成型工艺参数对复合材料帽型长桁质量的影响研究

成型工艺参数对复合材料帽型长桁质量的影响研究

刘佳

江苏恒神股份有限公司, ,212300

摘要：复合材料帽型长桁制作工艺一般采用“复合式铺叠”，通过整体定位来完成长桁的固化成形。随着科技的发展与升级，如今各种数控技术已经广泛应用于复合材料帽型长桁制作中。为进一步提高制作质量，需要合理控制成型工艺参数，来确保复合材料帽型长桁的外形和应用质量，提升整个部件的品质。本文主要探讨了成型工艺参数对复合材料帽型长桁质量的影响等相关内容。

关键词：成型工艺参数；复合材料帽型长桁质量；影响

传统帽型长桁制造方法一般是采用下料模板切割预制块，然后在模具上手工划线定位铺设[1]。随着科技的发展，复合材料帽型长桁制作一般是采用先进的数字加工技术，用来取代以往的人工加工方法，有效地规避了因为技术工人常规刀具精度和手工加工精度限制的难题[2]。但在一些特殊生产车间中，复合材料帽型长桁仍旧采用传统手工铺贴方式开展生产。相较于机械化生产，这种生产方式最重要的一点就是如何设计好成型工艺参数，确保制作生产过程中，不会出现意外，才能确保复合材料帽型长桁的质量。因此，通过分析影响复合材料帽型长桁质量的成型工艺参数，探讨模具加热温度、不同铺层方式等因素的作用，对于提高生产质量具有重要价值和意义[3]。

1实验研究

1.1实验设备与材料

本次实验采用手工铺贴方式。实验材料为M21/UD194碳纤维树脂预浸料，单层膜厚为0.186mm，纤维体积分数为59.0vol%。

1. 2预制件制备参数

室温状态下，将预浸料解冻后，按照350 mm×150 mm的尺寸切割为若干个料片，以[45/0/0/−45/90]s的铺层顺序。层铺时，每铺贴两层预浸料，用真空袋预压实一次。在预压过程中，压力应控制在0-75 kPa范围内，保持5min[5]。当预浸材料层铺设完毕后，用一层不透气的绝缘薄膜将其包裹起来，然后进行压缩。在设置相应的成型工艺参数，把预浸料层状材料放入成型机中，完成预成型作业。首先，放下两边的压边条，使预浸料保持一定的张力。其次，在预浸料上安装热电偶，对其进行加热，将成型模具中的可动模芯移到与两侧阴模相同高度的位置上，以避免在加热的时候，预浸料会发生下垂。当该预浸料层铺材料的温度到达设定的成型温度要求并趋于平稳时，将冲头向下移动，启动对该预浸料层铺材料的热模压预成型制备工作。

1.3表征分析

（1）表观质量。预成型制件的表观质量决定着制品的表观质量。预成型制件发生褶皱，在固化的过程中，褶皱无法消除，会留在制品便面，形成铺层屈曲。铺层屈曲尺寸在D＞6mm，L/D＜10时，则不可接受，其中L指屈曲纤维偏离工程图纸规定的纤维方向长度，D指长度范围内的最大偏移距离。褶皱主要发生在贴膜面，是由于平板预制体在弯曲时，中间层以上的预制体内应力以拉伸应力为主，不易出现失稳起皱，中间层以下预制体内应力以压缩应力为主，容易出现失稳褶皱。预成型一般在一定温度下进行，材料在不同温度下的反应活性不同，会发生树脂局部固化的现象，固化时，树脂黏度增大，树脂流动受阻，影响层间气体排出，造成层间孔隙。

观测预成型制件表面质量，在R角、帽腰、缘条区域有无纤维褶皱。观测预成型制件有无硬化的现象。

（2）厚度。厚度变化直接关系到制件的力学性能，生产实践中，制件的厚度变化若＞20%，就会影响成型质量。要么予以废弃，要么需增设特制件。若预制件在送入热压预成型制备硬化之前，其厚度已低于其理论值，将被认为是不符合要求的。在热压预制件完成后，技术人员采用测微计对其进行三次测定，此次实验中预制件理论厚度为1.680mm，表明符合厚度要求。在进行厚度测量时，要防止因为材质过于柔软而产生的测量错误，在旋转千分尺时，如果感觉到有阻力，就停止旋转，然后进行读数。此外，还需要对预制件的表面压痕、刮痕、裂缝等情况进行检查。

（3）成型载荷。在模具的成型面粘贴传感器，能够计算出成型过程中成型载荷，实时记录并采集数据。表征预制体在成型过程中承受的载荷的大小。

2结果讨论

对预浸料层合板材进行预成型处理过程中，对预压实时间，预压实次数，放置辅助材料方式等因素进行分析。在恒定温度条件下，对预制件成型质量影响最大的是铺层方式和模具加热温度。在此基础上，本文将对这两个工艺参数的作用进行研究。

2.1 不同铺层方式对固化制件质量的影响

本文考察了不同铺层方式对于预制件成型质量的影响。分别选择了[0°/45°/90°/-45°]4s、[0°/90°]8s,以及[-45°/45°]8s三种32层预浸料叠板。设定成型速度为3.0mm/min，不同铺层方式成型温度为45℃。最终，得出了关于不同铺层方式对于预制件成型质量影响的效果图。详情见图1。

