复合材料“J”型加筋壁板成型工艺研究

王 莹，武彬彬，王浩军

（中航飞机西安飞机分公司，陕西 西安 710089）

复合材料“J”型加筋壁板成型工艺研究

王 莹，武彬彬，王浩军

（中航飞机西安飞机分公司，陕西 西安 710089）

介绍了一种复合材料加筋壁板的制造方法。从工艺制造及模具设计2方面论述了如何解决复合材料加筋壁板成型工艺中存在无损、外形控制、变形和脱模困难等问题。实验结果表明，通过对工装芯模增加拔模角度，可解决复合材料零件回弹变形难题；采用金属模具和复合材料模具相结合的方式，可有效保证肋与蒙皮的胶接质量。

复合材料；加筋壁板；“J”型；共胶接

先进复合材料具有质量轻、比强度较高、可设计性较强、耐腐蚀以及抗疲劳断裂性能较好等一系列优点，在航空、航天领域得到了广泛应用。在国外新一代民用飞机中，先进复合材料的用量已达到了50%以上，军用飞机则达到了25%～40%，甚至出现了全复合材料飞机。近年来，整体成型技术成为了先进复合材料发展的新趋势。整体成型技术是指采用共固化或者共胶接的工艺，将多个复合材料和/或金属材料的次级零件连接在一起，一次成型出最终组件的制造技术，能够大量减少紧固件及零件的数量，组件整体性更好，成本更低，质量更轻。而加筋壁板类零件是复合材料整体成型技术的典型代表，广泛应用于飞机的翼面、机身等部位。加筋壁板是由层压壁板和加强筋组成，加强筋可以提高壁板的刚性、抗弯曲强度和拉伸强度，增强载荷作用下壁板的稳定性，壁板则为变厚度的层压结构。加强筋常用的结构为“T”型、“J”型、“工”字型、“U”型、“C”型或“帽”型等结构。

本研究加筋壁板是由1张蒙皮和19根“J”型肋组成，采用共胶接工艺成型，即蒙皮单独进入热压罐固化，同铺贴完成的“J”型肋（未固化）通过胶膜进行胶接再次固化的成型过程。此处胶接是指将胶膜放置在“J”型肋与蒙皮之间，再采用热压罐固化使2者粘接在一起的过程。

1 “J”型肋结构及制造工艺

本研究复合材料“J”型肋是碳纤维材料，如图1-a所示，其铺层顺序如表1所示。按照“J”型肋的铺层设计可将肋结构分成4部分，分别为下缘条、左腹板、右腹板和R填充区，如图1-b所示。

图1 “J”型长桁结构示意图Fig.1 Schematic diagram of J stringer

表1 “J”型肋结构典型铺层信息表Tab.1 Typical lay up information of J type stringer

复合材料“J”型肋制造工艺流程大致可分为：工装准备、材料准备，分别铺贴腹板面与缘条面、组合、R区域填充及保护。

“J”型肋成型由2套工装组成，一套成型模、一套铺贴模。铺贴模结构形式为组合模，由左、右半模组成。其中，右半模仅用于铺贴“J”型肋，材质为铝；左半模为铺贴成型共用工装，材质为殷钢。成型模结构形式为组合模，由左、右半模组成。左半模为铺贴成型共用工装，材质为殷钢，右半模为“Z”型复合材料成型模，如图2所示。

图2 “J”型肋成型工装示意图Fig.2 Schematic diagram of tooling for J type stringer molding

图2中的卡斯特板是一种非金属的辅助工艺材料，由于图中的复合材料半模没有做出下陷台阶，在此使用仅是为了弥补复合材料半模放置后与肋缘条面的厚度差，避免固化过程中传力不均匀的问题。

2 蒙皮结构及制造工艺

蒙皮为复合材料层压板，存在厚度变化，并在尾缘条处存在一个弯钩，如图3所示。

图3 蒙皮结构示意图Fig.3 Structure diagram of skin structure

该蒙皮难点在于尾缘弯钩的制造。主要应注意下面2个问题。

（1）尾缘直线度

由于蒙皮尺寸较长，接近7 m并带有翻边，要保证尾缘直线度很困难，通过如下改进方式，可使此问题得到有效解决：①成型芯模尾缘翻边边缘余量增大至10 mm，使铺贴碳纤维预浸料及固化压实过程材料处于更加舒展的状态；②增加翻边尾缘外侧硅橡胶压力垫；③增加外型卡板，用于检查尾缘翻边尾缘的轮廓度。

（2）尾缘弯钩处的回弹变形

蒙皮弯钩回弹变形是由于金属模具与复合材料零件之间的热线胀系数不匹配，导致复合材料零件与模具之间发生相互作用。

为了控制零件固化后的回弹变形，可采用对固化过程中弯钩处的芯模型面进行反复调整和补偿性修正加工的方法。即第1阶段是对成型模具进行人工补偿，采用阶梯状加层来补偿工装外形的形式进行加工验证；第2阶段通过对第1阶段加层数据分析，确定了工装增加拔模斜度0.5°，以控制变形程度或抵消变形的影响。

