深U形蜂窝夹层结构整流罩制造技术研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：以零件几何外形和质量控制作为关注重点，从深U型大曲率整体刚性蜂窝芯零件成型、重量、厚度控制及固化变形控制等方面进行了多方位攻关，相关成型工艺方案及质量控制技术得到整体攻克，为U型复合材料夹层结构整流罩零件的精确制造积累了经验。
　　关键词：整流罩;U形蜂窝;重量及厚度;变形控制
　　中图分类号：V214文献标志码：A 文章编号：1001-5922（2019）00-0158-05
　　复合材料具有质轻、比强度高、比模量高、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强等特点，尤其适用于大型及整体结构，是理想的航空结构材料，在飞机结构上的应用日益广泛。随着复合材料用量的不断增加，其应用范围也不断拓展，由最初的内装饰零件逐步扩展至次承力件，直至主承力件。整流罩为飞机上的次承力件，外形双曲，截面为U型，是保证飞机气动外形的重要零件。复合材料整流罩类零件一般分为层压、蜂窝夹层两种结构形式，采用热压罐成型工艺制造。由于采用了蜂窝芯，产品重量得以大幅降低，因此，蜂窝夹层结构整流罩零件逐渐受到了设计人员的青睐。
　　某型飞机的整流罩零件为外形双曲率、深U型、变截面的蜂窝夹层结构。因零件曲率大、结构复杂，且采用整体的刚性蜂窝芯，给零件的成型带来极大的挑战。另一方面，整流罩类零件均采用热压罐成型，而采用热压罐固化的复合材料制件普遍存在固化变形现象。这主要是由于复合材料在固化成型阶段经历了复杂的温度和压力历程，发生树脂基体交联反应、树脂基体固化收缩以及树脂流动等一系列复杂的物理一化学过程。此外，增强纤维和基体树脂热胀系数不同，固化工艺参数不同，以及零件一模具相互作用，使得在固化成型阶段复合材料零件内部极易产生残余应力，最终导致零件脱模后出现不同程度的“收口”变形效应，影响其外形精度。变形后的复合材料零件无法在装配过程中进行外形修配。因此，为满足后续装配需求，复合材料零件的精确制造势在必行。
　　本文通过分析深U型蜂窝夹层结构整流罩零件的结构特征，确定了该类零件的制造技术难点。在实际生产中，以零件几何外形和质量控制作为关注重点，针对热压罐成型过程中涉及的深U型大曲率整体刚性蜂窝芯零件成型、重量、厚度控制及固化变形控制等方面的技术难点进行了多方位的攻关。通过一系列的技术研究及试验件制造验证，相关成型工艺方案及质量控制技术得到整体攻克，在U型复合材料夹层结构整流罩零件的精确制造方面积累了一定经验，为类似结构的制造提供技术参考。
　　1整流罩零件结构特点
　　1.1结构简介
　　整流罩零件为双曲率、深U型、变截面的蜂窝夹层结构，外形尺寸约为1927mm（长度）×494mm（开口宽度）×753mm（开口深度），如图1所示，由1块整体蜂窝芯及内外面板组成。其中，内外面板材料为中温玻璃纤维织物3218/EW250F，夾芯材料为六边形刚性蜂窝芯NH-1-2.7-48，厚度20mm。为防止雷电损伤，在整流罩的外表面铺贴1层防雷击金属网。
　　1.2技术指标要求
　　产品主要技术指标为：
　　.重量公差±4%;
　　.厚度公差±8%;
　　.外形尺寸公差按HB7741-2004;
　　.蜂窝芯边缘允许收缩，收缩量小于6mm。
　　.型面检查：采用成型工装检查贴胎间隙，不施加外力时要求最大贴膜间隙不大于lmm/m。或在300mm距离上施加50N的力，加力处的贴膜间隙应小于0.5mm。
　　.表面质量检查：目视检查制件表面，要求零件漆层连续，光滑、均匀，无颗粒、流痕、气泡、缩孔、桔皮，漆层表面无擦、划伤。
　　.内部质量采用X光及超声检测。
　　2整流罩零件制造技术难点
　　根据整流罩零件结构特征及技术指标要求，其制造技术难点主要包括以下方面：
