中型無人機復(fù)合材料機翼梁的成型工藝

張旭東 趙偉超 張 娟

（1 西北工業(yè)大學(xué)365所，西安 710065）

（2 西安航空制動科技有限公司，西安 710065）

文 摘 中型固定翼無人機機翼梁為碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的陰模-預(yù)浸料成型雖然能極大提高外形尺寸穩(wěn)定性，但該方法即使在引入硅橡膠芯模也較難以確保圓角處的正壓力以及因其成型帶來的架橋、氣泡裹入等現(xiàn)象；本文利用組合式自適應(yīng)均壓板輔助工裝及陽模-預(yù)浸料成型方法，在確保機翼梁制件外表面質(zhì)量的同時不僅顯著提高了機翼梁制件內(nèi)表面質(zhì)量，還使得工藝得到明顯簡化，極大地避免了因成型帶來的架橋、氣泡裹入等現(xiàn)象；并通過隨爐件制作及性能測試得到單向預(yù)浸料的彎曲強度為1 549 MPa，彎曲模量為110 GPa，層間剪切強度為87 MPa。

0 引言

纖維增強聚合物基復(fù)合材料在國內(nèi)外應(yīng)用方面仍以熱固性聚合物基復(fù)合材料為主，即主要組成為熱固性樹脂基體和增強纖維［1-3］。預(yù)浸料材料是用樹脂基體在嚴格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物，制成樹脂基體與增強纖維的預(yù)成型組合物，是制造復(fù)合材料的中間材料，并隨著航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料的高性能和高功能性要求，預(yù)浸料材料作為實現(xiàn)該要求的主要結(jié)構(gòu)材料得到了更為廣泛地應(yīng)用［4-5］，因此對于中型無人機機體結(jié)構(gòu)來說，其機翼梁采用先進復(fù)合材料碳纖維制品具有明顯的輕質(zhì)、高性能等優(yōu)勢，其工藝成型方法也備受關(guān)注［6-8］。

對于傳統(tǒng)的機翼梁成型方法來說，最早采用的是凸模制作、凹模成型的方式；隨著丙烯酸酯橡膠在航空航天的應(yīng)用［9-10］，則出現(xiàn)了凹模成型、橡膠均壓板加壓的方式；后來又由于液體澆鑄硅橡膠工藝的不斷成熟，出現(xiàn)了凹模成型、硅橡膠芯模熱膨脹的方式［11］；從此可以看出為了得到較好外形質(zhì)量和提供飛機裝配合適的工藝間隙，前人不得不采取凹模成型方式，并為了提高成型質(zhì)量采取了一系列工藝改進；事實上，凸模成型不僅具有良好的鋪貼便利性，熱壓罐成型過程由于外部壓力始終大于樹脂內(nèi)部壓力使得產(chǎn)品成型質(zhì)量要遠遠高于凹模成型，但由于凸模成型的外表面質(zhì)量不利于產(chǎn)品交付和后續(xù)與機翼壁板的膠接裝配，工藝技術(shù)人員才不得不將該方法束之高閣。

本文擬采用凸模成型、均壓板工藝輔助的方式，以期得到滿足設(shè)計使用要求的機翼梁制件。其中均壓板是一種在碳纖維復(fù)合材料成型過程中可以對制件表面進行均勻受壓的工藝輔助裝備，常見的均壓板材料一般為硬鋁板、玻璃纖維層壓板、硅橡膠等，其主要作用是復(fù)合材料在固化過程中使壓力傳遞均勻，以保證樹脂在制件表面流動均勻性，以保證成型質(zhì)量［12-13］。傳統(tǒng)的均壓板材料選用硬鋁，雖然加工簡單，但使用過程容易變形、圓角不易隨形；硅橡膠雖然可以任意賦形，但使用次數(shù)有限，且剛度不足難以滿足梁圓角處的成型質(zhì)量；玻璃纖維層壓板雖然剛性良好，但無法避免成型過程中凸模受熱膨脹等引發(fā)的外形匹配性不足問題。受限于上述均壓板材料的使用缺陷，本文旨在利用硬鋁-玻璃纖維層壓板相結(jié)合形成的均壓板，提出一種新型無人機復(fù)合材料機翼梁預(yù)浸料成型的制作方法，即通過凸模成型的方式以提高機翼梁的內(nèi)部質(zhì)量，通過均壓板的均勻傳遞壓力方式以提高機翼梁的外部質(zhì)量，進而得到成型質(zhì)量良好的碳纖維機翼梁制件。

