高腹板密肋式J型加筋壁板膠接工藝優(yōu)化與技術(shù)創(chuàng)新

劉訓(xùn)新,成艷娜,李春媛,劉明澤,張 圣

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

與傳統(tǒng)金屬材料相比,先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、抗疲勞、可設(shè)計(jì)性好及整體成型性好等系列優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的用量比例逐漸增大,其零件結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜程度也在不斷增加[2]。為了進(jìn)一步發(fā)揮復(fù)合材料整體成型的優(yōu)點(diǎn)[3],避免使用緊固件增重、減少機(jī)械連接所引起的結(jié)構(gòu)損傷、縮短整體結(jié)構(gòu)的裝配周期[4],對(duì)于飛機(jī)壁板零件采用高耐久性、高溫固化的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠膜將多根復(fù)材J型肋與復(fù)材蒙皮粘接成整體的密肋式加筋壁板組件,成為一體式零件結(jié)構(gòu)可以發(fā)揮復(fù)合材料整體成形的優(yōu)勢(shì),同時(shí)大大降低整體結(jié)構(gòu)裝配周期。依據(jù)壁板膠接組合時(shí)J型肋與蒙皮固化狀態(tài)差異,將加筋壁板的成型工藝方法分為3類(lèi),即共固化成型[5](J型肋和蒙皮均未固化)、共膠接成型[6-8](J型肋或蒙皮已固化)、二次膠接成型[9](J型肋和蒙皮均已固化)[4]。上述工藝中共固化成型所使用工裝的結(jié)構(gòu)復(fù)雜二次膠接成型成本高,考慮高腹板J型肋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及用途,采用共膠接工藝既可增加加筋壁板的強(qiáng)度裕度,又將蒙皮設(shè)計(jì)成變厚度結(jié)構(gòu),有效的減少了飛機(jī)重量,同時(shí)在某些區(qū)域設(shè)計(jì)插層鋪層,兼顧滿足了承力部位的強(qiáng)度要求,達(dá)到了“避重且強(qiáng)”的目的。共膠接工藝中濕肋干蒙皮共膠接成型工藝需要實(shí)現(xiàn)J型肋的無(wú)余量固化成型,同時(shí)J型肋與蒙皮定位度高,膠接區(qū)域的內(nèi)部無(wú)損控制等方面均對(duì)膠接成型模具的設(shè)計(jì)合理性、制造精確性有較高要求,且該類(lèi)型膠接組合模具在使用時(shí)的配合精度要求高,因此設(shè)計(jì)及工藝人員更青睞于干肋濕蒙皮的共膠接成型工藝。

通過(guò)分析高腹板密肋式J型加筋壁板零件的成型特點(diǎn)和制造技術(shù)難點(diǎn),在零件研制過(guò)程中,以軸線度控制與缺陷抑制為關(guān)注重點(diǎn),針對(duì)熱壓罐成型[11]過(guò)程中涉及的高腹板J型肋的高質(zhì)量成型、高腹板J型肋的軸線度控制及壁板共膠接成型缺陷抑制等方面進(jìn)行了全方位的研究探索,并進(jìn)行了全尺寸試驗(yàn)件制造,將J型加筋壁板的成型工藝、工裝方案與質(zhì)量控制方案進(jìn)行了充分驗(yàn)證[1],旨在為高腹板密肋式J型加筋壁板的高質(zhì)量批次生產(chǎn)制造奠定工程化應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

J型加筋壁板零件為單排密肋式結(jié)構(gòu),如圖1所示。其由變厚度蒙皮層壓件及8根J型加強(qiáng)肋膠接而成,壁板蒙皮尺寸長(zhǎng)約3 700 mm,寬約710 mm,變厚度范圍為2.64～3.52 mm。加強(qiáng)肋為碳纖維織物層壓結(jié)構(gòu),J型肋外形尺寸約為540 mm(長(zhǎng)度)×250 mm(腹板高度) ×50 mm(緣條寬度),厚度為2.64 mm,J型肋腹板與緣條過(guò)渡圓角內(nèi)R為3 mm,具體如圖2所示。壁板蒙皮與肋本體材料均為T(mén)800級(jí)高強(qiáng)中模碳纖維織物高韌性高溫固化環(huán)氧預(yù)浸料AC531/CF8611,J型肋三角區(qū)加捻材料為T(mén)800級(jí)高強(qiáng)中模碳纖維高韌性高溫固化環(huán)氧單向帶預(yù)浸料AC531/CCF800H,J型加強(qiáng)肋與蒙皮之間通過(guò)高耐久性高溫固化環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠膜J-375粘接組合。

