飛機(jī)大型復(fù)合材料壁板成型技術(shù)的研究

◎朱洪亮

復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，復(fù)合材料成型技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，加強(qiáng)數(shù)字化建設(shè)是該技術(shù)的必然發(fā)展需求。提升復(fù)合材料成型技術(shù)的數(shù)字化水平，可以保證整體質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高構(gòu)件的制造精度，對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展有著積極的影響。本文主對(duì)大型復(fù)合材料壁板成型技術(shù)進(jìn)行了研究，了解該技術(shù)中的相關(guān)工藝，實(shí)現(xiàn)施工工藝進(jìn)行有效控制，以此提高該技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量和效果，推動(dòng)成型技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

一、工裝技術(shù)

1.結(jié)構(gòu)類型。

復(fù)合材料壁板成型工裝結(jié)構(gòu)上一般包括實(shí)體式工裝和框架式工裝。實(shí)體式工裝：一般采用鑄件和板材為坯料，進(jìn)行機(jī)械加工，制造工裝形面的工裝形式。該類工裝一般強(qiáng)度好、穩(wěn)定性高、形面質(zhì)量容易保證，但其重量大，不易搬運(yùn)，不易作為大型成型工裝。

框架式工裝：為隔板、隔框搭建框架，支撐薄面板的工裝結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)工裝，重量輕、通風(fēng)好、易搬運(yùn)，但制造過程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性要求高。按框架形式的不同，框架式工裝常分為隔板框架結(jié)構(gòu)和型材框架結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)構(gòu)影響因素。

不同結(jié)構(gòu)形式的工裝，結(jié)合復(fù)合材料零件的實(shí)際制造情況，對(duì)復(fù)合材料的成型工藝過程會(huì)產(chǎn)生不同的影響，尤其是對(duì)復(fù)合材料零件固化過程中的加熱效率以及溫度均勻性的影響。由此可以看出，大型復(fù)合材料壁板應(yīng)采用框架式工裝，可以兼顧保證工裝的強(qiáng)度、剛度；保證工裝的輕便、周轉(zhuǎn)；保證工裝的通風(fēng)傳熱（注：若采用隔板式框架，隔板的開孔方向，要與熱壓罐的氣流循環(huán)方向一致，以利于工裝的通風(fēng)傳熱）。

二、固化成型技術(shù)

1.預(yù)成型技術(shù)。

復(fù)合材料制件制造過程中一般要進(jìn)行預(yù)成型，對(duì)于大型復(fù)合材料壁板，預(yù)成型工序是控制內(nèi)部質(zhì)量、尺寸質(zhì)量的關(guān)鍵。預(yù)成型工藝是通過升溫降低樹脂粘度使其具有良好的流動(dòng)性，適時(shí)加壓，其作用有3 個(gè)方面：

（1）使樹脂均勻流動(dòng)有效的排除夾雜的氣泡、揮發(fā)份，使零件結(jié)構(gòu)密實(shí)。

（2）利用吸膠材料將多余的樹脂吸出，使零件的厚度達(dá)到要求。

（3）使復(fù)合材料坯料形面規(guī)整，便于后續(xù)的組合、加工。

其中厚度的控制則是重中之重，因?yàn)槭紫群穸绕裰苯佑绊懥慵耐庑纬叽?，影響后續(xù)的裝配工序；第二，偏厚使零件重量超標(biāo)；第三，會(huì)使零件纖維體積含量降低，導(dǎo)致單位厚度復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。大型復(fù)合材料壁板因?yàn)楹穸茸兓?，所以各個(gè)區(qū)域余膠量分布不均，在制件制備過程中則要通過預(yù)吸膠環(huán)節(jié)控制各個(gè)區(qū)域厚度在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，這就要求我們對(duì)預(yù)吸膠工藝進(jìn)一步掌握。

2.固化技術(shù)。

復(fù)合材料的固化過程對(duì)構(gòu)件的質(zhì)量有著直接影響，是大型復(fù)合材料壁板成型技術(shù)中的重要組成部分，主要是通過高溫、高壓對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行處理，確保復(fù)合材料的形狀和質(zhì)量可以達(dá)到使用狀態(tài)，是零件成型的主要過程。

