双曲纵横加筋壁板共固化成型工艺研究

王 莹 苏 霞 肖光明

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）

复合材料在现代先进机体结构上的用量日益增长，并逐渐实现了从非承力和次承力构件到尾翼级主承力构件再到机翼与机身主承力构件的应用。在航空领域中飞机结构轻量化尤为重要，碳纤维复合材料的出现解决了这个难题，复合材料在航空飞行器中广泛应用，使结构质量降低40%、成本降低30%[1-2]。

该文论述的复合材料双曲纵横加筋壁板是一种较为复杂的结构形式，与共胶接工艺相比，采用的共固化工艺外形尺寸大，结构形式复杂，在共固化成型过程中需要使用大量的模具工装，模具材料的选择和模具结构的设计在很大程度上影响复合材料构件的内部质量和表面状态。这一类型的制件制造还存在较多的制造加工难点，例如长桁胚料的预制体制备、预压实工艺参数设定、长桁轴线度控制以及转移运输等技术质量问题。该文以双曲U型外翼加筋壁板为研究对象，从工艺流程、工装结构和参数设置等方面进行深入研究，制定一套合理的工艺方案，并研制了符合设计要求的制件。

1 产品描述

1.1 产品结构介绍

该文截取双曲纵横加筋层压结构壁板为典型结构，由1张蒙皮，9根“U”形长桁（展向）、2根“L”形长桁（展向），10根长桁层压夹芯（展向），1根“T”形肋下缘条（航向）组成。全部零件为复材件（如图1所示）。零件最大尺寸为5.20m×2.85m，最大厚度为7.47mm。

图1 外翼翼盒下壁板总体结构示意图

该文中论述的零件结构复杂，由图1可以看出，纵横分布的加强筋之间均存在装配关系；蒙皮厚度变化区间较大，从机翼尖部到机翼根部存在的厚度差为5mm，对其工装结构来说，制件在热压罐中的放置位置都是保证产品完全固化的重要因素。

1.2 使用材料介绍

该文中论述的外翼翼盒下壁板主要是复合材料碳纤维制品，由于其要求制件刚强度要求，此次试验件采用了T800级碳纤维预浸料。所涉及的主材料见表1。

表1 材料信息表

1.3 主要技术指标

主要技术指标见表2。

表2 主要技术指标

2 工艺方案与制造流程

采用蒙皮与9根“U”形长桁（展向）2根“L”形长桁（展向）共固化，同时与10根长桁层压夹芯（展向），1根“T”形肋下缘条（航向）共胶接方案，热压罐成型。如图2所示。

图2 制造流程简图

3 工装方案选择

3.1 “T”形肋上缘条工装

上缘条零件为“T”形，零件长度为2542mm，宽度为94mm，腹板面高度为85mm，厚度为4.15mm。考虑零件成型的可靠性以及经济性，工装选用钢材料，由底座和2个“L”形半长桁模具（带减轻孔）组成，如图3所示。2个“L”形半长桁模具减轻位置应对称，其中一个“L”形半长桁模具应与工装底座一体（即定模），另一个“L”形半长桁模具分段（即动模），该长桁零件须分别铺贴后进行组合，因此工装采用动-定模的结构形式，分别完成铺贴后，由动模的一侧推向定模的一侧，从而实现组合；在工装一侧增加挡条使分段半模连成一体，其自身无连接关系，两半模完成组合后，须使用工装档条限定长绗模具位置，保证成型质量；在工装上划出零件边缘线，以确保零件手工切割正确；在肋缘条面上标记相对蒙皮上变截面的开始线和终止线及缘条边20mm余量线，当用于长桁与蒙皮组合时，对比两者的匹配性，保证胶接质量；为保证零件厚度，工装应带有控制肋腹板厚度的控厚块（控厚块的公差为0～-0.1mm），用于保证零件厚度；同时有启模/脱模装置（撬口），便于零件脱模；工装上配套ARIPAD及AIRCAST3700压力垫作为辅助工装，且应有曲率变化，用于保证缘条面质量。

图3 长桁工装结构示意图

3.2 组合胶接夹具

该文论述的组合胶接夹具为钢材料，如图4所示，该工装用于下蒙皮、肋缘条、长桁层压夹芯（共10根）和长桁（共9根“U”形长桁，2根“L”形长桁）固化成型。由壁板铺贴成型模、卡板、“L”形角材以及辅助定位装置组合而成。该工装在各长桁位置处有一定位装置，用于保证长桁零件在固化过程中的位置准确度；每根长桁位置处配有“L”形挡板，挡板间至少每米增加1个加强板，用于增强“L”形挡板的强度，注意避开各加强板位置，便于操作，避免在高温高压固化时的变形，且此加强板应与“L”形挡板为一体，不可拆卸。“L”形挡板应分段，每米1个分段，并且通过加强板连接；每根“U”形长桁的腹板面，且每隔1m配有一套夹紧装置，并通过弹簧固定在长桁定位装置上，夹紧装置起到了固定长桁铺贴工装的作用；工装上设有卡板，卡板位置设置在肋轴线处，卡板上同时设置了定位卡槽，与长桁厚度间隙为0.5mm，确保零件固化过程中长桁轴线位置，同时保证装配时的准确性。

