房曉斌，郭俊剛，王宏博，李奇輝

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

由于復(fù)合材料具有比強(qiáng)度較高、比剛度較大、耐疲勞性和可設(shè)計(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域?，F(xiàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料C型梁已用作承力件和次承力件，該零件的精確制造是航空企業(yè)和科研院所研究的一大方向[1]。目前，大多數(shù)研究人員和學(xué)者主要針對(duì)復(fù)合材料C型梁固化變形控制和厚度控制方面進(jìn)行研究，而在實(shí)際生產(chǎn)中更需要注重全方位制造工藝設(shè)計(jì)，以降低零件制造風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料性能和工藝性研究

1.1 材料的性能研究

材料性能研究是按照工藝規(guī)范和技術(shù)文件要求鋪貼及固化不同規(guī)格材料性能試板的。首先按照測(cè)試規(guī)范加工試樣并完成性能測(cè)試，然后按照工藝規(guī)范和技術(shù)文件中的驗(yàn)收指標(biāo)，判斷該材料的物理和化學(xué)性能是否能滿足工程應(yīng)用要求。若材料的測(cè)試結(jié)果未達(dá)標(biāo)，反饋給相關(guān)部門和材料供應(yīng)商，共同改進(jìn)和提高材料的各項(xiàng)性能；若材料的測(cè)試結(jié)果達(dá)標(biāo)，確認(rèn)材料性能試板和性能測(cè)試試樣的制造工藝，將其作為復(fù)合材料C型梁制造工藝的主要參數(shù)，復(fù)合材料C型梁選用的材料，通常為高溫環(huán)氧體系預(yù)浸料。

1.2 材料的工藝性研究

材料的工藝性主要是指適用性和可塑性這2個(gè)方面。適用性通常表現(xiàn)為材料數(shù)控下料操作和鋪貼操作的好壞等；可塑性表現(xiàn)為內(nèi)部質(zhì)量合格和外部質(zhì)量合格等。簡單來說，在材料各項(xiàng)性能滿足工藝規(guī)范和技術(shù)文件要求條件下，工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)與復(fù)合材料制件結(jié)構(gòu)相似、材料相同、鋪層相同的試驗(yàn)件，采用專用成型模具，完成試驗(yàn)件的全流程制造，觀察制造過程中材料的下料機(jī)鋪貼操作，檢測(cè)試驗(yàn)件內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量，判定該材料的適用性和可塑性是否滿足要求。

2 復(fù)合材料C型梁外形設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)基本要求

2.1 復(fù)合材料C型梁外形設(shè)計(jì)基本要求

復(fù)合材料C型梁設(shè)計(jì)初期，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員與工程技術(shù)人員需緊密聯(lián)系，在不增加飛機(jī)部件裝配難度的情況下，設(shè)計(jì)成便于熱壓罐固化成型的結(jié)構(gòu)。如將大尺寸復(fù)合材料C型梁分段設(shè)計(jì)，復(fù)雜接頭設(shè)計(jì)在連接桿上，以簡化復(fù)合材料C型梁成型模具制造難度，降低C型梁鋪貼及銑切難度等。

2.2 復(fù)合材料C型梁鋪層設(shè)計(jì)基本要求

復(fù)合材料C型梁的鋪層設(shè)計(jì)在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的條件下，制件內(nèi)、外表面的材料需選用碳纖維織物預(yù)浸料，用于降低制造過程中外形銑切和制孔難度。若復(fù)合材料C型梁內(nèi)、外表面材料選用單向帶預(yù)浸料，則外形銑切和制孔操作時(shí)經(jīng)常性會(huì)出現(xiàn)邊緣分層和邊緣毛刺現(xiàn)象。

3 復(fù)合材料C型梁固化變形控制

3.1 復(fù)合材料C型梁固化變形的影響

復(fù)合材料C型梁普遍采用熱壓罐固化成型，由于固化過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和應(yīng)變，產(chǎn)品脫模后易產(chǎn)生“收口變形”，影響了飛機(jī)部件的裝配工作[2～4]。復(fù)合材料C型梁緣條固化變形使其外形偏離了設(shè)計(jì)要求，從而導(dǎo)致蒙皮與梁間螺栓連接裝配孔錯(cuò)位。若對(duì)裝配件進(jìn)行強(qiáng)制裝配將會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力、密封不好等問題，亦會(huì)降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命，甚至造成制件報(bào)廢。