加壓點(diǎn)包括加壓溫度、加壓時(shí)機(jī)。加壓點(diǎn)的選擇，首先是加壓溫度，加壓溫度過低則樹脂流動(dòng)性不好，纖維不易均勻浸潤(rùn)易造成缺陷；加壓溫度過高，樹脂聚合速率過快不易掌握加壓時(shí)機(jī)。其次在確定加壓溫度的前提下把握好加壓時(shí)機(jī)，加壓時(shí)機(jī)過早則樹脂粘度低，排出樹脂過多造成零件貧膠、孔隙率高；加壓時(shí)機(jī)過晚則樹脂聚合程度高，流動(dòng)性差制件易夾雜氣泡產(chǎn)生疏松、分層等缺陷。加壓點(diǎn)的最佳選擇為樹脂由粘流態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的過渡區(qū)間。這和升溫速率、加壓溫度、加壓時(shí)機(jī)都密切相關(guān)，不同的溫度—時(shí)間曲線有著不同的加壓點(diǎn)。凝膠時(shí)間和加壓點(diǎn)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是加壓點(diǎn)選擇的一個(gè)重要參考數(shù)據(jù)。在確定加壓溫度前提下加壓時(shí)機(jī)也至關(guān)重要。

3.預(yù)成型與固化工藝的協(xié)調(diào)應(yīng)用。

復(fù)合材料的固化工藝是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程，其對(duì)溫度、時(shí)間兩方面相對(duì)比較敏感。通常的大型零件研制過程中我們對(duì)于預(yù)成型工藝相對(duì)比較保守，尤其是吸膠溫度一般是采取較低的溫度，主要擔(dān)心對(duì)后續(xù)固化工藝的影響，不易于加壓時(shí)機(jī)的選擇。經(jīng)過試驗(yàn)和工藝驗(yàn)證，應(yīng)該轉(zhuǎn)變我們的工藝觀點(diǎn)，應(yīng)注重預(yù)成型工藝和吸膠效果。如果吸膠效果不好其坯料中的揮發(fā)份、氣體就不能有效排除，那么在固化過程中隱患比較大，固化工藝的選擇尤為嚴(yán)格，某種意義上講其加壓窗口范圍更小。而反之若預(yù)成型工藝效果理想，坯料中的揮發(fā)份、氣體有效排除，結(jié)構(gòu)密實(shí)，那么固化過程中出現(xiàn)問題的機(jī)率較小，固化工藝相對(duì)比較好控制，對(duì)加壓時(shí)機(jī)不那么敏感，尤其是提早加壓對(duì)零件固化質(zhì)量影響不大，一定程度上反而是拓寬了加壓窗口。由此可見大型復(fù)合材料壁板其固化成型工藝非常關(guān)鍵，包括預(yù)成型參數(shù)、固化參數(shù)的選擇制定，以及預(yù)成型與固化工藝的協(xié)調(diào)。

三、數(shù)字化技術(shù)

科學(xué)技術(shù)水平在不斷提升的過程中，復(fù)合材料的應(yīng)用效率也得到了提升，對(duì)于目前大型復(fù)合材料壁板中存在的問題可以進(jìn)行完善和處理，整體的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)比較明顯。目前國(guó)外許多國(guó)家已經(jīng)建立了完善的軟件平臺(tái)，可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行無(wú)圖設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料數(shù)字化制造水平的提升。我國(guó)復(fù)合材料數(shù)字化建設(shè)水平還比較低，還存在一定的問題，整體的應(yīng)用水平還處于發(fā)展中，制造工藝和體系有待完善，這就需要加強(qiáng)復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用，建立完善的數(shù)字化體系。要結(jié)合大型復(fù)合材料壁板的制造需求，建立完善的技術(shù)軟件平臺(tái)，加強(qiáng)數(shù)字化設(shè)備的應(yīng)用，形成一套完善的生產(chǎn)體系，為飛機(jī)構(gòu)件制造工作的順利開展打下基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)：工裝技術(shù)和固化技術(shù)是大型復(fù)合材料壁板中的關(guān)鍵技術(shù)，工裝技術(shù)在應(yīng)用的過程中要結(jié)合制件需求來(lái)確定工裝結(jié)構(gòu)；固化技術(shù)則是大型復(fù)合材料壁板成型技術(shù)中的關(guān)鍵，需要根據(jù)材料的性能制定科學(xué)的成型工藝，將預(yù)成型技術(shù)和固化技術(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，以此促進(jìn)成型技術(shù)的發(fā)揮。還需要進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)，將數(shù)字化技術(shù)與成型技術(shù)相結(jié)合，可以促進(jìn)大型復(fù)合材料壁板效能的發(fā)揮。在制作大型復(fù)合材料壁板的過程中，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)的有效應(yīng)用，對(duì)航空航天事業(yè)的發(fā)展有著積極的影響。