复合材料工型封闭结构肋定位成型研究

蒋金隆

（中国航空制造技术研究院，北京101300）

复合材料具有比强度高、比刚度大等优点，已成为航空航天领域重要的轻量化结构材料，已广泛应用于飞机的各个部件，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]。

航空复合材料零件一般采用热压罐工艺成型，模具是主要工艺装备，用以保证零件形状、结构及质量。复合材料模具的设计制造对复合材料构件的产品质量影响较大[3-4]。

复合材料由于其优秀的各向异性和可设计型，能通过构型和铺层的设计满足各项要求。然而，在复合材料设计过程中，往往因为特殊的型面和受力状况，设计出的部分肋型面复杂、多处带闭角结构等，给复合材料零件成型带了巨大挑战。本文研究的复合材料复杂型面闭角结构工型肋成型技术，为型面复杂、带闭角结构的工型肋、J 形肋等的成型提供了新的解决方案。

1 零件结构特点

某型号复合材料肋为层压板结构，俯视图呈对此月牙状，且有加强筋，如图1 所示。肋截面呈工型，且一侧为闭角结构，如图2 所示。

图1 某型号复材肋俯视图

图2 某型号复材肋截面图

2 工艺难点分析

某型号复合材料肋为复杂工型封闭结构工型肋，型面复杂，在零件铺叠过程中，由于肋本身存在曲率，预浸料铺叠基准难以确定，且产品存在加强筋结构，成型过程零件的加强筋很难加压，一般需要设计分体模具且能保持压力传递。

工型肋一般采用上、下模具合模的方法成型，由于上述复合材料工型肋为四周封闭结构。如果采用上、下模具合模成型，上、下模具合模过程没有定位基准，零件成型后侧边（缘条面）容易出现高低阶差。

3 工艺方案设计

对于工型肋，在热压罐成型过程中，一般采用上、下模具合模成型，即在上模具和和下模具上分别铺贴预浸料，然后将上、下模具合模，在上、下模具合并后的模具上铺叠缘条侧的预浸料，最后采用进罐成型的工艺方案，如图3 所示。

图3 成型示意图

上、下模具采用钢材料或者膨胀材料（比如橡胶等）的优缺点及对零件成型质量的影响如表1 所示。

表1 工艺方案分析表

分析表1 可以发现，采用膨胀材料难以控制最终零件的外形及阶差，因此上模具及下模具都采用钢材料，以保证零件成型后能顺利脱模。

对于本文研究的复合材料复杂型面封闭结构工型肋，由于零件四周包围封闭切存在加强筋，上、下模具的定位也存在较大困难，因此为了保证上、下模具的准确定位，需要设计定位装置，既要保证上模具及下模具在铺叠后能准确定位消除阶差，还需要保证加强筋无质量缺陷。

4 组合工装设计

工装是保证复合材料零件外形尺寸及内部质量的重要因素。本文在工装设计过程中，将零件上、下外形面分别作为上模具的下型面和下模具的上型面。上、下模具通过定位梁进行定位。定位梁还能保住压力持续传递。组合模具如图4所示，其中，①为上、下模具的定位梁，②为上模体，③为上模体，④为定位块，⑤为成型的零件。

图4 组合模具示意图

5 铺叠方案设计

零件铺叠过程中，由于复合材料复杂工型封闭结构肋型面曲率大，零件铺叠基准难以确定，因此在铺叠过程中，将预浸料料片在下料过程中剪裁为方块料片，并在料片背衬纸上标识中位线。同时在上、下模具的铺叠边缘线之外都进行中位线标识，以中位线作为预浸料0°铺层的基准线，依次进行铺叠。

同时为保证预浸料铺叠质量，选择每铺叠4 层预浸料后，进行一次抽真空操作，真空度不低于0.08 MPa，抽真空时间不短于20 min。

在上、下模具合模后，铺叠缘条部分预浸料前，需要对上、下合模后的R 角区域填充预浸料单向带，保证成型后零件的R 区填充饱满无缺陷。

6 验证

采用本文所述工艺方案及图4 所述工装，选择中温环氧预浸料铺叠，热压罐成型后的复合材料复杂型面封闭结构工型肋外型、外观、内部质量检验合格，能满足设计技术要求。

7 结论

对于复合材料复杂工型封闭结构工型肋，采用上、下模具合模成型，即在上模具和和下模具上分别铺贴预浸料，然后将上、下模具合模，在上、下模具合并后的模具上铺叠缘条侧的预浸料，最后采用进罐成型的工艺方案，成型后的零件能满足设计技术要求。

对于复合材料复杂型面封闭结构工型肋，设计了一套组合工装，既能保证上、下模具的定位准确，又能通过定位梁保证压力持续传递。

在铺叠过程中，通过设置铺叠基准，多次抽真空及合模后R 区的预浸料单向带填充，保证铺叠质量，从而保证最终零件的成型质量。