大厚度复合材料翼梁成型技术改进及质量控制.pdf
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1、材料科技应用 年 月第 卷第 期 :,收稿日期:;修回日期:作者简介:周盼(),女,硕士,助理工程师,主要从事复合材料成型研究;:。引文格式:周盼,房晓斌,刘向阳,等 大厚度复合材料翼梁成型技术改进及质量控制 粘接,():大厚度复合材料翼梁成型技术改进及质量控制周盼,房晓斌,刘向阳,金子坤,袁建锋(中航西安飞机工业集团股份有限公司,陕西 西安 )摘要:随着飞机设计制造领域的蓬勃发展,新机型对复合材料整体结构的刚度需求日益增加,飞机翼梁结构厚度也随之增大。大厚度的特点为零件的制造增加了难度。以一大厚度 型复合材料翼梁为研究对象,讨论了大厚度 型梁结构的研制难点,并对零件制造的关键控制点进行了分析
2、实验。对制造工艺参数进行了迭代优化,并以此为基础成功研制了大厚度 型翼梁零件,研制的大尺寸大厚度复合材料型梁内部质量、表面质量、厚度公差及外形公差能够很好地满足设计要求,具有较高的科学意义与工程应用价值。关键词:大厚度;优化;成型质量中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,:;纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、疲劳性能好、可设计性强等优点,在航空航天领域有着广泛应用。目前复合材料构件在飞机上的应用,已经历了从非承力构件到次承力构件再到主承力构件的发展,而翼梁作为飞机机翼主要的纵向受力件,其结构也逐渐从小尺寸、小厚度向大尺寸、大厚度方向发展。虽然零件尺寸、厚度的增大,对于结构刚度
3、和强度有很大提升,但相应地给研制增加了巨大难度 。以长度约为,厚度最大为 的复合材料 型梁为研究对象,从模具选择、回弹角补偿及厚度控制等方面对梁制造过程进行了分析,研制的大尺寸大厚度复合材料翼梁内部、表面质量、厚度公差及外形公差能够很好地满足设计要求 ;分析由于大尺寸、大厚度复合材料翼梁受力复杂,采用传统手工方法制造易影响零件内部质量导致稳定差等问题,因此,采用自动铺带 热隔膜高质量成型技材料科技应用术成功制造了厚度为 的复合材料翼梁,证明数字化技术的应用,对大尺寸、大厚度且厚度变化过渡复杂的复合材料零件的制造有较好的效果 。本文以某型号大厚度复合材料 型翼梁为研究对象,从对工装方案、回弹角补
4、偿及成型参数等的实验研究,分析零件成型过程中的技术难点,进而不断优化制造方案,形成了一套较完整的大厚度复合材料翼梁制造方案,对大厚度 型梁的研制具有重要的参考价值和实际意义。零件概述翼梁试验件为 型结构,长度约为 ,腹板宽度约为 ,缘条最高约为 ,厚度分布为 ;中间薄两侧厚,翼梁试验件的上下表面各有 层玻璃布,紧挨玻璃布的是一层碳布,中间全为碳纤维单向带材料,除此之外,为保证零件装配公差,试验件缘条面外表面增加了 层玻璃布牺牲层,目的是数控铣切固化后的零件牺牲层,使得缘条外型面达到理论型面。制造零件所用的预浸料有 种,分别为碳纤维单向带浸料:;碳 纤 维 织 物 预 浸 料:;玻璃纤维织物预浸
5、料:,均为国产高性能复合材料 ,上述 种材料都由中航复合材料有限责任公司提供。工艺方法及技术改进 工艺方案 工装方案阳模结构制造的复合材料梁,角区域的铺贴能力好,所受固化压力作用较大,树脂流动性强,能排除预浸料层内及层间空气和挥发分,易控制 角内部质量和纤维褶皱 ,因此,复合材料翼梁制造采用阳模铺贴固化。为控制 型梁固化变形产生的收口变形问题 ,对 型梁进行修型补偿。不同厚度区域补偿一个修型角度,再对多个修型角度求其均值,进而得到复合材料 型梁整体修型角度,其值为 。按照回弹角反向修型得到修型模型,以该模型内表面为基准,设计成型模工装,材料为殷钢;以该模型外表面为基准,设计压力垫成型模工装,材
6、料为普通钢。当压力垫模具材料使用普通钢时,其与复合材料热膨胀性能差异较大,热膨胀的影响必须予以考虑,否则制造的压力垫尺寸会随模具的膨胀而偏大,导致压力垫与预制体匹配性差,影响零件内部及表面质量。根据经验公式及试验验证,以产品质心为几何中心,将模具按热膨胀补偿系数缩比。以缩比后的尺寸进行模具制造,固化时,模具尺寸按补偿系数增大,可近似与产品尺寸一致。成型参数方案根据文件要求,零件固化参数为 高温、下保温 。技术改进采用上述工艺方法制造的零件质量 存在较大问题,分别为 区褶皱 、分层和孔隙密集 。区褶皱试验件固化后,观察零件表面质量,发现零件 区存在明显可见的褶皱现象,如图 所示。图 区褶皱 分层
7、通过打磨抛光 ,在 倍显微镜下对断面进行观察,发现了目视可见的分层缺陷,如图 所示。该缺陷在从靠袋面起始 层之间,从层间树脂区域开始,穿过层内纤维扩展,横跨 层单向带,是明显的分层缺陷,整体长度约 ,宽度 。图 分层缺陷 孔隙密集通过打磨抛光,在 倍显微镜下对断面进行观察,发现目视可见的孔隙密集缺陷,如图 所示。该缺陷从外 处起始约 铺层中有多个尺寸不一的层间孔隙,长度最大约为 。图 孔隙密集缺陷 原因分析及解决方案 固化分析零件在热压罐固化过程中承受法向方向上的罐压,其值为 。随着零件厚度逐渐增大,的罐压无法完全排除层内及层间空气,区纤维易积聚,导致空腔、纤维褶皱产生,最终形成孔隙密集及褶皱
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