T型桁条成型工艺过程探究及其质量控制措施

许丽丽，殷永霞，王晓芸

（北京空间机电研究所，北京 100076）

T型桁条成型工艺过程探究及其质量控制措施

许丽丽，殷永霞，王晓芸

（北京空间机电研究所，北京 100076）

简介了T型桁条的成型工艺方案以及成型模具的设计要求，针对T型桁条在成型过程中存在扭曲变形问题的原因进行了分析探究。进而在桁条制备工艺过程中采取预浸料质量控制、预浸料铺叠质量控制、三角区域质量控制以及固化参数的控制等相应质量控制措施，提高了产品的合格率。

复合材料；T型桁条；成型工艺；探讨；质量控制

0 引言

XX-7承力筒是卫星结构的关键部件，是整星结构组装的核心。该承力筒与仪器安装板连接作为卫星主结构，一方面为推进系统贮箱等的安装提供空间和接口，另一方面又能为卫星与运载火箭的连接与分离以及地面支持设备提供接口，同时还可以为卫星结构提供诸如设计、制造、装配、精度测量等的基准以及试验和运输的支撑[1]。筒体在柱段部分和锥段部分的圆周方向分别均匀布置了4 根不对称T型桁条（柱段桁条、椎段桁条），以实现承力筒与结构板的连接，因此桁条与结构板连接面的垂直度要求比较高。

T型不对称桁条为碳/环氧复合材料，其以T700S-12K高强碳纤维为增强材料，环氧648/ BF3˙MEA树脂作为基体材料。作为复合材料组分之一的碳纤维增强体，其功能主要是赋予复合材料的高强度等力学性能。基体材料的主要作用，一方面是将增强纤维粘接成一个整体，另一方面是在纤维之间传递载荷，并使载荷均匀，同时还可以起到保护纤维，防止纤维受损的作用。成型后的碳/环氧复合材料既保持了碳纤维和树脂的某些优良特性，又发挥了其复合后比强度和比模量高、耐高温、密度低等的新特性。

复合材料的成型工艺技术主要分为两个阶段：一是在一定的温度和压力下，原材料产生变形或流动，进而取得制品所需要的形状；二是设法保持其形状，从而保证产品的外形及尺寸精度。主要有缠绕、手糊、热压罐、模压、树脂传递模塑（RTM）等成型工艺方法[2]。其中模压工艺方法是采用溶剂浸渍法将碳纤维及其织物制备成预浸料，按一定的角度将预浸料铺叠后放入金属模具的模腔内，在热压机的作用下产生一定的温度和压力，模具合模后预浸料在模腔内受热软化、受压流动和充满模具的空腔内成型和固化，从而获得碳/环氧复合材料产品的一种工艺方法[3]。模压成型过程中的压力可调节范围较大且可观察性良好，并且使产品的内部质量易于保证，外部尺寸精度较高，因而模压成型工艺在型面比较复杂的复合材料结构件制造方面具有较广泛的应用。

1 T型桁条的结构特点及技术指标

1.1 T型桁条的结构特点

桁条为T型不对称结构，其中柱段桁条长度为681 mm，锥段桁条长度为486 mm，桁条厚度为1.8 mm。其结构形式如图1所示。

1.2 T型桁条的技术指标

桁条直线度和平面度≤0.6 mm，桁条与承力筒组装后垂直度要求≤0.3 mm。

2 T型桁条的成型工艺方案

2.1 成型工艺方法

结合T型桁条的结构特点以及复合材料不同成型工艺方法的优缺点，T型桁条采用手糊-模压成型法。由于复合材料强度具有可控制性，T型桁条采用了复合材料力学耦合设计，采用0°、+45°、-45°及90°铺层组合的形式，从而使其结构满足多角度应力的需求。

2.2 成型模具设计要求

T型桁条成型模具的设计是结合了设计图纸的要求和成型工艺方案，在模具设计过程中考虑的主要内容如下：

① 成型模具的刚度与成型出的零件外型精度有密切关系。针对桁条细长的特点，工装模具的厚度要适宜，既要保证成型出的T型桁条其直线度和型面精度满足设计指标要求，又不能因为模具刚度过大而使固化过程中的压力传递受到影响。

② 成型模具要充分考虑模具的热膨胀系数。须兼顾组合模具之间的配位间隙以及脱模方式，要求产品制备过程中操作简单，固化成型后脱模方便。

③ 根据桁条的设计尺寸精度要求，进而确定成型模具的加工精度。

T型桁条成型模长度为693 mm，每批次可制备2 根桁条，固化成型后根据产品尺寸要求进行切割。其结构形式如图2所示。

图1 T型桁条结构示意图

3 T型桁条成型工艺探究与质量控制

3.1 工艺探究

T型桁条成型后很容易扭曲变形，为满足实际使用要求，往往是多批次制备，从中挑选合格制件，在一定程度上造成了人力和物力的损耗。分析其潜在的原因如下：

① 桁条为非对称T型结构，产品结构本身存在一定的变形隐患因素。

图2 T型桁条成型模

② T型桁条的设计铺层顺序为[+45/-45/90/0/0/90/-45/+45]T，根据模具的结构形式，需要在上模块、下模块和侧压块上分别进行铺层，然后进行模具组装和固化成型。为保证纤维的连续性从而保证制件的力学性能，需要在上模块和下模块上分别进行连续铺层，而模具组装后无法保证预浸料铺层纤维角度的完全对称。如果上下模块与侧压块接触的一面纤维方向一致，则上下模块组合部分纤维角度非对称；如果上下模块组合部分纤维角度对称 ，则上下模块与侧压块接触的一面纤维角度成麦穗状。另外，上下模块组装后会存在一个三角区，处于缺料状态，其所处的根部位置对制件的变形也会产生一定的影响。

