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王韬 吕永慧 刘磊
摘 要： 本文针对复合材料某薄壁板多梁零件易在纵梁端头位置，纵梁与蒙皮界面处发生层间分层的问题，做了大量研究，根据分析得到的缺陷来源，制定了相应的工艺优化方案，最终改善了零件的分层缺陷问题，提升了产品的内部质量。
关键词： 某薄壁板多梁零件；层间分层；工艺方案优化
复合材料因其轻质高强、耐腐蚀抗疲劳等诸多优点而被广泛应用于航空领域。[1]但由于复合材料零件属于层合结构，层间分层是复合材料零件缺陷的主要表现形式。特别是对于某薄壁板多梁结构形式的复合材料零件，由于梁与壁板间结合力弱，更易在制造过程中产生分层缺陷。本文研究的某壁板多梁结构形式的复合材料零件还具有结构复杂、梁与壁板间无合适胶膜进行粘接、原材料为工艺性较差的湿法制备双马树脂体系预浸料的特点，因此多在梁端头位置，壁板与梁的界面处出现分层缺陷。本研究认真分析了缺陷来源，针对原因依托PDCA质量环（计划-执行-检查-修正）的工作方法采取了一系列的工艺改进措施，有效改善了零件的内部质量。[2]
1缺陷来源分析
1.1金相试验
在某薄壁板多梁零件截取典型分层试样进行金相扫描，取样位置如图1所示，试样截面金相照片见图2。从试样截面来看，分层部位无气泡及夹杂物，其中“C”形梁分层从纵梁腹板根部产生，向下缘条延伸； “工”形梁分层产生在纵梁下缘条0°纤维填充区域，分层缺陷形式为填充区域0°纤维与壁板间的破坏。根据金相照片，初步判断分层缺陷为机械冲击所致。
1.2 缺陷来源验证
某薄壁板多梁零件制造过程中的机械冲击有高温后处理机械冲击和脱模机械冲击。
1.2.1高温后处理机械冲击
高温后处理机械冲击是指某薄壁板多梁零件在固化程序中，固化段结束后的高温后处理阶段（205℃±5℃保温1h，215℃±5℃保温6h），由于复合材料与普通钢（H13）纵梁工装热膨胀系数不一致导致的工装膨胀量较大而给零件带来的机械冲击。
对后处理前后的某薄壁板多梁零件进行无损检测，实验结果如表1所示。
1.2.2脱模机械冲击
某薄壁板多梁零件自身结构复杂，配套使用的工装结构也较复杂，对固化结束后的脱模造成难度，实际操作中的用力不当会给零件造成机械冲击。
对脱模前后的某薄壁板多梁零件进行无损检测，实验结果如表2所示。
从表1和表2可以看出，某薄壁板多梁零件分层绝大部分产生在零件后处理及脱模过程中。由高温后处理过程中的普通钢纵梁工装膨胀及脱模过程中对零件造成的机械冲击所致。
2 工艺方案优化
2.1 INVAR钢纵梁工装代替普通钢纵梁工装
针对普通钢纵梁工装热膨胀在后处理过程中给零件造成机械冲击的问题，采用热膨胀系数与复合材料相近的INVAR钢制造3根纵梁成型工装（3#-3、4#、8#纵梁），用于某薄壁板多梁零件的制备。同时在仅有工装差异的前提下生产该零件对称件，记录跟踪该零件及其对称件各9件的质量情况，内部分层缺陷数量对比如表3所示。
從对比实验结果可以看出，采用与复合材料热膨胀系数相近的INVAR钢纵梁工装可减少高温后处理过程中工装膨胀对零件的机械冲击，对零件内部质量提升有显著效果。
2.2 使用脱模辅助工具
针对脱模过程中用力不当给零件造成机械冲击的问题，在脱模中使用专用的脱模辅助工具，同时在无工艺余量的纵梁成型工装尾端增加工艺块做为脱模着力点。通过以上工艺方案的完善，增加了脱模过程中的“硬防错”保障，缓解了脱模过程中的机械冲击，减少了内部分层缺陷的产生。
采用上述方法，优化工艺方案后，某薄壁板多梁零件的分层缺陷数量从3.6处/件降至1.2处/件，显著降低了零件的分层超差数量。
3 结论
1）某薄壁板多梁零件分层部位为层间破坏，周围无气泡产生，分层缺陷为机械冲击所导致，分层绝大部分产生在零件后处理及脱模过程中。
2）使用INVAR钢纵梁工装代替普通钢纵梁工装制造某薄壁板多梁零件可以缓解高温后处理过程中对零件的机械冲击，从而减少层间分层的产生。
3）使用脱模辅助工具可以缓解脱模过程中对某薄壁板多梁零件的机械冲击，从而减少层间分层，提高零件内部质量。
参考文献
[1]赵渠森.先进复合材料手册[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2]陈际伟，孙玺，叶宏军.QC方法提高复合材料制件质量的研究[J].高科技纤维与应用，2015，40（3）：49-54.
