薛向晨 胡江波 王犇 曹正華 鄭曉玲 孟慶功 梁憲珠

摘要：針對大型民用客機中復(fù)合材料零件的制造工藝，提出了一套基于疊層滑移工藝的復(fù)合材料骨架類零件自動化制造技術(shù)，利用疊層滑移工藝在將平面預(yù)形體變形成帶圓角的立體預(yù)形體過程中沒有褶皺的特點，形成了疊層滑移工藝制備復(fù)合材料J形和C形梁立體預(yù)形體的具體工藝方法。對于采用該技術(shù)制造的復(fù)合材料J形梁和C形梁，開展了內(nèi)部缺陷、厚度和外觀等常規(guī)檢查，檢查結(jié)果滿足設(shè)計的要求；采用剖切的方法對制件的纖維面外褶皺進(jìn)行檢查，結(jié)果表明不同位置的截面厚度一致，厚度均勻，在圓角處鋪層走向穩(wěn)定，無纖維褶皺；采用逐層打磨的方法對制件的纖維面內(nèi)彎曲進(jìn)行檢查，結(jié)果表明鋪層中纖維準(zhǔn)直，沒有彎曲和開裂的情況。以上研究表明，與傳統(tǒng)的手工鋪疊工藝比較，基于疊層滑移工藝的復(fù)合材料J形和C形骨架零件自動化制造技術(shù)的工藝穩(wěn)定性好、質(zhì)量一致性高、成本較低，適合自動化批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；J形梁；C形梁；疊層滑移；褶皺；纖維屈曲；自動化

中圖分類號：TB332文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.005

對于預(yù)浸料熱壓罐成形工藝來說，基本的制造流程是首先將預(yù)浸料料片制備成立體預(yù)形體，再放到固化模具上在熱壓罐中進(jìn)行固化，立體預(yù)形體制備是復(fù)合材料構(gòu)件制造過程中的關(guān)鍵工序之一。隨著復(fù)合材料在航空工業(yè)應(yīng)用的增長，復(fù)合材料零部件及結(jié)構(gòu)制造自動化也將隨之?dāng)U展，對大型復(fù)合材料構(gòu)件的自動化應(yīng)用技術(shù)需求愈來愈迫切[1-4]。國內(nèi)制造商通過引進(jìn)自動鋪帶和自動鋪絲設(shè)備，已經(jīng)實現(xiàn)了蒙皮預(yù)形體自動化制備的技術(shù)突破[5-6]；國內(nèi)外制造商針對大型C形截面的梁類構(gòu)件，通過對構(gòu)型、鋪絲工藝和工裝，以及預(yù)浸絲的工藝適用性等技術(shù)研究，實現(xiàn)了C形立體預(yù)形體自動化制備的技術(shù)突破[7-14]。

目前，波音787和空客A350飛機的產(chǎn)量已大致達(dá)到了150架份/年[15]。未來我國大型寬體客機如果按年產(chǎn)量50架份估算，那么每年需要等截面J形和C形梁的總長度將分別達(dá)到約12250m和14000m。因此，對該類產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)技術(shù)的需求非常迫切。

由于截面尺寸小、帶拐角等特點，手工鋪疊長桁、梁等零件的立體預(yù)形體一直比較難以控制。為了提高產(chǎn)品的工藝穩(wěn)定性和質(zhì)量一致性，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和降低制造成本，航空工業(yè)復(fù)材的研究人員在基于疊層滑移工藝制備長桁立體預(yù)形體的基礎(chǔ)上[16]，開發(fā)了等截面J形和C形梁的立體預(yù)形體制備技術(shù)，實現(xiàn)了自動化、工程化制造。

本文以某大型飛機機身復(fù)合材料等截面J形和C形梁為研究對象，介紹了其成形的自動化技術(shù)、工藝驗證及應(yīng)用的情況。

1預(yù)形體制備

1.1構(gòu)件介紹

J形和C形梁的典型結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

1.2制造工藝方案和流程

J形和C形梁的制造工藝方案如下：（1）采用自動鋪疊工藝鋪疊一個批次零件的大塊平面預(yù)形體；（2）將大塊平面預(yù)形體分切為若干個單塊的平面預(yù)形體；（3）將單塊的平面預(yù)形體轉(zhuǎn)移至J形或C形梁預(yù)形體制備的專用設(shè)備中；（4）將平面預(yù)形體成形為立體預(yù)形體；（5）將立體預(yù)形體從設(shè)備中取出，運送至固化模具上；（6）將立體預(yù)形體封裝在固化模具上，進(jìn)熱壓罐中固化。

