航空復(fù)合材料構(gòu)件精確制造技術(shù)探討及應(yīng)用

（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610092）

由于復(fù)合材料優(yōu)異的耐疲勞性能和高比強(qiáng)度、高比模量，復(fù)合材料已經(jīng)成為航空結(jié)構(gòu)材料的主流，其用量已經(jīng)突破了結(jié)構(gòu)重量的50%[1]。航空復(fù)合材料構(gòu)件分為層壓結(jié)構(gòu)、夾芯結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要用于飛機(jī)機(jī)身壁板、機(jī)翼和舵面，如垂尾、副翼等結(jié)構(gòu)。因?yàn)楦叻肿硬牧瞎逃械姆肿恿糠植肌r(shí)溫等效性和應(yīng)力松弛特性，復(fù)合材料構(gòu)件的厚度尺寸公差一般為厚度尺寸的5%～8%，復(fù)合材料構(gòu)件固化變形大[2]，有的到達(dá)10mm以上。

圖1 B787復(fù)合材料機(jī)身壁板Fig.1 Composite material fuselage panel of B787

軍用航空器的外形公差一般為0.5～1.2mm，民機(jī)航空器的外形公差一般為1.5～2.0 mm[3]。因飛機(jī)結(jié)構(gòu)隱身、高速度、燃油經(jīng)濟(jì)性及高公差值的要求，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的制造精度提出了更高的要求，如厚度公差不超過4%，外形公差不超過0.5mm，型面階差不超過0.1mm。傳統(tǒng)的復(fù)合材料構(gòu)件制造精度已經(jīng)無法滿足當(dāng)今飛行器的高要求，如何提高復(fù)合材料構(gòu)件的厚度及外形輪廓的制造精度，已經(jīng)成為近10年來國內(nèi)外航空復(fù)合材料構(gòu)件制造行業(yè)的研究重點(diǎn)。

1 復(fù)合材料構(gòu)件工裝的精確控制

復(fù)合材料構(gòu)件成型時(shí)，構(gòu)件與成型工裝一并在熱壓罐或固化爐中固化成型，因此零件的氣動(dòng)外形、幾何尺寸完全受制于復(fù)合材料構(gòu)件的成型工裝。雖然復(fù)合材料構(gòu)件成型工裝在設(shè)計(jì)上和制造上完全滿足復(fù)合材料構(gòu)件的氣動(dòng)外形及幾何尺寸要求，但是成型工裝與復(fù)合材料構(gòu)件熱傳導(dǎo)系數(shù)以及熱膨脹差異引起復(fù)合材料構(gòu)件層合板內(nèi)部產(chǎn)生溫度分布梯度及應(yīng)力梯度[4]，直接影響到復(fù)合材料構(gòu)件成型后的實(shí)際外形和尺寸精度。因此，工裝結(jié)構(gòu)及工裝材質(zhì)將直接影響到復(fù)合材料構(gòu)件成型后的外形和尺寸精度。

Twigg等[5]通過理論模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了鋁結(jié)構(gòu)工裝、鋼結(jié)構(gòu)工裝和Invar鋼結(jié)構(gòu)工裝在熱壓罐中受熱膨脹而導(dǎo)致工裝型面變形情況。結(jié)果如圖2所示，在工裝長度低于2m時(shí)3種材質(zhì)的工裝受熱膨脹對(duì)工裝變形幾乎無影響，隨著工裝尺寸增加，不同材質(zhì)工裝熱膨脹使得工裝型面發(fā)生變形，Invar鋼工裝變形量是幾種材質(zhì)工裝中最小的，鋁質(zhì)工裝變形量最大。針對(duì)航空復(fù)合材料構(gòu)件尺寸大、細(xì)長形構(gòu)件，特別是對(duì)構(gòu)件尺寸及外形精度要求較高的零件，在成型時(shí)一般都采用Invar鋼工裝。

吳建軍等[6]研究了工裝結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件精確制造的影響，結(jié)果表明工裝在熱壓罐中變形主要是發(fā)生在工裝型面四周邊緣處，在垂直工裝型面的方向有支撐柱存在的位置的變形量大于無支撐柱存在的位置。這是因?yàn)樵诩訜峁袒瘯r(shí)支撐柱對(duì)熱流的擾流作用加快了支撐柱與周圍空氣之間的熱傳遞，使得工裝局部溫度過高造成復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，引起復(fù)合材料構(gòu)件形變。李桂東[7]等認(rèn)為工裝支撐結(jié)構(gòu)中的通風(fēng)口，對(duì)熱壓罐空氣循環(huán)系統(tǒng)中空氣的流動(dòng)影響較大，如果工裝支撐結(jié)構(gòu)中的通風(fēng)口開口方向和大小設(shè)計(jì)不合理，將影響工裝模板表面的受熱均勻性，導(dǎo)致工裝型面變形不均勻，影響復(fù)合材料構(gòu)件的成型精度。FERNLUND 等[8]對(duì)比了脫模布與脫模劑對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件變形的影響，結(jié)果表明相同的固化工藝條件下脫模劑比脫模布對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件變形影響更大，主要是因?yàn)槊撃２荚诠ぱb受熱膨脹后能隨工裝生長，而脫模劑作為樹脂聚合物很難隨工裝生長，復(fù)合材料構(gòu)件與脫模劑制件又產(chǎn)生二次變形。

