淺談復合材料C型梁的制造工藝

房曉斌，郭俊剛，王宏博，李奇輝

（航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089）

由于復合材料具有比強度較高、比剛度較大、耐疲勞性和可設計性較好等優(yōu)點而廣泛應用于結構制造領域。現(xiàn)在飛機結構中復合材料C型梁已用作承力件和次承力件，該零件的精確制造是航空企業(yè)和科研院所研究的一大方向[1]。目前，大多數(shù)研究人員和學者主要針對復合材料C型梁固化變形控制和厚度控制方面進行研究，而在實際生產中更需要注重全方位制造工藝設計，以降低零件制造風險。

1 材料性能和工藝性研究

1.1 材料的性能研究

材料性能研究是按照工藝規(guī)范和技術文件要求鋪貼及固化不同規(guī)格材料性能試板的。首先按照測試規(guī)范加工試樣并完成性能測試，然后按照工藝規(guī)范和技術文件中的驗收指標，判斷該材料的物理和化學性能是否能滿足工程應用要求。若材料的測試結果未達標，反饋給相關部門和材料供應商，共同改進和提高材料的各項性能；若材料的測試結果達標，確認材料性能試板和性能測試試樣的制造工藝，將其作為復合材料C型梁制造工藝的主要參數(shù)，復合材料C型梁選用的材料，通常為高溫環(huán)氧體系預浸料。

1.2 材料的工藝性研究

材料的工藝性主要是指適用性和可塑性這2個方面。適用性通常表現(xiàn)為材料數(shù)控下料操作和鋪貼操作的好壞等；可塑性表現(xiàn)為內部質量合格和外部質量合格等。簡單來說，在材料各項性能滿足工藝規(guī)范和技術文件要求條件下，工程技術人員設計與復合材料制件結構相似、材料相同、鋪層相同的試驗件，采用專用成型模具，完成試驗件的全流程制造，觀察制造過程中材料的下料機鋪貼操作，檢測試驗件內部質量和外部質量，判定該材料的適用性和可塑性是否滿足要求。

2 復合材料C型梁外形設計和鋪層設計基本要求

2.1 復合材料C型梁外形設計基本要求

復合材料C型梁設計初期，結構設計人員與工程技術人員需緊密聯(lián)系，在不增加飛機部件裝配難度的情況下，設計成便于熱壓罐固化成型的結構。如將大尺寸復合材料C型梁分段設計，復雜接頭設計在連接桿上，以簡化復合材料C型梁成型模具制造難度，降低C型梁鋪貼及銑切難度等。

2.2 復合材料C型梁鋪層設計基本要求

復合材料C型梁的鋪層設計在滿足結構強度要求的條件下，制件內、外表面的材料需選用碳纖維織物預浸料，用于降低制造過程中外形銑切和制孔難度。若復合材料C型梁內、外表面材料選用單向帶預浸料，則外形銑切和制孔操作時經常性會出現(xiàn)邊緣分層和邊緣毛刺現(xiàn)象。

3 復合材料C型梁固化變形控制

3.1 復合材料C型梁固化變形的影響

復合材料C型梁普遍采用熱壓罐固化成型，由于固化過程中產生的殘余應力和應變，產品脫模后易產生“收口變形”，影響了飛機部件的裝配工作[2～4]。復合材料C型梁緣條固化變形使其外形偏離了設計要求，從而導致蒙皮與梁間螺栓連接裝配孔錯位。若對裝配件進行強制裝配將會產生殘余應力、密封不好等問題，亦會降低結構的強度和疲勞壽命，甚至造成制件報廢。

3.2 復合材料C型梁固化變形的影響因素

復合材料C型梁產生固化變形的影響因素主要有3個方面：①工藝因素，主要包括固化時的升降溫速率、固化壓力等；②結構設計因素，主要包括零件鋪層角度、鋪層厚度等；③模具因素，主要包括模具材質、表面光潔度和模具結構形式等。

3.3 復合材料C型梁固化變形控制方法

結構設計人員基于強度及外形尺寸等方面考慮，規(guī)定了復合材料C型梁選用材料和鋪層信息[5]；而復合材料C型梁采用熱壓罐固化成型時通常參照工藝規(guī)范中的固化參數(shù)。結構設計因素和工藝因素在某種程度上的確定性，可以降低固化變形控制的難度。目前，國內相關單位都在開展復合材料C型梁固化變形控制研究工作。航空企業(yè)較多采用模具型面補償量試錯及修正的方法，以消除復合材料C型梁固化變形的影響，滿足型號研制需求。而科研院所則較多開展復合材料C型梁固化變形有限元模擬仿真方面的工作。

