高密肋結(jié)構(gòu)整體壁板VARI成型技術(shù)研究

蘇 霞 閆 超 李祎燊 楊紹昌 程 龍

（1 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089）

（2 西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

0 引言

復(fù)合材料自問(wèn)世以來(lái)就一直在航空工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，受到飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的青睞，在航空結(jié)構(gòu)上獲得了廣泛的應(yīng)用，目前復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的用量是體現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的標(biāo)志，也是大幅度提高飛機(jī)性能的重要保證［1-2］。隨著飛機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，活動(dòng)面等關(guān)鍵部段越來(lái)越多地采用整體壁板結(jié)構(gòu)形式，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。低成本制造工藝中的典型工藝VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）成型工藝具有靈活度高、組合性強(qiáng)的特點(diǎn)，可成形尺寸精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的整體結(jié)構(gòu)［3-4］。

本文選擇活動(dòng)面結(jié)構(gòu)中常用的高密肋結(jié)構(gòu)壁板典型結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，從高密肋結(jié)構(gòu)模具設(shè)計(jì)與制造、預(yù)制體制備、注膠口/出膠口選擇等進(jìn)行分析研究，探索一種加工精度高、整體成型好、制造效率高，制造成本低的工藝方法，擬在型號(hào)中推廣應(yīng)用。

1 樣品制備

1.1 結(jié)構(gòu)與選材

截取高密肋結(jié)構(gòu)壁板典型結(jié)構(gòu)，由蒙皮、兩個(gè)工型筋條、三個(gè)C 型筋條組成，如圖1 所示。蒙皮為變厚度結(jié)構(gòu)，其最大厚度為4.96 mm，最小厚度為2.4 mm；C 型筋條等厚結(jié)構(gòu)，厚度均為2.24 mm；工型筋條變厚結(jié)構(gòu)，最大厚度為4.48 mm，最大高度為93.9 mm。樹(shù)脂選用高溫固化環(huán)氧樹(shù)脂5284VARI，織物選用帶定型劑的U3160單向織物。

圖1 高密肋結(jié)構(gòu)壁板示意圖Fig.1 Schematic diagram of high-density rib structure plate

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The main technical parameters

1.3 工藝方案與制造流程

采用VARI 工藝實(shí)現(xiàn)零件的一次性整體成型，其產(chǎn)品制造流程如圖2所示。

圖2 高密肋結(jié)構(gòu)壁板制造流程Fig.2 Manufacturing process of high-density rib structure plate

1.4 預(yù)定型工藝選擇

預(yù)成型體的制備是VARI 工藝中重要的部分，為滿(mǎn)足制件定型要求，需要選擇相應(yīng)合適的定型參數(shù)，相應(yīng)的參數(shù)選擇區(qū)間由材料性能和低成本的制造工藝原則進(jìn)行確定。分別選擇2%、4%、6%的定型劑，采用控制變量法分別測(cè)定溫度、壓力及保壓時(shí)間對(duì)纖維體積分?jǐn)?shù)的影響。其測(cè)試結(jié)果分別如圖3～圖5所示。結(jié)果顯示升高溫度、增大壓力、延長(zhǎng)時(shí)間都有利于增加纖維體積分?jǐn)?shù)，最終纖維預(yù)成體的纖維體積分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定，達(dá)到一個(gè)最大值。當(dāng)預(yù)定型溫度、壓力、保壓時(shí)間分別為120 ℃、0.1 MPa、60 min時(shí)，使用4%濃度的定型劑制備的預(yù)制體最終纖維體積分?jǐn)?shù)為60.4%，當(dāng)定型劑濃度增加到6%時(shí)，最終預(yù)制體的纖維體積分?jǐn)?shù)為60.41%，并沒(méi)有明顯變化。這也與相關(guān)研究的結(jié)論相符，在體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，較大的定型劑濃度可能會(huì)導(dǎo)致纖維織物中空隙堵塞從而影響樹(shù)脂在其中的滲透性［5-6］。過(guò)高的溫度和過(guò)大的壓力會(huì)帶來(lái)制造成本的增加，因此綜合分析，預(yù)定型工藝選擇定型劑濃度為4%，溫度為120 ℃，壓力為0.1 MPa，保壓時(shí)間為60 min為適宜的工藝參數(shù)。

圖3 定型劑濃度為2%時(shí)不同壓力壓實(shí)曲線(xiàn)Fig.3 Compaction curve with different pressure when setting agent concentration of 2%

圖4 定型劑濃度為4%時(shí)不同壓力壓實(shí)曲線(xiàn)Fig.4 Compaction curve with different pressure when setting agent concentration of 4%

