閉口型雙曲率復合材料工字梁制造技術研究

西安飛機工業（集團）有限責任公司，陜西 西安 710089

復合材料由于比強度高，材料的可設計性使其在飛機上的應用越來越廣泛，應用部段包括外翼翼盒、艙門、進氣道、運動翼面等，且呈現出整體化、大型化、精確化、復雜化的特點。由于復合材料壓縮強度比拉伸強度低，因此在飛機結構設計上經常采用上下非對稱的工字梁。文章以某閉口型雙曲率復合材料工字梁為例，論述其成型過程中的制造難點、加工流程及制造關鍵技術。

1 某閉口型雙曲率復合材料工字梁結構形式

閉口型雙曲率復合材料工字梁，長度約8.0m，寬度約1.2m，緣條高度約0.1m，厚度約4.5mm，如圖1所示。復合材料工字梁一側緣條面與腹板面之間夾角約60°，長度方向為雙曲面，呈現為閉口雙曲率結構。復合材料工字梁選用材料為高溫固化環氧碳纖維織物和高溫固化環氧碳纖維單向帶。

圖1 閉口型雙曲率復合材料工字梁

2 復合材料工字梁制造難點及加工流程

2.1 復合材料工字梁閉口緣條脫模方法

該復合材料工字梁一側緣條面與腹板面之間呈銳角。復合材料制件在成型模具上完成固化后，需要有一定的開敞空間，確保其能夠輕松從模具上脫下。然而該復合材料工字梁設計銳角的一側緣條，顯然不具備輕松脫模的可行性，而且該側緣條借助芯模固化后，將無法從整體芯模上脫模。通過分析，提出將芯模設計為分塊結構，使用時組合成為整體結構，在完成零件固化處于脫模時，將分塊芯模一塊塊取下，從而達到復合材料工字梁開口緣條脫模的目的。由于該復合材料工字梁腹板寬度約為1.2m，為保證復合材料工資里閉口緣條一側芯模整體穩定性，不宜在長度方向設計過多分塊，因此選擇寬度方向分塊為主，長度方向盡量減少分塊。分塊芯模組合后，設計不影響鋪貼操作的鎖緊裝置，該鎖緊裝置在完成上下芯模組合后，可快速拆卸。選擇合理位置設計定位銷或其他定位裝置，用于上芯模和下芯模之間的準確定位及組合。

2.2 復合材料工字梁緣條面厚度控制

復合材料工字梁緣條面與腹板面之間呈非規則T型結構，在完成上芯模和下芯模鋪貼后，進行上芯模和下芯模組合時出現三角填充區。通常情況下，將裁減好的單向帶進行填充，由于該處的碳纖維單向帶未固化，處于一定的疏松狀態，在完成整體復合材料工字梁鋪貼后，零件緣條面外表面、三角填充區的上方有一定的突起，若不采取措施進行壓實，則會導致固化后該處保留突起狀態，緣條面不平整，該處厚度偏厚超差。為解決復合材料工字梁緣條面厚度超差問題，需要在緣條面的靠袋面一側放置具有一定剛性的勻壓板，將充分壓實緣條面，使得緣條面固化后無空隙密集、分層缺陷，且厚度合規。由于該復合材料工字梁兩件緣條面為曲面，傳統的平面金屬勻壓板不能起到較好的控厚效果，因此需要制作一套專用壓力墊。

2.3 復合材料工字梁加工流程

復合材料工字梁加工流程如圖2所示。

圖2 復合材料工字梁加工流程

3 復合材料工字梁制造關鍵技術

（1）復合材料工字梁成型模具設計。根據復合材料工字梁制造方案規定，其成型模具設計為上下合模形式，上芯模分塊設計。在完成主體芯模設計后，為保證模具具備足夠的剛性，配套設計框架。最終，復合材料工字梁的成型模具設計為5個部分，即下框架、下芯模、上芯模、上框架和吊裝機構，其中上芯模用于固化成型復合材料工字梁閉口側緣條及腹板，下芯模用于固化復合材料工字梁開口側緣條及腹板。復合材料工字梁成型模具下芯模與下框架整體焊接，可以減少螺栓連接，整體具有非常好的剛性。由于上芯模分塊設計和脫模需要，上芯模與上框架之間采用螺栓連接，螺栓安裝位置要求不干涉鋪貼、制造和固化，同時具有開敞的拆卸空間。為降低復合材料工字梁固化過程中的翹曲變形，復合材料工字梁成型模具的材料選擇為殷鋼材料。

（2）復合材料工字梁壓力墊成型模具設計。復合材料工字梁，兩側緣條面為雙曲構型，無法采用傳統的金屬勻壓板實施控厚，因此需要設計專用的壓力成型模具，用于固化具有一定剛性的壓力墊，壓力墊成型模具的工作表面為復合材料工字梁緣條面外表面。對于復合材料工字梁壓力墊成型模具，在考慮制造成本和模具剛性的條件下，材料選擇為鋼質材料。為保證制作的壓力大外形符合使用需求，對復合材料工字梁壓力墊成型模具的工作表面進行縮比設計。

（3）復合材料工字梁鋪貼實施過程。由于復合材料工字梁幅寬超寬，且緣條面呈雙曲變化，鋪貼過程中需要根據鋪貼經驗不斷調整邊緣對縫處，確保0°、+45°、-45°、+90°拼接處符合鋪貼規范要求。復合材料工字梁的鋪貼，分為A、B、C、D四個部分，首先在下模和上模分別鋪貼C部分和D部分，鋪貼過程中嚴格執行鋪貼操作和真空壓實，根據需要可進C部分和D部分預壓實。待D部分和C部分鋪貼完成后，使用吊裝設備進行C部分的吊裝和翻轉，同樣使用吊裝設備進行C部分和D部分組合。組合完成后，進行三角區加捻，最后鋪貼A部分和B部分。復合材料工字梁鋪貼示意圖如圖3所示。

圖3 復合材料工字梁鋪貼示意圖

（4）復合材料工字梁緣條面厚度控制。復合材料工字梁在完成鋪貼后，由于三角加捻區進行填充后有一定的突起，使用專用復合材料壓力墊進行壓實及控厚。復合材料壓力墊放置過程中，通過預先設計的定位孔，可保證放置位置準確。

（5）復合材料工字梁脫模。復合材料工字梁成型模具上芯模為分塊設計，芯模寬度方向兩側邊被零件包絡，在脫模時，必須從中間部位的芯模開始啟模，待中間部位的芯模取出后，方可進行兩側芯模的啟模。實際脫模過程中，借用吊車將中間部位芯模垂直吊起取下，然后將兩側芯模向內偏移后吊出。

（6）復合材料工字梁外形銑切。復合材料工字梁外形銑切，在未使用真空銑具輔助銑切的情況下，使用五坐標柔性銑床進行操作。具體利用五坐標柔性銑床的吸盤吸附工字梁腹板面，兩端余量區銷釘定位完成外形銑切和腹板面制孔等操作。復合材料工字梁外形銑切如圖4所示。

圖4 復合材料工字梁外形銑切

4 結束語

在新一代飛機研制過程中，復合材料梁類零件逐步替代了金屬材料梁類零件，其結構在C型的基礎上演變為J型或工型，導致成型工藝變得更加復雜。文章開展的技術研究，成功研制了滿足工程需求的閉口型雙曲率復合材料工字梁，突破了閉口型、雙曲率復合材料工字梁模具設計技術，為后續研制復雜結構復合材料工字梁提供了技術支持。