復(fù)合材料零件熱分布試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

艾 明，房曉斌，張晨松

（西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710089）

復(fù)合材料成型過(guò)程中，原材料在熱壓罐中的成型是至關(guān)重要的，零件在熱壓罐成型過(guò)程中的熱分布直接決定著零件的成型質(zhì)量，必須在固化過(guò)程中對(duì)零件各個(gè)位置的溫度狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，確保零件所有位置均能夠滿足固化所要求的升降溫速率、保溫時(shí)間等要求，才能夠使零件達(dá)到較為完美的固化質(zhì)量。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)各部位的大量應(yīng)用，復(fù)合材料零件的結(jié)構(gòu)形式越來(lái)復(fù)雜，單純依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)分析已經(jīng)不能完全準(zhǔn)確確定復(fù)合材料零件在熱壓罐中的熱分布狀況，無(wú)法對(duì)復(fù)合材料在熱壓罐中的成型的升降溫進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)控。因此，需要針對(duì)復(fù)合材料零件在成型工裝各個(gè)位置在熱壓罐中的熱分布進(jìn)行研究。

1 熱壓罐中的熱空氣循環(huán)

現(xiàn)用于復(fù)合材料零件生產(chǎn)的主流熱壓罐，一般選用環(huán)形風(fēng)道，風(fēng)機(jī)位于熱壓罐尾部，熱壓罐內(nèi)部根據(jù)升溫要求分布設(shè)計(jì)電加熱元件，其罐內(nèi)氣體流向即熱空氣循環(huán)方式如圖1所示。在熱壓罐中，氣流的方向是一個(gè)固定的。復(fù)合材料零件生產(chǎn)過(guò)程中，通常根據(jù)氣流方向大致判定出零件/工裝在熱壓罐中的熱分布趨勢(shì)并加以監(jiān)測(cè)。隨著復(fù)合材料零件的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，零件的結(jié)構(gòu)以及工裝的尺寸、結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)氣流造成一定的影響，這樣就不能單單通過(guò)人為分析去確定零件/工裝在熱壓罐中的熱分布趨勢(shì)，必須進(jìn)行熱分布試驗(yàn)，用試驗(yàn)結(jié)果證明分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度，同時(shí)找出領(lǐng)先、滯后位置，在生產(chǎn)中用于監(jiān)測(cè)。

圖1 熱壓罐中氣流方向示意圖

2 熱分布典型零件的選取

飛機(jī)上選用的復(fù)合材料零件越來(lái)越多，從成本及時(shí)間上考慮，不可能做到每一項(xiàng)零件都進(jìn)行熱分布試驗(yàn)，因此必須對(duì)零件進(jìn)行分族，根據(jù)零件選用材料、結(jié)構(gòu)及使用工裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將類似的零件歸納至一個(gè)族中，并在這些類似的零件里選取一個(gè)具有典型代表性的零件作為該族的族代表零件，只針對(duì)族代表零件進(jìn)行熱分布試驗(yàn)，確定該類型零件在熱壓罐中的熱分布趨勢(shì)。在后續(xù)的零件生產(chǎn)中，此類型將按照族代表零件熱分布試驗(yàn)得到的結(jié)果連接熱電偶，從而實(shí)施該類型所有零件在熱壓罐中溫度變化的監(jiān)測(cè)與控制。通常情況下，復(fù)合材料零件按照結(jié)構(gòu)形式分為碳纖維壁板族、碳纖維夾層梁族、碳纖維層壓梁族、玻璃纖維前緣族、玻璃纖維楔形尾緣族等。按照工裝的尺寸及結(jié)構(gòu)形式又可分為若干小族。于每一個(gè)小族中選取一個(gè)代表零件，這樣是為了確保在后續(xù)生產(chǎn)中，未進(jìn)行熱分布試驗(yàn)的族成員零件在熱壓罐中的熱分布趨勢(shì)與各自的代表零件一致。

3 熱電偶連接位置分析

復(fù)合材料零件在熱壓罐中固化成型，沿零件長(zhǎng)度方向每隔一段距離可以放置一支熱電偶用于監(jiān)測(cè)，如果有型面出現(xiàn)明顯變化的位置，可以增加一支熱電偶。考慮到固化過(guò)程中，相同位置但不同鋪層間的預(yù)浸料由于加熱或放熱等原因可能造成溫度不一致，膠膜層與預(yù)浸料層可能存在升溫速率不一致等問(wèn)題。根據(jù)熱電偶在厚度方向的位置，大致設(shè)計(jì)了幾種類型的熱電偶用于試驗(yàn)中的溫度檢測(cè)，如圖2所示。

