复合材料C型梁类零件变形控制工艺方法的探讨

党乐1张丹彤2杨尚栋2闫超2

摘 要：复合材料梁状件作为航空骨架的主体部件，其几何形状以 C形为主，在高温环境下成型后，其固化变形严重制约了构件的成型质量和组装衔接。针对该问题，本文以典型飞机尾部 C型梁类构件为研究对象，通过对其局部几何特性的提取与重建，获取其结构的特征信息，采用基于形变逆变形的补偿方式，对其加工过程进行校正。根据成形过程中的反向变形规律，使最终成形的复合材料制品符合预期外形。

关键词：复合材料；热压罐成型；C 型梁；变形控制

复合材料结构件的成型变形严重的会对其成形质量以及各部件的配合造成严重的负面影响，从变形的成因来看，主要有两种：一是由于温度变化引起的变形，二是由于模具与部件的共同作用引起的变形。某型机尾部 C型横梁是一种复杂的复合材料件，其成形的好坏对产品的组装质量有很大的影响。本项目拟基于高温高压成型装置，采用实验和理论研究手段，系统研究不同温度、压力、保温时间、升/降温速率、结构设计参数（铺层方向、厚度和 R）以及模具参数（模具材料和模具形式）对复合材料 C型梁件的变形调控技术。

1.梁类零件变形控制工艺研究

1.1特征信息的提取方法

研究了复合材料结构 C型梁件的几何特性，如厚度、缘条表面与腹板面的角度、 R角半径和边界范围等。在此基础上，根据生产工艺和生产工艺的复杂度，对各部件的长、宽、高等各方面进行分析。

1.2特征试验件工艺模型构建

利用三种不同厚度范围（100 mm、30 mm和25 mm）的不同厚度区域进行建模，最后获得405 mm的特征试件。实验中使用的材料和工艺参数均与梁类零件吻合。在去除部件特性的基础上，建立基于反向变形的反向补偿方案（1.25°），实现反向变形的补偿与名义曲面的比较。

1.3特征试验件制造

通过不同的工艺参数（温度、压力、保温时间、升/降温速度）、结构设计参数（铺层方向、厚度和 R角）、模具参数（模具材料和模具形状），利用热压罐对其进行成型。为便于更直观地对比，将 A, B, C三个部分分别进行了补偿，并将它们与原来表面的形变做了对比。可以看出，经过补偿后， A区域的变形量减小100%, B和 C区域的变形量减小80%。实验结果表明，该方法能有效地改善C型梁固化变形能力，并能满足工程实际需要。

2.变形预测与型面补偿研究

2.1模具型面补偿修正

随着我国航天事业的快速发展，高性能复合零件的制造工艺水平也在逐步提升，并被大量地应用于飞机的零和零件上。高品质的复合零件需要高品质的模具来保障。提升复材构件模具设计与制造水平，是满足复材构件发展需求，保障复材构件品质的前提。为解决复合材料C型梁的固化变形问题，可以采用溯源法，从工装模具入手，在对工装模具进行反向修型，从而改善复材制件固化变形问题。

2.2模具材料及结构

在复合材料件的模具中，模具的材料与结构类型是由材料、轮廓结构、尺寸、精度要求、成型温度及模具加工能力等决定的。目前常用的模具材料有铝、钢、殷钢及复合材料等，其中铝、钢、殷钢及复合材料等常用模具，因其热膨胀系数较大，难以应用于复杂曲面构件，而复合材料模具又受限于模具刚度及服役时间，并非最佳模具材料；钢材及殷钢虽能成形，但其弯曲度大，容易形变，但综合来看，殷钢则与复合材料更相近。

2.3模具型面补偿

通过对复合材料零件成形过程中的固化变形进行了计算，并对其进行了有限元分析。提出了一种通过对复合材料零件成形模轮廓进行变形的方式，使零件在热压罐成形时的变形减小甚至完全消除。在进行模具造型时，根据加工曲面的形状进行了1.25°的补角计算。将该变形引入到复合材料件的模具结构中，达到减少甚至消除成型后的成型变形，减少因反复修模和优化工艺所带来的高昂的生产费用，并大幅缩短生产周期。

3.复合材料C型梁类加工过程控制方法

3.1粗加工余量设置及工艺设计

粗加工的目的就是要迅速消除剩余部分，并提高生产效率。本产品除了梁的基础表面预留2mm的余隙以外，所有的多余部分都设定为3mm。以三轴龙门铣刀为主要工具，以套料成型为原料，一次可完成二个工件的生产。选择大口径的工具（比如40 mm），长短刀分离，用短刀对凹槽上半边进行切割，采用分层优先的方法，在确保效率的前提下，减少工件的变形。下段的槽，使用长刀制作，仍以分层为主，对上段的工作效率略有下降。采用长短刀和分层优先的工艺，可以在各个区域中实现对余量的清除，这对构件的内部形成了一种均衡的作用，也不会导致零件的内部应力发生不规律的改变，这对于控制变形是非常有利的。

3.2精加工前修整基准

在对粗加工之后，再进行工件的校正。参考表面的修改要比工件的毛坯加工时的变形要大，也就是说，要超出最小尺寸的前面，而不能超出工件两侧的余量之和，也就是不能超出最大修边。最小前缘可以完全避免工件的粗加工时产生的变形，从而使工件的最终

变形仅受到加工变形的作用，而不受粗加工的影响。最大修前面积，可以确保修整后的凹槽表面残余量最少，精加工的变形也最少，从原理上来说，它可以达到工件的制造需求，但在校正时，不推荐按照最大修前面来加工，而是在凹槽表面至少留下0.5毫米的加工余量，这样可以减少工件的质量隐患，确保工件可以顺利地完成。

3.3精加工工艺设计

梁的表面经加工后，其最终的外形已经基本上决定了，而凹面光整加工工艺仅能对工件的变形状况进行一定的改进，还必须对其进行研究、归纳，并把握其变化规律，并逐步解决该问题。在加工中，逐步采用“预精铣腹板—精铣缘板一精铣厚度一拆卸零件”。该工艺的关键在于选择最佳的切削工具及工艺参数，以充分利用设备的功能，提升工件的制造效率。在具体的程序设计上，根据工件的间隙大小，对不同厚度区的上部、下部及根部分别设置相应的切割深度及切割速率，以改善制件的生产效果及表面品质。

结束语：

综上所述，复合材料零件轮廓作为成形模具造型的基础，将成形过程中的部件固化变形融入成型模具造型中，降低固化过程中的形变，使制品符合预期外形。通过工艺补偿与校正，建立一种“特征信息提取－变形逆补偿－特征试件加工－固化变形预测－工艺补偿－模具曲面补偿”一体化变形调控新方法，减少或消除成型过程中因反复修模和优化工艺导致的高制造成本，减少制造时间。

参考文献

[1]晏冬秀.碳纤维复合材料C型梁制造变形预测与控制[J].上海交通大学,2022(06):253-257.

[2]安卫星.长梁类零件加工中变形的控制[J].装备制造技术, 2021(04):348-352.

[3]李璐璐,任亚辉,孙松强,等.复合材料C型梁热隔膜成型影响因素分析[J].航空制造技术, 2020(08):109-212.