图4 组合胶接夹具结构示意图

4 “U”形长桁制造工艺预压实参数

“U”形长桁的预压实工艺是该零件成型的关键一步，“U”形长桁铺贴完成后，需要与蒙皮进行胶接工艺，11 根长桁长度均为5m ，如果 “U”形长桁不进行预处理工艺，那么很难完成后续长桁的转移以及装配工序。为满足“U”形长桁成型要求，需要选择相应合适的定型参数，此前无相应规范对此工序有指导及借鉴意义，因此预压实即定性参数的确定是此次研究的重点内容，相应的参数选择由材料性能和热压罐成型工艺原则进行确定。考虑到该零件后续机加工序的可操作性，该文中论述的“U”形长桁在铺贴过程中采用无余量铺贴，铺贴完成后的 “U”形长桁是软的状态，且无须后续机械加工处理，“U”形长桁预压实后直接与蒙皮进行胶接固化。预压实的参数显得尤为关键，参数设置不合理，5m长的零件转移就是一个技术难题，还无法进一步装配，也不利于零件成型质量。

为了保证参数可靠，根据其树脂特性及壁板后续的成型工艺参数，固定其固化压力，升降温以及加压点的设置，以保温时间为变量，分别设定4个不同的保温时间，分别为（60±5）℃、（75±5）℃、（83±5）℃、（90±5）℃来验证“U”形长桁的最佳预压实参数。采用控制变量法分别从 “U”形长桁后续的成型质量、脱模操作性以及后续胶接质量保证等多维度进行对比，结果显示，随着温度升高其固化度也会持续升高，最终确定预压实保温温度为（83±5）℃，见表3。

表3 不同保温时间下的成型效果

该制件最终选择参数四作为预压实参数，既保证了产品质量，又能够满足工艺技术要求。

5 长桁与蒙皮组合定位方案

该文中次级零件较多，且纵横分布，尺寸大、曲率大、制造难点在于各次级零件在蒙皮上的定位，若各次级零件定位不准确，会导致长桁轴线度偏差、零件翘曲变形等问题，对后续装配造成无法制造的风险。为保证各次级零件在蒙皮上定位的准确性，该研究采取“先中间、后两段”、“先纵向、后横向”的次级零件放置顺序（如图5所示），第一步放置组合胶接夹具中配备的“U”形长桁定位卡板，第二步将最中间“U”形长桁插入卡板下方，即 U6 长桁，第三步通过定位销将U6长桁定位在组合胶接夹具定位孔内，中间U6长桁定位后，依次放置胶膜、长桁层压夹芯、U5/U7长桁、胶膜、长桁层压夹芯、U4/U8长桁、胶膜、长桁层压夹芯、U3/U9长桁、胶膜、长桁层压夹芯、U2/U10长桁、胶膜、长桁层压夹芯、U1/U11长桁，注意放置各个 “U”形长桁的方式与 U6长桁一致，均需将长桁插入卡板下方，确保长桁放置的位置准确；最后放置固化完成的横向T肋缘条；依次完成各次级零件的放置后，调取激光投影程序，使用激光线进行一次放置位置的校核，再次确保长桁等次级零件位置的准确性，随后放置“L”形角材，通过连接块连接各个“L”形角材，最后，采用真空袋外夹子固定的方式，即完成制袋工序后使用夹子夹紧长桁以及肋位进入热压罐固化，使用袋外夹子夹紧 “U”形长桁来确保固化过程中长桁位置的准确性，避免因固化过程中胶液流淌所造成的长桁滑动，从而引发的长桁位置度超差缺陷。

图5 “U”形长桁放置组合流程简图

6 性能测试

产品外形、轴线度、厚度、尺寸、内部质量经检测满足设计要求。同时采用了制作随炉试板验证产品内部质量，按照ASTMD标准进行拉伸、压缩、弯曲、剪切力学性能测试以及孔隙率测试，测试结果满足设计技术要求。

7 结论

该文以大尺寸双曲加筋壁板结构为研究对象，从工装结构，工艺流程、技术难点等多方面进行研究。深入探讨了制件制造过程中的技术难点，有针对性地制订解决措施并实施验证，并工程批量化稳定生产，最终确定了一套流程合理，可操作性强，制件质量有保障制造方案。同时为后续同类型的制件制造提供了宝贵的技术经验。