劉向陽 劉 琦

（中航西飛復合材料廠，西安 710089）

復合材料因其卓越的減重效果、高比強度以及優(yōu)異的抗疲勞特性，在各行業(yè)中的應用越來越廣，已成為航空航天領域重要的輕量化材料。隨著復合材料制造技術的發(fā)展，復合材料構件廣泛用于飛機的機頭、機身、機翼、尾翼等部段，已成為衡量飛機設計和制造水平的標準之一[1]。同時，其構件結構也由最初簡單的層壓結構發(fā)展成為了蜂窩夾芯、泡沫夾芯、膠接組合等結構；多個單一構件采用緊固件連接形成組件、部件的形式發(fā)展成為了多個零件進行膠接、縫合形成整體復合材料組件的形式；成型工藝也由早期的樹脂浸潤干纖維手工濕法裱糊工藝發(fā)展成為了干法預浸料自動鋪放的自動化熱壓罐固化工藝、低成本液體成型固化爐固化工藝以及非熱壓罐成型工藝（Out of Autoclave Process，OOA）等多樣化的成型工藝，從而為設計師和制造工程師帶來了更多的選擇[2]。

飛機的腹鰭、機翼翼尖、前緣、尾翼翼尖以及平前緣等均為U形截面，由復合材料U形層壓蒙皮或蜂窩芯、泡沫芯夾芯蒙皮和C形層壓或蜂窩芯、泡沫夾芯加強筋組成，均采用復合材料蒙皮加筋的結構形式，其蒙皮和筋板采用緊固件連接[3]。復合材料構件整體化可以通過減少零件數(shù)量和緊固件數(shù)量達到減重目的，已成為復合材料構件發(fā)展的一大趨勢。為了達到減重的目的，工程設計中將腹鰭、翼尖等復合材料組件的蒙皮和筋板的連接形式由緊固件連接改為了結構膠黏劑膠接，從而使其成為一個膠接整體，無需緊固件連接[4]。該類構件一般為深U形雙曲度外形，開口寬度和深度比例在0.4以下，操作空間狹小，造成了筋板和蒙皮定位、夾緊、膠黏劑固化等問題[5]。本文通過對復合材料構件成型工藝的對比，選取二次膠接工藝，并對采用的膠接夾具結構、加熱加壓工藝進行了研究和驗證，為類似復合材料構件結構提供了工程應用經驗。

1 U形雙曲率蒙皮加筋復合材料構件結構

1.1 結構介紹

本試驗件由U形雙曲率復合材料層壓蒙皮和4塊復合材料C形層壓筋板組成，蒙皮外廓尺寸為 1 040 mm×120 mm×195 mm，厚度為2.5 mm，鋪層為[0°/±45°/90°/±45°/0°]S；筋板外廓尺寸為160 mm× 115 mm×25 mm，厚度為1.0 mm，鋪層為[0°/±45°/90°/ ±45°/0°]。

1.2 材料和設備

復合材料蒙皮和筋板材料選用美國Cytec公司的MXB7701-1581環(huán)氧玻璃纖維預浸料，單層厚度為0.24 mm，樹脂含量為36%～40%；膠黏劑選用美國Cytec公司生產的FM73M環(huán)氧帶載體膠膜，厚度為0.25 mm，膠膜單位面積質量為293 g·m-2。

預浸料固化設備選用德國肖茨公司生產的熱壓罐，有效尺寸為3 m×6 m，最高溫度為250 ℃，最大壓強為1.2 MPa，溫均性為±5.6 ℃；膠黏劑固化設備選用法國法賽圖固化爐，有效尺寸為6 m×3 m，最大溫度為200 ℃，溫均性為±6 ℃；無損檢測設備選用超聲A掃描無損探測儀；測力工具選用數(shù)顯測力計，量程為100 N。

1.3 主要技術指標

膠接過程預裝筋板和蒙皮的配合間隙小于0.15 mm， 局部大于0.20 mm時，可增加1層膠膜補償。外形采用貼模檢查的方法，零件自由狀態(tài)下貼模間隙不大于0.3 mm，若超過0.3 mm，允許間隔250 mm施加50 N的力，且貼模間隙不大于0.2 mm。蒙皮、筋板零件及膠接后的內部進行超聲無損檢測時，允許的分層、空洞或脫黏的最大缺陷尺寸為X+Y＜2Z，其中：Z為9 mm；X、Y分別為缺陷的長和寬的最大外廓 尺寸。兩個或兩個以上缺陷區(qū)域邊緣最小距離大于100 mm。筋板軸線度公差為±1.5 mm。

2 工藝研究

2.1 試驗件成型方案

復合材料成型工藝分為共固化、共膠接、二次膠接3種形式。其中：共固化是指不同的復合材料構件在一次固化過程中同時完成自身固化和相互膠接固化的工藝方法；共膠接是指把一個或多個已經固化成型而另外一個或多個尚未固化的構件通過膠黏劑（一般為膠膜）在一次固化中將它們固化并膠接成一個整體組件的工藝方法；二次膠接是指用膠接方法把兩個或多個已固化的復合材料構件連接在一起，膠黏劑（膠膜）在膠接過程中發(fā)生化學反應而固化的工藝方法。3種成型方案的對比分析表如表1所示。

