復(fù)合材料J型加筋壁板自動(dòng)化成型技術(shù)研究*

閆雷鴿，龔家謙，張 龍，程 勇

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

復(fù)合材料加筋壁板是一種典型的航空航天復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)，應(yīng)用極其廣泛，有著優(yōu)異的承載能力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且輕量化、連接數(shù)量少、整體成型性好以及局部剛度合適等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空復(fù)合材料領(lǐng)域的使用量正在逐年增加[1]。為了滿足壁板的剛度要求，大量采用J型、T型、Ω型等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的加筋壁板可較大程度提高抗彎等力學(xué)性能[2]。隨著加筋壁板使用量的增加，手工鋪疊效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)越來(lái)越突出，因此國(guó)內(nèi)外開始研究使用自動(dòng)化設(shè)備制造加筋壁板，一般可采用自動(dòng)鋪帶或自動(dòng)鋪絲成型。何煜文等[3]制造某型機(jī)復(fù)合材料外翼加筋上壁板，對(duì)T型加筋壁板自動(dòng)化制造技術(shù)進(jìn)行多方位的研究探索和試驗(yàn)驗(yàn)證，初步實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化制造和自動(dòng)鋪帶工藝技術(shù)工程化應(yīng)用。復(fù)合材料加筋壁板成型較多使用筋條和芯材 （捻子條），而目前國(guó)內(nèi)筋條和芯材多采用手工進(jìn)行鋪疊制作。國(guó)外已經(jīng)開始對(duì)筋條開展自動(dòng)折彎成型技術(shù)研究，如Aritex公司針對(duì)T型長(zhǎng)桁開展了自動(dòng)折彎成型技術(shù)研究，Applus公司和西班牙的Delta Vigo公司針對(duì)Ω型長(zhǎng)桁均開展了自動(dòng)折彎成型技術(shù)研究。

國(guó)內(nèi)也開展了一些自動(dòng)化成型技術(shù)研究，大連理工大學(xué)王強(qiáng)[4]以熱隔膜成型技術(shù)為支撐，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料J型加強(qiáng)筋成型質(zhì)量進(jìn)行研究，驗(yàn)證了所采用的工藝路線是可以結(jié)合工業(yè)機(jī)器人技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。閆超等[5]通過研制開發(fā)的芯材設(shè)備優(yōu)化了芯材的制造工藝，探討了不同的工藝參數(shù)對(duì)芯材制造質(zhì)量的影響。黃當(dāng)明等[6]對(duì)預(yù)浸料在不同材料填充量、材料預(yù)熱溫度工藝參數(shù)下，使用芯材填充設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)出的捻子條與手工制作的捻子條進(jìn)行對(duì)比，并填充到T型試驗(yàn)件中，通過拉力機(jī)測(cè)試?yán)鞎r(shí)最大破壞載荷值，研究自動(dòng)化生產(chǎn)的捻子條與手工制作的捻子條在復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響，最終確定使用自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)捻子條優(yōu)于人工制造，可在批量生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

壁板、梁等大型承力結(jié)構(gòu)的形式?jīng)Q定了此類構(gòu)件一般采用熱壓罐工藝成型[7]，而加筋壁板一般采用整體化結(jié)構(gòu)，即筋條與蒙皮一體化結(jié)構(gòu)，而非使用大量的緊固件連接筋條與蒙皮，制造方法一般分為共固化、二次膠接和膠接共固化[8–9]。王瑩等[10]從工藝制造及模具設(shè)計(jì)兩方面論述了如何解決復(fù)合材料加筋壁板成型工藝中存在的無(wú)損外形控制和脫模困難等問題。

本文通過采用干蒙皮濕筋共膠接技術(shù)，先將蒙皮熱壓罐固化，再使用自動(dòng)折彎設(shè)備制作出未固化的J型筋條，應(yīng)用芯材自動(dòng)拉擠技術(shù)并使用芯材填充設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)出芯材，將筋條、芯材與蒙皮用膠膜組裝在一起，并在熱壓罐中膠接共固化成型，成功地應(yīng)用自動(dòng)化成型技術(shù)，制造出了滿足技術(shù)要求的J型加筋壁板，驗(yàn)證了筋條自動(dòng)折彎原理的可行性，為加筋壁板自動(dòng)化成型生產(chǎn)線的建立奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

