段國晨，趙景麗，趙偉超

(西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司西工大無人機(jī)所，西安 710075)

0 前言

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐腐蝕等特性，在航空、航天、汽車、船舶、醫(yī)用、體育等方面的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。減重是航空永遠(yuǎn)的話題，復(fù)合材料的使用可以減少機(jī)體質(zhì)量而增加任務(wù)載荷、延長續(xù)航時間，而無人機(jī)幾乎達(dá)到全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如機(jī)身、機(jī)翼、垂尾、舵面、尾撐、梁等[4-5]。傳統(tǒng)的無人機(jī)機(jī)身板件為Nomex紙蜂窩夾芯，面板為玻璃布/碳布復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，具有大量的梁槽、肋槽，手糊玻璃鋼工藝成型板件時，梁槽和肋槽必須采用金屬假梁和假肋，定位銷進(jìn)行定位，烘箱固化成型[6-8]。機(jī)身梁為碳帶預(yù)浸料設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)和制造梁的成型工裝模具，采用熱壓罐真空袋成型工藝制造，然后將梁與左右板件二次膠接。長期采用金屬假梁、假肋，多次脫模，容易翹曲變形，并且，若采用定位銷進(jìn)行定位，復(fù)合材料面板會產(chǎn)生若干銷子孔，破壞纖維連續(xù)性，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量；模具表面還有產(chǎn)生大量銷子孔，生產(chǎn)一定批次之后需要進(jìn)行工裝維護(hù)，花費(fèi)一定成本；在飛機(jī)噴涂過程中，需要花費(fèi)大量工序去打膩?zhàn)用芊獾?。傳統(tǒng)的制造方法有諸多缺點(diǎn)，本文成功研究了復(fù)合材料整體組合壓力墊，準(zhǔn)確控制梁槽、肋槽尺寸位置，研究了UAV機(jī)身蜂窩夾芯板件與復(fù)合材料梁進(jìn)行整體共固化成型工藝，提高了產(chǎn)品表面質(zhì)量，降低飛機(jī)制造成本，縮短制造周期。

1 機(jī)身壁板與梁整體制造工藝技術(shù)

1.1 主要原料

聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)，閉孔泡沫，50 kg/m3，ROHACELL 51 WF，贏創(chuàng)德固賽有限公司；

復(fù)合材料膠膜，Hysol EA9696，美國樂泰公司；

玻璃布預(yù)浸料，MTM28-1-38%RW-EGLASS-P-125-1000，Cytec公司；

碳帶預(yù)浸料，MTM28-1-33%-12KT700SC-125-600，Cytec公司；

真空袋，WL-6400，埃爾泰克復(fù)合材料有限公司；

透氣氈，AIRBLEEDER10，法國Aerovac Systems公司；

密封膠帶，AT-200Y，埃爾泰克復(fù)合材料有限公司；

隔離膜，WL5200，埃爾泰克復(fù)合材料有限公司；

脫模劑，F(xiàn)REKOTE 700-NC，美國樂泰公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

熱壓罐，Φ3 m×6 m，美國Thermal Equipment公司。

1.3 復(fù)合材料整體壓力墊制造工藝

復(fù)合材料整體壓力墊就是復(fù)合材料輔助工裝，與復(fù)合材料板件有一樣的熱膨脹系數(shù)：一是可以均勻地傳遞壓力，保證肋槽表面平整，裝配區(qū)域精度提高；二是可以準(zhǔn)確控制蜂窩在放置及固化抽真空過程不會移動，從而控制肋槽的尺寸位置，避免裝配干涉；三是復(fù)合材料整體壓力墊可以避免金屬工裝銷子孔給產(chǎn)品所帶來的缺陷，保證產(chǎn)品外形質(zhì)量；四是可以避免因多次使用產(chǎn)生的翹曲變形問題；五是不損害工裝工作表面質(zhì)量；

復(fù)合材料整體壓力墊是采用厚度為0.1 mm的玻璃布預(yù)浸料在產(chǎn)品模具鋪貼，在熱壓罐中進(jìn)行固化所得到的一種復(fù)合材料輔助工裝；

輔助壓力墊對復(fù)合材料整體定位的關(guān)鍵技術(shù)在于精確制造壓力墊，為了得到與產(chǎn)品類型完全一致的曲面，首先采用玻璃布鋪貼與產(chǎn)品一致的厚度，或者在肋槽區(qū)域鋪貼產(chǎn)品實(shí)際鋪層，但是比肋槽寬度尺寸至少大20 mm，鋪貼時必須保證層與層之間服帖，我們稱其為“假件”，在假件表面鋪貼一層隔離膜，然后對稱鋪貼玻璃布預(yù)浸料，避免壓力墊變形，厚度與肋槽深度一致，寬度與假件尺寸一致，這個部分我們稱之為“復(fù)合材料整體壓力墊”，每3層進(jìn)行抽真空預(yù)壓實(shí)一次，肋槽區(qū)域鋪貼如圖1所示。