（1）模具型面補償量試錯及修正

模具型面補償是航空企業(yè)消除復合材料C型梁固化變形影響的有效方法[6，7]。通常，按照復合材料C型梁選用材料進行分類，結合鋪層信息計算出模具型面補償量。第1步，匯總已生產完工制件的選用材料、鋪層信息、外形檢測數(shù)據(jù)和模具補償量等，作為新制復合材料C型梁零件模具補償量的參考數(shù)據(jù)，初步設計模具補償量θ1；第2步，提取復合材料C型梁外形特征設計小尺寸試驗件，在小尺寸試驗件模具設計時帶入補償量θ1，并完成模具制造（圖1為小尺寸模具試驗件示意圖）；第3步，利用小尺寸試驗件模具完成試驗件制造，采用數(shù)字化檢測設備完成小尺寸試驗件的外形檢測，分析計算出合理的模型型面補償量θ2，將其作為1∶1制件模具型面補償量；第4步，根據(jù)模型型面補償量θ2，設計并制造復合材料C型梁模具，實現(xiàn)復合材料C型梁固化變形控制。

（2）復合材料C型梁固化變形的有限元分析

ABAQUS軟件是國際上先進的大型通用有限元軟件之一，其可以分析復雜的工程力學問題，具有駕馭龐大求解規(guī)模的能力，在非線性力學分析功能方面能夠達到世界領先水平[8]。未來隨著復合材料制造水平的發(fā)展，針對復合材料C型梁固化變形，有效的解決方法是使用有限元模擬仿真軟件分析復合材料C型梁固化變形并計算出固化變形補償量。具體做法是，通過將多場耦合數(shù)值模擬模型計算出的溫度、固化度、黏度和樹脂流動情況等；再通過固化變形模型求解出的殘余應力導入到C型構件固化變形模型中，將材料的各向異性和化學伸縮效應采用結合實驗校正與ABAQUS有限元建模的方法進行模擬仿真。通過實驗來確定復合材料厚度方向上的化學伸縮系數(shù)，利用實驗得到的參數(shù)和溫度場模擬得到的結果，在ABAQUS中建立幾何模型，定義物理性能參數(shù)、選擇合適的邊界條件和劃分適當?shù)木W格，從而進行復合材料C型梁固化變形的有限元分析，圖2為有限元模擬流程圖。通過有限元分析得出復合材料C型梁固化變形量，由工程技術人員計算出固化變形補償量。

圖1 小尺寸試驗件模具Fig.1 Mould for small size test specimen

圖2 有限元模擬流程Fig.2 Flow path of finite element simulation

4 復合材料C型梁厚度控制

復合材料C型梁制造過程中，經常會出現(xiàn)厚度超差，超差部位主要集中在R區(qū)。通常采用陽模固化后R區(qū)偏薄、采用陰模固化后R區(qū)偏厚[9]。如何控制復合材料C型梁R區(qū)厚度，常用的方法有2種：①是AIRPAD壓力墊控厚；②是AIRCAST3700壓力墊控厚。但是這2種方法都有局限性，不能作為通用的厚度控制方法。

（1）AIRPAD壓力墊控厚

AIRPAD壓力墊與陽模模具配合使用（如圖3所示），其內表面是工作表面，制作時需要借助與制件外表面尺寸相同的假件或者專用壓力墊模具，熱壓罐固化成型。AIRPAD壓力墊與陰模模具配合使用（如圖4所示），其外表面是工作表面，制作時需要借助與制件內表面尺寸相同的假件或者專用壓力墊模具，熱壓罐固化成型。

圖3 陽模配合用AIRPAD壓力墊Fig.3 AIRPAD pressure pad for positive die mould

圖4 陰模配合用AIRPAD壓力墊Fig.4 AIRPAD pressure pad for die mould

AIRPAD壓力墊組合方式為1層AIRPAD+若干層高溫預浸料+1層AIRPAD，高溫預浸料牌號、層數(shù)和尺寸大小由工程技術人分析復合材料C型梁外形結構、選用材料和鋪層信息等確定。實踐結果表明，AIRPAD壓力墊無論與陽模模具還是與陰模模具配合使用，均可有效控制復合材料C型梁全型面厚度。

（2）AIRCAST3700壓力墊控厚

AIRCAST3700壓力墊通常與陰模模具配合使用時（如圖5所示），AIRCAST3700壓力墊需要借助與制件內表面尺寸相同的假件或者專用壓力墊模具，并且放置內芯模，室溫硫化成型。

圖5 陰模配合用AIRCAST3700壓力墊Fig.5 AIRCAST3700 pressure pad for die mould

AIRCAST3700壓力墊控厚的穩(wěn)定性比較差，使用時經常不能達到理想效果，如果壓力墊厚度不合適，則會造成制件內表面出現(xiàn)不平整。同時，由于AIRCAST3700壓力墊伴隨制件固化多次使用會出現(xiàn)收縮，不推薦經常性使用。若復合材料C型梁研制批次少，且尺寸不大時，可使用AIRCAST3700壓力墊，厚度設計為30～35 mm時可保證較好的控厚效果。

