高腹板密肋式J型加筋壁板膠接工藝優化與技術創新

劉訓新,成艷娜,李春媛,劉明澤,張 圣

(中航西安飛機工業集團股份有限公司,陜西 西安 710089)

與傳統金屬材料相比,先進樹脂基復合材料具有高強度、高模量、抗疲勞、可設計性好及整體成型性好等系列優點[1]。隨著復合材料在飛機結構的用量比例逐漸增大,其零件結構形式的復雜程度也在不斷增加[2]。為了進一步發揮復合材料整體成型的優點[3],避免使用緊固件增重、減少機械連接所引起的結構損傷、縮短整體結構的裝配周期[4],對于飛機壁板零件采用高耐久性、高溫固化的環氧結構膠膜將多根復材J型肋與復材蒙皮粘接成整體的密肋式加筋壁板組件,成為一體式零件結構可以發揮復合材料整體成形的優勢,同時大大降低整體結構裝配周期。依據壁板膠接組合時J型肋與蒙皮固化狀態差異,將加筋壁板的成型工藝方法分為3類,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構復雜二次膠接成型成本高,考慮高腹板J型肋的結構特點及用途,采用共膠接工藝既可增加加筋壁板的強度裕度,又將蒙皮設計成變厚度結構,有效的減少了飛機重量,同時在某些區域設計插層鋪層,兼顧滿足了承力部位的強度要求,達到了“避重且強”的目的。共膠接工藝中濕肋干蒙皮共膠接成型工藝需要實現J型肋的無余量固化成型,同時J型肋與蒙皮定位度高,膠接區域的內部無損控制等方面均對膠接成型模具的設計合理性、制造精確性有較高要求,且該類型膠接組合模具在使用時的配合精度要求高,因此設計及工藝人員更青睞于干肋濕蒙皮的共膠接成型工藝。

通過分析高腹板密肋式J型加筋壁板零件的成型特點和制造技術難點,在零件研制過程中,以軸線度控制與缺陷抑制為關注重點,針對熱壓罐成型[11]過程中涉及的高腹板J型肋的高質量成型、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行了全方位的研究探索,并進行了全尺寸試驗件制造,將J型加筋壁板的成型工藝、工裝方案與質量控制方案進行了充分驗證[1],旨在為高腹板密肋式J型加筋壁板的高質量批次生產制造奠定工程化應用基礎。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

J型加筋壁板零件為單排密肋式結構,如圖1所示。其由變厚度蒙皮層壓件及8根J型加強肋膠接而成,壁板蒙皮尺寸長約3 700 mm,寬約710 mm,變厚度范圍為2.64～3.52 mm。加強肋為碳纖維織物層壓結構,J型肋外形尺寸約為540 mm(長度)×250 mm(腹板高度) ×50 mm(緣條寬度),厚度為2.64 mm,J型肋腹板與緣條過渡圓角內R為3 mm,具體如圖2所示。壁板蒙皮與肋本體材料均為T800級高強中模碳纖維織物高韌性高溫固化環氧預浸料AC531/CF8611,J型肋三角區加捻材料為T800級高強中模碳纖維高韌性高溫固化環氧單向帶預浸料AC531/CCF800H,J型加強肋與蒙皮之間通過高耐久性高溫固化環氧結構膠膜J-375粘接組合。

圖1 高腹板密肋式J型加筋壁板結構圖

圖2 高腹板J型肋結構圖

1.2 技術指標

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

(2)質量公差:按±8%控制;

(3)外形尺寸公差:按HB7741執行;

(4)復材肋軸線偏差:軸線偏差為±1 mm;

(5)型面公差:零件成形后按成形模、檢驗卡板或其它檢驗設備檢查貼模間隙,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0.2 mm/1 000 mm;

(6)外觀質量:零件表面應光潔,纖維絲束清晰可見,表面纖維被樹脂均勻覆蓋,不允許有目視明顯可見的富樹脂區和貧樹脂區。

2 實驗方法

2.1 高腹板J型肋成型工藝優化

高腹板J型肋為帶翻邊的“J”型結構,采用數控下料、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行鋪貼,左右組合模對合后,在三角區加捻,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化

高腹板密肋式J型加筋壁板采用濕態蒙皮與干態J型肋共膠接的成型工藝方法,J型肋通過袋內定位卡板進行定位,零件外形采用數控銑切,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 結果與分析

3.1 高腹板J型肋的高質量成型

J型肋制造是J型加筋壁板制造流程中的一個重要環節。J型肋一般由4部分組成,上、下瓣緣條及中間R區的填充物和底緣。J型肋的制造包括肋緣條各部分的鋪貼以及組合2個工藝過程,高腹板J型肋的成型工裝結構圖如圖5所示,該結構為上、下合模的結構形式,且為了鋪貼操作方便,在上、下芯模內部采用了減重設計,將其設計為空腔式結構,既滿足鋪貼需求,同時滿足了操作人員鋪貼時的便利性。在單獨上、下芯模鋪貼完成后,進行合模操作時,在J型肋中部孔及腹板邊緣余量處設計導引孔,便于合模時上下芯模的精確定位。同時中部設計圓孔,腹板余量區設計長圓孔,在熱壓罐中固化時,在保證芯模定位精度的前提下,釋放沿制件長度方向高溫下復材制件與工裝熱膨脹系數不一致引起的應力,保證制件均勻受壓,避免腹板面因上下芯模配合狀態不佳引起的貧膠、密集孔隙及厚度超差等內部缺陷。