圖1 高腹板密肋式J型加筋壁板結(jié)構(gòu)圖

圖2 高腹板J型肋結(jié)構(gòu)圖

1.2 技術(shù)指標(biāo)

(1)零件厚度公差:零件層壓板名義厚度1 mm<δ<4 mm時(shí),厚度公差按零件層壓板名義厚度±8%;

(2)質(zhì)量公差:按±8%控制;

(3)外形尺寸公差:按HB7741執(zhí)行;

(4)復(fù)材肋軸線偏差:軸線偏差為±1 mm;

(5)型面公差:零件成形后按成形模、檢驗(yàn)卡板或其它檢驗(yàn)設(shè)備檢查貼模間隙,可在300 mm的距離上施加50 N的力,允許壁板蒙皮翹曲不超過(guò)0.2 mm/1 000 mm;

(6)外觀質(zhì)量:零件表面應(yīng)光潔,纖維絲束清晰可見(jiàn),表面纖維被樹(shù)脂均勻覆蓋,不允許有目視明顯可見(jiàn)的富樹(shù)脂區(qū)和貧樹(shù)脂區(qū)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 高腹板J型肋成型工藝優(yōu)化

高腹板J型肋為帶翻邊的“J”型結(jié)構(gòu),采用數(shù)控下料、手工鋪貼的熱壓罐共固化成型工藝,零件外形采用手工銑切的方法。鋪貼鋪貼共分為4部分,先使用左右組合模分別進(jìn)行鋪貼,左右組合模對(duì)合后,在三角區(qū)加捻,再將右半模緣條面翻至左半模緣條面,具體工藝流程圖如圖3所示。

圖3 高腹板J型肋制造流程圖

2.2 J型加筋壁板成型工藝優(yōu)化

高腹板密肋式J型加筋壁板采用濕態(tài)蒙皮與干態(tài)J型肋共膠接的成型工藝方法,J型肋通過(guò)袋內(nèi)定位卡板進(jìn)行定位,零件外形采用數(shù)控銑切,具體工藝流程圖如圖4所示。

圖4 高腹板密肋式J型加筋壁板制造流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 高腹板J型肋的高質(zhì)量成型

J型肋制造是J型加筋壁板制造流程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。J型肋一般由4部分組成,上、下瓣緣條及中間R區(qū)的填充物和底緣。J型肋的制造包括肋緣條各部分的鋪貼以及組合2個(gè)工藝過(guò)程,高腹板J型肋的成型工裝結(jié)構(gòu)圖如圖5所示,該結(jié)構(gòu)為上、下合模的結(jié)構(gòu)形式,且為了鋪貼操作方便,在上、下芯模內(nèi)部采用了減重設(shè)計(jì),將其設(shè)計(jì)為空腔式結(jié)構(gòu),既滿足鋪貼需求,同時(shí)滿足了操作人員鋪貼時(shí)的便利性。在單獨(dú)上、下芯模鋪貼完成后,進(jìn)行合模操作時(shí),在J型肋中部孔及腹板邊緣余量處設(shè)計(jì)導(dǎo)引孔,便于合模時(shí)上下芯模的精確定位。同時(shí)中部設(shè)計(jì)圓孔,腹板余量區(qū)設(shè)計(jì)長(zhǎng)圓孔,在熱壓罐中固化時(shí),在保證芯模定位精度的前提下,釋放沿制件長(zhǎng)度方向高溫下復(fù)材制件與工裝熱膨脹系數(shù)不一致引起的應(yīng)力,保證制件均勻受壓,避免腹板面因上下芯模配合狀態(tài)不佳引起的貧膠、密集孔隙及厚度超差等內(nèi)部缺陷。