因此，工業(yè)上為消除熱膨脹系數(shù)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件外形精度的影響，廣泛采用了與復(fù)合材料膨脹系數(shù)接近的工裝材料來制造成型工裝，如Invar鋼。在工裝設(shè)計(jì)和制造過程中因合理分布支撐柱，在保證工裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及承壓能力下降低支撐柱的使用。正確的防黏層以及復(fù)合材料構(gòu)件成型工裝擺放的位置都有利于降低工裝變形引起的復(fù)合材料構(gòu)件變形及翹曲，從而提高復(fù)合材料構(gòu)件制造精度。

圖2 不同材質(zhì)成型工裝受熱膨脹變形對(duì)比Fig.2 Warpage as a function of length for parts fabricated with different tooling materials

2 復(fù)合材料構(gòu)件制造溫度場(chǎng)的精確控制

無論是熱固性還是熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的制造通常都需要高溫高壓和真空，尤其是熱固性復(fù)合材料構(gòu)件在高溫高壓的作用下發(fā)生化學(xué)交聯(lián)固化反應(yīng)，固化溫度對(duì)樹脂的反應(yīng)速率、交聯(lián)密度、固化程度起著重要的作用，復(fù)合材料構(gòu)件固化時(shí)不同位置在不同時(shí)刻的溫度的差異將直接影響到構(gòu)件的制造精度。加熱成型的溫度場(chǎng)是一個(gè)由工裝、構(gòu)件毛坯、加熱設(shè)備、升降溫速率和輔助材料等構(gòu)成的系統(tǒng)，是系統(tǒng)綜合作用的體現(xiàn)，宏觀表現(xiàn)為復(fù)合材料構(gòu)件的熱均勻性也稱熱分布。因此，眾多專家學(xué)者對(duì)溫度場(chǎng)的研究均集中在對(duì)系統(tǒng)熱均勻性或熱分布的研究方面。

張紀(jì)奎等[9]依據(jù)熱傳導(dǎo)和固化動(dòng)力學(xué)理論，通過三維有限元方法研究了復(fù)合材料構(gòu)件的厚度和纖維體積含量在固化過程中的溫度和固化度歷程及其變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明復(fù)合材料構(gòu)件厚度越大，溫度梯度越大，中心點(diǎn)開始固化時(shí)間越早；隨著固化溫度的升高復(fù)合材料構(gòu)件纖維體積含量越高，樹脂交聯(lián)反應(yīng)放熱量越大，復(fù)合材料構(gòu)件中心點(diǎn)溫度升高越快，固化程度越高。左德峰等[10]利用有限元方法研究了復(fù)合材料構(gòu)件板厚度、固化升溫速率等因素對(duì)熱壓罐固化溫度場(chǎng)分布的影響。該計(jì)算結(jié)果表明，固化過程中應(yīng)根據(jù)復(fù)合材料構(gòu)件層合板的厚度合理地選擇升溫速率，以保證復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性。

白樹成等[11]通過調(diào)整升溫速率和成型工裝擺放位置，將大尺寸的復(fù)合材料構(gòu)件固化工藝過程中最大溫度差由80℃降低到30℃，從而減小了復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部溫度梯度，提高了復(fù)合材料構(gòu)件的制造精度，較好地滿足了設(shè)計(jì)要求和裝配要求。Kim[12]和李君[13]等的研究表明升溫速率、恒溫時(shí)間和降溫速率都將直接影響到固化殘余應(yīng)力和應(yīng)變的產(chǎn)生，且固化殘余應(yīng)力、應(yīng)變的形成將引起復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)生回彈及翹曲變形。復(fù)合材料構(gòu)件固化時(shí)熱壓罐環(huán)境溫度及自身的固化反應(yīng)放熱的共同作用使得復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的溫度梯度，這種不均勻的溫度梯度不僅會(huì)造成復(fù)合材料的固化程度不均勻，而且還將引起復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形[14]，引起復(fù)合材料構(gòu)件在固化成型前期產(chǎn)生內(nèi)部缺陷[15]。