圖5 J型肋成型工裝結構圖

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,翻邊R區因狹小區域無法受壓,極易產生纖維褶皺,固化后高腹板J型肋在R區存在“硬褶”。為了解決上述問題采用在R區狹小區域采取間接傳壓的方法,改善R區的成型質量,避免纖維皺褶的產生。借鑒復材制件變曲率型面上使用復材壓力墊的經驗,在合模操作完成后,在R區內部放置2層使用無孔隔離膜包裹的GS213密封膠條。充當間接傳壓的介質。同時在翻邊外部覆蓋2層AIRpad硅橡膠充當復材壓力墊的作用。AIRpad延伸率為400%,拉伸強度約9 000 kPa,單層厚度1.58 mm,其良好的彈性,能夠自適應翻邊型面的變化[7]。

圖6 高腹板J型肋鋪貼圖

從工裝結構細節優化及間接傳壓工藝措施的雙重作用下,能夠滿足高腹板J型肋的高質量成型。

3.2 高腹板J型肋的軸線度控制

區別于T型加筋壁板的使用場景需求,在部組件裝配時,高腹板密肋式J型加筋壁板的要求更為嚴苛,作為一體式復材結構,J型加筋壁板在裝配時肋本體既要滿足整體定位的要求,又要滿足在J型肋翻邊制孔機械連接時的孔邊距要求。嚴苛的使用環境要求J型肋的軸線度須控制在±1 mm的范圍內,且J型肋獨特的外形結構,使得膠接時定位裝置與T型加筋壁板膠接時T型長桁的定位裝置完全不同,T型長桁膠接定位卡板如圖7所示。高腹板J型肋因其“高”及“翻邊結構”的特殊外形無法使用T型長桁的定位卡板,該類型的定位卡板無法滿足J型肋的穩定性限位及定位的要求。

圖7 T型長桁膠接定位卡板結構圖

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行高腹板密肋式J型加筋壁板達到組件膠接時J型肋的限位、定位及軸線控制的目的。J型肋側支撐式定位卡板如圖8所示。

圖8 J型肋膠接定位卡板結構圖

類三角形外形設計滿足高腹板的支撐需要,同時內側放置圓盤式壓緊裝置與外側卡板在定位時進行緊固連接,避免了高腹板J型肋在熱壓罐高溫高壓下側傾的風險,具有良好的限位固持效果。同時在內側設置長方條狀定位裝置,保證了J型肋沿肋位的位置度要求。在定位卡板上設計可拆卸式鉆套,在組件固化結構后,未脫模狀態下進行定位孔鉆制,極大的提高了裝配定位孔的孔位精度。同時卡板進行減輕孔設計方便裝配操作,定位卡板兩側選用“1+2”定位銷的定位方式與工裝進行連接,良好的防差錯措施避免了卡板的錯誤使用。制袋時將卡板進行包裹在袋內,消除真空袋及其他輔助材料厚度引入的定位誤差。

J型肋在膠接成型時使用的獨特定位卡板,從圓盤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,軸線度測試結果如表1所示。

表1 高腹板J型肋軸線度檢測表

3.3 共膠接成型缺陷抑制技術創新

加筋壁板不同的膠接方式導致成型時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重于控制濕態蒙皮在膠接固化前的鋪貼、壓實狀態及固化后的外觀質量、厚度狀態。濕態蒙皮在鋪貼時使用激光投影儀設備進行鋪層定位,能有效控制鋪貼時纖維角度的偏差要求。同時在鋪貼后,進行蒙皮預制體預壓實處理,保證濕態蒙皮在組件膠接前的層間致密性。預壓實參數如下:全過程抽真空,真空壓力不低于0.08 MPa,預壓實溫度小于等于65 ℃,加壓到(0.65±0.035)MPa,保壓時間不低于20 min。

濕態蒙皮在完成熱壓實處理后,使用定位卡板進行J型肋軸線度控制與定位,最后與高腹板J型肋進行2次膠接成型。蒙皮非膠接區域的壓力傳遞在膠接成型中是尤為關鍵的環節,壓力傳遞不合適,會導致零件層壓區產生孔隙、貧膠、纖維皺褶等缺陷。J型加筋壁板的膠接區域狀態相對復雜,在制袋時J型肋底緣區域極易架橋,若不采用工藝輔助措施,J型壁板在膠接后整體內部質量較差。通過試驗發現,選用Airpad+碳布交叉鋪放的形式的復材壓力墊,可維持蒙皮非膠接部位的表面質量。復材壓力墊鋪層的設計與J型肋底緣厚度關聯。研究對象J型肋底緣厚度為2.67 mm。根據厚度匹配原則,確定壓力墊鋪層為Airpad+碳布+Airpad3層結構式壓力墊[7-8]。壓力墊的外形結構形式如圖9所示。

圖9 復材壓力墊外形結構形式

壓力墊優良的回彈效果及材料本身的延展性可隨著蒙皮變厚度區域型面變化產生較好的賦型效果。同時壓力墊使用定位孔的形式與蒙皮、工裝串聯發生定位關系,避免壓力墊在熱壓罐中發生滑移。復材壓力墊J型肋粘接區域在進行數控切割時其外形比J型肋外形大2 mm,避免壓力墊時與J型肋底緣面干涉。另將壓力墊在一側進行斷開,避免在熱壓罐中高溫下,因壓力墊膨脹導致蒙皮纖維屈曲。

4 結語

研究從高腹板J型肋的高質量成型、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難點。同時充分驗證了J型肋R翻邊質量優化成型、袋內卡板控制軸線、軟-硬復合式壓力墊使用等輔助工藝方法,從而實現了J型加筋壁板良好的成型效果。軸線偏差、外形公差及產品質量均滿足工程化的要求。通過本項目的實施,建立了J型肋高質量成型的工藝方法,開發了一種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,同時為其他軍民機型號同類型加筋壁板的成型工藝提供了豐富的制造經驗。