U型蜂窝夹芯前缘制造技术研究

（航空工业西安飞机工业(集团)有限责任公司，西安 710089）

复合材料具有比强度、比模量高，耐腐蚀，可设计性强等诸多优势，近年来，在航空、航天等高新技术产业得到了广泛的应用，其用量在飞机结构总体重量的占比不断提升，全复合材料飞机逐步涌现。复合材料的用量已逐步成为衡量飞机先进程度的重要标志之一[1]。

随着复合材料用量的不断增加，其应用范围也不断拓展，由最初的内装饰零件逐步延伸至次承力件，直至主承力件。前缘零件是飞行器中较为常见的结构形式，主要起到整流、载力等作用，广泛应用于机翼、尾翼和运动翼面等部位。复合材料前缘零件一般分为层压、蜂窝（泡沫）夹芯两种结构形式。由于采用了蜂窝（泡沫）芯，产品重量得以大幅降低，因此，蜂窝（泡沫）夹芯前缘零件逐渐受到了设计人员的青睐。

但是，U型蜂窝夹芯前缘（图1）具有一定的制造难度：（1）由于其结构的特殊性，U型前缘在制造过程中，预浸料容易向其底部滑移，从而引起铺层皱褶； （2）蜂窝芯原材料为片状，具有一定的刚性，当其弯折成U型时，易出现蜂窝芯与蒙皮配合程度差的现象，导致脱粘或分层等缺陷的产生；（3）复合材料零件不同于钣金类零件，无法在装配过程中对零件的外形进行修配。因此，为满足后续装配需求，复合材料零件的精确制造势在必行。然而，受固化反应收缩、温度梯度场等多种因素的影响，U型零件脱模后，会出现不同程度的“收口”变形效应，影响其外形精度[2-3]。

为解决上述问题，本研究从蜂窝芯展开基准面选择，蜂窝芯热定型工艺改进和产品外形控制等几个方面完善技术细节，优化工艺方案，通过增加铺层防滑移装置等措施，提高了产品的外形精度及内部质量。

1 试验

1.1 材料与设备

试验件主材料为碳纤维织物5228A/CF3031，蜂窝芯为柔性蜂窝芯。

1.2 试验件结构

试验件为U型蜂窝夹芯结构，长度约1000mm，宽度约400mm，深度约300mm，蜂窝芯高度10mm，层压区厚度约2.7mm。

1.3 试验件制造方案

试验件采取数控下料，激光投影系统辅助手工铺贴，热压罐固化，手工切割的制造方案，具体流程见图2。

图1 试验件Fig.1 Test part

2 试验结果与分析

2.1 蜂窝芯展开基准

蜂窝芯原材料一般为平面结构，但U型前缘曲率变化较大，因而，必须按数模将蜂窝芯展开至平面，再加工其外形。展开基准面的选择尤为重要，它决定了平面状蜂窝芯弯折成U型后，其实际外形与理论外形的符合程度，影响蜂窝芯与预浸料铺层的配合状态[4-5]。由表1数据可以看出，当选择不同展开基准面时，蜂窝芯的外形尺寸会有非常明显的差异。通常在零件制造时，会按照理论外形轮廓线放置蜂窝芯。展开基准面选择过高，展开后的蜂窝芯外形将小于其理论外形，若按理论外形放置蜂窝芯，在U型底部会出现蜂窝芯孔格过度拉伸，蜂窝芯与预浸料间隙过大，易出现空腔或脱粘。展开基准面选择过低，展开后的蜂窝芯外形将大于其理论外形，若按理论外形放置蜂窝芯，在U型底部会出现蜂窝芯孔格过度压缩，蜂窝芯与预浸料间隙过小，易出现纤维屈曲（图3）。

在选择展开基准面时，还必须考虑蜂窝芯弯折后的实际状态。弯折后，在U型底部，蜂窝芯自身构成一个近似圆环的结构，其内、外表面的弧长相差较大。本研究中，蜂窝芯厚度为10mm，U型底部R接近68mm，以1/4个圆计算，截面处蜂窝芯外表面弧长约为106.8mm，蜂窝芯内表面弧长约为91.1mm，相差15.7mm。由于这种特殊现象，在U型底部，蜂窝芯的内表面呈现出轻微的压缩，而蜂窝芯外表面则呈现出轻微的拉伸。因此，展开基准面选择不合理，蜂窝芯将呈现出过度压缩或拉伸的状态，内部应力集中，影响产品质量。

本研究中，通过软件模拟，结合实际验证，试验件选择从蜂窝芯底面沿厚度向上1/4处为基准面展开。按此展开方式加工的蜂窝芯，当其弯折成U型时，各处蜂窝芯孔格均能基本保持其原有形状，未发生孔格的过度拉伸或压缩。经目视检查和超声波检测，固化后的试验件表面光滑，无皱折；内部密实，无局部空腔或脱粘。

表1 展开基准对蜂窝芯尺寸的影响

图2 试验件制造流程Fig.2 Manufacture process of test part

图3 蜂窝芯状态图Fig.3 State of honeycomb core

2.2 蜂窝芯热定型

由于蜂窝芯原材料为平面状，当其弯折成为U型后，存在回弹至平面状的趋势。即使采用了具有一定弯折能力的柔性蜂窝芯，这种趋势也是无法消除的。在其影响下，蜂窝芯可能出现局部的变形或移动，从而影响与预浸料的贴合程度[6-7]。