3 蒙皮与“J”型湿肋胶接质量的控制

蒙皮零件固化完成后与“J”型湿肋（未固化）通过胶膜进行组合。在其模具设计上选择了与复合材料线胀系数非常接近的殷钢材料。其加工难度在于“J”型肋缘条面与固化完成后的蒙皮面胶接质量问题。为此，采用图4所示3种工装方案。

图4 不同形式的肋成型工装结构形式简图Fig.4 Different manners of tooling structure for J type stringer molding

通过无损测试可知，3种工装方案对胶接质量的影响如下。

（1）外观质量（如表2所示）

表2 不同工装结构肋成型后的外观质量Tab.2 Appearance quality of molded stringers for different tooling structures

（2）内部质量

未出现无损缺陷，但从3个方案的无损波形方面观察可知：方案2复合材料零件为不合格，波形高度为标块的40%；方案3复合材料零件状态优于方案2，其波形高为60%；方案1复合材料零件状态相对最优，波形高为80%。

由以上方案对比试验可以看出，使用复合材料半模很好地保证了其传压均匀，具有一定的柔性，可保证与蒙皮胶接面的内部质量，还具有一定的刚性，保证了“J”型肋自身R区域及表面的质量。

4 蒙皮与“J”型湿肋胶接固化后的脱模

零件组合后，“J”型肋上的金属半模脱模较为困难，“J”型肋端头与尾缘弯钩处距离较近，金属模具无着力点。为了顺利脱模，可采取以下方式：①金属半模端头增加凸台，增加脱模施力点；②在金属半模上增加螺纹顶出装置，通过旋转螺纹使其顶出。

5 结语

（1）详细介绍了大尺寸加筋壁板零件的共胶接成型工艺方法。

（2）通过对工装芯模增加拔模角度，攻克复合材料零件回弹变形难题，使其满足了设计要求。

（3）通过金属模具和复合材料模具相结合的方式，能够有效保证肋与蒙皮的胶接质量。

2017中国（义乌）胶粘制品及涂料油墨展览会通知

一、主办单位：浙江省粘接技术协会、上海格览德会展有限公司

二、协办单位：义乌市胶带行业协会

三、鸣谢单位：义乌欧洲商会、台商会、韩商会

四、专业观众的组织及宣传推广：

重点邀请的专业观众：1、外商驻义乌代表处、外贸进出口商、国内营销商、代理商；2、汽车制造、印刷厂、包装加工、玻璃工艺、工艺品、陶瓷厂、玩具厂、鞋厂、建筑工程公司、家装公司、家具、电子电器、造船、桥梁工程等终端用户；3、涂料、油墨、胶粘剂行业的生产企业；4、科研专家、院校及相关社会团体等专业人士。

宣传推广方式：1、印制15万张参观券通过组织单位建立的国内外专业买家数据库，寄往专业人士手中，并在全国专业展会上派发；2、利用电话、传真、电邮、短信及登门拜访等形式点对点邀请专业观众；3、拟在电视台、报纸、杂志、网站及户外广告牌等宣传媒体上对本届展览会作全方位的宣传报道。

五、日程安排

布展：2017年4月14日-15日

开幕式：2017年4月16日（9：00）

展览：2017年4月16日-18日

撤展：2017年4月18日下午

六、参展范围

◆胶粘剂及密封剂：水性胶、压敏胶、聚氨酯胶、热熔胶、环氧胶、硅酮密封胶、厌氧胶、灌封胶、UV胶、有机硅胶、橡胶类胶粘剂、工程胶粘剂等；

◆胶粘制品：各类胶粘带、胶粘标签、压敏胶片贴及其他胶膜等各类胶粘产品；

◆涂料：各类工业涂料、建筑涂料、水性涂料、防火涂料、防水涂料、防腐涂料、粉末涂料、防静电涂料、汽车涂料、军用航天涂料、纳米氟碳涂料等；

◆油墨：印刷油墨、水转印油墨、UV油墨、导电油墨、金属油墨、精工油墨、玻璃油墨、夜光油墨、PP油墨、树脂型油墨、溶剂型油墨、水性油墨和UV固化油墨等；

◆原材料及辐射固化技术产品：天然树脂、合成树脂、颜料、乳液、溶剂、填料、填充剂、助剂、铁红、钛白粉、助剂；活性稀释剂、低聚物、光引发剂、UV涂料、印刷版材、光致抗蚀剂、光铸、表面光接枝等；UV光源、电子束设备、光固化设备、涂装设备、材料性能测试仪器、UV剂量仪等；

◆生产设备：化工设备仪器、调色系统、分散机、搅拌机、连续式/间歇式混料器、过滤器、泵、计量仪/称重装置、点胶机、胶枪、打码机、标签机、液体灌装机械、纸制品包装、封口打包机械、膏体灌装机械、铁听(桶)包装、塑料及复合材料包装、打包及其它耗材等。