圖2 零件熱電偶類型示意

對(duì)于A類及C類熱電偶，都是連接在零件的余量區(qū)，如果領(lǐng)先或滯后位置在這些地方，實(shí)際生產(chǎn)中是可以直接連接熱電偶用于監(jiān)測(cè)的。但是B類和D類的熱電偶是在零件凈尺寸區(qū)之內(nèi)，如果領(lǐng)先或滯后位置在這些地方，則無(wú)法直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，必須在工裝上找出與這個(gè)位置各時(shí)間段溫度均相近的點(diǎn)來(lái)代替。由此可見(jiàn)，工裝上也必須連接一定數(shù)量的熱電偶，如圖3所示。

對(duì)于連接在工裝上的熱電偶，需要在熱電偶上覆蓋一定厚度的干玻璃布，否則在固化過(guò)程中，這些熱電偶的升降溫速率都將無(wú)限趨近于爐溫。覆蓋的玻璃布厚度可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。選取熱電偶位置時(shí)，需要注意分析工裝及零件結(jié)構(gòu)，避免選取的位置在實(shí)際操作中無(wú)法進(jìn)行熱電偶連接。并且需考慮現(xiàn)場(chǎng)熱壓罐可連接熱電偶的最大數(shù)量，一旦超過(guò)熱壓罐能力，可以根據(jù)分析減少監(jiān)測(cè)熱電偶數(shù)量。

圖3 工裝熱電偶類型示意

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在確定了熱電偶的放置位置之后，需要通過(guò)試驗(yàn)對(duì)這些位置在熱壓罐中各時(shí)間點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)際監(jiān)控，選取出領(lǐng)先滯后位置用于后續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)。為進(jìn)行驗(yàn)證，需要投產(chǎn)一個(gè)與實(shí)際零件完全一樣的試驗(yàn)件，在試驗(yàn)件生產(chǎn)過(guò)程中，按照確定的位置一一連接好熱電偶。熱分布試驗(yàn)所使用的固化參數(shù)應(yīng)與實(shí)際零件一致。在這里特別需要注意，實(shí)際固化數(shù)據(jù)不能出現(xiàn)與工藝文件背離（即使是工裝上連接的熱電偶），如果出現(xiàn)這種情況，直接認(rèn)為此次熱分布是失敗的，因?yàn)檫@說(shuō)明這次固化已經(jīng)超出了文件的控制，必須重新進(jìn)行熱分布試驗(yàn)。在下一次試驗(yàn)中可以采取更改固化參數(shù)要求的方法進(jìn)行調(diào)整，但更改的參數(shù)不能偏離文件的要求。

5 領(lǐng)先/滯后位置選擇

熱分布試驗(yàn)結(jié)束后，需要對(duì)熱分布結(jié)果進(jìn)行分析，篩選出合適的領(lǐng)先與滯后位置。一般來(lái)說(shuō)，不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)位置始終處于領(lǐng)先或者滯后的，所以在選取時(shí)需把握住幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：（1）如果每若干分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，在升溫及降溫過(guò)程中，領(lǐng)先/滯后次數(shù)最多的熱電偶優(yōu)先進(jìn)行考慮；（2）最先/最后達(dá)到保溫點(diǎn)的熱電偶進(jìn)行優(yōu)先考慮；（3）在實(shí)際生產(chǎn)中能夠使用的熱電偶進(jìn)行優(yōu)先考慮；（4）最先/最后達(dá)到可卸壓溫度的熱電偶進(jìn)行優(yōu)先考慮。

按照上述原則，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)大致的規(guī)律，這個(gè)規(guī)律一般適用于所有同類型的零件：（1）在零件/工裝上，比較靠近罐門的熱電偶一般快于靠近罐尾的熱電偶；（2）熱電偶上的覆蓋物越多，該位置的升降溫越慢；（3）越容易直接接觸到熱循環(huán)氣流位置的熱電偶升降溫速率越快，反之則越慢；（4）蜂窩芯下的熱電偶（圖2中D類），升降溫速率比沿長(zhǎng)度方向位置一樣的其他類型熱電偶要慢；（5）如果工裝過(guò)長(zhǎng)，可能影響熱壓罐中的氣流循環(huán)，那么，最靠近罐門的熱電偶升溫速率一般慢于中前部的熱電偶。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹的復(fù)合材料零件熱分布試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，已成功應(yīng)用在西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司承擔(dān)的波音飛機(jī)復(fù)合材料零件熱分布試驗(yàn)中，所有的熱分布試驗(yàn)結(jié)果獲得波音公司認(rèn)可，可用于指導(dǎo)復(fù)合材料零件生產(chǎn)。同時(shí)，在國(guó)內(nèi)民機(jī)多個(gè)型號(hào)復(fù)合材料零件研制過(guò)程中，這套熱分布試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法起到了指導(dǎo)性作用，幫助工程技術(shù)人員快速、準(zhǔn)確地完成了復(fù)合材料零件熱壓罐固化過(guò)程中的領(lǐng)先/滯后位置選擇。