圖5 J型肋成型工裝結(jié)構(gòu)圖

高腹板J型肋的鋪貼流程圖如圖6所示。J型肋翻邊位置處在高溫高壓下固化時(shí),翻邊R區(qū)因狹小區(qū)域無(wú)法受壓,極易產(chǎn)生纖維褶皺,固化后高腹板J型肋在R區(qū)存在“硬褶”。為了解決上述問(wèn)題采用在R區(qū)狹小區(qū)域采取間接傳壓的方法,改善R區(qū)的成型質(zhì)量,避免纖維皺褶的產(chǎn)生。借鑒復(fù)材制件變曲率型面上使用復(fù)材壓力墊的經(jīng)驗(yàn),在合模操作完成后,在R區(qū)內(nèi)部放置2層使用無(wú)孔隔離膜包裹的GS213密封膠條。充當(dāng)間接傳壓的介質(zhì)。同時(shí)在翻邊外部覆蓋2層AIRpad硅橡膠充當(dāng)復(fù)材壓力墊的作用。AIRpad延伸率為400%,拉伸強(qiáng)度約9 000 kPa,單層厚度1.58 mm,其良好的彈性,能夠自適應(yīng)翻邊型面的變化[7]。

圖6 高腹板J型肋鋪貼圖

從工裝結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)優(yōu)化及間接傳壓工藝措施的雙重作用下,能夠滿足高腹板J型肋的高質(zhì)量成型。

3.2 高腹板J型肋的軸線度控制

區(qū)別于T型加筋壁板的使用場(chǎng)景需求,在部組件裝配時(shí),高腹板密肋式J型加筋壁板的要求更為嚴(yán)苛,作為一體式復(fù)材結(jié)構(gòu),J型加筋壁板在裝配時(shí)肋本體既要滿足整體定位的要求,又要滿足在J型肋翻邊制孔機(jī)械連接時(shí)的孔邊距要求。嚴(yán)苛的使用環(huán)境要求J型肋的軸線度須控制在±1 mm的范圍內(nèi),且J型肋獨(dú)特的外形結(jié)構(gòu),使得膠接時(shí)定位裝置與T型加筋壁板膠接時(shí)T型長(zhǎng)桁的定位裝置完全不同,T型長(zhǎng)桁膠接定位卡板如圖7所示。高腹板J型肋因其“高”及“翻邊結(jié)構(gòu)”的特殊外形無(wú)法使用T型長(zhǎng)桁的定位卡板,該類(lèi)型的定位卡板無(wú)法滿足J型肋的穩(wěn)定性限位及定位的要求。

圖7 T型長(zhǎng)桁膠接定位卡板結(jié)構(gòu)圖

綜合考慮J型肋的外形特征及軸線度要求,采用支撐式定位卡板進(jìn)行高腹板密肋式J型加筋壁板達(dá)到組件膠接時(shí)J型肋的限位、定位及軸線控制的目的。J型肋側(cè)支撐式定位卡板如圖8所示。

圖8 J型肋膠接定位卡板結(jié)構(gòu)圖

類(lèi)三角形外形設(shè)計(jì)滿足高腹板的支撐需要,同時(shí)內(nèi)側(cè)放置圓盤(pán)式壓緊裝置與外側(cè)卡板在定位時(shí)進(jìn)行緊固連接,避免了高腹板J型肋在熱壓罐高溫高壓下側(cè)傾的風(fēng)險(xiǎn),具有良好的限位固持效果。同時(shí)在內(nèi)側(cè)設(shè)置長(zhǎng)方條狀定位裝置,保證了J型肋沿肋位的位置度要求。在定位卡板上設(shè)計(jì)可拆卸式鉆套,在組件固化結(jié)構(gòu)后,未脫模狀態(tài)下進(jìn)行定位孔鉆制,極大的提高了裝配定位孔的孔位精度。同時(shí)卡板進(jìn)行減輕孔設(shè)計(jì)方便裝配操作,定位卡板兩側(cè)選用“1+2”定位銷(xiāo)的定位方式與工裝進(jìn)行連接,良好的防差錯(cuò)措施避免了卡板的錯(cuò)誤使用。制袋時(shí)將卡板進(jìn)行包裹在袋內(nèi),消除真空袋及其他輔助材料厚度引入的定位誤差。

J型肋在膠接成型時(shí)使用的獨(dú)特定位卡板,從圓盤(pán)壓緊裝置到整體限位、定位裝置,從而保證了高腹板密肋式J型加筋壁板的軸線度要求,軸線度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 高腹板J型肋軸線度檢測(cè)表

