李春媛++艾明++李红安

摘 要：蜂窝夹芯梁是复合材料零件特有的一种结构形式，它将层压梁和蜂窝夹芯零件的优势融为一体，具有力学承载特性好，整体重量轻、抗变形能力强等特点。该文以大尺寸蜂窝夹芯梁为研究对象，探讨了此类零件的制造方案，详细分析了蜂窝芯收缩、内部分层等常见技术问题，给出了相应的解决措施并进行了典型件验证。

关键词：复合材料 大尺寸 蜂窝夹芯梁

中图分类号：V25 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0112-02

21世纪以来，作为先进科技成果集中体现的航空产业呈现出蓬勃向上的发展态势。与此同时，复合材料的应用范围不断拓展[1]。相比传统的金属材料，在同等重量的前提下，复合材料具有更高的力学强度、良好的耐疲劳、耐腐蚀性能。得益于此，在航空产业中，越来越多的零（组）件采用复合材料制造。

可设计性强是复合材料的另一突出优势，通过结构形式及铺层角度设计，可使最终产品在力学性能、外形轮廓、整体重量等预期目标间取得最佳平衡。总体而言，复合材料零件可以分为层压件、蜂窝（泡沫）夹芯件、组合件等多种结构形式。梁、框、肋等细长型零件大多选择层压结构；壁板、口盖等蒙皮类零件一般选择蜂窝（泡沫）夹芯结构；而运动翼面等承力部位则可选用加筋壁板、楔形段等组合件的结构形式。

蜂窝夹芯梁是一种较为特殊的结构形式，它在传统层压梁结构中加入蜂窝芯元素，使梁类零件具备了更好的力学承载特性和抗扭曲性能并进一步降低了产品重量[2]。相比于蒙皮壁板，梁类零件的腹板宽度较窄，腹板与缘条相接的R区，曲率变化较大。在多种因素共同作用下，蜂窝夹芯梁的制造难度较大，易出现蜂窝芯收缩，蜂窝芯边缘铺层架桥等技术质量问题。该文以蜂窝夹芯梁为研究对象，从工艺流程、工装结构、铣切定位等方面深入探讨了此类零件的制造方案。

1 结构分析

蜂窝夹芯梁典型件由7块蜂窝芯与1根“C”型梁构成。零件长度约8 000 mm，腹板宽度约350 mm，层压区最厚处约6.8 mm，最薄处约3 mm。缘条最宽处约100 mm，最窄处约20 mm。零件主材料为环氧碳纤维预浸料，靠工装面局部为环氧玻璃纤维预浸料，蜂窝芯采用芳纶纸蜂窝芯。零件外形如图1。

2 制造方案

2.1 工艺流程

该零件采用数控下料，手工铺贴，共固化工艺整体成型，数控铣切外形轮廓。蜂窝芯放置时，使用激光投影系统确定其位置。制造流程如图2。

2.2 工装结构

通过分析其结构特点，该零件选用凸模制造。由于外形尺寸较大，必须考虑零件与工装在高温环境下的热膨胀效应[3]。因此，选用与主材料热膨胀系数最为接近的殷钢制造工装（见表1）。

3 技术难点及解决措施

3.1 内部及表面质量控制

典型件的铺层结构较为复杂，存在较多的减薄区和下陷区域。腹板面带有7块蜂窝芯，芯上层预浸料的铺贴难度较大，在蜂窝芯边缘易出现皱褶、架桥等缺陷。为杜绝此类问题的发生，该研究采取了如下措施：（1）铺贴时，以减薄区和下陷区为中心，向四周铺贴预浸料，防止预浸料铺层局部带应力而引起分层缺陷；（2）所有芯下层预浸料每1～3层抽真空压实一次，保证芯下层预浸料间贴合紧密；（3）所有芯上层预浸料均以零件腹板的中心区域为基准，向四周铺贴。且先铺贴蜂窝芯区域，再铺贴层压区域；（4）芯上层预浸料每铺贴一层，均需抽真空压实一次，保证铺层间密实；（5）压实时，在蜂窝芯之间放置由Airpad制作的壓力垫，保证压力传导均匀，也可杜绝表面皱折的出现。

3.2 蜂窝芯收缩

受多种因素的影响，蜂窝夹芯零件在固化过程中可能出现蜂窝芯的收缩，导致外形超差、分层、脱粘等缺陷。为从根本上解决此问题，在成型模两侧缘条面的余量区设计有防滑凹槽。在铺贴时，将预浸料的余量区嵌入至工装上的防滑凹槽内，并用同种材料将防滑凹槽填平。通过上、下两层预浸料的拉紧作用，限制了蜂窝芯的移动和收缩。铺贴完毕后，制作真空袋时，在蜂窝芯根部区域打褶，真空袋在此处保持一定的弹性和余量，避免局部压力过大。

3.3 数控铣切定位

为保证零件外形轮廓的准确性，大尺寸零件固化后一般采用数控设备铣切外形。在零件脱模前，需使用钻模板钻制数控铣切定位孔[6]。因此，数控铣切定位孔钻制的准确程度决定着零件的铣切质量。受工装的实际制造精度、钻模板与工装的配合程度、工人的操作水平等因素的影响，数控定位孔在钻制过程中时常出现偏差，影响零件的最终外形轮廓。为改善此问题，该研究中，零件在数控铣切时采用定位凸块进行定位。在成型模两端头余量区设计有定位凹槽，铺贴时，将此定位凹槽用预浸料填满并压实。固化后，即在零件余量区形成一个定位凸块。此定位凸块的准确度仅受工装实际制造精度的影响，可靠性更高。数控铣切后，零件外形轮廓更为准确。

4 结语

蜂窝夹芯梁将层压梁与蜂窝夹芯壁板融合为一体，制造难度较大。该文以大尺寸蜂窝夹芯梁为研究对象，从工装结构、工艺方案、技术难点等多方面进行了研究。探讨了蜂窝芯边缘局部架桥、铺层皱褶、蜂窝芯收缩、数控定位不准确等技术及质量问题，有针对性地提出了解决措施，取得了良好的效果。

参考文献

[1] 陈绍杰.我国先进复合材料产事业发展[J].玻璃钢，2014 （1）：13-26.

[2] 柴子龙.复合材料蜂窝芯夹芯结构疲劳行为研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.