盒形结构复合材料零件厚度控制研究

白娅萍，苏 霞，杜鹏飞，徐小伟，郭俊刚

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）

0 引 言

飞机性能的进步基于材料技术的提升，一代材料决定一代飞机，飞机性能与材料技术相互推动、不断发展[1]。经过百年发展，飞机机体结构材料已进入以复合材料为主的制造阶段。相较于金属结构零件，同结构复合材料零件质量可减轻25%～30%，且复合材料具有其他材料无法比拟的气动弹性，因此提高复合材料零件的使用是近年来飞机设计制造的关注重点[2]。热压罐固化预浸料铺贴的复合材料零件制造需要借助成型模，按照工程要求完成预浸料坯体铺贴，之后使用工艺辅助材料制袋，在热压罐中按照规定的温度、压力、时间完成固化[3]。随着复合材料制造技术的提升和飞机结构轻量化设计的进步，C形结构肋、盒形隔板复合材料零件在飞机制造中广泛应用。

何周理等[4]通过C形截面框结构复合材料零件的分析研究，在抗弯曲性能方面，递减削层方案优于递增削层方案。杨青等[5]完成了零件厚度、模具材质、零件长度、缘条与腹板夹角的R角半径等因素对复合材料C/L形结构零件固化变形的影响进行了研究，为飞机设计及制造提出了可靠的数据支持。闵观华等[6]总结了树脂基体与纤维增强体之间固化收缩不同，预浸料与成型模之间热膨胀系数不同，固化结束后压力温度载荷等去除后零件内部残余应力重新分布对复合材料壳结构固化变形影响。同时，零件铺层角度设计、固化周期等因素相互耦合，影响不同结构复合材料零件的回弹变形[7]。魏冉等[8]总结了制造过程中常用的C形结构补偿，为基于设计铺层厚度及外形尺寸选择，对模具补偿修型以解决零件固化后回弹变形问题，确定了研究范围内常用的回弹变形角度。以上研究侧重于回弹变形补偿方向，实际生产过程中，在保证回弹变形满足使用要求的前提下，需要重点关注零件厚度控制。

随着复合材料的广泛应用，由C/L/U形结构衍生的盒形结构复合材料零件在大尺寸梁、壁板之间连接过渡应用逐渐增多，某新型民用飞机尾翼部分采用大量图1所示的盒形结构复合材料零件。该盒形结构具有C/L/U形的变形特征，现有回弹变形研究可指导模具修型补偿，但该盒形结构各缘条面曲率变化不同、铺层层数少、外形尺寸小，零件存在收口变形、厚度超差、表面质量差等制造难点。

图1 某新型民用飞机尾翼部分盒形结构复合材料零件

1 研究背景

某民用飞机尾翼部分选用大量盒形实体层压结构，零件使用牌号为CYCOM 970/PWC T300 3K环氧树脂增强的碳纤维预浸料，基于装配需求，部分区域表面铺贴防腐环氧树脂增强的玻璃纤维织物。零件总体尺寸小，外形、开孔等特征尺寸多。基于生产经验及参考文献[9,10]，模具确定为殷瓦钢合金凸模工装，缘条面设置1.35°回弹补偿进行工装修型。使用修型后凸模工装，Gerber自动下料机切割预浸料，手工铺贴，抽真空压实，根据热分布结果布置领先和滞后热电偶，制袋并完成渗漏检查后，使用热压罐，依据规范在（0.5±0.035）MPa固化压力下，升温至（180±5）℃后，保温不少于120 min，完成零件固化。盒形零件外形关键特性多、尺寸要求高，铺层设计较薄，以下讨论该类型零件回弹变形、厚度控制、压力垫选型等问题。

2 试验内容及结果讨论

该盒形零件使用6层单层厚度为0.22 mm的碳纤维预浸料铺贴而成，零件理论总体厚度为1.32 mm，工程允许厚度公差为±0.20 mm，即厚度实测值为1.22～1.42 mm时零件合格。对试验件进行检测评定，典型试验件表征为R区及腹板面厚度超差，偏薄0.20～0.40 mm。对零件进行超声波检测，零件R区无损检测质量不稳定，有孔洞缺陷。目视检查零件外观、零件腹板面及R区，存在表面皱褶。基于以上问题开展以下试验研究。

2.1 平板结构厚度研究

试件厚度首先受制于预浸料固化对厚度的影响。为验证该材料厚度是否均匀，铺贴尺寸均为400 mm×400 mm的6层碳布、10层碳布、20层碳布3种不同厚度试板，按固化参数固化后进行厚度测量，以掌握该材料固化厚度实测数据。固化后分别测量厚度并分析得出不同试板厚度实测值与理论值的对比曲线，如图2所示。