　　2.1深U型大曲率整体刚性蜂窝芯零件成型难度大
　　整流罩蜂窝芯零件尺寸约为1807mm（长度）×494mm（开口宽度）×708mm（开口深度），厚度20mm，斜面角度25°，长度方向为L向。蜂窝芯零件曲率大，截面为U型，且各截面曲率渐变。而蜂窝芯原材料一般为平面结构，因此必须先按数模将蜂窝芯展开至平面，再加工其外形。如何选择合适的展开截面是保证拼接成型质量的关键。另一方面，六边形刚性蜂窝芯不同于柔性蜂窝芯，展开成平面状态后仍无法按照工装进行一定曲率下的自由赋型，且在一定拉伸或挤压情况下，易出现芯格变形、褶皱、撕裂、凹陷等缺陷，无法满足后续使用要求。一般通过胶膜稳定化处理实现刚性蜂窝芯的定型。具体的稳定化处理参数及细节操作关系到最终的蜂窝芯成型质量，需进行研究验证。
　　2.2整流罩零件厚度不易控制
　　零件层压区厚度公差±8%，该要求对于U型整流罩零件来说较难控制，主要原因有三个方面。a）整流罩零件采用中温固化环氧玻璃织物预浸料成型，该材料的树脂含量高达45±3%（常见材料约为38%），粘度大且流动性好，固化后制件易造成厚度超差。b）玻璃布单层厚度0.25±0.035，公差达±14%，材料厚度指标已超过要求的±8%;c）整流罩零件为U型结构，采用凹模成型，固化过程中树脂受重力影响，U型顶部树脂易流动至U型底部，造成顶部厚度超薄而底部超厚的情况。
　　2.3整流罩零件重量不易控制
　　整流罩零件重量公差要求±4%，而常见的重量公差要求一般为±5%～±10%。影响整流罩零件重量的因素主要有蜂窝芯成型过程中的填充胶用量、发泡胶用量、胶膜用量，组件成型时的胶膜用量、面板玻璃布用量。材料种类多，需合理分配并严格控制不同环节的用量才能保证最终的产品重量满足设计指标要求。
　　2.4整流罩零件固化变形
　　整流罩零件脱模后出现不同程度的“收口”变形效应，影响其外形精度。按照类似零件制造经验，单边收口变形量可达到10mm～15mm，不满足设计要求的贴胎间隙值，严重影响后续装配。针对整流罩类复合材料制件固化变形问题，一般通过调整模具型面来补偿制件变形量，以控制变形程度或抵消变形的影响作用。模具的调整量通常根据以往的经验或反复试模。该方法大大增加了制件的成本预算和研制周期，严重制约复合材料在复杂装配关系结构中的应用。 　　随着复合材料结构类型及用量的大幅增加，工程上对复合材料固化变形的预测与固化变形补偿方法提出了紧迫的现实要求。改变依靠工艺人员经验和反复试错进行变形量预测和补偿的方法，建立复杂外形曲面零件变形量补偿专用技术，成为必须面对和解决的问题。复杂构型复合材料固化变形的预测方法，大致可分为以下3类，包括有限元模型预测方法、回归分析预测方法以及基于神经网络的预测方法。然而，出于工程应用需求的考虑，则希望固化变形预测方法具有步骤简单规范、计算效率高、成本低、实用性强等特点。
　　3制造技术研究
　　针对上述4个技术难点，系统性的开展以下方面的攻关研究。
　　3.1深U型大曲率整体刚性蜂窝芯零件成型技术
　　从平面结构的蜂窝芯原材料到深U型变曲率的蜂窝芯零件，成型过程中需进行蜂窝芯展开、制v型槽、拼接、稳定化、铣切斜边、填胶等工序，如图2所示。其中的关键技术点为制v型槽和稳定化处理。
　　制V型槽主要是针对蜂窝芯零件R区，操作目的是去除平面状态到R状态转变时产生的“多肉”部分，使R区刚性蜂窝芯具有一定的可弯折性，并通过在v型槽内填充灌封胶使其固型。本项目研究过程中，首先在蜂窝芯数模中分析R区的曲率半径、R区宽度，在保证型面贴合度及芯格不挤压的前提下，确定出最优的v型槽数量及位置，并通过制作R区V型槽样板，将该工序操作标准化，降低了操作难度，保证了v型槽质量的稳定性。
