫化具有一定硬度的橡膠材料作為擋條，在增強(qiáng)維形作用的同時(shí)改善了筋條邊緣表觀質(zhì)量。兩種方法制作出的筋條對(duì)比見圖11。

圖9 框架式插銷垂直定位工裝組裝Fig.9 Frame-bolt type perpendicular positioning

圖10 共膠接封袋組裝Fig.10 Package of co-splice

結(jié)論

（1）采用外型模成型的J型筋條表觀質(zhì)量好、筋條高度準(zhǔn)確，可以很好滿足裝配的需求，且容易脫模，不會(huì)損傷到筋條。

（2）所設(shè)計(jì)的框架式插銷垂直定位方法可以很好地適用于各類復(fù)雜加筋壁板的制造，可以滿足筋條無余量制造的要求。

（3）軟質(zhì)模具需放置到位，要防止一切可能的架起，特別搟壓軟模的R區(qū)；R區(qū)的各類輔助材料應(yīng)都斷開，以確保軟模能夠貼實(shí)到零件上，固化后的筋條內(nèi)部質(zhì)量良好。

（4）對(duì)于無余量成型的復(fù)材零件，可以使用硫化的硅橡膠作為擋條，以一定的硬度維持筋條邊緣的外形，且在筋條固化后，硫化的硅橡膠較好清理。

（5）使用專用模具預(yù)成型的R區(qū)填充芯材不僅便于操作，而且與筋條貼合度高，成型的R區(qū)質(zhì)量良好。

圖11 應(yīng)用不同擋條材料的實(shí)物對(duì)比Fig.11 Comparison for the product of different interdict materials

參 考 文 獻(xiàn)

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