J形和C形梁的制造工藝流程如圖3所示，其中的方框部分為本系列技術(shù)的重點研究對象。

1.3平面預(yù)形體鋪疊與裁切

采用自動鋪帶或自動鋪絲工藝鋪疊出整塊的預(yù)浸料平面預(yù)形體，然后采用超聲切割刀將其分切為各個單塊的平面預(yù)形體。

1.4平面預(yù)形體轉(zhuǎn)運

因平面預(yù)形體易于變形，在轉(zhuǎn)運時需要有輔助裝置來保形。該輔助裝置可將平面預(yù)形體從鋪疊平臺上轉(zhuǎn)運至疊層滑移成形設(shè)備中，通過定位系統(tǒng)將平面預(yù)形體在各設(shè)備之間定位。

1.5平面預(yù)形體成形為立體預(yù)形體

（1）疊層滑移工藝與設(shè)備

疊層滑移工藝是將平面預(yù)形體經(jīng)過緩慢的變形過程成形為立體預(yù)形體的過程。在這一過程中平面預(yù)形體內(nèi)部相鄰鋪層之間要發(fā)生相對滑移，通過這種相對滑移運動來避免纖維褶皺的產(chǎn)生。

將平面預(yù)形體成形為立體預(yù)形體的疊層滑移工藝是由專用設(shè)備完成的。航空工業(yè)復(fù)材開發(fā)的基于疊層滑移工藝的J形和C形梁立體預(yù)形體制備設(shè)備如圖4和圖5所示。

（2）預(yù)浸料樹脂的流變性能

預(yù)浸料樹脂的流變性能是影響預(yù)形體產(chǎn)生層間相對滑移的重要因素之一，選用預(yù)浸料樹脂的等速升溫黏—溫曲線如圖6所示，等溫（135°C）黏—時曲線如圖7所示。

（3）疊層滑移工藝的操作過程

第一步，將平面預(yù)形體放置于模頭上并定位；第二步，對需成形的平面預(yù)形體進(jìn)行加熱并保溫，保溫溫度和時間依據(jù)預(yù)浸料樹脂的流變性能和試驗驗證結(jié)果確定；第三步，模頭之間進(jìn)行相對運動，使得平面預(yù)形體逐漸變形為需要的帶折角的立體預(yù)形體。

（4）J形和C形梁的立體預(yù)形體制備

J形梁立體預(yù)形體成形動作如圖8所示；C形梁的立體預(yù)形體成形動作如圖9所示。

1.6封裝及固化

將J形梁和C形梁的立體預(yù)形體轉(zhuǎn)移到固化模具上進(jìn)行封裝，如圖10所示，封裝后進(jìn)熱壓罐固化，固化工藝曲線如圖11所示（當(dāng)壓力達(dá)到0.14MPa時，將真空袋內(nèi)真空降至-0.02MPa，直到固化結(jié)束）。

2結(jié)果與分析

2.1常規(guī)檢測

（1）無損檢測

對40余件J形梁和300余件C形梁試驗件進(jìn)行了全覆蓋超聲無損檢測及孔隙率測試，未發(fā)現(xiàn)分層等超標(biāo)缺陷，孔隙率≤1.5%。

（2）零件厚度

采用磁力測厚儀和超聲測厚儀對40余件J形梁和300余件C形梁的厚度進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果均滿足設(shè)計要求的平面區(qū)±5%、圓角區(qū)±10%的指標(biāo)要求。某批次梁的厚度測量位置如圖12所示，測量結(jié)果如圖13所示；C形梁的厚度測量位置如圖14所示，測量結(jié)果如圖15所示。

2.2破壞性檢查

（1）鋪層的面外褶皺

對J形梁和C形梁進(jìn)行橫向剖切，主要觀察的各個圓角處的鋪層是否有纖維褶皺，橫向剖切位置與厚度測量的位置相同，典型的橫向剖面的照片結(jié)果如圖16和圖17所示。

