閉口型雙曲率復(fù)合材料工字梁制造技術(shù)研究

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復(fù)合材料由于比強(qiáng)度高，材料的可設(shè)計(jì)性使其在飛機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，應(yīng)用部段包括外翼翼盒、艙門(mén)、進(jìn)氣道、運(yùn)動(dòng)翼面等，且呈現(xiàn)出整體化、大型化、精確化、復(fù)雜化的特點(diǎn)。由于復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度比拉伸強(qiáng)度低，因此在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上經(jīng)常采用上下非對(duì)稱(chēng)的工字梁。文章以某閉口型雙曲率復(fù)合材料工字梁為例，論述其成型過(guò)程中的制造難點(diǎn)、加工流程及制造關(guān)鍵技術(shù)。

1 某閉口型雙曲率復(fù)合材料工字梁結(jié)構(gòu)形式

閉口型雙曲率復(fù)合材料工字梁，長(zhǎng)度約8.0m，寬度約1.2m，緣條高度約0.1m，厚度約4.5mm，如圖1所示。復(fù)合材料工字梁一側(cè)緣條面與腹板面之間夾角約60°，長(zhǎng)度方向?yàn)殡p曲面，呈現(xiàn)為閉口雙曲率結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料工字梁選用材料為高溫固化環(huán)氧碳纖維織物和高溫固化環(huán)氧碳纖維單向帶。

圖1 閉口型雙曲率復(fù)合材料工字梁

2 復(fù)合材料工字梁制造難點(diǎn)及加工流程

2.1 復(fù)合材料工字梁閉口緣條脫模方法

該復(fù)合材料工字梁一側(cè)緣條面與腹板面之間呈銳角。復(fù)合材料制件在成型模具上完成固化后，需要有一定的開(kāi)敞空間，確保其能夠輕松從模具上脫下。然而該復(fù)合材料工字梁設(shè)計(jì)銳角的一側(cè)緣條，顯然不具備輕松脫模的可行性，而且該側(cè)緣條借助芯模固化后，將無(wú)法從整體芯模上脫模。通過(guò)分析，提出將芯模設(shè)計(jì)為分塊結(jié)構(gòu)，使用時(shí)組合成為整體結(jié)構(gòu)，在完成零件固化處于脫模時(shí)，將分塊芯模一塊塊取下，從而達(dá)到復(fù)合材料工字梁開(kāi)口緣條脫模的目的。由于該復(fù)合材料工字梁腹板寬度約為1.2m，為保證復(fù)合材料工資里閉口緣條一側(cè)芯模整體穩(wěn)定性，不宜在長(zhǎng)度方向設(shè)計(jì)過(guò)多分塊，因此選擇寬度方向分塊為主，長(zhǎng)度方向盡量減少分塊。分塊芯模組合后，設(shè)計(jì)不影響鋪貼操作的鎖緊裝置，該鎖緊裝置在完成上下芯模組合后，可快速拆卸。選擇合理位置設(shè)計(jì)定位銷(xiāo)或其他定位裝置，用于上芯模和下芯模之間的準(zhǔn)確定位及組合。

2.2 復(fù)合材料工字梁緣條面厚度控制

復(fù)合材料工字梁緣條面與腹板面之間呈非規(guī)則T型結(jié)構(gòu)，在完成上芯模和下芯模鋪貼后，進(jìn)行上芯模和下芯模組合時(shí)出現(xiàn)三角填充區(qū)。通常情況下，將裁減好的單向帶進(jìn)行填充，由于該處的碳纖維單向帶未固化，處于一定的疏松狀態(tài)，在完成整體復(fù)合材料工字梁鋪貼后，零件緣條面外表面、三角填充區(qū)的上方有一定的突起，若不采取措施進(jìn)行壓實(shí)，則會(huì)導(dǎo)致固化后該處保留突起狀態(tài)，緣條面不平整，該處厚度偏厚超差。為解決復(fù)合材料工字梁緣條面厚度超差問(wèn)題，需要在緣條面的靠袋面一側(cè)放置具有一定剛性的勻壓板，將充分壓實(shí)緣條面，使得緣條面固化后無(wú)空隙密集、分層缺陷，且厚度合規(guī)。由于該復(fù)合材料工字梁兩件緣條面為曲面，傳統(tǒng)的平面金屬勻壓板不能起到較好的控厚效果，因此需要制作一套專(zhuān)用壓力墊。

2.3 復(fù)合材料工字梁加工流程

復(fù)合材料工字梁加工流程如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料工字梁加工流程

3 復(fù)合材料工字梁制造關(guān)鍵技術(shù)

