大型復(fù)合材料壁板成型技術(shù)

復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比剛度、可設(shè)計性強(qiáng)、易于整體成型等優(yōu)點，在航空業(yè)廣泛應(yīng)用，是航空四大結(jié)構(gòu)材料之一，已成為航空產(chǎn)品換代式的標(biāo)志。隨著技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料的航空應(yīng)用日益廣泛，尤其是大尺寸整體成型的復(fù)合材料制件越來越多。大型整體化的復(fù)合材料壁板會起到較好的減重效果，明顯提升飛機(jī)的整體效能，如航程、掛載等；可提高機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命，使機(jī)體結(jié)構(gòu)的整體性更好；可簡化裝配工藝，裝配型架更加簡單，緊固件、零件數(shù)量也大大減少。目前國外在軍、民機(jī)上已大量應(yīng)用大尺寸復(fù)合材料壁板，如機(jī)翼壁板、機(jī)身壁板等，相關(guān)的成型技術(shù)也比較成熟，實現(xiàn)了機(jī)械化、數(shù)字化，具有規(guī)范化的材料體系、設(shè)計體系、工藝體系以及檢測體系。國內(nèi)目前由于材料、設(shè)計以及工藝技術(shù)能力等方面的限制，復(fù)合材料專業(yè)目前還處于發(fā)展階段，航空業(yè)用量較少，制造工藝上基本還處于手工成型階段，復(fù)合材料制件主要為一部分次承力結(jié)構(gòu)零件，如整流罩和舵面等，大型的復(fù)合材料壁板應(yīng)用還較少，工程化應(yīng)用程度較低。所以加強(qiáng)復(fù)合材料專業(yè)技術(shù)的研究，尤其是大型復(fù)合材料壁板成型技術(shù)的研究，對于進(jìn)一步推動復(fù)合材料的應(yīng)用、發(fā)展，以及航空業(yè)的發(fā)展意義重大。 本文來自123

存在的主要問題

由于大型復(fù)合材料壁板外形尺寸大、組件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配嚴(yán)格，所以其質(zhì)量不易保證，成型工藝也非常復(fù)雜。
1 內(nèi)部質(zhì)量問題
由于其外形尺寸較大、厚度尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以制件內(nèi)部質(zhì)量不易控制，容易出現(xiàn)分層、疏松等內(nèi)部缺陷。
2 形位尺寸偏差
由于其長桁（框、肋）等組件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在整體成型過程中制件的形位尺寸，尤其是長桁（框、肋）的相對位置，不易控制，容易出現(xiàn)尺寸、位置偏差，影響后續(xù)裝配工序。
3 質(zhì)量穩(wěn)定性差
由于大型復(fù)合材料壁板制件，其外形尺寸大、層數(shù)多、工序多，制造過程需要較多操作人員、制造周期長，所制造過程不易控制、人為因素干擾大，工藝過程重復(fù)性不好，故制件的質(zhì)量穩(wěn)定性較差。

關(guān)鍵技術(shù)

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整體成型的大型復(fù)合材料壁板制件，針對其結(jié)構(gòu)特點以及存在的主要問題，其成型的關(guān)鍵技術(shù)主要有3個方面：工裝技術(shù)、固化成型技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)，如圖1所示。



工裝技術(shù)

工裝是復(fù)合材料制件的成型基礎(chǔ)，工裝既要保證復(fù)合材料制件的形位尺寸，同時又要充分適應(yīng)復(fù)合材料制件的成型工藝特點——傳熱、傳壓等，所以工裝技術(shù)是復(fù)合材料研制的關(guān)鍵因素，復(fù)材成型工裝基本要求如表1所示。



1 工裝結(jié)構(gòu)分類
復(fù)合材料壁板成型工裝結(jié)構(gòu)上一般包括實體式工裝和框架式工裝。
實體式工裝：一般采用鑄件和板材為坯料，進(jìn)行機(jī)械加工，制造工裝形面的工裝形式。該類工裝一般強(qiáng)度好、穩(wěn)定性高、形面質(zhì)量容易保證，但其重量大，不易搬運(yùn)，不易作為大型成型工裝。 123,123
框架式工裝：為隔板、隔框搭建框架，支撐薄面板的工裝結(jié)構(gòu)形式（見圖2），該結(jié)構(gòu)工裝，重量輕、通風(fēng)好、易搬運(yùn)，但制造過程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性要求高。按框架形式的不同，框架式工裝常分為隔板框架結(jié)構(gòu)和型材框架結(jié)構(gòu)。