图2 不同铺层数厚度结果分析

固化后目视检查试板外观，试板边缘树脂溢出较多，表明该材料树脂流动性良好。为排除复合材料零件边缘效应影响，测量点位距离零件边缘至少80 mm。图2中分别列出3种铺层数量对应实测厚度值，3条虚线分别为对应厚度理论中值，按公差±0.20 mm计算，分别给出3种铺层数量对应厚度范围。由图2可知：①零件铺层越少，厚度越低于理论中值，零件厚度波动较大，6层试板所有测试点均低于厚度理论下限1.22 mm，使用该材料进行凸模制造盒形试验，边缘树脂溢出会更严重，零件厚度存在较大隐患；②当铺层数为20层时，试板厚度均匀，所有检测点厚度均符合厚度公差。

该盒形隔板设计铺层为6层，固化后厚度超薄受制于原材料性能限制，需要从压力垫选型和边缘树脂封胶工艺措施两方面进行厚度控制。

2.2 压力垫对零件厚度的影响研究

复合材料固化成型时，压力垫结构形式对零件厚度、内部无损、表面质量影响较大。预浸料坯体在凸模上铺贴完成后，在零件上放置压力垫，制袋固化。设置无压力垫试验件为空白对照组，同时制造不同铺层数对应的压力垫形式，具体内容及试验结果如表1所示。

由表1可知：①无压力垫制造便于操作，经济效益高，但试件表面质量不稳定，易出现褶皱；②10层碳纤维预浸料压力垫，对于零件厚度改善效果最佳，试件超声波检测及表面质量均合格，试件表面质量及内部质量检测合格，但局部厚度仍需采取其他工艺措施，实现厚度控制；③20层碳纤维预浸料压力垫，超声波检测试件内部出现密集孔隙缺陷，表面缺料，因此不建议选取厚度过大的压力垫。

表1 不同结构压力垫对比试验

2.3 制袋操作对零件厚度影响研究

根据表1试验结果，选用10层碳纤维预浸料制备而成的压力垫，试验件仅局部区域厚度超差，超声波检测及外观表面质量评定均合格，可作为最优压力垫结构选型方案。经过分析可知，不同区域需要采取的改进方案不同。

（1）R区/腹板面超薄。在固化时的压力作用下，压力垫向下贴合预浸料坯体，树脂向零件周边流动较多，因此需要在零件腹板面增加与产品等厚度的控厚片进行厚度控制，减少树脂向边缘聚集流动。

（2）缘条面超薄。由于固化过程中的边缘效应，余量处树脂向下流失，导致产品缘条面整体超薄。压力垫切割外形仅与产品理论外形一致，实际铺贴产品至少有30 mm余量，因此在零件缘条面，要求压力垫厚度必须大于零件30 mm余量。

（3）固化时，压力垫边缘将会出现收口变形，为消除此影响，在试件预浸料坯体余量区，增加0.10 mm脱模布包覆的0.44 mm厚阻尼铝箔控制厚度，并且试件周边边缘树脂封胶，削弱产品边缘效应，减少树脂向边缘溢出，最终制得的试件厚度满足工程需求。控厚方式及固化过程分析如图3所示。

图3 产品控厚封胶

2.4 回弹变形研究

该试件模具缘条面设置1.35°回弹补偿进行工装修型，厚度控制试验完成后，对试验回弹变形进行讨论。缘条面1、缘条面2、缘条面3通过拐角连接相互支撑，回弹较小。该零件固化后拐角处需切割修整，固化切割后，零件内部残余应力重新分布，提升了零件变形的不确定性。因此，铺贴过程中，在各缘条面拐角区域允许开剪口，减少铺贴过程中织物的纤维丝束过度拉伸而产生的内应力，消除固化后回弹变形的不确定性。固化后试件在装配过程中外形无问题。使用激光跟踪仪进行试件型面测量，使用CATIA软件Digitized Sharp Editor模块完成外形超差分析，如图4所示。

图4 外形超差分析

综上分述，使用殷钢模具减小固化过程中热膨胀系统不匹配造成的回弹变形风险；修型角度1.35°，对于铺层厚度为6层、牌号为CYCOM 970/PWC T300 3K环氧树脂增强的碳纤维预浸料的盒形结构复合材料零件选取合理；使用压力垫更好地保障了产品的外形。

3 结束语

对于选用CYCOM 970/PWC T300 3K的环氧树脂增强的碳纤维预浸料，凸模铺贴外形尺寸小的盒形零件，在满足工程结构要求下，建议铺层厚度设计大于10层。10层碳纤维预浸料压力垫可保证试件表面质量、内部无损检测质量合格，对于厚度控制效果良好。相同试验条件下，边缘树脂封胶、厚度控制措施的应用对试件厚度控制改进明显。