3.2 復(fù)合材料C型梁固化變形的影響因素

復(fù)合材料C型梁產(chǎn)生固化變形的影響因素主要有3個(gè)方面：①工藝因素，主要包括固化時(shí)的升降溫速率、固化壓力等；②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素，主要包括零件鋪層角度、鋪層厚度等；③模具因素，主要包括模具材質(zhì)、表面光潔度和模具結(jié)構(gòu)形式等。

3.3 復(fù)合材料C型梁固化變形控制方法

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員基于強(qiáng)度及外形尺寸等方面考慮，規(guī)定了復(fù)合材料C型梁選用材料和鋪層信息[5]；而復(fù)合材料C型梁采用熱壓罐固化成型時(shí)通常參照工藝規(guī)范中的固化參數(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素和工藝因素在某種程度上的確定性，可以降低固化變形控制的難度。目前，國內(nèi)相關(guān)單位都在開展復(fù)合材料C型梁固化變形控制研究工作。航空企業(yè)較多采用模具型面補(bǔ)償量試錯(cuò)及修正的方法，以消除復(fù)合材料C型梁固化變形的影響，滿足型號(hào)研制需求。而科研院所則較多開展復(fù)合材料C型梁固化變形有限元模擬仿真方面的工作。

（1）模具型面補(bǔ)償量試錯(cuò)及修正

模具型面補(bǔ)償是航空企業(yè)消除復(fù)合材料C型梁固化變形影響的有效方法[6，7]。通常，按照復(fù)合材料C型梁選用材料進(jìn)行分類，結(jié)合鋪層信息計(jì)算出模具型面補(bǔ)償量。第1步，匯總已生產(chǎn)完工制件的選用材料、鋪層信息、外形檢測(cè)數(shù)據(jù)和模具補(bǔ)償量等，作為新制復(fù)合材料C型梁零件模具補(bǔ)償量的參考數(shù)據(jù)，初步設(shè)計(jì)模具補(bǔ)償量θ1；第2步，提取復(fù)合材料C型梁外形特征設(shè)計(jì)小尺寸試驗(yàn)件，在小尺寸試驗(yàn)件模具設(shè)計(jì)時(shí)帶入補(bǔ)償量θ1，并完成模具制造（圖1為小尺寸模具試驗(yàn)件示意圖）；第3步，利用小尺寸試驗(yàn)件模具完成試驗(yàn)件制造，采用數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備完成小尺寸試驗(yàn)件的外形檢測(cè)，分析計(jì)算出合理的模型型面補(bǔ)償量θ2，將其作為1∶1制件模具型面補(bǔ)償量；第4步，根據(jù)模型型面補(bǔ)償量θ2，設(shè)計(jì)并制造復(fù)合材料C型梁模具，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料C型梁固化變形控制。

（2）復(fù)合材料C型梁固化變形的有限元分析

ABAQUS軟件是國際上先進(jìn)的大型通用有限元軟件之一，其可以分析復(fù)雜的工程力學(xué)問題，具有駕馭龐大求解規(guī)模的能力，在非線性力學(xué)分析功能方面能夠達(dá)到世界領(lǐng)先水平[8]。未來隨著復(fù)合材料制造水平的發(fā)展，針對(duì)復(fù)合材料C型梁固化變形，有效的解決方法是使用有限元模擬仿真軟件分析復(fù)合材料C型梁固化變形并計(jì)算出固化變形補(bǔ)償量。具體做法是，通過將多場耦合數(shù)值模擬模型計(jì)算出的溫度、固化度、黏度和樹脂流動(dòng)情況等；再通過固化變形模型求解出的殘余應(yīng)力導(dǎo)入到C型構(gòu)件固化變形模型中，將材料的各向異性和化學(xué)伸縮效應(yīng)采用結(jié)合實(shí)驗(yàn)校正與ABAQUS有限元建模的方法進(jìn)行模擬仿真。通過實(shí)驗(yàn)來確定復(fù)合材料厚度方向上的化學(xué)伸縮系數(shù)，利用實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)和溫度場模擬得到的結(jié)果，在ABAQUS中建立幾何模型，定義物理性能參數(shù)、選擇合適的邊界條件和劃分適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格，從而進(jìn)行復(fù)合材料C型梁固化變形的有限元分析，圖2為有限元模擬流程圖。通過有限元分析得出復(fù)合材料C型梁固化變形量，由工程技術(shù)人員計(jì)算出固化變形補(bǔ)償量。

