大尺寸大厚度复合材料梁外形精确控制技术

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1、王菲，杨博，陈永清，陈静(中航复合材料有限责任公司，北京101300)【摘要】大型复合材料零件的外形精度是其成型工艺的难点，针对大尺寸大厚度复合材料梁的结构特点，研究了影响大型复合材料u型梁外形精度的因素，通过精确的热膨胀补偿、回弹补偿和厚度控制等工艺方法对主要影响因素加以控制，实现了对大尺寸大厚度复合材料梁外形的精确控制。关键词：大尺寸；大厚度；复合材料梁；外形精度DOI：10．16080a．issnl671—833x．2016．15．087王菲中航复合材料有限责任公司工程师。主要从事树脂基复合材料成型工艺研究工作。随着复合材料在飞机主承力构件上的应用逐渐加深，复合材料

2、制件的尺寸越来越趋于大型化、整体化⋯，大尺寸、大厚度的零件越来越多，零件几何尺寸的增大带来了一系列新的问题，如热膨胀、固化变形、制件厚度等因素对制件外形的影响变得不容忽视。梁类零件做为飞机结构的骨架零件，装配工序对梁类零件外形尺寸有较高的要求，大型复合材料制件的成型精度成为其制造的关键技术。目前复合材料制件成型精度的研究工作主要集中在对固化变形的预测和控制。贾丽杰【2】，唐占文等131提出了针对大型复杂结构固化变形多层次预报技术。Sarrazin【4l、Andrew【51、张纪奎161等研究了固化变形的影响因素。Jungf71依据经典层合板理论和有限元分析来预测回弹变形。

3、党嘉立【81对复合材料角形材结构的固化变形进行了研究。陈晓静【9l、李桂东等【l01提出了基于有限元方法的复合材料构件热压罐成型变形预测方法和基于构件型面节点变形的工装型面补偿算法，其缺点是模型复杂、输入参量多，并不方便直接指导工程设计与制造。晏冬秀等⋯1在大量工程经验的基础上总结出了模具热膨胀补偿和回弹角补偿等工装设计原则，GFG公司采用经验的方法在复合材料工形梁模具的缘条型面上加入修正值(约1。)以抵消构件回弹“21，韩培培等1131依据生产经验取10回弹补偿角以保证U形梁的尺寸精度，均依赖经验数据，很难给出准确的回弹值。本文以大尺寸大厚度复合材料u型梁为研究对象，从

4、工程实际应用出发，通过典型试验，结合数值分析，系统研究影响大尺寸大厚度复合材料U型梁外形精度的因素，通过对主要影响因素的精确测算和合理控制，以实现对大尺寸大厚度复合材料梁外形的精确控制。复合材料梁结构介绍某大尺寸复合材料梁截面为u形，长约7．8m，腹板高度约720ram，左、右缘条宽度120mm，厚度变化跨度大，从5．68mm到17．12mm，变厚台阶多达76处，变厚坡度大。使用的材料为高温环氧增韧单向带预浸料CCF300／BA9916一II和织物预浸料CF3031／BA9916一II两种类型，其铺层比例如表1所示。2016年第15期·航空制造技术87复合材料构件制造MA

5、NUFACTURINGOFCOMPOSITECOMPONENT表1复合材料梁铺层比例铺层角度单向带颈漫器。黼勇姆料，(o)层数。层数O401090445634—456复合材料梁外形的影响因素影响复合材料梁型面的因素有模具的型面偏差、制件的厚度偏差、制件的热膨胀偏差和制件的回弹变形等。复合材料梁制件的型面偏差计算公式为：4外=4模具+4热膨胀+zl回弹+4厚度，(1)式中，4外为制件的外形偏差，4模具为模具的型面偏差，4热膨胀为制件的热膨胀偏差，4同为制件的回弹变形偏差，4厚睹为制件的厚度偏差。复合材料的成型模具通常为刚性模具，采用数控加工，误差较小，型面偏差一般可控制在±

6、0．15mm的范围内，因此，对制件型面的影响较小。对大尺寸大厚度的梁类零件来说，制件的厚度偏差、热膨胀偏差、回弹变形偏差对型面公差的影响较大，需要重点加以控制。式(1)可简化为：4外=4热膨胀+4回弹+4厚度o(2)?p×鲁≤籁1谣当遒《复合材料梁外形的精确控制1热膨胀控制复合材料固化成型要经历一个升温一降温的温度历程，在此过程中如果复合材料制件与成型模具的热膨胀量不一致时，最终成型的制件外形尺寸就会有偏差，零件几何尺寸越大，这种热膨胀不一致引起的制件外形偏差越大，必须要加以控制。1．1线性热膨胀系数试验测试根据热膨胀计算公式，热膨胀量址为：△￡----O／×L×AT，(

7、3)式中，口为材料线性热膨胀系数，￡为制件尺寸，2kT为固化温度和室温的差值。由式(3)可知，不同材料的热膨胀量主要由其线性热膨胀系数决定。复合材料是一种可设计、多向异性的特殊材料，不同的纤维类型、铺层角度，其线性热膨胀系数也有所不同。复合材料制件的线性热膨胀系数受材料、厚度、铺层角度等因素综合影响。本文通过试验方法来对典型铺层、典型厚度的线性热膨胀系数进行测试，选择了6．34mm、8．66mm、10．6mm3种典型厚度，选取梁典型铺层方式，制作层压板，测试了在测量样本编号(a)oo方向88航空制造技术·2016年第15期，p