復合材料J型梁R區(qū)皺褶的消除

王 松，房曉斌，艾 明

（中行飛機股份有限公司，陜西 西安 710089）

由于復合材料具有比強度高、比剛度大、耐疲勞性和可設計性好等優(yōu)點，在結構制造領域得到廣泛應用。復合材料梁類零件，現(xiàn)在已成熟應用于飛機結構中承力件和次承力件，其結構通常為J型層壓件和C型層壓件。復合材料J型梁，經熱壓罐成型固化后發(fā)生回彈變形的程度非常小，一般情況下不考慮進行固化變形控制。但是，由于其為J型結構，成型模具通常設計為上下組合模具或左右組合模具。本文中的復合材料J型梁為雙曲結構，采用了上下組合模具，在實際生產過程中零件R區(qū)出現(xiàn)了皺褶。針對復合材料J型梁R區(qū)皺褶問題，需要通過成型工藝改進，設計合理的工藝方案，消除零件R區(qū)皺褶。

1 復合材料J型梁介紹

1.1 復合材料J型梁結構

復合材料J型梁長度約4 442 mm，寬度約85 mm，高度約90 mm，厚度約4.20 mm，存在多處臺階過渡，如圖1所示。

圖1 復合材料J型梁示意圖Fig.1 Schematic of composite material J-beam

1.2 外翼后梁原材料

復合材料J型梁選用了2種碳纖維材料和1種玻璃布材料，碳纖維材料作為主體構成材料，分別是碳纖維單向帶預浸料CYCOMC977-2-35-12K HTS-134、碳纖維織物預浸料CYCOM977-2A-37-3KHTA-5H-280。零件表面不用粘接劑，鋪貼玻璃布CYCOM977-2A-40-G120-105，用于防護電化學腐蝕。

1.3 主要技術指標

（1）外觀質量：復合材料制件的表面應光滑平整，表面無貧、富樹脂，表面纖維被樹脂均勻覆蓋。

（2）內部質量：超聲檢測分層、脫膠和孔隙密集等缺陷符合HB7224二級驗收標準。

（3）孔隙率≤1.5%。

（4）厚度控制：非R區(qū)理論厚度的±8%，R區(qū)理論厚度的±8%。

（5）外形公差：理論型面的-0.75～0 mm，允許在間距每250 mm的距離上施加30 N的力。

（6）隨爐件力學性能滿足相關材料技術規(guī)范。

2 復合材料J型梁成型方案

2.1 工裝結構

復合材料J型梁的鋪貼及熱壓罐成型固化，采用上下組合模具。從制造成本考慮，左右側復合材料J型梁共用一套模具。模具主要由框體、下芯模、上芯模、鉆模板和勻壓板等部分組成。復合材料J型梁模具如圖2所示。

圖2 復合材料J型梁模具示意圖Fig.2 Schematic of mold for composite material J-beam

框體為薄壁框架結構，上層型板材料為殷鋼，其余部分材料為普通鋼。下芯模與框體連接在一起，下芯模材料為殷鋼，上芯模分為2塊，通過連接塊和銷釘固定，材料為殷鋼。模具共帶有4組鉆模板，位于芯模的2端。另外模具還帶有一組勻壓板，用于壓實復合材料J型梁一側緣條面。

2.2 工藝流程

復合材料J型梁制造過程中，鋪貼工序的操作最為復雜，由于結構的特殊性，需要將鋪層分為A、B、C 3部分，A部分由1層玻璃布、2層碳纖維單向帶和6層碳纖維織物組成，在模具下芯模上鋪貼；B部分由2層碳纖維單向帶和7層碳纖維織物組成，在模具上芯模上鋪貼；A部分和B部分鋪貼完成后進行組合，在其形成的三角區(qū)采用連續(xù)碳纖維單向帶進行加捻；加捻完成后鋪貼C部分，C部分由2層碳纖維單向帶和7層碳纖維織物組成。如圖3所示。

圖3 復合材料J型梁鋪層示意圖Fig.3 Schematic of paving of composite material J-beam

3 復合材料J型梁制造的主要問題及解決方法

3.1 復合材料J型梁R區(qū)皺褶問題

復合材料J型梁，在分別完成A、B、C 3部分鋪貼后，C部分外表面放置鋁制勻壓板，很好地保證了C部分外表面的平整度，對加捻區(qū)進行了充分壓實。零件固化后，C部分所在面的厚度略小于理論厚度，符合厚度公差要求。