主要材料：ZT7H/5429單向帶預(yù)浸料 （北京航空制造工程研究所）；J–116B，δ0.2膠膜 （黑龍江石油化學(xué)研究院）。

輔助材料：Airpad橡膠、隔離膜（A4000）、透 氣 氈 （Airweave N10）、真空袋 （Ipplon WN1500）、膩?zhàn)訔l（GS 43MR）。

設(shè)備：自動(dòng)彎折設(shè)備、芯材成型設(shè)備、熱壓罐。

1.2 制作流程

J型加筋壁板的制造流程如圖1所示，下文將分步進(jìn)行說明。

圖1 J型加筋壁板的制造流程圖Fig.1 Manufacturing flow chart of J-type stiffened panel

（1）軟模制作。在軟模成型模上制作軟模，軟模采用上下各一層未硫化的Airpad橡膠，中間夾三層碳布預(yù)浸料，鋪疊完成打真空袋，在溫度180 ℃、壓力0.7 MPa下，保持至少150 min固化。

（2）蒙皮制造。將預(yù)浸料ZT7H/5429按照設(shè)定的尺寸和順序鋪疊，鋪疊完成后，封裝真空袋，進(jìn)熱壓罐按照設(shè)定的固化程序固化，固化完成后去除輔助材料，不脫模，待膠接。

（3）筋條自動(dòng)折彎。所需要制作的典型J型筋條如圖2所示，C型和Z型部分的鋪層為[–45°/0/45°/0/90°/0/–45°/0/45°/0]，預(yù)浸料單層固化后理論厚度為0.125 mm，故筋條理論厚度為2.5 mm。

圖2 J型筋條示意圖Fig.2 J-type stiffened panel sketch

自動(dòng)折彎成型的原理如圖3所示，下模具3和4兩塊模板可以左右運(yùn)動(dòng)，下方設(shè)置一個(gè)可以上下運(yùn)動(dòng)的插板，上模具1和2的兩塊模板可以左右運(yùn)動(dòng)，預(yù)浸料放在上下模具中間。成型過程分為6個(gè)步驟。

圖3 J型筋自動(dòng)折彎原理圖Fig.3 Principle diagram of automated bending J-type stiffeners

步驟1，預(yù)浸料放在上下模具中間，以插板運(yùn)動(dòng)作為預(yù)浸料折彎的動(dòng)力，插板在模具3和4之間，插板向上運(yùn)動(dòng)；

步驟2，插板頂著預(yù)浸料向上運(yùn)動(dòng)，上模具的兩塊模板1和2分別向左右兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，預(yù)浸料隨著插板向上運(yùn)動(dòng)至所需的位置，形成T型結(jié)構(gòu)；

步驟3，使用超聲波切割預(yù)浸料頂部，將預(yù)浸料從中間切開，然后插板向下運(yùn)動(dòng)撤出；

步驟4，上模具的兩塊模板1和2向中間運(yùn)動(dòng)加緊預(yù)浸料；

步驟5，滾動(dòng)壓輥5從上模具的上方向上端的預(yù)浸料滾壓；

步驟6，重復(fù)滾壓，直至上端的預(yù)浸料彎曲，折彎過程中，預(yù)浸料根據(jù)需要進(jìn)行加熱。

根據(jù)折彎原理，制作J型筋條將使用自動(dòng)折彎設(shè)備（圖4）自動(dòng)化成型，模式為插板式模壓成型。

圖4 自動(dòng)折彎設(shè)備Fig.4 Automated bending equipment

對(duì)試驗(yàn)件筋條進(jìn)行分析，試驗(yàn)件共有4根筋條，每根筋條展開尺寸約為480 mm×250 mm，因此在進(jìn)行筋條鋪疊時(shí)可一次性將4根筋條所需的坯料的展開面積鋪疊出來(lái)，并考慮余量，因此坯料的尺寸設(shè)計(jì)為500 mm×1000 mm。

J型筋條制作步驟：

步驟1，按照設(shè)計(jì)鋪層[– 45° / 0/ 45° / 0 / 90° / 0 / –45°/0/45°/0]手 工 鋪疊平板坯料，鋪疊完成后進(jìn)行一次預(yù)抽，使預(yù)浸料層間貼合，但是不貼合過緊，僅預(yù)抽一次是因?yàn)槎啻晤A(yù)抽會(huì)使預(yù)浸料貼合過緊，在折彎過程中不易發(fā)生層間滑移，易出現(xiàn)皺褶，將坯料放置于吸附臺(tái)，使用超聲切割分切成4塊尺寸為480 mm×250 mm的預(yù)浸料平板；