2 工裝結(jié)構(gòu)影響
不同結(jié)構(gòu)形式的工裝，結(jié)合復(fù)合材料零件的實際制造情況，對復(fù)合材料的成型工藝過程會產(chǎn)生不同的影響，尤其是對復(fù)合材料零件固化過程中的加熱效率以及溫度均勻性的影響。具體情況如表2所示。



由此可以看出，大型復(fù)合材料壁板應(yīng)采用框架式工裝，可以兼顧保證工裝的強(qiáng)度、剛度；保證工裝的輕便、周轉(zhuǎn)；保證工裝的通風(fēng)傳熱（注：若采用隔板式框架，隔板的開孔方向，要與熱壓罐的氣流循環(huán)方向一致，以利于工裝的通風(fēng)傳熱）。

固化成型技術(shù)

復(fù)合材料制件的制造是一個材料與制件同步成型的特殊工藝過程，其成型工藝非常復(fù)雜，尤其是大型復(fù)合材料壁板，其一般尺寸較大、厚度變化較大，固化成型過程中溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)不易控制，所以固化工藝（包括預(yù)成型、固化）是復(fù)合材料制件成型的重中之重。
1 預(yù)成型工藝研究
復(fù)合材料制件制造過程中一般要進(jìn)行預(yù)成型，對于大型復(fù)合材料壁板，預(yù)成型工序是控制內(nèi)部質(zhì)量、尺寸質(zhì)量的關(guān)鍵。預(yù)成型工藝是通過升溫降低樹脂粘度使其具有良好的流動性，適時加壓，其作用有3個方面：
（1）使樹脂均勻流動有效的排除夾雜的氣泡、揮發(fā)份，使零件結(jié)構(gòu)密實。
（2）利用吸膠材料將多余的樹脂吸出，使零件的厚度達(dá)到要求。
（3）使復(fù)合材料坯料形面規(guī)整，便于后續(xù)的組合、加工。
其中厚度的控制則是重中之重，因為首先厚度偏厚直接影響零件的外形尺寸, 影響后續(xù)的裝配工序；第二，偏厚使零件重量超標(biāo)；第三，會使零件纖維體積含量降低，導(dǎo)致單位厚度復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。
大型復(fù)合材料壁板因為厚度變化大，所以各個區(qū)域余膠量分布不均，在制件制備過程中則要通過預(yù)吸膠環(huán)節(jié)控制各個區(qū)域厚度在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，這就要求我們對預(yù)吸膠工藝進(jìn)一步掌握。吸膠材料和吸膠時間是對吸膠量的關(guān)鍵影響因素，如表3和圖3所示。





由此可見在一定范圍內(nèi)調(diào)整吸膠材料，加長吸膠時間可以提高吸膠量，所以大型復(fù)合材料壁板的預(yù)成型工藝則應(yīng)通過選擇一合適的溫度—時間曲線，在各個厚度區(qū)域匹配合適的吸膠層來控制厚度。如此可以保證較好的吸膠效果，同時預(yù)成型過程中經(jīng)過樹脂的熔融流動，加壓后有效的排除夾雜氣泡，使其結(jié)構(gòu)密實，形面規(guī)整。

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2 固化工藝的研究
復(fù)合材料的固化過程是復(fù)合材料制造過程中的關(guān)鍵工序，是通過高溫、高壓使樹脂交聯(lián)聚合實現(xiàn)固化，從而使復(fù)合材料層壓板達(dá)到使用狀態(tài)，是一個零件和材料同步形成的過程，而整個固化工藝中加壓點的選擇則是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。
加壓點包括加壓溫度、加壓時機(jī)。加壓點的選擇, 首先是加壓溫度，加壓溫度過低則樹脂流動性不好，纖維不易均勻浸潤易造成缺陷；加壓溫度過高，樹脂聚合速率過快不易掌握加壓時機(jī)。其次在確定加壓溫度的前提下把握好加壓時機(jī)，加壓時機(jī)過早則樹脂粘度低，排出樹脂過多造成零件貧膠、孔隙率高；加壓時機(jī)過晚則樹脂聚合程度高，流動性差制件易夾雜氣泡產(chǎn)生疏松、分層等缺陷。加壓點的最佳選擇為樹脂由粘流態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的過渡區(qū)間。這和升溫速率、加壓溫度、加壓時機(jī)都密切相關(guān)，不同的溫度—時間曲線有著不同的加壓點。目前經(jīng)常采用差熱分析儀和流變儀來了解樹脂的固化反應(yīng)過程和粘度變化過程，實際生產(chǎn)中也有用滑板法或拉絲法測定凝膠時間來了解樹脂在溫度—時間曲線各個點的粘度情況，如表4、表5所示。