1 機翼梁結(jié)構(gòu)

機翼梁結(jié)構(gòu)用于機翼翼面的承載和載荷傳遞，由全碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成（總體長度2.1 m，前端內(nèi)形寬度108 mm、高25 mm，后端內(nèi)形寬度70 mm、高15 mm），如圖1所示。

圖1 機翼梁結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wing spar

圖2為梁端面典型結(jié)構(gòu)示意圖。由圖2可以看出，機翼梁結(jié)構(gòu)為半“工”字梁，因此預(yù)浸料成型時通過“C”的整體通鋪和“L”的分片通鋪可以實現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)鋪層。

圖2 梁端面典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 A drawing of typical structure of vertical section

2 成型工藝分析及材料使用

2.1 成型工藝分析

（1）凸模設(shè)計：以制件的內(nèi)形為基準，設(shè)計框架式凸模結(jié)構(gòu)。

（2）均壓板設(shè)計：結(jié)合制件結(jié)構(gòu)特點，初步擬定均壓板由2 個“L”玻璃纖維層壓板和1 個硬鋁板的組合而成，其中“L”玻璃纖維層壓板外形與梁緣條區(qū)域一致，硬鋁板與梁腹板外形一致，并通過壓敏膠帶粘連的方式形成壓力、型面自適應(yīng)的組合式均壓板，如圖3所示。

圖3 均壓板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 A drawing of caul plates

（3）剛性假體的設(shè)計：根據(jù)碳纖維梁各截面厚度及玻璃纖維預(yù)浸料單層名義厚度進行玻璃纖維預(yù)浸料的等厚度鋪層設(shè)計，通過玻璃纖維預(yù)浸料成型方式得到剛性假體。

（4）成型工藝設(shè)計：在產(chǎn)品成型模具上進行實際碳纖維預(yù)浸料鋪層，待鋪層結(jié)束后進行工藝組合及封裝，實現(xiàn)真空袋加壓方式；再將模具放置于熱壓罐中進行0.5～0.7 MPa壓力下的熱壓罐固化成型；最后通過外形加工得到機翼梁制件。

2.2 材料使用

機翼梁成型所用的材料為中溫固化型EP（環(huán)氧樹脂）碳纖維預(yù)浸料，均壓板成型所用材料為中溫固化型EP玻璃纖維織物預(yù)浸料，如表1所示。

表1 成型用主要材料Tab.1 Main materials for composite molding

3 成型工藝研究

3.1 成型工藝流程

首先制作剛性假體，利用剛性假體得到均壓板；再按照工藝要求進行機翼梁的預(yù)浸料成型，通過均壓板輔助工裝、工藝輔助材料進行熱壓罐-真空袋壓法實現(xiàn)機翼梁的固化成型。

3.2 剛性假體制作

為便于降低模具成本，利用產(chǎn)品成型模具制造剛性假體以得到均壓板所需實際外形和空間位置。

將產(chǎn)品成型模具表面清理干凈，按工藝規(guī)范要求涂抹水溶性脫模劑、晾干。

使用玻璃纖維織物預(yù)浸料，通過等厚度鋪層設(shè)計及額外鋪貼2～3 層作為加工層的方式實現(xiàn)剛性假體的預(yù)浸料成型，主要固化參數(shù)為（125±5）℃保溫1.5～2 h，成型方式為真空袋壓法，并要求整個固化過程全程抽真空，且真空度絕對值應(yīng)達到0.09 MPa以上。