步驟2，預(yù)浸料平板分切完成后，將分切的預(yù)浸料平板分別標(biāo)記為1#、2#、3#和4#，使用吸附裝置抓取1#預(yù)浸料平板，轉(zhuǎn)運(yùn)至成型凈邊臺(tái)下模具上，并將模具兩側(cè)夾緊，將插板從預(yù)浸料中間往上推，形成T型結(jié)構(gòu)；

步驟3，超聲切割刀對(duì)T型上端沿筋條長(zhǎng)度方向進(jìn)行切割，切割完成后插板向下退出，兩側(cè)的上模塊向中間加緊，按設(shè)定加熱溫度45 ℃和加熱時(shí)間15 min開啟加熱，加熱后使用滾動(dòng)壓輥向一側(cè)滾壓切割后的上端預(yù)浸料，形成所需的J型筋條；

步驟4，滾壓完成后，使用超聲切割刀進(jìn)行筋條上端的凈邊切割；

步驟5，筋條上端的凈邊切割完成后，使用翻轉(zhuǎn)裝置將上模進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使用滾動(dòng)壓輥對(duì)切割后的下端料片進(jìn)行單向滾壓，同時(shí)按設(shè)定加熱溫度45 ℃和加熱時(shí)間15 min開啟加熱，滾壓完成后，使用超聲切割刀進(jìn)行筋條下端的凈邊切割；

步驟6，筋條下端切割完成后，將下模放置在滾壓后的筋條上，使用翻轉(zhuǎn)裝置將工裝翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)行后續(xù)定位。

2#、3#、4#料片使用同樣的方式完成筋條的制造及定位。

（4）芯材自動(dòng)拉擠。芯材拉擠的流程如圖5所示。

圖5 芯材自動(dòng)拉擠流程圖Fig.5 Automated pultrusion molding flow chart of radius fillers

芯材截面圖如圖6所示，所需預(yù)浸料寬度為

圖6 芯材截面圖Fig.6 Section of radius fillers

式中，L為預(yù)浸料寬度；W為芯材寬度；H為芯材高度；h為預(yù)浸料厚度；R為芯材半徑。

根據(jù)數(shù)模中R為6.25 mm，由于兩側(cè)為相同的R，W= 2R= 12.5 mm，根據(jù)計(jì)算，所需的預(yù)浸料寬度為134 mm。裁取所需寬度的單向帶預(yù)浸料，將預(yù)浸料放在如圖7所示的拉擠設(shè)備（設(shè)備型號(hào)：TR–2000S）的收卷軸上，選擇R為6.25 mm的口模，在45℃的溫度下，拉擠成所需的芯材。

圖7 芯材拉擠設(shè)備Fig.7 Automated pultrusion molding equipment of radius fillers

制備的芯材如圖8所示，達(dá)到所需芯材的要求。

圖8 制備的芯材Fig.8 Prepared radius fillers

（5）膠接組裝封袋。蒙皮加筋區(qū)域打磨后清潔干凈，將芯材裹上一層J–116B膠膜，放置在J型筋的芯材填充區(qū)域，在筋條底部鋪一層J–116B膠膜，再將J型筋條使用龍門架定位在蒙皮上面，定位裝置如圖9所示。

圖9 筋條龍門架定位Fig.9 Stiffeners fixed position by portal frame

在筋條C型區(qū)域使用上文制作的軟模，筋條Z型區(qū)域使用鋼模工裝，筋條邊緣使用Airpad橡膠作為擋條，阻擋固化過程中的樹脂，組裝示意圖如圖10所示，組裝完成后安裝熱電偶，并將隔離膜、透氣氈依次放置在零件上方，安放真空嘴，再使用膩?zhàn)訔l封裝真空袋。

圖10 筋條組裝示意圖Fig.10 Stiffener assembled sketch

（6）熱壓罐固化、脫膜和切割。按照預(yù)浸料和膠膜共膠接的固化參數(shù)進(jìn)熱壓罐固化，固化完成后去除輔助材料，然后取下龍門架，將試驗(yàn)件從工裝上取下來(lái)。按照筋條上的印痕切割筋條至凈尺寸，切割精度為（–1，+0.5） mm。加筋壁板試驗(yàn)件脫模前后照片如圖11所示。