圖1 小尺寸試驗(yàn)件模具Fig.1 Mould for small size test specimen

圖2 有限元模擬流程Fig.2 Flow path of finite element simulation

4 復(fù)合材料C型梁厚度控制

復(fù)合材料C型梁制造過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)厚度超差，超差部位主要集中在R區(qū)。通常采用陽模固化后R區(qū)偏薄、采用陰模固化后R區(qū)偏厚[9]。如何控制復(fù)合材料C型梁R區(qū)厚度，常用的方法有2種：①是AIRPAD壓力墊控厚；②是AIRCAST3700壓力墊控厚。但是這2種方法都有局限性，不能作為通用的厚度控制方法。

（1）AIRPAD壓力墊控厚

AIRPAD壓力墊與陽模模具配合使用（如圖3所示），其內(nèi)表面是工作表面，制作時(shí)需要借助與制件外表面尺寸相同的假件或者專用壓力墊模具，熱壓罐固化成型。AIRPAD壓力墊與陰模模具配合使用（如圖4所示），其外表面是工作表面，制作時(shí)需要借助與制件內(nèi)表面尺寸相同的假件或者專用壓力墊模具，熱壓罐固化成型。

圖3 陽模配合用AIRPAD壓力墊Fig.3 AIRPAD pressure pad for positive die mould

圖4 陰模配合用AIRPAD壓力墊Fig.4 AIRPAD pressure pad for die mould

AIRPAD壓力墊組合方式為1層AIRPAD+若干層高溫預(yù)浸料+1層AIRPAD，高溫預(yù)浸料牌號(hào)、層數(shù)和尺寸大小由工程技術(shù)人分析復(fù)合材料C型梁外形結(jié)構(gòu)、選用材料和鋪層信息等確定。實(shí)踐結(jié)果表明，AIRPAD壓力墊無論與陽模模具還是與陰模模具配合使用，均可有效控制復(fù)合材料C型梁全型面厚度。

（2）AIRCAST3700壓力墊控厚

AIRCAST3700壓力墊通常與陰模模具配合使用時(shí)（如圖5所示），AIRCAST3700壓力墊需要借助與制件內(nèi)表面尺寸相同的假件或者專用壓力墊模具，并且放置內(nèi)芯模，室溫硫化成型。

圖5 陰模配合用AIRCAST3700壓力墊Fig.5 AIRCAST3700 pressure pad for die mould

AIRCAST3700壓力墊控厚的穩(wěn)定性比較差，使用時(shí)經(jīng)常不能達(dá)到理想效果，如果壓力墊厚度不合適，則會(huì)造成制件內(nèi)表面出現(xiàn)不平整。同時(shí)，由于AIRCAST3700壓力墊伴隨制件固化多次使用會(huì)出現(xiàn)收縮，不推薦經(jīng)常性使用。若復(fù)合材料C型梁研制批次少，且尺寸不大時(shí)，可使用AIRCAST3700壓力墊，厚度設(shè)計(jì)為30～35 mm時(shí)可保證較好的控厚效果。

5 復(fù)合材料C型梁模具設(shè)計(jì)基本要求

復(fù)合材料C型梁制造過程中，除了使用成型模固化成型，還需使用真空銑具銑切外形，使用檢驗(yàn)型架輔助檢測(cè)外形。當(dāng)使用陰模成型模時(shí)，還需配套鋪貼模，根據(jù)需要配套翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

（1）成型模設(shè)計(jì)基本要求

復(fù)合材料C型梁成型模一般選用金屬材料，比如殷鋼和普通鋼，鑒于復(fù)合材料C型梁制造精度要求越來越高，建議盡可能選用殷鋼材料。待復(fù)合材料C型梁工藝狀態(tài)穩(wěn)定后，可以考慮將成型模的殷鋼型板更換為復(fù)材型板。

復(fù)合材料C型梁成型模分為陽模成型模和陰模成型模2種，選擇哪一種形式需要根據(jù)制件外形尺寸和配合精度綜合考慮。一般飛機(jī)襟翼和副翼復(fù)合材料C型梁，其緣條面寬度變化在50～150 mm范圍內(nèi)，且厚度不大于3 mm，建議選用陽模成型模；外翼和尾翼復(fù)合材料C型梁，其緣條面寬度若大于200 mm、厚度大于3 mm時(shí)，由于制件厚度公差帶來的影響，建議選用陰模成型模。

