复合材料J型梁R区皱褶的消除

王 松，房晓斌，艾 明

（中行飞机股份有限公司，陕西 西安 710089）

由于复合材料具有比强度高、比刚度大、耐疲劳性和可设计性好等优点，在结构制造领域得到广泛应用。复合材料梁类零件，现在已成熟应用于飞机结构中承力件和次承力件，其结构通常为J型层压件和C型层压件。复合材料J型梁，经热压罐成型固化后发生回弹变形的程度非常小，一般情况下不考虑进行固化变形控制。但是，由于其为J型结构，成型模具通常设计为上下组合模具或左右组合模具。本文中的复合材料J型梁为双曲结构，采用了上下组合模具，在实际生产过程中零件R区出现了皱褶。针对复合材料J型梁R区皱褶问题，需要通过成型工艺改进，设计合理的工艺方案，消除零件R区皱褶。

1 复合材料J型梁介绍

1.1 复合材料J型梁结构

复合材料J型梁长度约4 442 mm，宽度约85 mm，高度约90 mm，厚度约4.20 mm，存在多处台阶过渡，如图1所示。

图1 复合材料J型梁示意图Fig.1 Schematic of composite material J-beam

1.2 外翼后梁原材料

复合材料J型梁选用了2种碳纤维材料和1种玻璃布材料，碳纤维材料作为主体构成材料，分别是碳纤维单向带预浸料CYCOMC977-2-35-12K HTS-134、碳纤维织物预浸料CYCOM977-2A-37-3KHTA-5H-280。零件表面不用粘接剂，铺贴玻璃布CYCOM977-2A-40-G120-105，用于防护电化学腐蚀。

1.3 主要技术指标

（1）外观质量：复合材料制件的表面应光滑平整，表面无贫、富树脂，表面纤维被树脂均匀覆盖。

（2）内部质量：超声检测分层、脱胶和孔隙密集等缺陷符合HB7224二级验收标准。

（3）孔隙率≤1.5%。

（4）厚度控制：非R区理论厚度的±8%，R区理论厚度的±8%。

（5）外形公差：理论型面的-0.75～0 mm，允许在间距每250 mm的距离上施加30 N的力。

（6）随炉件力学性能满足相关材料技术规范。

2 复合材料J型梁成型方案

2.1 工装结构

复合材料J型梁的铺贴及热压罐成型固化，采用上下组合模具。从制造成本考虑，左右侧复合材料J型梁共用一套模具。模具主要由框体、下芯模、上芯模、钻模板和匀压板等部分组成。复合材料J型梁模具如图2所示。

图2 复合材料J型梁模具示意图Fig.2 Schematic of mold for composite material J-beam

框体为薄壁框架结构，上层型板材料为殷钢，其余部分材料为普通钢。下芯模与框体连接在一起，下芯模材料为殷钢，上芯模分为2块，通过连接块和销钉固定，材料为殷钢。模具共带有4组钻模板，位于芯模的2端。另外模具还带有一组匀压板，用于压实复合材料J型梁一侧缘条面。

2.2 工艺流程

复合材料J型梁制造过程中，铺贴工序的操作最为复杂，由于结构的特殊性，需要将铺层分为A、B、C 3部分，A部分由1层玻璃布、2层碳纤维单向带和6层碳纤维织物组成，在模具下芯模上铺贴；B部分由2层碳纤维单向带和7层碳纤维织物组成，在模具上芯模上铺贴；A部分和B部分铺贴完成后进行组合，在其形成的三角区采用连续碳纤维单向带进行加捻；加捻完成后铺贴C部分，C部分由2层碳纤维单向带和7层碳纤维织物组成。如图3所示。

图3 复合材料J型梁铺层示意图Fig.3 Schematic of paving of composite material J-beam

3 复合材料J型梁制造的主要问题及解决方法

3.1 复合材料J型梁R区皱褶问题

复合材料J型梁，在分别完成A、B、C 3部分铺贴后，C部分外表面放置铝制匀压板，很好地保证了C部分外表面的平整度，对加捻区进行了充分压实。零件固化后，C部分所在面的厚度略小于理论厚度，符合厚度公差要求。