結(jié)果表明，不同位置的截面狀態(tài)一致，厚度均勻，在圓角處鋪層走向穩(wěn)定，無纖維褶皺。

（2）纖維的面內(nèi)彎曲

將平面預(yù)形體變形為立體預(yù)形體時，如果預(yù)形體層間的剪切力過大就會破壞原有的纖維狀態(tài)，使得纖維在平面內(nèi)出現(xiàn)彎曲或開裂[17]。

于是采用了逐層打磨的檢查方法，來觀察各個角度鋪層的纖維走向。經(jīng)過三件試驗件的逐層打磨檢查，被檢查試驗件內(nèi)部的鋪層中纖維準(zhǔn)直，沒有彎曲開裂的情況。

J形梁和C形梁的面內(nèi)纖維檢查位置與厚度測量的位置相同，典型面內(nèi)纖維情況如圖18和圖19所示。

2.3疊層滑移的關(guān)鍵工藝參數(shù)

疊層滑移工藝是平面預(yù)形體經(jīng)過不斷的變形成為立體預(yù)形體的過程，在這一過程中預(yù)形體內(nèi)相鄰的鋪層之間發(fā)生了相對的滑移，從而避免了褶皺的產(chǎn)生。

在這一過程中，主要控制的工藝參數(shù)是層間的相對滑移速度、平面預(yù)形體的溫度和保溫時間。

根據(jù)具體的J形梁和C形梁結(jié)構(gòu)及鋪層，并參考樹脂本身的流變特性最終選取的工藝邊界范圍：相對滑移速度1.2～ 12mm/min之間；保溫溫度60～80℃之間；保溫時間1～30min之間。

胡江波[17]等對該工藝參數(shù)范圍內(nèi)的疊層滑移工藝研究發(fā)現(xiàn)，該工藝雖然會影響層壓板拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能、短梁剪切性能和面內(nèi)剪切性能，但影響的程度有限，且通過選擇合適的疊層滑移工藝參數(shù)，可以最大程度地降低該工藝的影響，很適合用在機體結(jié)構(gòu)內(nèi)部不會受到?jīng)_擊載荷的長桁、梁等骨架結(jié)構(gòu)上[18-25]。

3結(jié)束語

通過分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）驗證結(jié)果表明，采用基于疊層滑移的J形和C形梁的預(yù)形體制備工藝及專用成形設(shè)備，可以將預(yù)浸料平面預(yù)形體成形為立體預(yù)形體，工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品的質(zhì)量一致性好。

（2）本文介紹的基于疊層滑移工藝的J形梁和C形梁預(yù)形體制備工藝與設(shè)備可以進(jìn)一步開發(fā)為專用的工業(yè)化流水線；相對手工鋪疊工藝成本低且效率高，具有非常大的競爭優(yōu)勢。

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作者簡介

薛向晨（1983-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：復(fù)合材料成形工藝。

Tel：18911984072E-mail：c31050201@sina.com

Manufacture Technology of Composite J-section and C-section Beam Based on Laminated Sliding Process

Xue Xiangchen1，*，Hu Jiangbo1，Wang Ben1，Cao Zhenghua1，Zheng Xiaoling2，Meng Qinggong2，Liang Xianzhu1

1. AVIC Composite Corporation Ltd.，Beijing 101300，China

2. Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 200436，China

Abstract： Aiming at the manufacturing process of composite material parts in large commercial aircraft， a series of automatic manufacturing technology of composite material frame parts based on the laminated slip is proposed. The laminated slip process is used to transform the flat blank into a three-dimensional blank with rounded corners. There is no wrinkle in the process， and a specific process method for preparing the composite material J-shaped and Cshaped beam three-dimensional preform is formed. For composite J-beams and C-beams manufactured with this technology， routine inspections such as internal defects， thickness and appearance were carried out， and the inspection results meet the design requirements. The method of sectioning was used to check the out-of-plane fiber wrinkle of the parts. The results shows that the thickness of the cross-sections at different positions is the same and the thickness is uniform. The pavement at the rounded corners is stable and no fiber folds exist. The layer-by-layer peeling off is used to check the fiber in-plane distortion of the parts and the results shows that the fibers in the layup are collimated without distortion or cracking. The above research shows that， compared with the traditional manual layup process， the automatic manufacturing technology of composite material J-shaped and C-shaped skeleton parts based on the laminated slip process has good process stability， high quality consistency， low cost， and is suitable for automated batch production.

Key Words： composites； J-section beam； C-section beam； laminated sliding； wrinkle； distortion； automation