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凝膠時間和加壓點有一定的對應(yīng)關(guān)系，是加壓點選擇的一個重要參考數(shù)據(jù)。在確定加壓溫度前提下加壓時機(jī)也至關(guān)重要。而對大型復(fù)合材料壁板而言，加壓點的選擇就更為困難首先由于其外形尺寸大，再加上熱壓罐和模具等因素的影響造成其固化過程中各處溫度不均（如當(dāng)高溫處130℃時，低溫處可能才110℃）。為解決這一問題需調(diào)好升溫速率與溫差的關(guān)系，在保證一定升溫速率的前提下盡量縮小溫差，保證制件各處同時達(dá)到最佳加壓時機(jī)。再則在固化工藝過程中為了適應(yīng)區(qū)域間的溫差，加壓溫度應(yīng)選擇一“溫度域”而不是選擇一“溫度點”，但要求在該“溫度域”內(nèi)的各個溫度點樹脂要有著相似的凝膠時間，相似的粘度—時間曲線，通過這種方法兼顧零件的高溫區(qū)、低溫區(qū)，使零件各處都有好的固化質(zhì)量。 123456

3 預(yù)成型、固化工藝的協(xié)調(diào)關(guān)系
復(fù)合材料的固化工藝是一個化學(xué)反應(yīng)過程，其對溫度、時間兩方面相對比較敏感。通常的大型零件研制過程中我們對于預(yù)成型工藝相對比較保守，尤其是吸膠溫度一般是采取較低的溫度，主要擔(dān)心對后續(xù)固化工藝的影響，不易于加壓時機(jī)的選擇。
經(jīng)過試驗和工藝驗證，應(yīng)該轉(zhuǎn)變我們的工藝觀點，應(yīng)注重預(yù)成型工藝和吸膠效果。如果吸膠效果不好其坯料中的揮發(fā)份、氣體就不能有效排除，那么在固化過程中隱患比較大，固化工藝的選擇尤為嚴(yán)格，某種意義上講其加壓窗口范圍更小。而反之若預(yù)成型工藝效果理想，坯料中的揮發(fā)份、氣體有效排除，結(jié)構(gòu)密實，那么固化過程中出現(xiàn)問題的機(jī)率較小，固化工藝相對比較好控制，對加壓時機(jī)不那么敏感，尤其是提早加壓對零件固化質(zhì)量影響不大，一定程度上反而是拓寬了加壓窗口，如圖4所示。



由此可見大型復(fù)合材料壁板其固化成型工藝非常關(guān)鍵，包括預(yù)成型參數(shù)、固化參數(shù)的選擇制定，以及預(yù)成型與固化工藝的協(xié)調(diào)。
（1）大型復(fù)合材料壁板的預(yù)成型工藝應(yīng)選擇一合適的溫度—時間曲線，在各個厚度區(qū)域匹配合適的吸膠層來控制厚度。
（2）大型復(fù)合材料壁板固化工藝過程中應(yīng)根據(jù)粘度、凝膠時間等參數(shù)選擇合適的加壓溫度和加壓時機(jī)，并且固化過程中應(yīng)選擇一“加壓帶”而不是單純的“加壓點”。
（3）注重預(yù)成型工藝和吸膠效果，協(xié)調(diào)好預(yù)成型工藝與固化工藝的關(guān)系，拓寬固化加壓窗口。

數(shù)字化技術(shù)

