某型飞机PMI泡沫夹层结构翼梢小翼成型技术研究

2018-04-16成艳娜刘向阳

粘接 2018年4期

成艳娜，刘向阳

（西安飞机工业（集团）有限责任公司，陕西西安 710089）

复合材料泡沫夹层结构质量轻，具有较大的弯曲刚度和强度，是承载效率较高的结构形式，已广泛应用于航空领域飞行器的尾翼、尾梁和机身等部件[1]。PMI闭孔泡沫具有各向同性的特点，在热压罐固化过程中，泡沫各向同性的空隙结构可以满足侧压下尺寸稳定性的要求而无需用泡沫胶填充，且泡沫能将热压罐的压力均匀地传递给泡沫下方面板的铺层，使其压实，没有压痕等表面缺陷，保证了面板的成型质量，实现夹芯结构的共固化[2～4]。

某型飞机为了达到减重目标和强度要求，其翼梢小翼采用了全高度的泡沫夹层结构。这种全高度泡沫夹层结构由复合材料蒙皮和硬质PMI泡沫芯材组成，无梁，仅有端肋及中间加强肋；其承力原理类似于夹层结构梁，泡沫芯材起到腹板的作用。该结构形式简单，质量较轻，简化了传统的装配协调关系。

泡沫夹层结构翼梢小翼零件的面板采用玻璃纤维复合材料，夹芯材料为PMI聚酰亚胺硬质泡沫塑料。翼梢小翼零件共包含泡沫芯、肋、复材弯管及外蒙皮等7项次级零件。零件曲率较大、结构复杂，给复合材料制造带来了较大的难度。

本研究通过对泡沫夹层结构翼梢小翼结构特点和难点进行分析，针对热压罐成型过程中涉及的异形复杂型面硬质泡沫精确加工、弯管类零件成型方案、翼梢小翼成型工艺方案设计以及胶接夹具工装方案设计等4个方面的技术难点进行研究；通过试验件制造验证，确定合适可行的工艺工装方案。

1　翼梢小翼产品结构特点

1.1　结构简介

泡沫夹层结构翼梢小翼位于飞机机翼的翼梢，左右件为对称件，零件数模如图1所示。小翼零件外形双曲，尺寸约为750 mm×620 mm，由3块泡沫芯、2项肋、1项复材弯管及外蒙皮共7项次级零件组成。为防止雷电损伤，在翼梢小翼的外形面铺贴防雷击金属网。零件所用原材料如表1所示。

图1　翼稍小翼零件示意图Fig.1　Schematic of winglets

表1　翼梢小翼用原材料Tab.1　Materials list of winglets

1.2　技术指标要求

产品主要技术指标为：气动外形公差±1.0 mm、质量公差±10%和厚度公差±5%；目视检查制件表面，不允许有5 mm×5 mm面积或0.2 mm深度的树脂堆积、铺层褶皱、凹坑、凸起和胶瘤，不允许有可见的贫脂区，不允许有开裂或破碎树脂，不允许有5 mm×5 mm的擦伤、外来物夹杂等。

2　PMI翼梢小翼制造难点

根据翼梢小翼零件结构特点，其制造过程可大致分解为相对独立且又紧密关联的2个环节，分别为次级零件制造、次级件共胶接或二次胶接形成翼梢小翼组件。不同环节均有其相应的制造技术难点。

（1）泡沫芯型面复杂，按照常规方法无法数控铣切。翼梢小翼零件共包含3块泡沫芯，均为双曲率结构，厚度从后缘部位的4 mm过渡到翼面最高处约70 mm。复材弯管从泡沫芯中部通过，导致其中2块泡沫芯内部有Φ32 mm贯穿全长度的空腔，且空腔外形转角约为90°和135°，按照常规方法无法进行数控铣切。

（2）PMI泡沫具有一定的热压缩蠕变性能。采用热压罐成型工艺制造泡沫夹层结构时，泡沫芯材在温度和压力的双重作用下会产生一定量的收缩。对于泡沫夹层复合材料制件来说，泡沫芯收缩会影响制件的尺寸稳定性，甚至造成泡沫夹层结构复材制件的脱粘缺陷。

（3）翼梢小翼弯管零件为管状封闭式结构，采用常规的凸模或凹模金属工装成型时无法保证零件的内外型面质量，且因弯管零件带有约90°和135°的转角，整体式模具容易导致固化后零件无法脱模。