為了保證模具的剛性，較大尺寸成型模需設(shè)計(jì)為整體框架結(jié)構(gòu)，利用軟件模擬熱壓罐中氣流方向，設(shè)計(jì)合理的氣流通道；根據(jù)工裝設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)氣槽和真空管路。（2）鋪貼模和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求

鋪貼模主要用于復(fù)合材料C型梁的鋪貼成型，不用于固化成型，一般選用金屬材料，鋁合金或者普通鋼，根據(jù)實(shí)際需要可整體也可分塊，只要保證模胎的剛性即可。由于制造工藝有時(shí)需要進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，建議鋪貼模設(shè)計(jì)為整體模胎。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用是將鋪貼模進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，用于將鋪貼模與凹成型模進(jìn)行組合的一個(gè)輔助裝置。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)目前常見的是機(jī)械式，由2組翻轉(zhuǎn)裝置和2組連接裝置組成。翻轉(zhuǎn)裝置固定在地面上，位置根據(jù)鋪貼模長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，連接裝置一端與鋪貼模連接，另一端與翻轉(zhuǎn)裝置連接。

（3）真空銑具設(shè)計(jì)基本要求

真空銑具是復(fù)合材料C型梁數(shù)控銑切的輔助裝置，要求整體剛性較好，吸附力較好。銑具結(jié)構(gòu)為框架式，框架上設(shè)置銑具型板，材質(zhì)以鋁和鋼為主，高度滿足機(jī)床主軸頭擺動(dòng)90°要求。銑具型板寬度比梁腹板寬度小2～5 mm，設(shè)計(jì)抽氣孔和抽氣槽，邊緣處設(shè)置一圈真空圈凹槽，放置真空圈，用來防止真空漏氣。零件外形輪廓對(duì)應(yīng)的型板區(qū)域設(shè)計(jì)退刀槽，退刀槽邊緣按照零件邊緣向內(nèi)偏移2 mm，寬度及深度滿足數(shù)控加工要求，如圖6所示。復(fù)合材料C型梁緣條面寬度較窄，與真空銑具吸附面較小，需要設(shè)置可卸式壓板，圖7為真空銑具設(shè)計(jì)圖。

圖6 真空銑具草圖Fig.6 Vacuum milling tool sketch

圖7 真空銑具設(shè)計(jì)圖Fig.7 Vacuum milling tool design drawing

（4）檢驗(yàn)型架設(shè)計(jì)基本要求

檢驗(yàn)型架用于復(fù)合材料C型梁外形檢測(cè)，一般為框架結(jié)構(gòu)，帶有可靈活拆卸的檢驗(yàn)卡板，根據(jù)復(fù)合材料C型梁結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)定位孔。當(dāng)選擇依據(jù)檢驗(yàn)型架上檢驗(yàn)卡板檢測(cè)制件外形時(shí)，將制件固定在型架上，檢測(cè)制件表面與卡板之間的間隙，計(jì)算出外形偏差；當(dāng)選擇使用數(shù)字化設(shè)備檢測(cè)制件外形時(shí)，將檢驗(yàn)卡板拆卸掉，固定后，完成制件外形的數(shù)字化檢測(cè)，通過計(jì)算機(jī)分析實(shí)際檢測(cè)外形與理論外形的偏差。

6 展望

當(dāng)前，先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)制造領(lǐng)域應(yīng)用不斷增加，已成為航空制造領(lǐng)域一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，大型復(fù)合材料制件、承重件研制已成為各國著力發(fā)展的方向[1]。復(fù)合材料C型梁可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的承力件和次承力件，在減輕飛機(jī)重量，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面有著重要意義。在我國復(fù)合材料C型梁普遍采用手工鋪貼、熱壓罐成型的方法，其人為因素影響很大，不利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制。為了提高產(chǎn)品加工精度，保證質(zhì)量穩(wěn)定性，有關(guān)科研技術(shù)人員應(yīng)學(xué)習(xí)國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)自主創(chuàng)新，掌握復(fù)合材料C型梁加工制造中的核心和關(guān)鍵技術(shù)。自動(dòng)鋪貼工藝和熱隔膜壓實(shí)工藝技術(shù)研究已在我國許多企業(yè)廣泛開展，待技術(shù)成熟后，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料C型梁的精確制造[10]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，復(fù)合材料C型梁的精確制造技術(shù)應(yīng)成為一套規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，采用該項(xiàng)技術(shù)，可以縮短研制周期，降低生產(chǎn)成本。