吉海明 张微 路梅
中国电子科技集团公司第二十七研究所 郑州 450047
摘要：本文从材料选择、成型工艺改进、结构改进等方面对某型无人机泡沫夹层复合材料机翼进行了改进，用PMI泡沫代替原方案的EPO泡沫作为夹层材料，芯材加工方式由原来的电热丝手动切割改为数控加工，精简了机翼内部结构设计，从而提高了机翼精度和机翼强度。
关键词：泡沫夹层；复合材料；PMI泡沫
Design Improvement of Foam Plastic Sandwich Composite Wing for the UAV
Ji Hai-ming，Zhang Wei，Lu Mei
（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou 450047，China）
Abstract：This paper improves the UAV wing component from material choice，molding process amelioration and structure amelioration.Raplacing the EPO foam plastic core of former project with the PMI foam plastic core，raplacing the former core manul machining process with CNC machining and simplifying the inside strcture design of the wing，the paper improves the surface quality and structure strength.
引言：某型号无人机机翼采用泡沫夹层复合材料结构制做，中间嵌有梁、肋、接插件等预置零件。泡沫芯材为EPO泡沫，梁采用0.5mm碳纤维片立置，梁的上下表面各用1层芳纶纤维增强，泡沫芯两端有1mm厚的轻木肋，前后梁两端处预埋有接插嵌件，整个机翼蒙皮材料为芳纶/环氧树脂复合材料，厚度为0.12mm。成型工艺采用真空袋半模成型工艺中低温固化成型，成型后发现机翼构件存在以下问题：
1）机翼前后缘处出现弯曲，直线度差；
2）成型过程中泡沫芯材出现收缩现象，造成机翼表面不平整，翼型不准确；
3）飞行过程中机翼强度不够，升力过大时易出现机翼失稳折断现象。
本文分析了造成上述问题的原因，提出采用PMI泡沫代替EPO泡沫芯材的方案，对该型无人机机翼的成型工艺进行了改进设计。
1.夹层材料改进
由于机翼成型是在负压0.95MPa，80℃保温固化4小时，因此需要泡沫夹层材料在此状态下永久体积变形量要小，不大于-1%。
对原设计方案应用的EPO在负压0.95MPa，80℃保温固化4小时后，体积变化如下表1所示：
表1 EPO泡沫芯材在-0.95MPa，80℃保温固化4小时后体积变化
2.泡沫夹层材料加工工艺改进
原有的EPO泡沫，材质软，熔点低，采用电热丝切割工艺依照翼型卡板手动切割加工成型泡沫芯材。具有以下缺点：
1）表面有大量拉丝，打磨时易出现较大孔隙；
2）切割人员进给速度不一致，前缘与后缘直线度难以保证，表面易出现热熔痕迹，翼型不精确。
如图1所示为热熔切割后的泡沫芯缺陷产品
图2 数控加工PMI泡沫芯材
3.机翼结构改进
原机翼结构如图3所示，由蒙皮、芯材、碳纤维梁、轻木、与翼尖的接插件组成。
4.2 PMI泡沫芯材数控加工
采用数控机床对PMI泡沫芯材加工，成型翼型填充芯材。采用的方法是，先加工出上翼面翼型，然后将泡沫块上翼面放置在事先制做好的上翼面加工辅助阴模具中，用夹具固定。再将辅助阴模连同半加工状态的芯材固定在数控加工平台上，加工下翼面翼型。辅助阴模可用铝或者代木加工制做，前者使用次数多，成本高，后者使用次数相对较少，成本低廉。在探索期间，我们用的是代木辅助阴模。
4.3 上翼面模具准备、下翼面模具准备
模具准备主要是清理模具型腔内的胶块，检查模具状态，涂抹脱模剂。
4.4 芳纶纤维剪裁
芳纶纤维采用平纹芳纶编织布，单位面积重量为60g。同时，将前后梁处的加强层裁剪出来。裁剪完毕后，要对芳纶纤维进行干燥处理。
4.5 上翼面铺层
采用AXSON公司的2040/2042环氧树脂体系作为基体进行芳纶纤维的铺层。涂刷芳纶纤维过程中要尽量减小芳纶纤维纹路方向的改边。纤维铺完后，将PMI泡沫芯材按照对应的翼型面铺放在纤维上，压紧。
4.6 抽真空
将铺好的工件，用脱模布、透气毡、真空袋封装，检验密封性，然后抽真空。
4.7 固化
固化是在固化炉内进行，该树脂体系按照1.5℃/min的升温速率从室温升至80℃，保温固化4小时。
4.8 脱模修整
将工件从上翼面模具中脱模，修整前后缘及两翼端处胶块。便于在下翼面模具中成型。
4.9 下翼面铺层
先将下翼面增强芳纶纤维铺在下翼面模具中，涂刷2040/2042环氧树脂体胶粘剂，然后将上翼面固化后的工件，下翼面放入下翼面模具中。然后再进行下翼面模具的封装抽真空固化工艺，脱模后进行工件修整，去除毛边，打磨毛刺。
4.10 机翼机加工
由于机翼要与左右翼尖进行插接，因此需要嵌入插接件。根据图纸，在机翼两端面机加工出埋入嵌件的孔。
4.11 嵌件胶粘
将金属嵌件用结构环氧胶粘剂胶粘固定，嵌件的胶粘和固定在相应装配模具上进行，以保证嵌件定位准确。待固化后，进行修整检验合格入库。
采用设计改进后的工艺制做了新的机翼与原机翼对比如下图5、图6所示。
图5 改进设计后机翼 图6 原机翼
改进设计后的机翼相比原机翼质量和性能都大幅提高。
5.结论
本文针对某型号无人机泡沫夹层结构机翼，在内部结构、材料和加工工艺方面进行了改进：
1）使用PMI泡沫代替EPO泡沫；
2）由于芯材力学性能大幅提高，精简了芯材内部的木质嵌块、碳纤维前梁，简化了成型工艺；
3）使用数控加工代替电热丝手动切割方法加工泡沫芯材，提高了翼型精度；
4）重新设计了基于PMI泡沫夹层结构的工艺流程，并制做了机翼构件。
改进后的机翼与原机翼相比，在翼型精度、力学性能、前后缘直线度、表面质量等方面，性能均大幅提高，满足了无人机要求，证明了这一改进方案的可行性。
参考文献：
［1］赵锐霞，尹亮等.PMI泡沫夹层结构在航天航空工业的应用［J］.宇航材料工艺.2011（2）：13-16
作者简介：
吉海明，男，1980年出生，河北人衡水人，工程师，从事无人机复合材料结构设计与工艺设计。
论文作者:吉海明,张微,路梅
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期供稿
论文发表时间:2015/12/10
标签：机翼论文; 泡沫论文; 夹层论文; 加工论文; 无人机论文; 模具论文; 纤维论文; 《基层建设》2015年16期供稿论文;