復合材料蜂窩夾層曲面壁板的自動鋪絲工藝研究

崔敬程 張 洋

中國航空制造技術研究院復合材料技術中心 北京 101300

1 前言

蜂窩夾層結構是在兩層蒙皮之間放入經過加工成合適大小的蜂窩芯材作為支撐材料,并通過膠膜粘接并固化成一體的一種復合材料整體結構[1]。芳綸紙蜂窩夾層結構因相比于鋁蜂窩具有比強度、比剛度高,與碳纖維蒙皮不產生電化學腐蝕的特點,應用于航天、航空、軌道交通等領域。特別是在航空領域中,因與同厚度的其他結構相比具有更好的減重效果,是現代飛機的理想結構,用在機身、機翼、方向舵、襟翼、副襟翼、地板等眾多部件[2-7]。

現階段,我國復合材料行業經過數十年的發展,雖已有高性能的預浸料和芳綸紙蜂窩制造技術,但相關研究的報道顯示用于航空領域的芳綸紙蜂窩夾層結構的成型工藝還在采用傳統的手工鋪疊工藝[8-14]。相對于先進的自動鋪放成型,手工鋪貼工藝具有生產效率低、質量穩定性差、生產成本高等問題,不適合于大型構件成型和批量化生產[15-16]。隨著國內航空制造業的快速發展及復合材料用量占比逐漸提高,進行蜂窩夾層結構自動鋪放成型工藝工程化應用研究迫在眉睫。

本文使用中航復合材料有限公司開發的國產碳纖維預浸料和芳綸紙蜂窩作為主要原料,針對蜂窩夾層結構曲面壁板,選擇大型鋪絲機作為驗證平臺,進行蜂窩夾層結構自動鋪絲技術研究。通過蜂窩材料的選用試驗,爬坡角、鋪放壓力等工藝參數試驗,平板鋪放試驗,及機身壁板仿真鋪放試驗等,得到滿足質量要求的鋪放工藝。本文對此項工作進行介紹,為自動鋪絲技術在蜂窩夾層結構件的生產中應用創造條件。

2 試驗材料與方案

2.1 試驗設備 本次試驗選用中國航空制造技術研究院復合材料技術中心的大型鋪絲機作為復合材料大尺寸曲面蜂窩夾層壁板自動鋪絲工藝研究驗證平臺。該鋪絲機有效工作尺寸30m×6.5m×2m,鋪放速度0～700mm/s,最大鋪放壓力2000N;鋪放壓輥規格包括32絲束壓輥、16絲束壓輥、8絲束壓輥,3組壓輥共用1組支撐桿。

壁板固化用天津冠杰石化工程有限公司生產熱壓罐的進行。

2.2 試驗材料 本試驗用原材料如下:

1)主要原料

中溫高模單向帶預浸料,規格為6.35mm×200m,固化后單層壓厚0.14mm,密度1.45g/cm3,生產單位:中航復合材料有限公司。

NH-1-1.83-48芳綸紙蜂窩,規格為1240 mm×250mm,密度為48kg/m3,生產單位:中航復合材料有限公司。

NH-1-2.75-32芳綸紙蜂窩,規格為1240 mm×250mm,密度為32kg/m3,生產單位:中航復合材料有限公司。

2)其他原料

中溫高?？椢镱A浸料,生產單位:中航復合材料有限公司。

J-375環氧膠膜,生產單位:黑龍江石油化工研究院。

2.3 試驗方案

1)開展蜂窩材料選材試驗,研究不同蜂窩在蜂窩夾層結構中的工藝性能;

2)開展平面類蜂窩自動鋪絲試驗,獲得適宜于鋪放爬坡角度及鋪絲壓力,并進行平板鋪放試驗。

3)開展曲面類蜂窩自動鋪絲仿真試驗,完成曲面蜂窩夾層結構的參數優化研究,并進行蜂窩夾層結構曲面壁板的鋪放。

3 試驗結果分析

3.1 蜂窩材料選型工藝性試驗 通過手工鋪疊,將斜削邊后的NH-1-1.83-48和NH-1-2.75-32兩種蜂窩芯與AC531/CF8611織物預浸料分別制成平板夾層試驗件,放入熱壓罐中進行試驗。研究不同密度的芳綸紙蜂窩在高溫條件下,耐壓性能是否可以滿足工藝要求。

試驗結果表明,模具溫度180℃,罐內壓力為0.45MPa和0.5MPa時NH-1.83-48和NH-2.75-32兩種蜂窩均表現良好。模具溫度升到185℃,罐內壓力為0.45MPa時,NH-1.83-48和NH-2.75-32兩種蜂窩依然有良好的表現;罐內壓力為0.5MPa時,NH-1.83-48依然有良好的表現,但NH-2.75-32蜂窩出現塌陷的問題。