5 復合材料C型梁模具設計基本要求

復合材料C型梁制造過程中，除了使用成型模固化成型，還需使用真空銑具銑切外形，使用檢驗型架輔助檢測外形。當使用陰模成型模時，還需配套鋪貼模，根據(jù)需要配套翻轉機構。

（1）成型模設計基本要求

復合材料C型梁成型模一般選用金屬材料，比如殷鋼和普通鋼，鑒于復合材料C型梁制造精度要求越來越高，建議盡可能選用殷鋼材料。待復合材料C型梁工藝狀態(tài)穩(wěn)定后，可以考慮將成型模的殷鋼型板更換為復材型板。

復合材料C型梁成型模分為陽模成型模和陰模成型模2種，選擇哪一種形式需要根據(jù)制件外形尺寸和配合精度綜合考慮。一般飛機襟翼和副翼復合材料C型梁，其緣條面寬度變化在50～150 mm范圍內，且厚度不大于3 mm，建議選用陽模成型模；外翼和尾翼復合材料C型梁，其緣條面寬度若大于200 mm、厚度大于3 mm時，由于制件厚度公差帶來的影響，建議選用陰模成型模。

為了保證模具的剛性，較大尺寸成型模需設計為整體框架結構，利用軟件模擬熱壓罐中氣流方向，設計合理的氣流通道；根據(jù)工裝設計手冊，設計合理的導氣槽和真空管路。（2）鋪貼模和翻轉機構設計基本要求

鋪貼模主要用于復合材料C型梁的鋪貼成型，不用于固化成型，一般選用金屬材料，鋁合金或者普通鋼，根據(jù)實際需要可整體也可分塊，只要保證模胎的剛性即可。由于制造工藝有時需要進行預壓實，建議鋪貼模設計為整體模胎。

翻轉機構作用是將鋪貼模進行翻轉，用于將鋪貼模與凹成型模進行組合的一個輔助裝置。翻轉機構目前常見的是機械式，由2組翻轉裝置和2組連接裝置組成。翻轉裝置固定在地面上，位置根據(jù)鋪貼模長度進行調節(jié)，連接裝置一端與鋪貼模連接，另一端與翻轉裝置連接。

（3）真空銑具設計基本要求

真空銑具是復合材料C型梁數(shù)控銑切的輔助裝置，要求整體剛性較好，吸附力較好。銑具結構為框架式，框架上設置銑具型板，材質以鋁和鋼為主，高度滿足機床主軸頭擺動90°要求。銑具型板寬度比梁腹板寬度小2～5 mm，設計抽氣孔和抽氣槽，邊緣處設置一圈真空圈凹槽，放置真空圈，用來防止真空漏氣。零件外形輪廓對應的型板區(qū)域設計退刀槽，退刀槽邊緣按照零件邊緣向內偏移2 mm，寬度及深度滿足數(shù)控加工要求，如圖6所示。復合材料C型梁緣條面寬度較窄，與真空銑具吸附面較小，需要設置可卸式壓板，圖7為真空銑具設計圖。

圖6 真空銑具草圖Fig.6 Vacuum milling tool sketch

圖7 真空銑具設計圖Fig.7 Vacuum milling tool design drawing

（4）檢驗型架設計基本要求

檢驗型架用于復合材料C型梁外形檢測，一般為框架結構，帶有可靈活拆卸的檢驗卡板，根據(jù)復合材料C型梁結構特征設計定位孔。當選擇依據(jù)檢驗型架上檢驗卡板檢測制件外形時，將制件固定在型架上，檢測制件表面與卡板之間的間隙，計算出外形偏差；當選擇使用數(shù)字化設備檢測制件外形時，將檢驗卡板拆卸掉，固定后，完成制件外形的數(shù)字化檢測，通過計算機分析實際檢測外形與理論外形的偏差。

6 展望

當前，先進復合材料在飛機制造領域應用不斷增加，已成為航空制造領域一個發(fā)展趨勢，大型復合材料制件、承重件研制已成為各國著力發(fā)展的方向[1]。復合材料C型梁可用于飛機結構的承力件和次承力件，在減輕飛機重量，提升結構強度方面有著重要意義。在我國復合材料C型梁普遍采用手工鋪貼、熱壓罐成型的方法，其人為因素影響很大，不利于產品質量的控制。為了提高產品加工精度，保證質量穩(wěn)定性，有關科研技術人員應學習國外先進經驗，加強自主創(chuàng)新，掌握復合材料C型梁加工制造中的核心和關鍵技術。自動鋪貼工藝和熱隔膜壓實工藝技術研究已在我國許多企業(yè)廣泛開展，待技術成熟后，有望進一步實現(xiàn)復合材料C型梁的精確制造[10]。隨著科學技術的不斷提高，復合材料C型梁的精確制造技術應成為一套規(guī)范化、標準化的技術，采用該項技術，可以縮短研制周期，降低生產成本。