一般而言，可通过蜂窝芯热定型工艺解决此问题：在蜂窝芯任一表面或上、下两面粘贴一层胶膜，进热压罐固化。在高温、高压环境下，蜂窝芯的内应力将得到一定程度的释放，其回弹至平面的趋势得以减缓。固化后的胶膜变硬，起到了维型的作用。同时，胶膜增大了蜂窝芯与预浸料的接触面积，摩擦力随之增大，限制了蜂窝芯的移动。但这种方法会大幅增加产品重量，并且，牺牲了蜂窝芯的弹性。蜂窝芯与预浸料之间的配合方式由“软-软”配合变为“硬-软”配合，配合弹性降低，易出现局部分层或脱粘的缺陷（表2）。

本研究对蜂窝芯热定型工艺进行了改进：仅在蜂窝芯下表面曲率平缓的区域放置一层胶膜，进热压罐固化。采用这种方式，既可以释放蜂窝芯弯折成U型后的内应力，又最大程度地保留了蜂窝芯的弹性。在U型的底部，蜂窝芯与预浸料之间仍为“软-软”配合，二者在固化过程中能够同步变化，匹配程度更高。局部放置胶膜在增大了蜂窝芯与预浸料接触面积的同时，又没有显著增加产品重量（图4）。

表2 蜂窝芯热定型工艺改进效果

表3 防滑条使用效果

图4 胶膜放置位置示意图Fig.4 Position of adhesive film

图5 防滑条位置示意图Fig.5 Position of grip strips

2.3 铺层及蜂窝芯固定

预浸料主要由树脂和纤维组成，在高温、高压环境下，树脂经由玻璃态、粘流态、高弹态最终达到三维网络结构。在固化的某一阶段，预浸料会出现软化的现象，在重力作用下，树脂会向型面最低处流动，并可能带动纤维发生屈曲。因此，在铺贴过程中，应当对预浸料的位置加以限定。对于蜂窝夹芯零件，在固化过程中，蜂窝芯可能发生收缩，进而带动预浸料滑移，导致铺层皱褶、分层及脱粘等缺陷的产生[8-9]。

对于U型前缘类零件，由于其结构的特殊性，在铺贴、制袋及固化过程中，预浸料极易在重力作用下向U型底部滑移。如果不采取任何措施，在U型底部必然出现铺层皱褶，蜂窝芯也会发生明显的收缩，产品合格率极低。为解决此问题，本研究在成型模上加装了防滑条（约50mm宽），增大了预浸料的摩擦阻力，起到了“抓紧”的效果，从而限制了预浸料的滑移。制件固化后，表面平整，内部无分层或脱粘缺陷（表3）。

但必须指出的是，对于U型前缘类零件，防滑条应按照图5所示位置放置，在前缘两端U型槽内不放置。这是因为：（1）U型槽曲率变化较大，不易安装防滑条；（2）需要将预浸料沿工装型面铺贴，并确保各铺层之间充分贴合，若在U型槽内安装防滑条，会极大限制预浸料的移动，使预浸料处于“紧绷”的状态，降低了预浸料在U型底部区域的铺贴性能，进而影响各铺层间的配合状态，甚至在铺贴过程中就会出现局部架桥，无法压实的问题，最终产品出现分层缺陷。

2.4 外形控制

由于固化反应收缩，温度梯度场等因素的影响，U型复合材料零件在脱模后，会出现较为明显的“收口”变形效应，即零件宽度的实际测量值会明显小于其理论值[10-12]。一般而言，可将固化脱模后的零件返回工装，通过在自由状态下测量其各部位与工装之间的间隙值，来评估零件固化后的变形程度。

本研究将U型蜂窝夹芯前缘与U型层压前缘的贴胎间隙进行对比，数据见表4。由测量数据可知，U型层压蜂窝芯前缘在自由状态下的贴膜间隙平均值为7mm，而U型蜂窝夹芯前缘在自由状态下的贴模间隙平均值为2mm。即U型蜂窝夹芯前缘的“收口”变形程度较小，外形更为准确，这可能得益于本研究所采取的制造方案：（1）蜂窝芯为整块结构，未在任何方向上进行拼接；（2）采用改进后的蜂窝芯热定型工艺，蜂窝芯保留有适宜的弹性。在以上两种因素的共同作用下，蜂窝芯轻微展开成平面的趋势部分抵消了U型零件的“收口”变形效应，从而使零件脱模后的外形更为准确。

如果采用蜂窝芯拼接的工艺方法，蜂窝芯不具备整体性，缺乏展开成平面的趋势。同样，如果热定型时在蜂窝芯底面放置一整层胶膜，其外形被固化，也将缺乏展开成平面的趋势。

上述试验结果为解决U型蜂窝夹芯前缘的“收口”变形问题提供了新的思路。

表4 试验件贴模间隙 mm

3 结论

本研究以U型蜂窝夹芯前缘为对象，通过理论分析及试验件制造，初步得到了一些结论：

（1）U型蜂窝芯展开基准面的选择对产品质量至关重要；

（2）改进后的热定型工艺提高了蜂窝芯与预浸料的匹配程度；

（3）试验件的制造方案为解决U型蜂窝夹芯零件的“收口”变形提供了新的思路。

参 考 文 献

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