3.2 平板類蜂窩自動鋪絲適應性試驗 預浸料窄帶鋪放過程中,壓輥與鋪放面須呈90°鋪放,且為線性接觸面,鋪絲頭壓力僅施加于線性接觸面,如圖3.1。當在蜂窩芯材表面鋪放時,蜂窩上表面受到平行于蜂窩芯格的作用力F1,蜂窩在該方向可承受較大的作用力;當在蜂窩的側邊斜切位置鋪放時,壓輥作用于蜂窩上的作用力F2與斜切面垂直,在該力作用下,蜂窩可能發生向內側的滑移和空格變形,偏離結構設計,從而影響結構剛性。

圖3.1 蜂窩受壓示意圖

1)蜂窩爬坡角驗證。根據鋪放設備的邊界條件,鋪放爬坡比H/L應≤1:5,即最大爬坡角度為11.3°;現將NH-1.83-48蜂窩毛坯進行機加工,外廓尺寸200mm×230mm×15mm,并斜削邊成爬坡角12°、15°、20°、25°的蜂窩。

選取坡角為12°蜂窩,使用8絲束進行0°、90°、45°和-45°四個方向的鋪放爬坡試驗。通過試驗發現,在鋪放過程中鋪放壓輥與型面無法良好壓實;此種情況下鋪放會造成絲束扭曲,如果增大鋪放壓力會造成蜂窩的壓損劈裂及,導致最終鋪放質量差;同時在鋪放過程中,鋪絲頭擺動幅度大,極易干涉碰撞,極易造成壓輥損壞。因此,蜂窩爬坡12°無法完成正常鋪放;同理,150、200、250均無法完成鋪放。后續保持絲束數不變,通過10°蜂窩的開展鋪放工藝試驗,進行0°、90°、45°和-45°四個方向的鋪放。實驗結果顯示均可順利完成鋪放,說明蜂窩夾層結構的鋪放爬坡角應小于10°。

2)自動鋪絲壓力驗證。針對10°蜂窩,通過調整鋪放壓力,比較不同壓力下的鋪放效果,分析鋪放壓力對鋪放效果的影響。試驗結果表明鋪放壓力50N時,絲束因為壓力太小而出現局部的滑移,;當壓力增加到200N時,局部絲束滑移現象有所改善;當壓力增大到400N時,可以良好的完成鋪放,鋪放表面質量良好。

3)平板試驗件鋪放驗證。根據上述試驗結果,準備爬坡角10°的NH-1.83-48蜂窩進行平板鋪放試驗,鋪放壓力400N。試驗步驟如下:

(1)在固定且調平的工裝上,進行輔助層的自動鋪絲。

(2)在輔助層上,確定蜂窩位置,在膠膜上放置蜂窩前需在輔助層與蜂窩間鋪放J-375膠膜進行蜂窩膠接及固定。

(3)因自動鋪放設備的鋪放壓輥在蜂窩底部爬坡時,與蜂窩和蒙皮存在空隙。為保證鋪放時壓力向下的傳遞,該位置使用填充物填充。

(4)因進行蜂窩材料在高溫下的耐壓性較差,處于蜂窩孔格內的預浸料胚體無法獲得較高的成型壓力,內部易出現孔隙密集缺陷。為使蜂窩受到的壓力均勻的向孔格處的蒙皮分散,保證蒙皮的成型質量,將蜂窩外表面的孔格用膠膜封閉。

(5)將鋪放程序輸入鋪絲機,進行蜂窩上表面的纖維鋪放,完成鋪放后效果見圖3.2,最終得到了質量良好的平板蜂窩夾層結構制件

圖3.2 鋪放完成后效果

4)小結

通過平板鋪絲適應性驗證試驗確定,蜂窩爬坡角應小于10°時可以順利鋪放,鋪放壓力升至400N以上時可以得到良好的鋪放質量。

3.3 曲面蜂窩夾層壁板試驗件鋪放試驗

3.3.1 曲面蜂窩夾層壁板試驗件外形介紹

1)機身壁板外廓尺寸長約為4m,寬度方向弧長約為3m,設計重量約為25kg。

2)機身壁板分為層壓板區及蜂窩夾層區兩部分;層壓板區最厚處約為2.4mm,最薄處約為1.0mm;蜂窩夾層區最厚處約為11.6mm,最薄處約為11.0mm。

3.3.2 機身壁板蜂窩鋪放仿真 根據平面類蜂窩試驗結果進行曲面上蜂窩鋪放的仿真驗證,第一次仿真過程中發現,鋪放曲面兩端曲率大發生干涉,兩側蜂窩位置與蒙皮彎折位置干涉,進而造成鋪絲無法進行。后將鋪放曲面兩端平滑處理,使其與模具面重合;并調整兩段蜂窩距離蒙皮彎折處50mm。