③ 预进料铺叠采用手工操作，手糊工艺具有一定的灵活性会导致工艺过程的可控制性相对较差，预浸料铺叠过程中纤维角度容易发生偏转。

④ 铺叠好的预浸料坯料在弯曲部位纤维容易产生褶皱，在模压过程中如果角度层挤出纤维，角度就会不对称，会使桁条发生扭曲变形，从而影响桁条的直线度。

⑤ T型桁条采用碳纤维/环氧复合材料，其制造方法为高温固化，材料成型后经历高温降至室温，其内部各组分间的热物理特性不匹配，在温度变化过程中会在材料内部形成一定的残余应力。残余应力随时间推移不断释放，在一定程度上导致制件的变形超差[4]。

⑥ 固化度偏低，固化成型各区域温度不均。

3.2 质量控制

针对T型桁条变形问题，为保证产品质量，在T型桁条制备过程中采取了一系列的措施进行有效的质量控制，提高制件成品的合格率。

3.2.1 预浸料质量控制

严格控制将严重影响预浸料性能的重要技术指标诸如树脂质量分数、挥发份质量分数等。模压成型过程中，预浸料的流动性与挥发物质量分数密切相关。挥发物质量分数过高会促使预浸料流动性过大而引起树脂基体的流失，导致制品内部形成空隙等现象，但如果挥发物质量分数过低又会导致预浸料流动性降低，给复合材料制品成型造成一定的困难。除此预浸料须经复验合格后方能利用样板进行裁剪，须严格控制裁剪角度以符合制件结构的要求。

3.2.2 预浸料铺叠质量控制

预浸料铺覆质量将直接影响到产品的最终质量和性能，对上下模块以及侧压块进行铺层时，首先利用平台制定铺覆基准，以确保每层预浸料角度的精准性；另外，对铺覆过程中纤维产生的屈曲褶皱区域用电熨斗熨平整，保证层与层之间铺叠致密，无气泡，无褶皱。注意控制熨斗温度以及熨斗和纤维之间的隔离；

3.2.3 上下模块拐角处三角区域的填充

以往该区域补充的预浸料为麻花状无纬布丝束，经试验改进后选用直线式预浸丝束对改善桁条扭曲变形效果尤佳（见图3）；

图3 R区填充区域示意图

3.2.4 固化参数的控制

预浸料的固化过程对制品的质量非常重要，它受温度、压力、保温时间等固化参数综合作用的影响[5～6]。

温度一方面会使聚合物松弛（粘度降低，流动性增加），另一方面会促使聚合物发生交联反应（粘度增加，流动性降低）。如果固化温度过高，制品的外层固化速度比内层固化速度快，内层的挥发物排除困难，会导致制品产生缺陷和变形，并且使制品的物理指标和力学性能下降。如果固化温度过低，固化速度比较慢，则固化度偏低。

固化压力一方面可以促使预浸料在模腔内的流动；另一方面又可以克服树脂基体在发生反应时因低分子物而产生的压力，从而避免出现脱层、肿胀等现象，同时固化压力还具有使模具合模，保证制品具有固定的尺寸、防止冷却时制件发生变形等作用。模压压力的大小根据预浸料的种类、制品形状及预浸料状态进行适当选择。

固化时间对制品的性能影响很大，如果模压时间太短，制件固化则不完全，表面粗糙度差，其物理指标和力学性能均较低，制品容易发生变形。如果增加模压时间可降低制品的收缩率和变形，但模压时间过长，制品的内应力会因树脂的过度交联而增加，因此必须选择适当的模压时间。

对于环氧648树脂而言，其模压固化曲线如图4所示。

针对桁条的特点以及制件存在的问题，在桁条制备过程中，除严格控制其模压温度和时间外，还需选择合适的加压时机并延长保温时间。同时针对其应力变形特点，还采用高温出炉的方法。

The study on the molding processes and the quality control of the T type stringer

XU Li-li; YIN Yong-xia; WANG Xiao-yun

( Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100076 China )

This paper indicated the reason of torsional deformation of T type stringer, and introduced the processing plan of the moulding、the design of the mould in detail .The focus of the article is to analyze the problems of the T type stringer in processing and the quality control in the processing of the T type stringer, such as the quality control of the prepreg、the quality control of the prepreg lay-up、the quality control of the triangle area、the control of the curing parameters.

composite material; T type stringer; moulding; problem analysis; quality control

V258; V474

A

1007-9815（2016）02-0056-03

定稿日期:2016-04-20

许丽丽（1985-），女，山东德州人，工程师，主要从事复合材料成型工艺，(电子信箱)lilirose1985@163.com。