由此可見，復(fù)合材料固化過程中復(fù)雜的溫度梯度是產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形的直接原因，進(jìn)而影響到復(fù)合材料構(gòu)件的制造精度，因此在復(fù)合材料構(gòu)件制造時(shí)必須對(duì)固化溫度場(chǎng)進(jìn)行精確控制。在成型尺寸較大、厚度大的復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，升溫速率和降溫速率過快不僅會(huì)影響到成型工裝溫度場(chǎng)的均勻性，還會(huì)造成復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度。溫度梯度的存在使得構(gòu)件內(nèi)部的樹脂固化度不一致，固化收縮引起復(fù)合材料構(gòu)件發(fā)生翹曲和變形。雖然較低的升、降溫速率能減小復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部的溫度差異，使得復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部溫度梯度減小，復(fù)合材料構(gòu)件變形小不易發(fā)生翹曲，保證復(fù)合材料構(gòu)件的精確制造，但是過低的升溫速率和降溫速率無疑會(huì)增加零件的制造成本。航空復(fù)合材料構(gòu)件成型時(shí)，升溫速率一般不超過2℃/min，降溫速率一般為2～3℃/min，復(fù)合材料構(gòu)件出罐后需后固化4h以上。

3 復(fù)合材料構(gòu)件制造固化壓力的精確控制

真空袋-熱壓罐法成型復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，預(yù)浸料被熱壓罐固化壓力緊緊壓貼在成型工裝表面，熱壓罐開始升溫后復(fù)合材料構(gòu)件與成型模具之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力。隨著溫度的升高預(yù)浸料的樹脂進(jìn)入橡膠態(tài)階段，此時(shí)復(fù)合材料構(gòu)件的剪切模量很低，靠近成型工裝型面的預(yù)浸料的鋪層受到的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于非貼膜面的預(yù)浸料的鋪層，使得在復(fù)合材料構(gòu)件厚度方向形成一個(gè)應(yīng)力梯度，由于固化壓力的作用使得應(yīng)力梯度隨著樹脂交聯(lián)固化而被迫殘留在構(gòu)件內(nèi)部，直到復(fù)合材料構(gòu)件完全固化。在復(fù)合材料構(gòu)件脫模后，殘留在構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力得到釋放而導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生變形，如圖3所示[16]。

在熱壓罐固化過程中由于熱壓罐內(nèi)的固化壓力分布不均勻?qū)е聫?fù)合材料預(yù)浸料構(gòu)件受壓不均，使得復(fù)合材料構(gòu)件不同部位的樹脂含量不盡相同。樹脂含量的差異直接造成構(gòu)件不同部位的固化度不一致，引起固化收縮，造成構(gòu)件的變形和翹曲。Twigg等[17]研究了復(fù)合材料構(gòu)件在不同的固化壓力下構(gòu)件的變形量，結(jié)果如圖4所示。可以看出隨著固化壓力的增加復(fù)合材料構(gòu)件的翹曲和變形增加，使得復(fù)合材料構(gòu)件的制造精度降低。

荀國立等[18]研究了外加壓力和真空壓力對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部孔隙率的影響。認(rèn)為固化壓力達(dá)到一定值時(shí)壓力對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件孔隙率的影響有限，如圖5所示。原因在于壓力達(dá)到一定值時(shí)，內(nèi)部已經(jīng)壓實(shí)厚度不再減少。而越早加壓和較小的真空對(duì)減少復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部孔隙率越有利。

圖3 成型工裝與復(fù)合材料構(gòu)件在固化作用下受力示意圖Fig.3 Proposed mechanism for warpage due to tool-part interaction

圖4 不同固化壓力下復(fù)合材料構(gòu)件的變形情況Fig.4 Maximum warpage versus autoclave pressure for specimens

綜上所述，壓力對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量有較大影響。在厚度一定的條件下，隨著固化壓力的增大，復(fù)合材料構(gòu)件的孔隙率逐步降低，而構(gòu)件的變形量增大。降低復(fù)合材料構(gòu)件成型的真空度可以改善構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量。