待玻璃纖維織物預(yù)鋪層固化后，在不脫模的狀態(tài)下進行固化物表面的外形銑切加工，得到工藝所需剛性假體，所述剛性假體外形與梁制件外形一致。

3.3 均壓板制作

在剛性假體表面鋪貼1層帶膠脫模布。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)鋪貼12 層玻璃纖維織物預(yù)浸料，鋪層順序為［（±45°）2/（0°/90°）2/（±45°）/（0°/90°）2/（±45°）/（0°/90°）2/（±45°）2］，并進行真空袋壓法預(yù)浸料成型，主要固化參數(shù)如上所述，固化完畢后不脫模。

對上述固化物進行有效固定后，對其表面進行外形銑切，得到2 個與梁緣條外形一致的“L”玻璃纖維層壓板。

通過銑切，得到與梁制件腹板外形一致的δ1.5 mm硬鋁平板，并參照圖3所示，利用壓敏膠帶將其與2 個“L”玻璃纖維層板進行粘連，最終得到均壓板。均壓板在使用前可以對其靠近產(chǎn)品預(yù)鋪層的一面整體鋪貼1層帶膠脫模布。

3.4 機翼梁成型

均壓板制作完畢后，清理剛性假體表面帶膠脫模布，并脫模，并清理產(chǎn)品成型模具表面，按工藝規(guī)范要求涂抹水溶性脫模劑、晾干。

按工藝要求在產(chǎn)品成型模具上進行單向碳纖維預(yù)浸料的鋪層，形成機翼梁的預(yù)鋪層；再在其表面依次放置脫模布、有孔隔離膜、均壓板（需使用壓敏膠帶固定）、透氣氈及真空薄膜，并利用密封膠帶將真空薄膜與模具非工作型面粘連起來，形成真空密閉體系。

將模具放置于熱壓罐中，進行熱壓罐-真空袋壓法成型，主要固化參數(shù)同樣如上所述，且熱壓罐內(nèi)外壓應(yīng)加至0.5～0.7 MPa；待熱電偶顯示梁制件平均溫度降至60 ℃以下時泄壓、出爐及脫模。

通過外形銑切、光整處理，最終得到機翼梁制件。

3.5 隨爐件制作與性能測試

根據(jù)產(chǎn)品制造要求，對成型機翼梁進行隨爐件的制作與性能測試，其中隨爐件制作是在平面度≤0～5 mm、Ra≤1.6 μm 的金屬平板模具上進行0O同材質(zhì)單向預(yù)浸料成型，整個工藝方法及過程與機翼梁成型一致，并處于不同真空袋下同爐固化成型；性能測試按照ASTM D790—2015［14］、ASTM D2344—2016［15］要求進行隨爐件的外形加工與性能測試，結(jié)果見表2。

表2 機翼梁隨爐件性能測試結(jié)果Tab.2 Results of properties for traveler processing control panel of wing spar

4 結(jié)論

（1）通過對中型無人機復(fù)合材料機翼梁成型工藝研究，從產(chǎn)品成型模具設(shè)計、剛性假體及均壓板設(shè)計、產(chǎn)品成型制造等方面闡述了機翼梁從成型設(shè)計到制造的具體過程。

（2）硬鋁-玻璃纖維層壓板的均壓板結(jié)構(gòu)形式，具有簡單有效、壓力自適應(yīng)性調(diào)節(jié)功能，能有效地通過機翼梁預(yù)鋪層的外表面進行尺寸和壓力自適應(yīng)調(diào)節(jié)，固化過程中能有效地控制其外表面的樹脂流動，得到表面質(zhì)量效果良好的機翼梁制件，同時也避免了因凹模成型可能帶來的架橋、氣泡裹入等鋪貼問題，以及固化過程中其內(nèi)側(cè)圓角的樹脂“零壓力”和預(yù)浸料層間滑移不可控等現(xiàn)象。

（3）通過隨爐件制作及性能測試，0O單向預(yù)浸料樣件的彎曲強度為1 549 MPa，彎曲模量為110 GPa，層間剪切強度為87 MPa，說明其固化物具有良好的綜合力學(xué)性能。