隨著復(fù)合材料應(yīng)用的日益廣泛，復(fù)合材料成型技術(shù)也得到了高速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)就是其重要發(fā)展方向之一，復(fù)合材料的數(shù)字化制造可以有效解決“質(zhì)量穩(wěn)定性差”、“精度差”這兩大困擾復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展的問題，尤其針對大型復(fù)合材料壁板，其應(yīng)用優(yōu)勢更為明顯。目前國外已經(jīng)實現(xiàn)了復(fù)合材料零件的無圖設(shè)計、制造技術(shù)，具備比較成熟的軟件平臺，自動鋪帶、自動鋪絲等先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)了批量應(yīng)用，全面實現(xiàn)了復(fù)合材料的手工制造向數(shù)字化制造的轉(zhuǎn)變。 123,123
國內(nèi)這方面還處于起步階段，還存在很多問題，數(shù)字化應(yīng)用技術(shù)還不成熟，相關(guān)的流程、體系還不夠規(guī)范。因此應(yīng)大力推進(jìn)復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，建立健全復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)體系。重點是復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)軟件平臺的構(gòu)建；復(fù)合材料數(shù)字化制造設(shè)備的應(yīng)用，打通復(fù)合材料數(shù)字化生產(chǎn)線，做到平臺搭起來、設(shè)備用起來。
1 復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)軟件平臺的構(gòu)建
復(fù)合材料零件有其自身的材料、結(jié)構(gòu)以及工藝特點，與一般的金屬制件不同，復(fù)合材料零件除了要設(shè)計表達(dá)形位、尺寸信息，還要設(shè)計表達(dá)鋪層輪廓、角度以及芯材等復(fù)合材料特有的信息。前期基于二位圖紙或CATIA機(jī)加模塊建立的三維數(shù)模，無法生成鋪層數(shù)據(jù)，無法適應(yīng)數(shù)字化設(shè)備的應(yīng)用，不利于數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展。所以應(yīng)采用先進(jìn)的復(fù)合材料專用設(shè)計、工藝軟件進(jìn)行建模和三維標(biāo)注，為復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用搭建了軟件平臺。目前國外比較成熟、比較常用的專用軟件為FIBERSIM 和CATIACPD 以及與之配套的輔助軟件。
通過構(gòu)建復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)的軟件平臺，采用專用設(shè)計、工藝軟件建立復(fù)合材料零件三維數(shù)模（工程數(shù)據(jù)），進(jìn)而建立制造數(shù)據(jù)集、程序，實現(xiàn)與自動下料機(jī)、投影定位、自動鋪帶機(jī)等數(shù)字化設(shè)備的接口，為復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用打下基礎(chǔ)，如圖5所示。



2 復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用
在構(gòu)建復(fù)合材料數(shù)字化技術(shù)軟件平臺的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用，主要指復(fù)合材料數(shù)字化制造設(shè)備的應(yīng)用。目前常用的復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)主要包括：鋪層數(shù)控剪裁技術(shù)、鋪疊激光投影定位技術(shù)、自動鋪帶技術(shù)等。
2.1　鋪層數(shù)控剪裁技術(shù)
鋪層數(shù)控剪裁技術(shù)，是由工程數(shù)據(jù)集生成復(fù)合材料鋪層的展開數(shù)據(jù)，并且按材料（預(yù)浸料）幅寬、鋪層的角度對鋪層展開數(shù)據(jù)予以分割，然后將數(shù)據(jù)輸入數(shù)控剪裁設(shè)備，從而實現(xiàn)復(fù)合材料鋪層的數(shù)控剪裁。 本文來自123
鋪層數(shù)控剪裁的關(guān)鍵控制點為：
（1）鋪層剪裁數(shù)模應(yīng)為dxf格式以便于機(jī)床識別和采用CAD進(jìn)行編輯。
（2）鋪層數(shù)模的剪裁線應(yīng)為一個連續(xù)封閉的結(jié)構(gòu)，以防止剪裁錯誤和抖動剪裁，以提高剪裁效率。
（3）剪裁線和定位標(biāo)識線要分建在不同圖層，以達(dá)到不同工具（刀、筆）的選用。
（4）在剪裁過程要按材料的帶寬優(yōu)化剪裁數(shù)模的排版，以提高材料利用率。
（5）預(yù)浸料要求為雙面保護(hù)膜，且保護(hù)膜與預(yù)浸料貼合緊密，以便于真空吸附固持。
（6）預(yù)浸料盡量平展，以保證尺寸精度。且卷長要盡量大，以便于連續(xù)工作，減少上料次數(shù)，提高制造效率。
2.2　鋪層的激光投影定位技術(shù)
鋪層激光投影定位技術(shù)是將零件數(shù)模中鋪層輪廓及定位軸線的三維信息轉(zhuǎn)化為點陣格式，采用激光系統(tǒng)逐點快速掃描成線，以在鋪疊過程中對鋪層進(jìn)行定位。激光投影定位技術(shù)主要包括3個方面：投影數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)、投影儀配置文件。投影數(shù)據(jù)：鋪層輪廓及定位軸線的點陣格式的坐標(biāo)文件。
工裝數(shù)據(jù)：鋪疊工裝采用零件數(shù)模進(jìn)行設(shè)計，并采用數(shù)控加工制造。在工裝周緣均勻安裝激光投影的定位靶點（一般不少于4個，涵蓋零件型面的最高點、最低點），定位靶點的坐標(biāo)值即為工裝數(shù)據(jù)（與零件數(shù)模在同一坐標(biāo)系）。
配置文件：是對投影設(shè)備的配置、功能進(jìn)行約束的文件。如：確定投影儀的數(shù)量、投影參數(shù)等。
鋪層激光投影定位技術(shù)應(yīng)用控制的關(guān)鍵點為：
（1）工裝數(shù)據(jù)、投影數(shù)據(jù)必須和零件數(shù)模在同一坐標(biāo)系中，保證激光投影位置與工裝形面吻合。
（2）對于全面積的主鋪層采用投影軸線（肋、墻軸線）定位，對于內(nèi)部子鋪層采用投影輪廓線定位。以提高激光定位線的清晰度和定位精度。
（3）工裝數(shù)據(jù)、投影數(shù)據(jù)、配置文件是投影系統(tǒng)應(yīng)用的三大文件。要優(yōu)化三者的協(xié)調(diào)關(guān)系尤其是配置文件設(shè)定。
（4）鋪層鋪疊要密實平整，盡量接近理論厚度，以保證投影位置的準(zhǔn)確。