3.3 共膠接成型缺陷抑制技術(shù)創(chuàng)新

加筋壁板不同的膠接方式導(dǎo)致成型時(shí)選用的工藝控制措施存在差異。干肋濕蒙皮共膠接的成型工藝方法側(cè)重于控制濕態(tài)蒙皮在膠接固化前的鋪貼、壓實(shí)狀態(tài)及固化后的外觀質(zhì)量、厚度狀態(tài)。濕態(tài)蒙皮在鋪貼時(shí)使用激光投影儀設(shè)備進(jìn)行鋪層定位,能有效控制鋪貼時(shí)纖維角度的偏差要求。同時(shí)在鋪貼后,進(jìn)行蒙皮預(yù)制體預(yù)壓實(shí)處理,保證濕態(tài)蒙皮在組件膠接前的層間致密性。預(yù)壓實(shí)參數(shù)如下:全過(guò)程抽真空,真空壓力不低于0.08 MPa,預(yù)壓實(shí)溫度小于等于65 ℃,加壓到(0.65±0.035)MPa,保壓時(shí)間不低于20 min。

濕態(tài)蒙皮在完成熱壓實(shí)處理后,使用定位卡板進(jìn)行J型肋軸線度控制與定位,最后與高腹板J型肋進(jìn)行2次膠接成型。蒙皮非膠接區(qū)域的壓力傳遞在膠接成型中是尤為關(guān)鍵的環(huán)節(jié),壓力傳遞不合適,會(huì)導(dǎo)致零件層壓區(qū)產(chǎn)生孔隙、貧膠、纖維皺褶等缺陷。J型加筋壁板的膠接區(qū)域狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜,在制袋時(shí)J型肋底緣區(qū)域極易架橋,若不采用工藝輔助措施,J型壁板在膠接后整體內(nèi)部質(zhì)量較差。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),選用Airpad+碳布交叉鋪放的形式的復(fù)材壓力墊,可維持蒙皮非膠接部位的表面質(zhì)量。復(fù)材壓力墊鋪層的設(shè)計(jì)與J型肋底緣厚度關(guān)聯(lián)。研究對(duì)象J型肋底緣厚度為2.67 mm。根據(jù)厚度匹配原則,確定壓力墊鋪層為Airpad+碳布+Airpad3層結(jié)構(gòu)式壓力墊[7-8]。壓力墊的外形結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。

圖9 復(fù)材壓力墊外形結(jié)構(gòu)形式

壓力墊優(yōu)良的回彈效果及材料本身的延展性可隨著蒙皮變厚度區(qū)域型面變化產(chǎn)生較好的賦型效果。同時(shí)壓力墊使用定位孔的形式與蒙皮、工裝串聯(lián)發(fā)生定位關(guān)系,避免壓力墊在熱壓罐中發(fā)生滑移。復(fù)材壓力墊J型肋粘接區(qū)域在進(jìn)行數(shù)控切割時(shí)其外形比J型肋外形大2 mm,避免壓力墊時(shí)與J型肋底緣面干涉。另將壓力墊在一側(cè)進(jìn)行斷開(kāi),避免在熱壓罐中高溫下,因壓力墊膨脹導(dǎo)致蒙皮纖維屈曲。

4 結(jié)語(yǔ)

研究從高腹板J型肋的高質(zhì)量成型、J型肋的軸線度控制、J型肋加筋壁板共膠接成型缺陷抑制等3個(gè)方面,論述了高腹板密肋式J型加筋壁板共膠接工藝成型的技術(shù)難點(diǎn)。同時(shí)充分驗(yàn)證了J型肋R翻邊質(zhì)量?jī)?yōu)化成型、袋內(nèi)卡板控制軸線、軟-硬復(fù)合式壓力墊使用等輔助工藝方法,從而實(shí)現(xiàn)了J型加筋壁板良好的成型效果。軸線偏差、外形公差及產(chǎn)品質(zhì)量均滿足工程化的要求。通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施,建立了J型肋高質(zhì)量成型的工藝方法,開(kāi)發(fā)了一種J型肋軸線度精確控制的定位手段,固化了J型加筋壁板的缺陷抑制方案,同時(shí)為其他軍民機(jī)型號(hào)同類(lèi)型加筋壁板的成型工藝提供了豐富的制造經(jīng)驗(yàn)。