作者：张毅
复合材料在机翼梁上的应用不仅可以在提供更高强度的情况下减轻自重，同时可以使得翼梁与复材壁板的热膨胀系数(CTE)匹配。采用碳纤维复合材料制备桁架等承力构件已经成为航空领域不可逆转的趋势。
在复合材料桁架等梁结构的成型过程中，由于其结构复杂，一般采用手工铺层，但手工铺层存在效率较低、成型质量不稳定等缺点，随着自动化技术水平的提．高，复合材料梁肋部件的制造开始朝着自动化、专业化方向发展。据国外统计，2007年大型飞机复合材料结构中有43%是用自动化技术制造的，预计10年内将达到64%以上。随着复合材料自动化制造迅速发展，梁肋结构的复合材料制造从原材料到成型工艺近年来发生了极大的变化，诸如自动铺带、自动铺丝等工艺的出现推进了复合材料梁结构制造的自动化进程，在成型工艺方面，亦有热隔膜成型、滚压成型等自动化成型方式，这些都大幅提高了复合材料梁的加工效率，保证了成型质量。
1 复合材料成型工艺
复合材料成型过程中的变形机制主要包括：①树脂渗透；②横向纤维流动与压实流动；③沿纤维方向的层内剪切；④（多层间）层间滑移；⑤层间转动。其中，预浸料的层间滑移可以缓解梁结构成型时由预浸料层弯曲产生的拉伸和压缩应力，避免制件产生纤维褶皱和断裂，是预浸料成型时主要的变形机制。
2 复合材料梁成型试验设备的机械总体结构
2.1 设备工作原理
依据梁成型方法的调研以及手工制件的经验，提出采用机械方式成型梁结构制件，以实现梁结构制件成形步骤的自动化。复合材料梁结构件成型试验设备工作原理如图1所示。预浸料平板一端被设备的对压运动机构固定并施加一定的预压力，另一端放置在成型机构端的上、下加热片间；加热到设定温度后，预浸料层在设备下压运动的作用下按照一定的下压速率成形成L型梁，最后通过对压运动机构的相对运动成形T型梁。机械部分主体可分为下压成型机构、对压运动机构及箱体三部分。
2.2 下压成型机构
下压成型机构主要由下压头运动块和上盖板组成。下压运动机构采用滚珠丝杠驱动，光杆支撑，实现压头运动块的上下运动。上盖板通过螺钉与下压头运动块相连，通过添加一定厚度的垫片控制上盖板与运动块的间距，既保证预浸料层受热充分与均匀，又能允许预浸料层成形端自由活动。上盖板包括上加热片、压头和滚轮部分。采用压头和滚轮双重加压方式，压头的压力主要通过成形间距调节，滚轮压力通过扭簧进行控制。加热片选用片状硅胶片，保证了加热的均匀性。
2.3 对压运动机构
对压运动机构左右对称，整个运动体安装在直线轴承的安装座上。对压运动块通过电机丝杠直线运动单元实现成型间距的调节及T型梁的成型，导向采用直线导轨，压力传感器选用悬臂梁压力传感器。整个对压运动机构安装在一个大的钢制平板上。
2.4 箱体与试验机结构
箱体采用厚钣金制作，用来固定下压成型机构与对压运动机构。成型试验设备整体样机如图2所示。
3复合材料梁成型试验机控制系统
试验机控制系统能够方便地对复合材料梁成型过程中的预浸料加热温度、预浸料的压力以及预浸料的成型速率进行不同的设置。
试验机控制系统采用上、下位机结构。下位机采用STM32F107主控器，AD采集卡采用12位AD芯片AD7327，采集卡采集两路压力信号和两路温度信号并进行数字滤波与野值剔除；温度传感器选择PT100，并采用SBWZ温度变送器，压力传感器变送器选择RW-ST01压力变送器；加热片通过固态继电器来控制通断。上位机操作软件通过串口通信实现温度和压力数据以及工艺参数指令的传输，并实时保存工艺参数数据，方便分析使用。软件通过C#语言编写。
4复合材料梁的成型试验
试验采用上海康展复合材料有限公司台丽T300-6k碳纤维单向预浸料，树脂体系为中温固化环氧树脂，树脂含量为35%±2%，纤维面密度为150 g／m2，预浸料面密度为224 g／m2，预浸料单层厚度约为0.164 mm。铺层方向规定如下：预浸料中纤维方向沿L型件长度方向的为90。铺层；纤维方向沿L型件缘条及腹板宽度方向的为O。铺层。
4.1 L型梁成型工艺过程
L型梁的成型具体工艺过程如下：①在滚子、侧板和预压板上粘贴四氟乙烯自粘布；②按照不同的铺层方式制作预压板；③设置预浸料的加热温度，然后将预浸料放置在加热层中，达到预定温度，缘条部分通过预压板施加一定预压力；④设置成型机构下压速率并启动成型机构的下压运动，使受热的预浸料在机械作用下逐渐变形为L型梁；⑤成型结束后，关闭加热装置，冷却至室温，脱模得到L型梁的预成型体。
铺层方式为[O。/45。/90。/-45。]。。的准各向同性的L型梁结构成型后外观状态如图3所示，成型后制件内外表面光滑整洁，无纤维屈曲和变形，较手工成型制件外观形貌更好。制件金相如图4所示，制件孔隙出现在层间，制件纤维准直度较好。说明梁结构成型设备可用于实现L型制件的成形。
4.2 L型厚制件的成型试验
以[O。/45。/90。／-45。]。。的对称铺层方式，制备56层、72层和144层的准各向同性的L型厚制件，对成形后L型制件的外观状态、尺寸及固化后制件的截面状态进行了观察。
不同层数L型厚制件预成形体照片见图5，其各部位成型后质量良好，表面质量与较薄制件的表面质量相近，表面光滑无褶皱，且纤维排列整齐，无屈曲及变形。从不同层数L型件固化后拐角截面图（见图6）中可以看出，厚制件拐角处各铺层变形均匀，未出现褶皱、分层等缺陷，制件固化成型后表观质量表现优异。
不同层数L型厚制件成形和固化后各部分厚度值如表1所示，制件各部分尺寸较为均匀。由表1中数据可知，自制的复合材料梁结构成型设备可完成厚度大于22 mm（大于140层）的L型厚制件的成形。
5 总结
针对复合材料梁类零件的手工铺贴成型工艺方法效率低、稳定性差的缺点，本文提出了一种自动化的复合材料成型工艺试验机。试验机能够方便地设置成型的温度、速率、成型间隙等工艺参数，为探究复合材料梁最合理的自动化成型工艺提供了试验平台。试验结果显示，该试验机性能优异，L型梁的成型厚度可达到22 mm，并且相对手工成型质量更加稳定，工艺参数设置简单，满足自动成型工艺的探索要求。
6摘要：介绍了自行研制的一台梁结构件成型设备，该设备能够通过软件方便地设置成型工艺参数，并对L型梁结构成型工艺参数进行试验，验证了L型梁结构成型设备自，动化成型的可行性。