（4）对于泡沫夹层结构翼梢小翼而言，零件成型风险点主要为表面质量及无损质量控制。成型工艺过程中涉及泡沫芯拼接技术、后缘区成型技术、泡沫芯与肋、复材弯管的胶接技术、蒙皮及金属网铺贴技术等，这些方面会直接影响到产品表观及内在质量的控制，最终影响产品整体质量。

（5）翼梢小翼为飞机上的次承力部件，其外表面为飞机气动外形面，因此，对表面质量及内部质量要求均较高。而泡沫夹层结构在固化过程中因泡沫芯热压缩蠕变等性能，易导致完工后复材制件出现褶皱、凹陷等表面问题，以及蒙皮与泡沫芯脱粘、内部密集孔隙和空腔等无损缺陷问题。

所以，必须选择合理的工装方案来保证固化过程中的压力均匀传递及表面平整度。

3　工艺技术研究

针对上述5个技术难点，开展了以下方面的研究攻关。

3.1　异形复杂型面硬质泡沫芯的精确加工

在相同密度条件下，PMI泡沫是强度和刚度相对最高的泡沫材料[5]。一般可采用机械加工将泡沫芯材数控加工至所需的曲面形状。而对于内部带有管状空腔的复杂结构，由于设备加工能力限制，无法整体成型。

针对此类异形复杂型面泡沫芯零件，可采用分体式铣切成型技术，以保证零件的加工精度。具体做法为：以泡沫芯零件空腔中轴线垂直翼面的平面作为分割面，将复杂型面的泡沫芯零件分割为2个独立的子零件，然后采用悬空双面铣切方式分别数控铣切子零件型面。在成型泡沫夹层结构零件时，采用胶膜或发泡胶将2个泡沫子零件在成型工装上进行拼接，再进入热压罐固化，最终得到一个整体PMI泡沫芯夹层结构的零件。该铣切方案可节省一套泡沫芯铣切夹具，且铣切精度较高，降低了废品率，缩短了生产周期。

图2　复杂型面泡沫芯的加工Fig.2　Machining of foam core with complex shaped surface

为消除泡沫芯材料热压缩蠕变性能对制件尺寸稳定性及胶接质量的影响，要保证固化后翼梢小翼零件的外形精度，以满足飞机外形要求；在机械加工前后对泡沫芯材料进行干燥处理的同时，需增加一定的加工补偿量。通过开展基础试验，确定泡沫芯材料在一定温度压力条件下的收缩量，综合分析翼梢小翼零件的结构特点及胶接工艺，最终确定泡沫芯零件在铣切时增加0.5%～1%的补偿量。按照补偿后的数模进行泡沫芯铣切，完工后的翼梢小翼零件外形满足了设计要求，证明给定的补偿位置及补偿量是正确的。

3.2　弯管零件成型方案

目前能满足弯管结构整体成型要求的模具方案主要有金属模具、气囊模具以及水溶性模具这3种。由于弯管零件带有转角，结构复杂，不易脱模。若采用金属阳模设计时，必须设计成可拆卸式的多金属活块组合结构，各活块间需保证配合精度，其模具设计及制造较复杂；若采用气囊模具，则要制作上下模和气囊芯模，模具制造周期较长，成本较高；水溶性模具是近年来发展起来的一种模具制造方法，主要用于解决复杂型面封闭结构复合材料产品成型和难于脱模的问题。

从工装设计、制造难度、生产成本和生产效率等方面考虑，选用水溶性砂芯模成型复材弯管零件较合适。砂芯模由胶粘剂（AQ301、石英砂、陶粒和玻璃微珠等）和石膏等填料组成，采用模压法制成实心的模具。砂芯模使用温度至少为150 ℃，复材弯管在砂芯模上成型后，从开口处通入合适温度的水,使模具材料溶解，进而得到复合弯管零件。

3.3　成型工艺方案设计

泡沫夹层结构通常有共固化和分步固化2种成型工艺。表2为翼梢小翼零件采用2种成型工艺方法的优劣对比。

表2　成型工艺方法的优劣对比Tab.2　Comparison of advantages and disadvantages of different processing methods

综合考虑翼梢小翼外形双曲及次级零件较多的结构特点，选用方案2中的分步固化方式。先将泡沫芯、肋等次级零件单独成型，然后采用胶膜将其二次胶接形成框架组件A；在组件A上铺覆外蒙皮后采用共胶接的成型工艺形成组件B，最后铺贴外表面的金属网，工艺流程如图3所示。采用该工艺流程制备的试验件，按照工装卡板检测零件型面，采用敲击及无损探伤手段检测内部质量，试验件检测结果良好，可以满足设计指标要求。