圖5 定型劑濃度為6%時(shí)不同壓力壓實(shí)曲線(xiàn)Fig.5 Compaction curve with different pressure when setting agent concentration of 6%

1.5 注膠方案選擇

高密肋壁板具有變厚度、多特征區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，樹(shù)脂在注塑過(guò)程中易出現(xiàn)流動(dòng)前鋒不一致，造成干斑、貧膠等缺陷。因此，為保證樹(shù)脂流動(dòng)前鋒推進(jìn)一致，樹(shù)脂流動(dòng)距離最短，注膠時(shí)間最短，保證在樹(shù)脂的工藝窗口完成對(duì)纖維預(yù)制體的完全浸潤(rùn)，根據(jù)VARI 成型的工藝特點(diǎn)，基于對(duì)加強(qiáng)肋等特征區(qū)域分區(qū)注射的控制方法，分析高密肋壁板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定了三種注膠方案［7-9］。分別為線(xiàn)注射-線(xiàn)冒口、線(xiàn)注射-點(diǎn)冒口、線(xiàn)注射-線(xiàn)冒口+筋點(diǎn)冒口，采用PAMRTM 軟件對(duì)三種方案進(jìn)行模擬仿真，模擬結(jié)果如圖6～圖8 所示。通過(guò)模擬仿真發(fā)現(xiàn)采用線(xiàn)注射-線(xiàn)冒口，樹(shù)脂流動(dòng)前鋒工型筋條流動(dòng)滯后，易導(dǎo)致工型筋條樹(shù)脂浸潤(rùn)不充分，內(nèi)部產(chǎn)生空腔等無(wú)損缺陷。采用線(xiàn)注射-點(diǎn)冒口樹(shù)脂流動(dòng)前鋒基本一致，但樹(shù)脂浸潤(rùn)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)由于筋條高度以及樹(shù)脂的質(zhì)量作用，筋條浸潤(rùn)不完全。采用線(xiàn)注射-線(xiàn)冒口+筋點(diǎn)冒口，樹(shù)脂浸潤(rùn)時(shí)間最短，通過(guò)控制筋條位置冒口的開(kāi)關(guān)，控制筋條位置的流動(dòng)前鋒，可以使蒙皮與筋條的流動(dòng)前沿一致，從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的完全浸潤(rùn)，保證制品的內(nèi)部質(zhì)量。故模具設(shè)計(jì)時(shí)選擇線(xiàn)注射-線(xiàn)冒口+筋條點(diǎn)冒口注膠方案。

圖6 線(xiàn)注射-線(xiàn)冒口模擬仿真圖Fig.6 The simulation diagram of line injection -line riser

圖8 線(xiàn)注射-線(xiàn)冒口+筋點(diǎn)冒口模擬圖Fig.8 The simulation diagram of line injection -line and point riser

1.6 工裝設(shè)計(jì)分析

工型和C 型筋條下緣面因與壁板整體成型，固化后無(wú)法進(jìn)行邊緣修整，故筋條下緣條凈尺寸，根據(jù)修整工具的可行尺寸，其余各邊均保留5或15 mm 的余量以方便固化成型的修整。工裝的非余量區(qū)域皆留有適當(dāng)高度的凸臺(tái)，以保證工裝間的無(wú)間隙配合，避免樹(shù)脂流入縫隙造成零件的局部富樹(shù)脂。工裝型板厚度為50 mm，以保證工裝剛度，在溫度場(chǎng)作用下不宜變形。筋條上緣條面為裝配面，為保證裝配面平整度，設(shè)計(jì)剛性壓力墊。為避免棱邊過(guò)于尖銳造成真空袋的破損，同時(shí)便于工裝模具的加工，工裝外緣與真空袋接觸的棱條倒3～5 mm的圓角。

1.7 預(yù)制體制備及制袋

根據(jù)操作可行性及相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，單向纖維織物鋪貼時(shí)保證纖維角度容差±3°。為提高纖維預(yù)制體纖維體積分?jǐn)?shù)，采用多次分層壓實(shí)的方法，每鋪3～5層抽真空壓實(shí)一次，壓實(shí)真空值至少0.08 MPa，時(shí)間至少15 min，以保證纖維織物層間壓實(shí)。分別將蒙皮、C型筋條、工型筋條預(yù)制體鋪貼完成后，將脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)依次鋪到蒙皮上，再放置軟模。將工形筋條和C形筋條按工裝要求進(jìn)行裝配。根據(jù)確定好的注膠方案布置注膠口和出膠口。在蒙皮預(yù)成形體的前端和后端分別布置螺旋管作為線(xiàn)注口和線(xiàn)出膠口，螺旋管比蒙皮長(zhǎng)度短3～5 mm，在筋條出膠口上鋪放透氣氈Airweave N10，放置膠座連接樹(shù)脂管。在制件兩個(gè)對(duì)角余量處放置熱電偶。并進(jìn)行滲漏檢查，對(duì)零件抽真空至少15 min，真空度不低于0.08 MPa，關(guān)閉真空，真空滲漏率不超過(guò)0.017 MPa/5 min，以此保證在樹(shù)脂滲流填充預(yù)制體過(guò)程中壓力梯度維持在預(yù)設(shè)值，過(guò)程如圖9所示。