表1 試驗件成型方案分析

2.1.1 共固化成型方案

共固化成型即蒙皮和筋板各自在鋪貼模上鋪貼，然后在膠接工裝上進行定位、組合，再由熱壓罐固化，采用凹模組合式工裝的成型方式[6]。凹模預浸料鋪貼困難、層間不易壓實、料片易架橋，而且組合后制袋工藝復雜，若傳壓不良還會導致蒙皮層間出現(xiàn)孔隙超差、分層等缺陷。筋板需要凈尺寸成型增加了工裝和零件制造難度[7]。由于濕狀態(tài)下預浸料厚度的影響，定位誤差較大，組合式工裝各零件制造精度和裝配精度要求較高，易出現(xiàn)軸線度超差及傳壓不到位而引起的膠接面脫黏現(xiàn)象。工裝包括筋板鋪貼模、蒙皮成型和膠接共用組合式專用膠接夾具。

2.1.2 共膠接成型方案

共膠接成型可以是固化后的蒙皮和未固化的筋板進行膠接共固化，即蒙皮采用凸模鋪貼、軟模輔助成型固化，筋板采用鋪貼模鋪貼后轉移到膠接夾具上與蒙皮定位、組合，并進行熱壓罐固化。此時工裝包括蒙皮成型模、筋板鋪貼模、組合式專用膠接夾具。此外，共膠接成型也可以是固化后的筋板和未固化的蒙皮進行膠接共固化，即筋板采用凹模鋪貼、軟模輔助成型固化，然后與蒙皮進行定位、組合，并進行熱壓罐固化[8]。此時工裝包括筋板成型模、蒙皮成型和膠接共用組合式專用膠接夾具。由于熱壓罐固化真空袋制袋工藝復雜，打袋困難，容易導致傳壓不充分，從而引起蒙皮和筋板孔隙超差或分層、蒙皮和筋板膠接面脫黏。另外，組合式成型膠接夾具誤差積累、濕狀態(tài)的零件定位和成型，都易導致筋板軸線度超差。

2.1.3 二次膠接方案

二次膠接是將蒙皮和筋板分別鋪貼、固化、成型的工藝方式，成型后的產品厚度及外形尺寸準確。固化狀態(tài)下的零件定位簡單，易實施。該方案實施過程中，需要采用固化爐加溫，由機械加壓粘接筋板和蒙皮，但是不用制袋，產品成型周期短，無需熱壓罐，成本較低。工裝包括蒙皮成型模、筋板成型模、專用膠接夾具。

通過以上分析，試驗件成型選用二次膠接工藝 方案。

2.2 膠接夾具的結構形式

根據(jù)構件的結構特點，選用凹模、卡板式支撐，在蒙皮兩端及對應筋板的位置設置外形支撐卡板，并在等距離粘貼1 mm的橡膠板，在每個筋板位置設置螺旋式加壓裝置。加壓裝置由支架、螺母、旋轉螺桿、定位壓緊塊等組成。在筋板根部留10 mm余量，其上設置Φ2～4 mm定位孔，與定位塊用定位螺釘連接。定位塊與旋轉螺桿連接有自適應性，即定位塊可沿筋板平面根據(jù)筋板和蒙皮的配合面進行適度調整，但另一垂直方向需嚴格控制精度，否則會引起軸線度偏移。試驗證明，在外形支撐卡板上加橡膠墊和定位塊的自適應設計很好地解決了蒙皮外形定位、筋板和蒙皮定位的問題，從而使膠膜厚度、壓力傳遞都得 到了保證。

2.3 加熱加壓工藝

膠膜的固化工藝為：第一，加壓到0.17～0.69 MPa， 并以小于5 ℃·min-1的速率升溫；第二，在116～ 126 ℃下保溫至少90 min；第三，在適當壓力下以小于等于5 ℃·min-1的降溫速率降溫到65 ℃以下出加熱設備。由此可以得出：升降溫速率范圍較寬，固化爐加熱可以滿足要求，機械加壓方案可行。

組合筋板與蒙皮時，要求模具緊密貼合且裝配到位，并要對筋板進行預壓實。由于膠膜固化前比固化后厚，且膠膜加溫后會產生流動，筋板和蒙皮之間的間隙會發(fā)生變化。按照膠膜特性，膠膜加熱到80 ℃時發(fā)生軟化。因此，要先將零件推入固化爐，加熱到75～85 ℃后再將壓緊塊旋壓到規(guī)定位置，進行持續(xù)固化。壓緊過程中，膠接面必須要有膠膜溢出，膠膜溢出量為1～2 mm。試驗證明，通過測量固化后的膠層厚度以及確定加壓裝置的限位位置，能夠保證膠接厚度的一致性，從而保證膠接質量。

3 結論

在膠接夾具內對試驗件外形進行檢測，結果顯示其與夾具型面的間隙小于0.3 mm。對局部超過0.3 mm 的型面采用測力計進行施壓，測力計顯示加力數(shù)值在50 N以下時，試驗件外形和夾具間隙小于0.2 mm，外形滿足設計要求。采用超聲測量儀對膠接面內部進行質量探測，無分層、脫黏缺陷，無損檢測膠接質量合格。按膠接夾具設置的筋板軸線檢驗卡板進行筋板軸線度檢測，軸線度保持在±1 mm內，優(yōu)于設計要求。綜上所述，可得出以下結論：（1）對于U形雙曲率蒙皮加筋板復合材料構件，二次膠接工藝是能夠保證膠接質量且生產效率較高的成型工藝；（2）針對二次膠接工藝和膠膜材料特性，采用固化爐加熱、機械加壓的成型工藝對保證膠接質量起到了關鍵作用；（3）針對此結構，研制了自適應定位的膠接夾具，能夠滿足各次級件的定位、固定和膠接功能，產品質量一致性較好。