复合材料机身Z形隔框RTM成型方案设计与验证.pdf

复合材料科学与工程:/复合材料机身 形隔框 成型方案设计与验证刘钧天 陈吉平 邱春亮 苏佳智(上海飞机制造有限公司 上海 中国商飞复合材料中心 上海)摘要:针对一种典型结构的复合材料机身 形隔框零件进行()成型工艺方案的设计与验证对零件的注射方案进行设计并结合 进行仿真仿真结果显示树脂填充率可达到 研究注射压力与填充时间之间的关系得知随着注射压力增加填充时间先较快速减小后逐步变缓 进行了 成型模具的设计及制造上下模可配合不同的底架完成不同工序的操作并设计手动液压式升降机构解决了 工艺零件脱模困难的问题 对 工艺流程进行设计并完成制造验证结果显示零件无显著内外部缺陷厚度偏差在范围内纤维体积含量基本达到 以上零件型面基本满足要求验证了 形隔框 成型工艺方案的有效性关键词:复合材料 树脂传递模塑成型()形隔框 方案设计 流动仿真中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):().:()收稿日期:基金项目:复材机身二期国家纵向课题()作者简介:刘钧天()男 硕士 工程师 主要从事复合材料制造工艺方面的研究 碳纤维复合材料由于其高比强度、高比模量、抗疲劳、抗腐蚀等特性被广泛应用于民用航空领域其中波音 和空客 中复合材料占比已高达 以上复合材料用量已成为评价飞机先进程度的重要指标 隔框作为机身壁板弧向支撑的主承力件具有结构相对复杂、数量庞大等特点 在民用航空领域国内外一直在追求相关制造工艺的进步目前国内复合材料隔框零件制造主要采用“预成型热压罐固化”的工艺方法工艺过程较为烦琐材料及配套设备成本较为高昂 除此之外热压罐固化成型的隔框零件往往需要工艺盖板才能保证内部质量的均一性这也在一定程度上增加了制造成本故低成本高整体性的成型技术已经成为未来的发展趋势 年第 期复合材料机身 形隔框 成型方案设计与验证作为低成本制造技术之一的树脂传递模塑成型()工艺主要原理是将按结构和性能要求设计的增强材料预成型体铺放在闭合模腔中采用注射设备将专用树脂体系注入闭合模腔 模具周围需设置紧固密封及注射排气系统以保证树脂流动顺畅能够在彻底浸润纤维的同时排出模腔中全部气体随后在常温或加热状态下固化成型最终脱模得到复合材料制件 与传统的热压罐成型工艺相比 工艺具有容差控制好、工艺周期短、设计灵活性高、有效限制挥发分(如苯乙烯)的散发等优点最重要的是相比于传统热压罐成型工艺高昂的制造成本 工艺的主要设备和工装相对廉价在民用飞机批产阶段极具优势对于 工艺由于采用闭合模腔成型零件其工装设计要求相对热压罐成型的固化模具更加严格 设计细节上不仅需考虑成型面的轮廓精度还需考虑注胶方案合理、热分布均匀、高压气密性、人性化操作等 注胶方案的选择也至关重要需要保证树脂可以充分浸渍预成型体并有效控制 工艺中经常产生的干斑、孔隙等缺陷保证良好的零件质量目前国内缺少针对隔框类零件进行 成型工艺设计与验证的相关研究本文以一种典型的复材机身 形隔框零件为研究对象针对 成型工艺的特点及难点结合 对注射方案及关键参数进行模拟与优化完成 模具设计及成型工艺设计最终通过 成型工艺制造出满足工程要求的零件验证方案的可行性 实验准备 零件构型复合材料机身典型 形隔框结构示意图如图 所示零件由腹板及内、外缘条构成等截面结构内侧弧长为 半径为 外侧弧长为 半径为 腹板宽为 腹板与内、外缘条夹角均为 零件铺层设计为/图 复材 形隔框结构示意图.