七、参展费用（注：双面开口展位加收500元）

标准展位费用包括：（长3米x宽3米x高2.5米）、三面围板（白色）、公司名称楣板、1个电源插座（500W以内）、2支日光灯、1张咨询台、2张折椅、垃圾篓等。

空场地费用包括：展出场地、保安服务、展位清洁服务。

八、参展申请程序

1、参展企业确定面积及选定展位；

2、填妥参展申请回执（合同）并签字盖章，然后将该表传真至主办单位；

3、展位确定后，参展企业须在5个工作日内将展费的50%或全款汇入组委会账户；

4、组委会将于展前一个月将参展商手册寄给参展单位。

九、大会组委会秘书处

浙江省粘接技术协会地址：杭州市大关路100号绿地中央广场7号楼（310015）

电话：13958165237

联系人：章先生 18106549877

格览德会展义乌办事处地址：义乌市宗泽东路59号义乌国际博览中心（322000）

电话：0579-85171882

Http://www.taceyw.com

2017中国北方涂料、涂装、胶粘剂、油墨展览会

我国2016 全年涂料产量将突破1800万吨，生产主要集中在以广东、上海为代表的珠三角和长三角经济区，消费主要以京津冀、长三角、珠三角、川渝地区4大引擎带动，尤其是京津冀区域，由于有国家层面的协同发展、冬季奥运会等推动，消费增长更加明显，为了突显涂料大国的风范，加速向涂料强国的迈进速度，特举办2017中国北方涂料、涂装、胶粘剂、油墨展览会。该展会已成功举办3届，是北方地区以原辅材料、设备、技术展示、交流、贸易为主旨的专业会展平台，以京津冀为核心区域，辐射东北、华北、西北，辐射面积超全国二分之一，市场空间巨大。

2017中国北方涂料、涂装、胶粘剂、油墨展览会将于2月25-26日在河北省石家庄市举办。展会期间将邀请知名专家教授及著名大型龙头企业工程技术人员，专门举办《环境友好工业漆高峰论坛》，旨在进一步促进水性工业漆、高固体份涂料、粉末涂料及光固化涂料的研发及其在轿车、轨道交通，机械、船舶等领域的的推广应用，更进一步减少VOC的排放。《论坛》具体安排在25日全天举办；展会还举办《环保型胶粘剂研讨会》将对于建筑胶、结构胶、压敏胶、包装胶、木材胶、汽车密封胶等领域技术进步及其不同领域新产品开发进行深入研讨，对于粘接机理和表面处理技术也给以足够重视，具体安排在26日上午举办；另外展会还将举办《外墙涂料机械化施工研讨会》，将对国内知名品牌新产品推介活动，其它会期之间活动还在征集中，欢迎广大企业踊跃联系，欢迎广大专业人士参展参会洽商合作。

活动简介：

时 间：2017年2月25-26日

地 点：河北省石家庄市

主办单位：

河北省粘接与涂料协会、衡水新光化工有限公司、中国水性涂料产业战略联盟

支持单位：

北京粘接学会、天津市胶粘剂研究会、陕西省涂料工业协会、中国地坪协会内蒙古分会、河南省涂料行业协会、山东省涂料行业协会、广东省涂料行业协会

合作媒体：

《现代涂料与涂装》、《粘接》、《化学与黏合》、《涂料原料与设备》、慧聪涂料网

参展范围：

涂料、胶粘剂、各类原辅材料、生产及包装设备、施工机械及设备、辅助设备、仪器及服务等.

展位费用：

每个标准展位5800元，3m*3m，配备一桌二椅、二盏射灯、220v电源插座一个；特装展位36平米起租，600元/平米净地。

会中活动：

“新光杯”2017环境友好工业漆高峰论坛 2017环保型胶粘剂研讨会

2017年新型建筑涂料品牌评选活动河北省粘接与涂料协会年会

邮箱：hebeituliaozhanjie@126.com

电话：13313016651 13931889902

传真：0311-88632679

Study on forming process of J type composite stiffened panels

WANG Ying, WU Bin-bin, WANG Hao-jun
(AVIC Aircraft Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi 710089, China)

This article introduced a manufacturing method of composite stiffened panel and mainly discusses the two aspects of manufacturing process and mold design from to solve the problems during the forming process of the composite stiffened panels, including zero defects, appearance control, deformation and demoulding difficulty. The experiment results show that the resilient deformation of composite parts can be overcame by increasing the mould-withdrawing angle of the tooling mandrel, and the bongding quality between the stringer and the skin can be ensured by using the combined manner of metal mould and composite mould.

composite; stiffened panel; J type; adhesive co-bonding

TQ050.4+3

A

1001-5922（2017）02-0061-03

2016-09-20

王莹（1985-），女，工程师。目前主要从事复合材料制件的制造工作。E-mail：weiyiwy1217@163.com。