V型复合材料蜂窝夹层结构成型技术研究

蒋金隆 李锋 刘隆娇

摘要：针对V型复合材料蜂窝夹层结构，设计合理可行的工艺方案，采用先阳模成型外蒙皮，再阴模成型蜂窝和内蒙皮的工艺路线。针对成型过程中出現的蒙皮空隙和蜂窝滑移的问题，选择提升成型压力和蜂窝预粘的解决方式，保证了V型复合材料蜂窝夹层结构的成型质量。

关键词：复合材料;V型;蜂窝夹层结构 ;预粘

复合材料具有比强度高、比刚度大等优点，已成为一种重要的轻量化结构材料。随着复合材料成型技术的不断发展，复合材料用量已成为衡量航空飞行器先进性的重要指标之一[1-2]。

蜂窝夹层结构作为一种典型的轻质高刚度结构，已经越来越广泛的应用于飞机的升降舵、方向舵、襟副翼等结构[3]。V型复合材料蜂窝夹层结构刚度大，结构重量轻，常常用于飞机的垂尾前缘等部位，由于其曲率大、易变性的特点，成型难度较大，国内外专业技术人员也在这方面进行了许多研究[4-5]。

本文针对V型复合材料蜂窝夹层结构，设计合理可行的工艺方案，采用先阳模成型外蒙皮，再阴模成型蜂窝和内蒙皮的工艺路线。针对成型过程中出现的蒙皮空隙和蜂窝滑移的问题，选择提升成型压力和蜂窝定位预粘的解决方式，保证了V型复合材料蜂窝夹层结构的成型质量，为V型复合材料蜂窝夹层结构的共胶接成型，提供了技术支撑。

1.零件结构特点

某型号V型复合材料蜂窝夹层结构，如图1所示，零件外形呈“V”型，由复合材料外蒙皮、内蒙皮，及内外蒙皮之间的蜂窝和发泡胶组成。

2.工艺分析及工艺方案设计

V型复合材料蜂窝夹层结构型面曲率大，内、外蒙皮之间存在蜂窝和发泡胶，结构较为复杂。如何保证成型过程中外蒙皮和内蒙皮的成型质量，同时保证蜂窝位和发泡胶的置精度，是此V型复合材料蜂窝夹层结构的最大工艺难点。

经分析，可选择的工艺路线如下表1所示。

由于某型号V型复合材料蜂窝夹层结构外蒙皮为气动面，故设计对外蒙皮的成型质量要求高，考虑到成型成本及最终成型工艺难度，选择第2中工艺方案，即外蒙皮先固化，蜂窝和内蒙皮共胶接的工艺方案。为降低铺叠难度，选择阳模成型外蒙皮，然后将固化后的外蒙皮放入V型阴模中，先定位蜂窝，再进行内蒙皮铺叠，最后进罐共胶接。

3.成型难点

由于研究对象为蜂窝夹层结构，故选择成型压力不能过大，一般对于芳纶纸蜂窝芯材的夹层结构，成型压力位0.1MPa～0.4MPa。若压力过大，会造成蜂窝的塌陷或者滑移。但对于内蒙皮，降低的成型压力会难以保证蒙皮成型质量，容易造成蒙皮空隙缺陷。如何选择压力，平衡蜂窝滑移与蒙皮成型质量的关系，是V型蜂窝夹层结构的成型难点。

4.压力对成型质量的影响

在蜂窝与内蒙皮共胶接过程中，选择不同的成型压力，通过蜂窝是否产生滑移及内蒙皮的空隙率来考核V型蜂窝夹层结构的成型质量，其结果如下表2所示。

从表2中可以看出，选择0.1MPa的成型压力成型，最终制件的蜂窝不发生滑移，但内蒙皮空隙率高;选择0.2MPa的成型压力成型，最终制件的蜂窝轻微滑移，内蒙皮空隙率较低;选择0.3MPa的成型压力成型，最终制件的蜂窝产生较大滑移，内蒙皮空隙率低;选择0.4MPa的成型压力成型，最终制件的蜂窝产生很大滑移，内蒙皮空隙率低。

为满足内部质量要求，需要选择成型压力≥0.2MPa。

5.蜂窝预粘对成型质量的影响

由于考虑内蒙皮空隙率的要求，选择成型压力≥0.2MPa，但从表2中发现，选择压力≥0.2MPa时，蜂窝会产生滑移。为控制蜂窝滑移，增加蜂窝预粘工序，预粘前后对蜂窝滑移的影响见表3所示。

从表3中可以看出，在压力为0.2MPa和0.3MPa时，若不进行蜂窝预粘，则最终蜂窝产生滑移，若先进行蜂窝预粘，则最终蜂窝不产生滑移。

蜂窝预粘可以增强蜂窝与外蒙皮间的摩擦力，抑制成型压力的侧向分力对蜂窝侧向的压迫，从而提高蜂窝抵制变形的能力，是一种很好的蜂窝滑移抑制手段。

6.结论

1）针对某型号V型复合材料蜂窝夹层结构，选择外蒙皮先固化，蜂窝和内蒙皮共胶接的工艺方案。为降低铺叠难度，选择阳模成型外蒙皮，然后将固化后的外蒙皮放入V型阴模中，先定位蜂窝，再进行内蒙皮铺叠，最后进罐共胶接的工艺方案合理可行。

2）成型压力对V型复合材料蜂窝夹层结构成型质量有较大影响。成型压力越大，内蒙皮成型质量越好，但成型压力的增加会造成蜂窝滑移。

3）蜂窝预粘可以增强蜂窝与外蒙皮间的摩擦力，是一种很好的蜂窝滑移抑制手段。在0.2MPa及0.3MPa的成型压力下，增加预粘工艺，可以有效控制蜂窝滑移。

参考文献

[1] 先进复合材料与航空航天[J]. 杜善义.  复合材料学报. 2007（01）

[2] 袁超，程文礼，陈静.复合材料非热压罐成型孔隙率研究[J].玻璃钢/复合材料，2019（12）：89-93.

[3] 袁超.复合材料蜂窝夹层结构胶接定量补偿技术研究[J].科技与创新，2019（11）：79+81.

[4] 蒲永伟，宋 扬，齐 芳. U型多区域蜂窝夹层复合材料构件制造工艺探究[C]//第十届沈阳科学学术年华论文集（信息科学与工程技术分册）.2013：77-81.

[5] 乔巧玲.复合材料“U”型蜂窝夹层件制造技术研究[J].化工管理，2018（14）：76-77.

作者简介

作者简介：蒋金隆，男（1980-），本科，工程师，中国航空制造技术研究院复合材料研究中心，研究方向：复合材料成型工装技术，