图1 层铺方式不同的成型荷载影响

首先，根据图中数据能够看出，第一种设计方案，[0°/45°/90°/-45°]4s的成形荷载相较于其他两个设计，要大一些，其这是因为，其含有的0°纤维能够更好地承受轴向压力，且准各向同性铺层能够最大程度地发挥出纤维之间的牵引力，从而获得最大的成形荷载，进入赋予预制件良好的成型效果，提高生产质量。而[0°

/90°]8s的铺层方式仅次于第一个方案。而在[-45°/45°]8s铺层方式中，45°纤维在横向的压力下很容易受力变形，所以其成形荷载较小。分别研究在不同厚度下，不同铺层方式下的成形荷载的比较，以此来进行检验，并进行取点后。通过分析可知，在制件厚度、温度、速率的相同条件下，不同铺层方式的成型荷载比较结果为：[0°/45°/90°/ -45°]4s＞[0°/90°]8s>[-45°/45°]8s，而且，随着成型厚度的增加，成型荷载也会越来越大。

由此可以看出，不同铺层方式是影响预浸料成型关键性因素，同时也是决定预制体外观形态、厚度及纤维弯曲角的重要因素。最终通过分析，认为[0/45°/90°/-45°]ns为较佳的铺层方式，预制件的厚度满足制备工艺要求。

2.2模具加热温度对质量的影响

在预制件成型过程中，模具加热温度对预浸料的黏度、变形及层内滑动能力有很大影响。在室温、40℃、60℃、75℃、80℃、100℃不同加热温度情况下，按照3.0mm/min的成型速度下，生产出一种复合材料帽型长桁制件，并研究模具加热温度对成品质量的影响。通过对不同模具加热温度下的预制件外观观测，结果表明，在室温、40℃成型条件下，长桁预制件存在着明显的折痕。随着加热时间的延长，产生的折痕也随之消失。成型是指对预浸料进行压缩，在具有一定曲率的部位（如 R角处）进行弯曲，从而引起层状结构之间的滑动。室温、40℃条件下，由于树脂黏度较高，层间存在较大的摩擦力，影响预制体滑动，导致挠曲变形，弯曲度不符合要求。随着温度的提高，树脂黏度会降低，胶层中的摩擦力减小，胶层厚度会减小，更容易成型。通过对不同模具加热温度下的试样进行对比分析，得出在80℃模具加热温度下，制件外观最符合制备要求的结论。通过对复合材料帽型长桁制件在预成型后帽顶、帽腰、缘条、R角厚度测定，可以看出随着模具加热温度的升高，制件厚度逐渐降低。图2为不同模具加热温度下预制体位置厚度变化曲线。

图2 不同模具加热温度下预制体位置厚度变化

相较于帽顶和缘条部位，帽腰厚度变化并不明显。通过对R角处的薄厚度测定结果表明：R角的薄厚也随温度的增加而降低。在低温情况下，R角的厚度要比其他部位更厚。低温情况下，由于树脂黏度下降，胶层之间的摩擦力增加，剪切力增大，而与其他部位相比，R角上、下两个模具之间有一定缝隙，使得厚度增大。随着模具加热温度的升高，树脂黏度下降，流变性增大，在成型加压的情况下，树脂会被挤压到其他位置。由于帽腰部位是悬空的，只有在最终成型时受到上、下模具加压，因此加压效果并不显著。

通过研究表明当模具加热温度超过75℃时，预制体右缘条厚度低于1.680mm，随着温度增加，厚度会逐渐减小；当模具加热温度小于60℃时，预制件 R角处有显著增厚。因此，在60-75℃范围内，预制件的厚度满足制备工艺要求。

由此可以看出，模具加热温度是影响预浸料树脂黏度的关键性因素，同时也是决定预制体外观形态、厚度及纤维弯曲角的重要因素。最终通过分析，认为75℃为较佳的模具加热温度。

3结论

综上所述，成型工艺参数对复合材料帽型长桁质量主要表现在两个方面：一是不同铺层方式，二是模具加热温度。根据实验研究，最终通过分析，认为[0°/45°/90°/-45°]ns为较佳的层铺方式。因此，在日后制备过程中，技术人员可以将该研究结果作为生产工艺参考，来提高复合材料帽型长桁质量。

参考文献

[1]卢政斌,孙巍,刘路,吕秀雷,韦宁.大尺寸复合材料帽形长桁的固化变形补偿研究[J].复合材料科学与工程,2023(05):108-113.DOI:10.19936/j.cnki.2096-8000.20230528.016.

[2]朱正义.民用飞机复合材料T型长桁压缩性能研究[J].高科技纤维与应用,2023,48(01):36-42.

[3]安慎慎,闫超,苏佳智,陈萍.复合材料T型长桁模具形式研究[J].复合材料科学与工程,2022(02):107-111.DOI:10.19936/j.cnki.2096-8000.20220228.017.

[4]林国伟,袁菲,李新祥.改进的复合材料T型长桁压损失效的数值分析方法研究[J].应用力学学报,2021,38(03):965-971.

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