圖9 預(yù)制體制備及組合示意圖Fig.9 Preform preparation and combination schematic diagram

1.8 注膠及產(chǎn)品固化

在VARI成型工藝中，注冒口的壓力梯度是樹(shù)脂流動(dòng)速度和填充時(shí)間的重要影響因素，保證在樹(shù)脂注塑過(guò)程中真空度也是保持預(yù)制體厚度、增加纖維體積分?jǐn)?shù)和提高成型質(zhì)量的關(guān)鍵［10-11］。按照成型工裝—樹(shù)脂收集器—真空系統(tǒng)順序，將所有除注膠口外樹(shù)脂管連接真空系統(tǒng)，打開(kāi)夾子直到真空度穩(wěn)定在≥0.08 MPa，夾緊模具與真空系統(tǒng)連通的樹(shù)脂管，確保10 min后真空數(shù)值無(wú)變化，再次連通上述真空系統(tǒng)。

注膠時(shí)通過(guò)控制出膠口開(kāi)關(guān)順序可使冒口關(guān)閉的相應(yīng)區(qū)域樹(shù)脂流動(dòng)減緩，從而調(diào)整各特征區(qū)域樹(shù)脂流動(dòng)情況，最終使蒙皮和筋條流動(dòng)前鋒推進(jìn)基本保持一條直線(xiàn)。在實(shí)際樹(shù)脂填充過(guò)程中，當(dāng)蒙皮流動(dòng)前峰距離蒙皮邊緣還有10 mm 時(shí)，打開(kāi)所有冒口。待所有冒口都有樹(shù)脂溢出5 min 后，用夾子夾緊除注口處所有冒口，繼續(xù)充模5 min 后，用夾子夾緊注口。注膠過(guò)程中樹(shù)脂流動(dòng)前鋒如圖10所示。

圖10 樹(shù)脂流動(dòng)前鋒Fig.10 Diagram of resin flow front

按照文件要求的固化參數(shù)將零件進(jìn)行固化，脫模修整，經(jīng)尺寸及無(wú)損檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。產(chǎn)品如圖11所示。

圖11 產(chǎn)品實(shí)物圖Fig.11 Product physical drawing

2 結(jié)果分析

產(chǎn)品外形、軸線(xiàn)度、厚度、尺寸、內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)檢測(cè)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

為驗(yàn)證零件力學(xué)性能及內(nèi)部質(zhì)量，對(duì)產(chǎn)品隨爐試件按照ASTMD 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲以及剪切力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。對(duì)產(chǎn)品余量區(qū)試樣進(jìn)行電鏡掃描，測(cè)定孔隙率為1.71%，電鏡掃描照片如圖12所示。

采用硫酸消化法，對(duì)產(chǎn)品纖維體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試結(jié)果顯示產(chǎn)品的纖維體積分?jǐn)?shù)為56.3%。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)U3160單向織物的壓縮性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析，確定了既符合低成本制造原則又可獲取較高預(yù)制體纖維體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)的工藝參數(shù)和壓實(shí)方法。定型工藝參數(shù)選擇定型劑濃度為4%、溫度為120 ℃、壓力為0.1 MPa、保壓時(shí)間為60 min，同時(shí)每鋪3～5層抽真空壓實(shí)一次，壓實(shí)真空值至少0.08 MPa，時(shí)間至少15 min，可獲得較高纖維體積分?jǐn)?shù)預(yù)制體。

（2）對(duì)高密肋壁板這種多特征區(qū)域的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析并根據(jù)分區(qū)注膠的思想進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出采用線(xiàn)注射-線(xiàn)冒口+筋條點(diǎn)冒口注膠方案為最佳注膠方案，同時(shí)在樹(shù)脂填充過(guò)程中，通過(guò)控制出膠口開(kāi)關(guān)順序，能夠調(diào)整各特征區(qū)域樹(shù)脂流動(dòng)情況。驗(yàn)證了對(duì)于較大尺寸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件VARI工藝分區(qū)注膠的有效性。