而在另一侧缘条面，虽然放置了硅橡胶AIRPAD压力垫，但是零件R区外表面出现了连续的皱褶，外部质量和内部质量都不合格。

3.2 皱褶原因分析

复合材料J型梁固化后，零件R区外表面出现连续皱褶。通过分析，产生皱褶的原因可能是：1）复合材料J型梁缘条面放置的硅橡胶AIRPAD压力垫的刚性不足，没有很好地对零件R区压实；2）复合材料J型梁的成型模具设计不合理，需要进行改进。

3.3 复合材料J型梁成型工艺改进方案

3.3.1 复合材料J型梁R区采用密封胶带压实

选取复合材料J型梁部分区域，完成相应的铺贴操作。铺贴完成后在上模与下模配合面的缝隙处，填充密封胶带，用于压实零件R区，见图4所示。

3.3.2 复合材料J型梁R区采用刚性硅橡胶AIRPAD压力垫

打磨修整带皱褶的复合材料J型梁R区，将其作为假件。利用假件铺贴1层AIRPAD+2层玻璃布+1层AIRPAD，固化后作为刚性硅橡胶AIRPAD压力垫。

选取复合材料J型梁部分区域，完成相应的铺贴操作。铺贴完成后在上模与下模配合面的缝隙处，放置刚性硅橡胶AIRPAD压力垫，用于压实零件R区，见图4。

3.3.3 复合材料J型梁R区采用玻璃布压力垫

打磨修整带皱褶的复合材料J型梁R区，将其作为假件。利用假件铺贴2层玻璃布，固化后作为玻璃钢压力垫。

选取复合材料J型梁部分区域，完成相应的铺贴操作。铺贴完成后在上模与下模配合面的缝隙处，放置玻璃布压力垫，用于压实零件R区，见图4。

图4 密封胶带压实/刚性压力垫/玻璃钢压力垫示意图Fig.4 Schematic of sealing tape compaction/rigid pressure pad/FRP pressure pad

3.3.4 复合材料J型梁上模加宽设计

复合材料J型梁上下组合模具，下模按零件理论模型设计，上模按腹板面外形设计，上模整体宽度小于与腹板面贴合的下模部分，上模避让了零件外R区，如图5（a）所示。分析认为这种结构在固化成型J型梁过程中，J型梁R区外表面（靠袋面），放置不同形式的压力垫，不能赋予此区域良好的R过渡。

因此，大胆尝试将上模设计为下模等宽度，在完成复合材料J型梁铺贴和芯模组合后，在上芯模和下芯模之间的细小缝隙处，填充密封胶条，如图5（b）所示。

图5 改进前后上芯模和下芯模示意图Fig.5 Schematic of upper and lower core molds before and after improvement

3.4 复合材料J型梁成型工艺改进结果

（1）密封胶带压实的改进效果：复合材料J型梁R区出现连续凹坑，皱褶减少，零件R区外部质量不合格；

（2）刚性硅橡胶AIRPAD压力垫的改进效果：复合材料J型梁R区表面未出现皱褶现象，但表面不光滑、不平整，零件R区外部质量不合格；

（3）玻璃钢压力垫的改进效果：复合材料J型梁R区表面未出现皱褶现象，但表面局部区域出现贫胶；

（4）复合材料J型梁上模加宽改进效果：复合材料J型梁R区表面未出现皱褶现象，表面光滑流线，经设备检测，产品质量满足J型梁的1.3节技术指标要求。

4 结语

通过复合材料J型梁成型工艺改进，找到了消除复合材料J型梁R区皱褶的有效方法，即设计上模和下模宽度相同的芯模，在上下芯模的缝隙之间填充密封胶条。在复合材料J型梁R区皱褶消除后，检验零件的外、内部质量均满足J型梁的技术要求。同时也完善了复合材料J型梁的成型工艺，提高了复合材料J型梁的制造质量。