工艺材料增强材料采用单面自带 定型剂的 双轴向 碳纤维织物基体树脂使用 固化高温环氧树脂原材料信息如表 所示表 原材料信息 材料牌号供应商干纤维宏发纵横环氧树脂 注射方案设计树脂的注射依据多孔介质中流体 定律即单位面积树脂流动速率(/)正比于预成型体的渗透率()和压力梯度(/)反比于树脂黏度()和流径长度()如式()所示:()该定律为使用 工艺制造零件提供了基本指导方针:保证树脂的黏度处于较低状态提高注射压力使用多个注胶口和排气口来保证注胶速率故树脂注射过程中需控制合理的树脂注射温度以保证树脂在注射过程中有足够宽的低黏度窗口 同时树脂黏度对树脂浸润效果产生较大影响一般较为适合的黏度范围为 树脂黏度太大容易导致纤维束内孔隙同时会由于树脂浸润时间过长导致树脂局部包流的可能性增加树脂黏度太小容易产生纤维束间孔隙 树脂黏温曲线如图 所示根据曲线选择在 进行注胶并使用流变仪对此温度下树脂黏度进行测试发现此时树脂黏度约为 满足注射要求图 树脂黏度随温度变化曲线 年 月复合材料科学与工程 对隔框零件进行树脂注射过程仿真分析以确定最佳注射工艺方案 运用 对零件模型进行几何修补和网格划分使用 进行树脂注射仿真计算 由于复材隔框模型属于薄壳结构厚度方向上的尺寸相较于其他两个方向上的尺寸非常小因此在分析上可基本忽略厚度方向上的树脂流动即将树脂的流动方式由三维流动简化为二维流动提高计算效率 复材 形隔框网格模型如图 所示()网格模型()局部放大图图 复材 形隔框网格模型 注射过程中树脂从注射口流进闭合模具气体和多余的树脂从通气口排出注射口和通气口位置的设置对树脂在闭合模体内流动走向有着直接的影响需保证树脂可以在闭合模具内均匀流动并充分浸渍预成型体 注射口和通气口位置的设计根据 形隔框的尺寸及构型特点沿长度方向进行划分并遵循树脂由低点向高点流动保证充分浸润的原则选择在下方近内缘条处设计三个注胶口上方近外缘条处两端设计两个通气口位置如图 所示 工艺方案拟采用整个注射过程中五个口全部打开的方式保证注射效率 首先选用 的注射压力在 下进行注胶树脂的注射黏度为 根据图 所示注射仿真计算出的零件填充率分布云图树脂填充率等于 表示使用设计的方案进行树脂注射理论上零件不存在树脂浸润不到的部位零件的全部位置均可被树脂有效填充 填充时间分布云图如图 所示对应的填充时间为.图 注射口及通气口位置 图 填充率分布云图 图 填充时间分布云图 在注射口和通气口位置确定可行后对注射参数进行进一步优化以提升实际制造中的效率 保持其他参数不变再采用另外三种不同的注射压力(、和 )进行注胶研究填充时间随注射压力的变化 不同注射压力下填充时间分布云图如图 所示 填充时间及填充时间变化分别见表 和图 可知注射压力与填充时间之间是非线性关系当压力较小时提高注射压力能较为显著地降低填充时间但随着压力的增加其对降低填充时间的影响变小 年第 期复合材料机身 形隔框 成型方案设计与验证()()()()图 不同注射压力下填充时间分布云图 表 不同注射压力下零件填充时间 注射压力/填充时间/.