异形大厚度蜂窝夹层结构前缘成型技术研究

成艳娜 刘训新 刘向阳 陈亮子

（中航飞机西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089）

复合材料具有质轻、比强度高、比模量高、抗腐蚀性好以及可设计性强等优点，尤其适用于大型或者整体飞机零件结构，是优良的航空结构材料。目前，它的用量在飞机结构上的比重日益提升，某种程度上已经成为衡量飞机先进程度的指标之一[1]。随着复合材料的不断发展，它的应用范围逐渐从内部装饰件向次承力件延伸。近年来，复合材料的应用范围更是向主承力梁和大壁板等主承力件过渡[2]。前缘类零件是飞机中较为常见的次承力件，外形为双曲面，横截面为U形结构，主要起到承载和整流等作用，广泛应用于活动翼面、外翼和尾翼等部位[3]。复合材料类前缘主要分为夹层和层压两种结构形式。采用夹层结构的U形前缘零件拥有更好的承载力，且由于夹层材料质量较轻，大大降低了零件的质量。因此，夹层类的前缘制件在飞机上被广泛使用。

本项目围绕异形大厚度蜂窝夹层结构前缘的成型技术开展研究。针对以上技术难点，从异形大厚度蜂窝芯铣切及拼接方案、前缘制件热压罐成型工艺方案设计以及固化收口变形控制等方面进行探索，制定零件的制造工艺流程，最终实现此类异形大厚度蜂窝夹层前缘类零件的精确、高质量成型。

1 试验件设计及制造方案

1.1 材料与设备

试验件主材料为碳纤维织物CYCOM 970/PWC T300 3K ST（CCF），蜂窝芯选用NH1-2.7-48芳纶刚性纸蜂窝芯。

1.2 试验件结构

试验件为深U异形大厚度蜂窝夹层结构前缘，长度约为4 100 mm，开口宽度约为280 mm，开口深度约为450 mm，层压区厚度约为3 mm，蜂窝芯为V形尖劈结构。

1.3 试验件成型方案设计

前缘试验件进行了共固化和共胶接两种成型工艺方案的试验，从异形大厚度蜂窝芯铣切及拼接成型方案设计、异形大厚度蜂窝夹层结构成型方案设计以及U型结构固化变形控制等3个方面展开研究。

2 结果与讨论

2.1 异形大厚度蜂窝芯铣切及拼接方案

传统前缘零件的蜂窝芯厚度10～30 mm。一般将曲面展开为平板状态后手工下料并铣切斜面角度，然后与面板胶接，成型方案相对简单。本项目中前缘试验件的夹芯蜂窝长度约为3 600 mm，最大高度为412 mm，为V形尖劈结构。通过选取合理的数控铣切分离面，可实现异形结构的铣切加工，满足后续与面板胶接质量要求。

根据该蜂窝芯零件的结构特征，如图1所示，将整体蜂窝芯分割为A、B、C共3个子零件。分离面通过内侧V形最低点，降低了整体结构的铣切加工难度。因为分离面为平面，所以后续子蜂窝芯零件的拼接成型操作相对简单，拼接质量更容易保证。

图1 蜂窝芯分离面示意图

数控加工时，采用常规的铣切方法，切削力较大，容易引起蜂窝芯与胶带脱粘，从而造成局部型面凹陷，尤其是尾缘较薄的部位缺损严重，难以保证零件的型面加工精度和加工质量。采用超声波数控铣床进行子零件加工，配合专用的刀柄和刀具，在铣切过程中产生的切削力较小，蜂窝芯不易与胶带脱粘，零件加工精度和加工质量明显提高。

A、B、C这3个子零件蜂窝芯单独数控加工完成后，采用FM490A泡沫胶进行拼接。为防止蜂窝芯收缩，在斜面周边填充宽度约6 mm的发泡胶FM490A。

通过选取合适的分离面、采用超声波数控铣床单独加工子零件、泡沫胶拼接以及四周泡沫胶防收缩4方面的措施，成功制造出V形尖劈结构蜂窝芯零件，其型面精度满足与面板胶接的要求。

2.2 异形大厚度蜂窝夹层结构前缘热压罐成型工艺方案

通过试验件制造质量对比，最终选取共固化方式作为异形大厚度蜂窝夹层结构前缘的成型方案。为避免外蒙皮产生褶皱，在铺贴完成后增加热压实工艺，保证了气动外形面的表面质量。

在共固化和共胶接成型试验中，由于蜂窝芯端头截面为非承力方向。蜂窝芯芯格壁区域在罐压作用下会向内滑移，并产生塌陷收缩，带动预浸料滑移，从而导致制件产生分层和皱褶等缺陷。通过在工装两侧端肋处增加金属挡块，在内型面增加金属匀压板等措施，保证蜂窝芯内型面受压均匀，避免了蜂窝芯出现坍塌褶皱收缩的现象。

预浸料由树脂基体和增强纤维组成。在热压罐中高温高压固化时，树脂发生了交联反应。在固化的过程中，树脂在重力作用下会向前缘R区流动，进而带动纤维发生屈曲[4]。本试验件制造过程中通过在工装上增加防滑条进行铺层限位，保证了纤维不会发生屈曲的现象。

2.3 前缘制件固化变形控制

热固性树脂基纤维增强复合材料结构件在热压罐中高温高压固化成型是一个复杂的热、化学和力学性能急剧变化的过程。由于复合材料基体和纤维热收缩的差异、树脂基体的固化收缩、制件与模具之间的热膨胀系数差异以及温度、固化度和树脂流动的空间不均匀性引起的材料性能差异等，导致U形前缘固化脱模后会出现收口的现象[5-6]。

在试验件制造过程中，采用《前缘类复合材料制件固化变形控制研究及应用》的研究成果[7]，解决了本试验中前缘制件固化变形的问题。制件型面检测结果见表1，消除了前缘的收口变形效应，有效控制了前缘的固化变形问题。

表1 测量数据分析

3 结论

以异形大厚度蜂窝夹层结构前缘为研究对象，通过理论分析和试验件制造，得到以下结论。

（1）针对大尺寸V形尖劈结构蜂窝芯零件，采用选取合适的分离面、超声波数控铣床单独加工子零件、泡沫胶拼接以及四周泡沫胶防收缩等4个措施，成功制造出V形尖劈结构蜂窝芯零件，且其型面精度能够满足与面板胶接的要求。

（2）采用凹模共固化方案成型异形大厚度蜂窝夹层结构前缘，提高了内外蒙皮和蜂窝芯的匹配程度，其制件气动外形面的表面质量较好。

（3）前缘试验件型面检测数据基本合格，为解决该类异形前缘零件的精确制造提供了新思路。