圖5 不同固化壓力下層板孔隙率Fig.5 Porosity at different curing pressure

4 盆形零件精確制造實(shí)例

復(fù)合材料盆形零件由于外形及鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在盆沿及盆邊位置纖維角度變化大，導(dǎo)致固化完成后變形量大，且與單方向的回彈變形經(jīng)驗(yàn)對(duì)比差距大。手工鋪疊的重復(fù)性差，導(dǎo)致零件變形量一致性差。本研究利用該零件最終的理論外形創(chuàng)建有限元仿真模型，導(dǎo)入工裝及零件的三維數(shù)模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格的時(shí)候考慮網(wǎng)格的精度與計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算時(shí)間的關(guān)系，在相對(duì)變形量較小的盆形內(nèi)區(qū)域采用較粗的網(wǎng)格，在相對(duì)變形量較大的盆邊沿區(qū)域采用較細(xì)密的網(wǎng)格。為保證在仿真時(shí)候零件不會(huì)發(fā)生剛性位移，在零件中間定義了固定約束以限制其自由度。同時(shí)對(duì)溫度場(chǎng)變化曲線及真空系統(tǒng)的壓力場(chǎng)等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。計(jì)算分析得到零件的應(yīng)力變化分布云圖（圖6），其中紅色區(qū)域?yàn)樽冃瘟孔畲髤^(qū)域。

從圖6可以得出仿真結(jié)果與實(shí)物變形趨勢(shì)和變形的量級(jí)是一致的，證明有限元仿真時(shí)設(shè)置的材料參數(shù)和根據(jù)工藝技術(shù)要求輸入的溫度場(chǎng)和壓力值參數(shù)能夠表征復(fù)合材料零件在熱壓罐成型過程中的內(nèi)應(yīng)力變化及零件脫模后產(chǎn)生的外形回彈。根據(jù)有限元迭代補(bǔ)償方法，得到復(fù)合材料零件補(bǔ)償修模的外形再次利用有限元仿真軟件進(jìn)行計(jì)算得到如圖7所示補(bǔ)償后零件變形位移云圖。

要得到與理論模型形狀差別非常小的成型模具，模具各部分都需要進(jìn)行變形補(bǔ)償。實(shí)際上在進(jìn)行固化試驗(yàn)時(shí)固化模具已經(jīng)制造完成，重新加工一套模具花費(fèi)的時(shí)間較長和成本較高，因此可以考慮在原有的模具上進(jìn)行補(bǔ)償。將補(bǔ)償量按照補(bǔ)償厚度間隔0.1mm做出等厚圖，通過激光投影定位系統(tǒng)將需要進(jìn)行修模補(bǔ)償?shù)奈恢眉昂穸劝凑胀队熬€進(jìn)行鋪覆補(bǔ)償。

完成工裝補(bǔ)償后進(jìn)行了零件試驗(yàn)，并在零件成型時(shí)將升溫速率和降溫速率控制在1.5℃/min，將固化時(shí)間由原先的8h延長至12h。零件脫模后檢查零件脫模度，結(jié)果盆形零件在不施加外力作用下零件貼模度為0.4mm，表明通過對(duì)盆形零件工裝型面進(jìn)行補(bǔ)償及優(yōu)化工藝參數(shù)可以消除零件變形，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料精確制造，從而提高復(fù)合材料零件制造工藝。

圖6 仿真位移變形Fig.6 Deformation of the simulation displacement

圖7 補(bǔ)償后零件變形位移云圖Fig.7 Deformation of the simulation diagram by compensation

5 結(jié)束語

復(fù)合材料構(gòu)件的精確制造受原材料、工裝結(jié)構(gòu)與熱性能、制造溫度場(chǎng)和壓力的影響。因此，從下述方法著手可提高復(fù)合材料構(gòu)件成型后的尺寸精度，降低復(fù)合材料構(gòu)件的變形和翹曲。

工裝設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件外形采用數(shù)值模擬仿真分析,如有限元分析獲取構(gòu)件成型后變形、回彈理論值，并通過試驗(yàn)核實(shí)補(bǔ)償、修整系數(shù)，在工裝制造時(shí)直接進(jìn)行補(bǔ)償，可以縮小復(fù)合材料構(gòu)件成型后構(gòu)件回彈對(duì)制造精度的影響。嚴(yán)格控制工裝的溫度均勻性，采用與復(fù)合材料構(gòu)件熱膨脹系數(shù)匹配的材質(zhì)制造成型工裝可提高復(fù)合材料構(gòu)件制造的外形精度，降低工裝變形對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件成型后變形的影響。

優(yōu)化成型工藝參數(shù)，特別是升溫速率、降溫速率、加壓點(diǎn)和固化壓力。通過平衡工裝、坯料、加熱設(shè)備、升降溫速率和輔助材料組成的綜合溫度場(chǎng)系統(tǒng)，提高溫度均勻性，有利于復(fù)合材料構(gòu)件制造外形精度的提高；采用初始加壓、盡可能小的真空值、較低的固化壓力有利于提高復(fù)合材料構(gòu)件的厚度、外形的精確和內(nèi)部質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

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