后進行第二次仿真發現,存在曲面不連續、碎面多,造成鋪放質量差;蜂窩爬坡及下坡多處發生碰撞,造成鋪放質量差。為改善鋪放質量,進行鋪放曲面修復處理和平滑處理,實現網格均勻化,提高網格質量;并將蜂窩高度由15mm調整至10mm,中部蜂窩區域的爬坡比降至1:10。

經過鋪放曲面修復,曲面網格處理等修改后開展自動鋪放模擬,進行軌跡鋪放模擬分析,制造鋪放驗證模擬分析,鋪放效果顯著改善,中部/兩端蜂窩爬坡區域鋪放質量良好,兩側爬坡區域鋪放質量局部改善,可以進行鋪放驗證。

3.3.3 機身壁板鋪放 全尺寸壁板采用陰模成型,為了提高成型效率、縮短制造周期、適應鋪絲工藝需求,采用共固化的成型工藝,首先鋪放外蒙皮,而后鋪放膠膜和蜂窩,然后鋪放內蒙皮,最后在熱壓罐中共固化。工藝流程如圖3.3所示。

圖3.3 全尺寸蜂窩夾層壁板研制流程圖

采用該工藝的優勢在于:1)利于保證氣動面,使用陰模鋪貼更能夠保證氣動面外形,2)成型效率高,利于節省成本和周期;3)鋪絲工藝更易實現,易于實現自動鋪放的穩定性;4)相對于陽模成型,內蒙皮與蜂窩的膠接配合關系相對簡單,利于保證膠接面質量。

1)蒙皮自動鋪絲軌跡規劃及仿真

(1)鋪放曲面網格化處理。由于自動鋪絲束軟件基于三角形網格進行軌跡計算分析,為保證自動鋪放路徑的準確性,需要將待鋪放曲面進行網格化處理。其中,待鋪放蒙皮共創建節點33998個,三角形單元67011個,三角面片網格質量優。

(2)自動鋪絲參數優化設定。為保證曲面自動絲束鋪放工藝過程的順利進行,在自動鋪絲軌跡規劃過程中需要優化參數,主要包括鋪絲頭參數、鋪層參數、運動控制參數等幾類。

針對曲面蒙皮的結構形式,設定的主要自動鋪絲參數如下:1)最大調用絲束:32束;2)單根絲束寬度:6.35mm;3)最短鋪放距離:100mm;4)最大鋪放壓力:800N;5)絲束鋪放間隙:0.8mm;6)絲束錯層距離:3.5×6.35mm。

(3)自動鋪絲鋪放軌跡設計。依據蒙皮鋪層設計,針對不同的鋪放邊界完成不同厚度區域的鋪放,鋪放邊界及鋪放軌跡進行不同鋪放角度(0°、45°、-45°、90°)的設計。在完成鋪放角度模擬的情況下,針對不同鋪放角度開展鋪放轉彎能力、鋪放角度偏差及鋪放壓輥形變能力分析,分析結果如下圖所示。其中鋪放轉彎半徑R＞1000mm;鋪放角度偏差3°以內;鋪放0°過程中壓輥變形最大,約為3mm,可以滿足鋪放工藝要求。

(4)自動鋪絲運動策略控制及仿真優化。根據設計的鋪放路徑,仿真鋪絲設備的運動策略部分,仿真設備在各角度的可視化路徑。

2)膠接及固化工藝。試驗件的膠接和固化工藝按照中溫高模材料體系的工藝進行,如下:室溫下抽真空,真空度不低于-0.095MPa,以0.5℃/min～2.0℃/min的速率升溫,在室溫至80℃加壓0.4MPa～0.7MPa;繼續升溫至130℃±5℃,保溫0h～1.5h;繼續升溫至180℃～190℃,保溫3h±0.5h;溫度以不大于3℃/min的速度冷卻至60℃以下可卸罐壓和真空,工藝曲線如下圖3.4所示。

圖3.4 膠接及固化工藝曲線

4 結論

1)通過采取組合式分塊化模具和疊層滑移型面恢復技術,實現了局部大曲率蒙皮結構的自動鋪絲工藝成型;

2)通過對蜂窩夾芯壁板結構的自動鋪絲仿真成型驗證,獲取了適應于蜂窩壁板的自動鋪絲工藝參數;并制造出具有良好質量的全尺寸直升機機身