圖1 肋槽區(qū)域鋪貼典型示意圖Fig.1 Typical laying-up for rib grooves

鋪貼結(jié)束之后按照圖2進(jìn)行工藝組合，依次放置熱電偶、隔離膜、透氣氈、真空袋；

圖2 真空袋組合圖Fig.2 Vacuum bagging curing schematic for pressure pads

檢查氣密性，系統(tǒng)泄露不超過0.017 MPa，符合要求進(jìn)行熱壓罐固化，固化參數(shù)如圖3所示。

圖3 固化工藝流程圖Fig.3 Curing process

固化結(jié)束之后，自然降至室溫，脫模之前，在工裝非產(chǎn)品表面，采用定位銷對壓力墊進(jìn)行整體定位，預(yù)制銷子孔；脫模，采用高速鋸帶及砂磨機(jī)，依據(jù)模具線外側(cè)、肋槽外線進(jìn)行切割，并砂磨至模具線，保證端面平整；切割結(jié)束之后，假件與壓力墊脫離，獲得所需要的復(fù)合材料壓力墊。

1.4 復(fù)合材料機(jī)身板件與梁整體制造工藝技術(shù)

無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)身梁—外蒙皮的預(yù)鋪貼，中小型無人機(jī)機(jī)身一般采用梁、框槽、蒙皮、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，機(jī)身分為左右板件，最后二次膠接。針對左(右)機(jī)身壁板，兩根縱梁為泡沫填充的單向碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，蒙皮一般采用玻璃布或者碳纖維布，夾芯材料為Nomex紙蜂窩結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 機(jī)身壁板結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Drawing for the fuselage

無人機(jī)機(jī)身蒙皮與梁一般采用碳纖維布設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)工藝為機(jī)身板件與梁單獨(dú)固化成型，二次膠接的方法。本研究在鋪貼外蒙皮結(jié)束之后，采用復(fù)合材料輔助壓力墊定位泡沫筋條的位置，放置PMI泡沫筋條，并進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，如圖5 所示。在泡沫表面鋪貼所有加貼層，如圖6所示，每3層預(yù)壓實(shí)一次，預(yù)壓實(shí)過程必須放置壓力墊，避免在抽真空過程中引起泡沫偏移，引起在后續(xù)裝配過程所帶來的間隙配合問題，壓力墊可以很好地控制梁的位置。

復(fù)合材料機(jī)身板件與梁整體制造工藝技術(shù)：復(fù)合材料機(jī)身梁結(jié)貼鋪貼結(jié)束之后，放置整體壓力墊，固定蜂窩的位置；放置蜂窩前，在蜂窩底部四周可增加一層膠膜，稍稍加熱，便于在室溫條件固定蜂窩；抽真空預(yù)壓實(shí)之后，鋪貼肋槽加貼翻至蜂窩表面，包裹蜂窩，鋪貼內(nèi)蒙皮。工藝流程如圖7 所示，并依次放置隔離膜、壓力墊、透氣氈、真空袋等，進(jìn)行工藝組合，工藝組合圖如圖8 所示，檢查氣密性之后，進(jìn)行熱壓罐固化。60 ℃以下出罐脫模，經(jīng)過外形加工之后所獲得的機(jī)身左(右)板件如圖9所示。

圖5 泡沫梁的定位與放置Fig.5 Location of PMI foam

圖6 梁鋪貼示意圖Fig.6 Beam laying-up

圖7 機(jī)身板件成型工藝流程圖Fig.7 Process drawing of fuselage plate moulding

圖8 產(chǎn)品真空袋組合圖Fig.8 Vacuum bagging curing schematic for the product

圖9 共固化所制造的機(jī)身壁板左(右)板件Fig.9 Drawing for fuselage manufacture by co-curing

2 成本分析

通過共固化整體成型工藝，可以帶來成本的減少，與傳統(tǒng)工藝對比如表1所示。

表1 2種工藝優(yōu)缺點(diǎn)對比Tab.1 Advantage and disadvantage of the two process

3 結(jié)論

(1)借助復(fù)合材料整體壓力墊，可以制造無人機(jī)先進(jìn)復(fù)合材料機(jī)身蜂窩夾芯壁板、梁等整體件，替代了傳統(tǒng)金屬壓板，降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，提高了裝配精度，飛機(jī)已經(jīng)通過裝配及飛行驗(yàn)證；

(2)此工藝可以使用于典型的梁框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)合材料飛機(jī)。