图 不同注射压力下树脂填充时间变化 尽管使用的注射压力越大预成型体浸渍效率越高但较高的注射压力可能会使预成型体移位即树脂前端的压力将干态预成型体从应在位置处推出且过快的注射速率不利于排出树脂内裹入的空气、水分及挥发分导致零件产生孔隙 上述问题是难以仅凭仿真的手段发现的 权衡制造效率及可能产生的问题实际拟采用 注射压力进行试验在保证填充时间不会过长的同时降低大注射压力带来的风险 成型模具设计模具是 工艺中最重要的影响因素之一 零件的表面质量需由模具型面质量保证模具组合后需要有足够的刚度保证可以承受树脂注射时对模具施加的极大的分离力同时需要考虑到合模后模具的密封性脱模困难也是 工艺常见的问题在模具设计时要充分考虑脱模的便捷性此外模具还要便于进行树脂注胶、固化等操作根据零件的构型特点和工艺需求设计出的模具方案如图 所示 模具由 钢制造钢制模具可保证 零件表面的光洁度且型面不易受到损伤 模具主要构成部分由上下模、铺贴底架及固化支撑底架组成 年 月复合材料科学与工程()()图 形隔框 成型模具 上下模可通过锁紧限位块切换置于铺贴底架或固化支撑底架上配合不同的底架完成不同工序的操作 铺贴底架在铺贴零件、合模、脱模等过程中使用中间设计有手动液压式升降机构通过转轴翻转装置可实现模具快速翻转及精准合模同时液压机解决了 工艺零件脱模困难的问题固化后的零件可通过转动液压机抬起上模实现零件快速脱模并配以顶出螺钉防止脱模困难的意外产生 支撑底架用于模体进固化炉成型时的支撑中间设置有叉车口方便转运模具上下模设计如图 所示按照注射方案设计注射口和通气口位置下模下方近内缘条处设计三个注射口上模上方近外缘条处两端设计两个通气口 模腔内的内外缘条旁边各设计一条 宽的流道可保证树脂更均匀且高效的流动渗透 成型面四周设计 的沟槽使用配套 型橡胶圈进行密封在密封条接头部位设计双层沟槽结构防止接头处产生树脂渗漏问题 两侧设计为斜坡过渡的方式最大程度减小沿曲面有效密封差的问题 上下模通过锁紧螺钉连接 上模上布置两处热电偶插入模体内部监测固化温度()()图 模具上下模设计 使用 对隔框 模具进行有限元仿真分析计算结果如图 所示 分别计算得知模具在起吊、加压工况下受到的最大变形量均较小安全系数分别为 及 满足设计技术要求 在固化工况下模具(正压力为 )上下模型面垂直方向的变形量分别为 和 模具(负压力为 )上下模型面垂直方向的变形量分别为 和 均满足要求()()()年第 期复合材料机身 形隔框 成型方案设计与验证()图 固化工况下上下模变形云图 根据模具设计方案完成 形隔框 成型模具的制造如图 所示图 形隔框 成型模具 成型工艺设计及验证 工艺设计及零件制备对设计的 隔框成型模具和注射方案通过实际制造隔框零件进行验证工艺流程图如图 所示图 工艺流程图 工艺过程控制的难点除了确定工艺参数外还有对注胶过程的控制及判断 为了保证树脂充分流动顺利完成注射注胶时工装需放置于加热的固化炉内加之 本身为闭合模具树脂在基体内的流动过程并不直接可见 故在实际注射时树脂量采用了理论的 倍过流的树脂可更加充分浸润预成型体同时防止由于预成型体的精度误差或与模具配合关系不好树脂在未浸润预成型体的情况下直接流出导致预成型体浸润不足产生干斑等缺陷在合模前制真空袋对预成型体进行抽真空预压实同时向注射机中加入环氧树脂加热的同时进行搅拌直至树脂升温至 停止搅拌静置约 随后进行树脂脱泡处理 拆除真空袋上下模进行合模将闭合模具放置在固化底架上使用叉车放置在固化炉中完成管路和热电偶的布置 在出胶管伸出烘箱的部位使用真空袋、密封胶带和玻璃布制作一个小型示流器便于直接观察树脂从烘箱内流出的情况及流出速度辅助判断注胶完成时间将树脂再次加热至 进行注胶注射完成后将固化炉加热至 保温 进行固化 