圖11 復(fù)合材料加筋壁板試驗(yàn)件Fig.11 Composite reinforced panel test piece

（7）無(wú)損檢測(cè)和測(cè)量。

厚度測(cè)量：對(duì)R區(qū)厚度使用磁力測(cè)厚儀 （7400FH，Elektrophysik）測(cè)量。

無(wú)損檢測(cè)：使用A掃設(shè)備 （USM GO，GE公司）進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

R區(qū)纖維分析：對(duì)試驗(yàn)件R區(qū)檢查拍照。

2 結(jié)果分析

2.1 厚度測(cè)量

對(duì)所制作的試驗(yàn)件J型筋條使用磁力測(cè)厚儀進(jìn)行厚度測(cè)試，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，筋條R區(qū)尺寸滿足厚度 （2.5±0.1） mm的要求，但是比理論厚度2.5 mm偏薄。原因可能是筋條在上方，在固化過程中，筋條上的樹脂會(huì)向下流，導(dǎo)致筋條上方區(qū)域尺寸偏薄。

表1 筋條R區(qū)厚度測(cè)量結(jié)果Table 1 R-area thickness measurement results of stiffener mm

測(cè)量筋條與蒙皮粘接的平面區(qū)域的厚度，即一半筋條厚度加上蒙皮的厚度，蒙皮理論厚度為2.5 mm，一半筋條理論厚度為1.25 mm，因此該區(qū)域理論厚度為3.75 mm，測(cè)量結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，整體厚度滿足厚度 （3.75±0.15） mm公差要求，但是整體比理論厚度3.75 mm偏厚。原因可能為筋條區(qū)域的樹脂在固化過程中向下流向筋條平面區(qū)域，導(dǎo)致厚度略厚。

表2 筋條平面區(qū)域厚度測(cè)量結(jié)果Table 2 Flat-area thickness measurement results of stiffener mm

2.2 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)技術(shù)條件要求對(duì)加筋壁板進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)整個(gè)筋條區(qū)域，包括筋條上方、R區(qū)、側(cè)面和底面分別進(jìn)行A掃，按照技術(shù)條件要求進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格，無(wú)分層等內(nèi)部質(zhì)量缺陷，檢測(cè)過程和結(jié)果如圖12所示。

圖12 無(wú)損A掃照片F(xiàn)ig.12 A-scan non-destructive pictures

2.3 R區(qū)纖維變形檢查結(jié)果

圖13為切割后的R區(qū)照片，可以看出，R區(qū)纖維為連續(xù)弧形無(wú)皺褶，說明整個(gè)折彎過程中纖維層間出現(xiàn)滑移，能夠很好地按照設(shè)定的方向進(jìn)行彎折。芯材形狀規(guī)則，纖維在芯材上方位置處略有彎曲，這是因?yàn)檐浤Ｅc鋼模的兩側(cè)壓力略有不同。

圖13 J型筋條R區(qū)照片F(xiàn)ig.13 R-area picture of J-type stiffener

3 結(jié)論

（1）使用筋條自動(dòng)彎折成型設(shè)備進(jìn)行J型筋條的彎折成型，在僅進(jìn)行一次預(yù)抽的情況下，可以實(shí)現(xiàn)層間的滑移完成彎折成型過程，即在合適的溫度和壓輥的滾壓作用下，可以將復(fù)合材料預(yù)浸料板沿工裝按預(yù)訂的方向折彎。

（2）使用芯材成型設(shè)備 （芯材自動(dòng)拉擠設(shè)備）在一定的工藝條件下，可以生產(chǎn)出符合要求的芯材。

（3）采用干蒙皮濕筋的共膠接成型方式，使用龍門架進(jìn)行筋條的定位，C型區(qū)域使用軟模進(jìn)行組裝，可以制造出無(wú)損檢測(cè)和厚度均符合要求的復(fù)合材料加筋壁板，筋條上方厚度偏薄，與蒙皮粘接處的厚度略厚，由于樹脂在固化過程中向下流動(dòng)導(dǎo)致。

（4）筋條自動(dòng)彎折成型和芯材自動(dòng)拉擠技術(shù)在J型加筋壁板上的成功應(yīng)用，為復(fù)合材料加筋壁板的自動(dòng)化成型生產(chǎn)線的建立奠定了基礎(chǔ)。