而在另一側緣條面，雖然放置了硅橡膠AIRPAD壓力墊，但是零件R區(qū)外表面出現(xiàn)了連續(xù)的皺褶，外部質量和內部質量都不合格。

3.2 皺褶原因分析

復合材料J型梁固化后，零件R區(qū)外表面出現(xiàn)連續(xù)皺褶。通過分析，產生皺褶的原因可能是：1）復合材料J型梁緣條面放置的硅橡膠AIRPAD壓力墊的剛性不足，沒有很好地對零件R區(qū)壓實；2）復合材料J型梁的成型模具設計不合理，需要進行改進。

3.3 復合材料J型梁成型工藝改進方案

3.3.1 復合材料J型梁R區(qū)采用密封膠帶壓實

選取復合材料J型梁部分區(qū)域，完成相應的鋪貼操作。鋪貼完成后在上模與下模配合面的縫隙處，填充密封膠帶，用于壓實零件R區(qū)，見圖4所示。

3.3.2 復合材料J型梁R區(qū)采用剛性硅橡膠AIRPAD壓力墊

打磨修整帶皺褶的復合材料J型梁R區(qū)，將其作為假件。利用假件鋪貼1層AIRPAD+2層玻璃布+1層AIRPAD，固化后作為剛性硅橡膠AIRPAD壓力墊。

選取復合材料J型梁部分區(qū)域，完成相應的鋪貼操作。鋪貼完成后在上模與下模配合面的縫隙處，放置剛性硅橡膠AIRPAD壓力墊，用于壓實零件R區(qū)，見圖4。

3.3.3 復合材料J型梁R區(qū)采用玻璃布壓力墊

打磨修整帶皺褶的復合材料J型梁R區(qū)，將其作為假件。利用假件鋪貼2層玻璃布，固化后作為玻璃鋼壓力墊。

選取復合材料J型梁部分區(qū)域，完成相應的鋪貼操作。鋪貼完成后在上模與下模配合面的縫隙處，放置玻璃布壓力墊，用于壓實零件R區(qū)，見圖4。

圖4 密封膠帶壓實/剛性壓力墊/玻璃鋼壓力墊示意圖Fig.4 Schematic of sealing tape compaction/rigid pressure pad/FRP pressure pad

3.3.4 復合材料J型梁上模加寬設計

復合材料J型梁上下組合模具，下模按零件理論模型設計，上模按腹板面外形設計，上模整體寬度小于與腹板面貼合的下模部分，上模避讓了零件外R區(qū)，如圖5（a）所示。分析認為這種結構在固化成型J型梁過程中，J型梁R區(qū)外表面（靠袋面），放置不同形式的壓力墊，不能賦予此區(qū)域良好的R過渡。

因此，大膽嘗試將上模設計為下模等寬度，在完成復合材料J型梁鋪貼和芯模組合后，在上芯模和下芯模之間的細小縫隙處，填充密封膠條，如圖5（b）所示。

圖5 改進前后上芯模和下芯模示意圖Fig.5 Schematic of upper and lower core molds before and after improvement

3.4 復合材料J型梁成型工藝改進結果

（1）密封膠帶壓實的改進效果：復合材料J型梁R區(qū)出現(xiàn)連續(xù)凹坑，皺褶減少，零件R區(qū)外部質量不合格；

（2）剛性硅橡膠AIRPAD壓力墊的改進效果：復合材料J型梁R區(qū)表面未出現(xiàn)皺褶現(xiàn)象，但表面不光滑、不平整，零件R區(qū)外部質量不合格；

（3）玻璃鋼壓力墊的改進效果：復合材料J型梁R區(qū)表面未出現(xiàn)皺褶現(xiàn)象，但表面局部區(qū)域出現(xiàn)貧膠；

（4）復合材料J型梁上模加寬改進效果：復合材料J型梁R區(qū)表面未出現(xiàn)皺褶現(xiàn)象，表面光滑流線，經設備檢測，產品質量滿足J型梁的1.3節(jié)技術指標要求。

4 結語

通過復合材料J型梁成型工藝改進，找到了消除復合材料J型梁R區(qū)皺褶的有效方法，即設計上模和下模寬度相同的芯模，在上下芯模的縫隙之間填充密封膠條。在復合材料J型梁R區(qū)皺褶消除后，檢驗零件的外、內部質量均滿足J型梁的技術要求。同時也完善了復合材料J型梁的成型工藝，提高了復合材料J型梁的制造質量。