　　稳定化处理的目的是进行弯折后蜂窝芯的定型。本项目中的蜂窝芯零件尺寸大，需由多块蜂窝采用泡沫胶拼接而成，因此稳定化同时可完成蜂窝芯的拼接固化。常用的稳定化处理方法为胶膜法，即在蜂窝芯的贴模面铺贴整层胶膜，进热压罐固化后进行蜂窝芯定型。由于胶膜固化后变硬，导致蜂窝芯与上下面板共固化成型时的型面匹配性变差，固化后整流罩制件在胶接面易产生架桥分层等无损缺陷。本项目对蜂窝芯稳定化方案进行了细节方面的优化，将整层胶膜更改为距蜂窝芯边缘宽度80～100mm范围，在蜂窝芯斜面边缘底部铺贴6～10mm宽度的泡沫胶用于防止蜂窝芯收缩，同时取消R区胶膜，并将v型槽的填充胶转移到后续零件成型时进行。通过以上更改，保证了稳定化后的蜂窝芯尺寸稳定性，同时使蜂窝芯在曲率较大部位具有一定的柔软度，提高了蜂窝芯与上下面板共固化过程中的型面匹配度。
　　通过R区开V型槽、蜂窝芯稳定化工艺改进等措施，实现了平面状态刚性蜂窝芯的柔性化处理，成功制造出与上下面板型面匹配度较好的蜂窝芯零件。
　　3.2零件厚度及重量控制
　　零件的厚度和重量兩个因素之间相互影响、相互制约。本项目中整流罩零件的厚度和重量指标要求均严于常见产品。根据零件结构特点及所使用的材料性能分析，主要采取三方面措施。1）梳理零件制造过程中所需的材料种类及理论重量范围，在实际制造过程中严格控制，确保每种材料的用量不超过理论范围。2）制作玻璃纤维织物的平板试验件，测量固化后的重量及单层厚度。根据测试结果，通过干玻璃布吸胶、预压实等工艺措施进行双向调节，寻找平衡点。3）制造典型件，全面评估验证平板试验件中的工艺措施，根据典型件制造结果进一步优化，对预压实参数进行固化。通过以上措施，成功实现了整流罩零件的厚度和重量控制，详见表1.
　　3.3固化变形控制
　　整流罩零件的固化变形控制主要通过在工艺设计阶段用工艺数模取代产品数模进行工装型面补偿设计来实现。目前构建工艺模型的途径主要有两种，一是制造理论型面的试验件，通过测量固化后试验件的实际型面，确定固化变形量，给出1：1或一定修正比例的反向补偿量，用于构建工艺数模。二是采用软件进行理论分析，确定整流罩数模的几何结构特征，根据固化变形经验公式给出不同弧段的补偿量，然后分段补偿并重构几何特征，最终形成工艺模型，详细流程见图3。
　　针对本项目中的整流罩零件，采用第一种途径构建工艺数模进行固化变形控制。按照理论数模制造试验件A。按照工艺数模设计成型工装型面，制造整流罩试验件B。利用三维激光跟踪仪分别测定试验件型面。零件气动外缘型值基本公差为（0±1.0）mm，比对分析结果如图4及图5所示。
　　综合分析图4、图5及表2可知，按照工艺数模制造试验件B，其固化后的变形量可减少约90%，型面合格点数由66%提高到96%，基本实现了整流罩零件的固化变形控制。
　　在工程应用过程中，固化变形补偿量的预测需根据补偿后制件的实际型面偏差值进行迭代优化，通过持续的积累和完善，不断提高预测和补偿的准确度，最终实现整流罩类制件的变形可控化。
　　4结论
　　本项目以U型蜂窝夹层结构整流罩为研究对象，针对其热压罐成型过程中涉及的四个难点开展技术研究。通过理论分析及试验件制造，总结出以下结论，为类似零件的制造提供技术参考。
　　（1）通过R区开v型槽、蜂窝芯稳定化工艺改进等措施，实现了平面状态刚性蜂窝芯的柔性化处理，成功制造出与上下面板型面匹配度较好的深U型大曲率整体刚性蜂窝芯零件。
　　（2）通过理论计算及制造过程严格控制，结合干玻璃布吸胶、预压实等工艺措施进行双向调节，可实现重量及厚度两个因素的平衡控制。
　　（3）可通过正向补偿预测及实物测量后反向补偿两种途径进行整流罩零件的工艺数模构建，并利用工艺数模进行工装补偿设计，实现整流罩零件的固化变形控制。无论哪种方式，均需在工程应用过程中，根据补偿后制件的实际型面偏差值进行迭代优化，通过持续的积累和完善，不断提高预测和补偿的准确度，最终实现整流罩类制件的变形可控化。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15137008.htm