固化结束后自然冷却至室温将上下模转移至铺贴底架上通过液压升降机抬起上模进行零件脱模随后进行机加及各项检测工作完成制造的 形隔框零件如图 所示图 工艺制备的 形隔框零件 零件检测对制造完成的 形隔框零件进行外观质量、厚度、无损及型面检测检验制造出的零件是否满足工 年 月复合材料科学与工程程要求 检验发现:零件表面光滑无明显贫胶、干斑等缺陷 使用磁力测厚仪测量零件厚度零件厚度偏差在范围内厚度均匀性良好 通过厚度数据可知零件纤维体积含量基本达到 以上 经超声 扫描全覆盖的无损检测未发现内部存在明显缺陷 将零件放置于成型模上在间隔不大于 施加不大于 局部压力的情况下使用塞尺贴模进行型面检测零件外缘条最大间隙为 内缘条最大间隙为 这是由于复材零件脱模后零件发生一定回弹变形内外缘条均向腹板方向回弹故在成型工装上实施贴膜检验时成型型面与实际型面发生不匹配现象在经过回弹角补偿计算后零件基本满足型面要求 在今后实际生产制造中还需使用专门的检验夹具进行型面检测以保证检验精度 结 论()根据 工艺的特点设计了 形隔框零件的注射方案使用 对注射方案进行仿真分析树脂填充率可达 选择不同的注射压力研究填充时间随注射压力的变化得知注射压力与填充时间之间是非线性关系随着注射压力增加填充时间先较快速减小后逐步变缓()结合仿真分析结果进行了 成型模具的设计并完成模具制造上下模可配合不同的底架完成不同工序的操作并设计手动液压式升降机构解决了 工艺零件脱模困难的问题 使用 对隔框 模具进行有限元仿真分析经计算得出模具变形量满足设计技术要求()对 整体工艺流程进行设计使用 的注射压力在 下进行注胶 保温 进行固化完成 形隔框试验件的制造对工艺方案进行验证 结果显示零件无显著内外部缺陷厚度偏差在范围内纤维体积含量基本达到 以上零件型面基本满足要求 验证了仿真结果、工装方案及工艺方案的有效性参考文献 沈军 谢怀勤.航空用复合材料的研究与应用进展.玻璃钢/复合材料():.曹春晓.一代材料技术 一代大型飞机.航空学报 ():.汤旭 李征 孙程阳.先进复合材料在航空航天领域的应用.中国高新技术企业():.杨乃宾 章怡宁.复合材料飞机结构设计.北京:航空工业出版社.范玉青 张丽华.超大型复合材料机体部件应用技术的新进展.航空学报 ():.韩小勇 苏佳智 陈萍 等.复材机身隔框制造技术研究进展.航空制造技术():.张保平 王运生.技术在大飞机复合材料构件上的应用.航空制造技术():.赵安安 杨文凯 于飞 等.大型高性能复合材料构件 工艺进展.南京航空航天大学学报 ():.李培旭 陈萍 苏佳智 等.复合材料先进液体成型技术的航空应用与最新发展.玻璃钢/复合材料():.唐见茂.航空航天复合材料非热压罐成型研究进展.航天器环境工程 ():.丛晶洁 陈志平 胡忠民.加筋壁板 整体成型工艺设计与验证.航空制造技术():.左龙彦 吴文平 王晓蕾 等.复杂构件 整体成型工艺设计与仿真研究.航空制造技术():.陈吉平 苏佳智 韩小勇 等.复合材料工型肋的 工艺模拟与优化.玻璃钢/复合材料():.施飞 董湘怀.树脂流动模拟及其对模具设计的意义.航空制造技术():.孔晋峰 张彦飞 刘亚青.复合材料 成型工艺参数的研究.工程塑料应用 ():.闫刚 樊晓斌 张笑梅 等.成型工艺对复合材料制品性能的影响.材料开发与应用 ():.():.陈幸开.树脂黏度变化对 成型工艺的影响.工程科学学报 ():.:.年第 期