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（5）鋪疊過程中，鋪疊工裝要有固定裝置，避免移動。若移動要重新進(jìn)行工裝靶點的掃描校準(zhǔn)，以保證投影數(shù)據(jù)與工裝坐標(biāo)系的吻合，進(jìn)而保證投影位置的準(zhǔn)確。
2.3　自動鋪帶機(jī)技術(shù)
自動鋪帶工藝是在復(fù)合材料設(shè)計數(shù)模的基礎(chǔ)上，采用專用的編程軟件（如：TORLAY）生成數(shù)控鋪疊程序，通過自動鋪帶設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字化鋪疊。實現(xiàn)過程即將預(yù)浸料采用多軸的數(shù)控設(shè)備，通過剪裁、加熱、滾壓等裝置，完成預(yù)浸料在成型工裝上的自動化鋪疊。自動鋪帶設(shè)備一般由數(shù)控機(jī)床部分和鋪帶兩大部分組成。
數(shù)控機(jī)床部分: 主要包括龍門、橋式兩種，主要是實現(xiàn)鋪帶裝置的移動。鋪帶裝置部分：主要包括上料、剪裁、加熱、滾壓、回卷等裝置，主要功能是實現(xiàn)預(yù)浸料的剪裁、鋪疊、壓實等。
自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用控制的關(guān)鍵點為：
（1）首先確定復(fù)合材料零件結(jié)構(gòu)適用于自動鋪帶機(jī)鋪疊，包括單向帶預(yù)浸料、曲面曲率、變厚度過渡區(qū)的斜坡角度等。
（2）在鋪疊形面復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制件或區(qū)域（如曲率較大等）時，盡量采用較窄帶寬的預(yù)浸料，以保證、提高拼接質(zhì)量。
（3）自動鋪帶過程中，工裝要固持穩(wěn)定，保證坐標(biāo)系與工裝形面的匹配。若出現(xiàn)移動應(yīng)重新校準(zhǔn)。
隨著復(fù)合材料應(yīng)用的日益廣泛，復(fù)合材料成型技術(shù)也得到了高速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)就是其重要發(fā)展方向之一，復(fù)合材料的數(shù)字化制造可以有效解決“質(zhì)量穩(wěn)定性、精度差”、“制造成本高”這些困擾復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展的問題。復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)研究、應(yīng)用，關(guān)鍵是軟件平臺構(gòu)建和數(shù)字化設(shè)備應(yīng)用。

結(jié)論

（1）工裝技術(shù)是大型復(fù)合材料壁板研制的基礎(chǔ)，要結(jié)合制件的成型工藝、結(jié)構(gòu)特點合理選擇工裝結(jié)構(gòu)。
（2）固化技術(shù)是大型復(fù)合材料壁板研制的關(guān)鍵，要結(jié)合材料工藝性、制件結(jié)構(gòu)，制定合理的預(yù)成型工藝和固化工藝，并且協(xié)調(diào)好預(yù)成型工藝和固化工藝的關(guān)系。
（3）數(shù)字化技術(shù)是復(fù)合材料制造技術(shù)重要的發(fā)展趨勢，尤其針對大型復(fù)合材料壁板優(yōu)勢明顯。在進(jìn)行大型復(fù)合材料壁板研制過程中，要大力加強(qiáng)數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用和推廣。