（1）復(fù)合材料工字梁成型模具設(shè)計(jì)。根據(jù)復(fù)合材料工字梁制造方案規(guī)定，其成型模具設(shè)計(jì)為上下合模形式，上芯模分塊設(shè)計(jì)。在完成主體芯模設(shè)計(jì)后，為保證模具具備足夠的剛性，配套設(shè)計(jì)框架。最終，復(fù)合材料工字梁的成型模具設(shè)計(jì)為5個(gè)部分，即下框架、下芯模、上芯模、上框架和吊裝機(jī)構(gòu)，其中上芯模用于固化成型復(fù)合材料工字梁閉口側(cè)緣條及腹板，下芯模用于固化復(fù)合材料工字梁開(kāi)口側(cè)緣條及腹板。復(fù)合材料工字梁成型模具下芯模與下框架整體焊接，可以減少螺栓連接，整體具有非常好的剛性。由于上芯模分塊設(shè)計(jì)和脫模需要，上芯模與上框架之間采用螺栓連接，螺栓安裝位置要求不干涉鋪貼、制造和固化，同時(shí)具有開(kāi)敞的拆卸空間。為降低復(fù)合材料工字梁固化過(guò)程中的翹曲變形，復(fù)合材料工字梁成型模具的材料選擇為殷鋼材料。

（2）復(fù)合材料工字梁壓力墊成型模具設(shè)計(jì)。復(fù)合材料工字梁，兩側(cè)緣條面為雙曲構(gòu)型，無(wú)法采用傳統(tǒng)的金屬勻壓板實(shí)施控厚，因此需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的壓力成型模具，用于固化具有一定剛性的壓力墊，壓力墊成型模具的工作表面為復(fù)合材料工字梁緣條面外表面。對(duì)于復(fù)合材料工字梁壓力墊成型模具，在考慮制造成本和模具剛性的條件下，材料選擇為鋼質(zhì)材料。為保證制作的壓力大外形符合使用需求，對(duì)復(fù)合材料工字梁壓力墊成型模具的工作表面進(jìn)行縮比設(shè)計(jì)。

（3）復(fù)合材料工字梁鋪貼實(shí)施過(guò)程。由于復(fù)合材料工字梁幅寬超寬，且緣條面呈雙曲變化，鋪貼過(guò)程中需要根據(jù)鋪貼經(jīng)驗(yàn)不斷調(diào)整邊緣對(duì)縫處，確保0°、+45°、-45°、+90°拼接處符合鋪貼規(guī)范要求。復(fù)合材料工字梁的鋪貼，分為A、B、C、D四個(gè)部分，首先在下模和上模分別鋪貼C部分和D部分，鋪貼過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行鋪貼操作和真空壓實(shí)，根據(jù)需要可進(jìn)C部分和D部分預(yù)壓實(shí)。待D部分和C部分鋪貼完成后，使用吊裝設(shè)備進(jìn)行C部分的吊裝和翻轉(zhuǎn)，同樣使用吊裝設(shè)備進(jìn)行C部分和D部分組合。組合完成后，進(jìn)行三角區(qū)加捻，最后鋪貼A部分和B部分。復(fù)合材料工字梁鋪貼示意圖如圖3所示。

圖3 復(fù)合材料工字梁鋪貼示意圖

（4）復(fù)合材料工字梁緣條面厚度控制。復(fù)合材料工字梁在完成鋪貼后，由于三角加捻區(qū)進(jìn)行填充后有一定的突起，使用專(zhuān)用復(fù)合材料壓力墊進(jìn)行壓實(shí)及控厚。復(fù)合材料壓力墊放置過(guò)程中，通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的定位孔，可保證放置位置準(zhǔn)確。

（5）復(fù)合材料工字梁脫模。復(fù)合材料工字梁成型模具上芯模為分塊設(shè)計(jì)，芯模寬度方向兩側(cè)邊被零件包絡(luò)，在脫模時(shí)，必須從中間部位的芯模開(kāi)始啟模，待中間部位的芯模取出后，方可進(jìn)行兩側(cè)芯模的啟模。實(shí)際脫模過(guò)程中，借用吊車(chē)將中間部位芯模垂直吊起取下，然后將兩側(cè)芯模向內(nèi)偏移后吊出。

（6）復(fù)合材料工字梁外形銑切。復(fù)合材料工字梁外形銑切，在未使用真空銑具輔助銑切的情況下，使用五坐標(biāo)柔性銑床進(jìn)行操作。具體利用五坐標(biāo)柔性銑床的吸盤(pán)吸附工字梁腹板面，兩端余量區(qū)銷(xiāo)釘定位完成外形銑切和腹板面制孔等操作。復(fù)合材料工字梁外形銑切如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料工字梁外形銑切

4 結(jié)束語(yǔ)

在新一代飛機(jī)研制過(guò)程中，復(fù)合材料梁類(lèi)零件逐步替代了金屬材料梁類(lèi)零件，其結(jié)構(gòu)在C型的基礎(chǔ)上演變?yōu)镴型或工型，導(dǎo)致成型工藝變得更加復(fù)雜。文章開(kāi)展的技術(shù)研究，成功研制了滿足工程需求的閉口型雙曲率復(fù)合材料工字梁，突破了閉口型、雙曲率復(fù)合材料工字梁模具設(shè)計(jì)技術(shù)，為后續(xù)研制復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料工字梁提供了技術(shù)支持。