某大型客機復(fù)合材料中央翼加筋上壁板制造技術(shù)研究

朱攀星　楊紹昌　郭俊剛　馬煜亮　房曉斌

（中航飛機西安飛機分公司，陜西 西安，710089）

某大型客機復(fù)合材料中央翼加筋上壁板制造技術(shù)研究

朱攀星楊紹昌郭俊剛馬煜亮房曉斌

（中航飛機西安飛機分公司，陜西 西安，710089）

本文通過某大型客機復(fù)合材料中央翼加筋上壁板制造成型試驗，對大型客機復(fù)合材料主承力構(gòu)件制造技術(shù)進行了多方位的研究探索和試驗驗證，實現(xiàn)了復(fù)合材料零件生產(chǎn)過程的全數(shù)字化，制造出滿足試驗指標(biāo)的復(fù)合材料中央翼上壁板組件。結(jié)果表明，建立的濕蒙皮+干長桁共膠接等解決方案，技術(shù)風(fēng)險低，無損質(zhì)量高，對長度4米以下的復(fù)合材料長桁加筋壁板制造提供一種思路。

復(fù)合材料；中央翼；加筋；上壁板；制造

先進樹脂基復(fù)合材料具有比強度、比剛度高，可設(shè)計性強，抗疲勞性能好以及特殊的電磁性能等獨特優(yōu)點，隨著現(xiàn)代飛機不斷追求高性能的步伐，復(fù)合材料在航空制造領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，逐步成為飛機結(jié)構(gòu)主要材料之一。今天，復(fù)合材料所占機體結(jié)構(gòu)重量百分比已成為衡量飛機先進性的重要標(biāo)志。

中央翼處于全機結(jié)構(gòu)的樞紐，受力情況嚴(yán)重、協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，將復(fù)合材料應(yīng)用于飛機中央翼主承力結(jié)構(gòu)，代表著國際航空領(lǐng)域發(fā)展的最新趨勢，近年波音、空客陸續(xù)投入市場的新機型B787、A380均采用了復(fù)合材料中央翼結(jié)構(gòu)?！赌炒笮涂蜋C中央翼復(fù)合材料制件成型工藝研究》涉及大量新材料、新工藝，技術(shù)難度大，質(zhì)量要求高，對提升我國航空復(fù)合材料制造技術(shù)、國產(chǎn)大型客機后續(xù)改型升級意義重大。

1　零件結(jié)構(gòu)介紹

某大型客機復(fù)合材料中央翼上壁板外廓尺寸長3814mm，寬2791mm（見圖1），材料選用進口新型T800高強中模碳纖維環(huán)氧單向預(yù)浸料，層壓加筋板結(jié)構(gòu)，壁板變厚度，最大厚度10mm，兩端帶下陷。長桁數(shù)量17根，其中“工”形15根 ，“T”形2根，間距142mm，厚度5.75mm。上壁板與前梁、后梁、展向梁、1號肋有裝配關(guān)系。

2　主要技術(shù)指標(biāo)

2.1鋪層角度公差

上壁板蒙皮自動鋪帶：±1°；長桁手工鋪貼：±2.5°。

圖1　上壁板結(jié)構(gòu)圖

圖2　上壁板成型工藝流程

2.2結(jié)構(gòu)軸線偏差

普通長桁的結(jié)構(gòu)軸線偏差為±2.0mm；與展向梁連接的長桁結(jié)構(gòu)軸線偏差為±1.5mm。

2.3貼模間隙

在50N力輕壓下，允許零件貼模間隙不超過0.3mm。

2.4無損缺陷

2.4.1分層

允許缺陷的面積不得大于30mm2，最大尺寸不得大于9mm，合計不超過2處，相鄰缺陷區(qū)域邊緣最小距離不得小于180mm。

2.4.2脫膠

允許缺陷的面積不得大于30mm2，最大尺寸不得大于6mm，合計不超過2處，相鄰缺陷區(qū)域邊緣最小距離不得小于260mm。

3　技術(shù)難點及解決措施

3.1整體成型技術(shù)

目前，復(fù)合材料整體成型技術(shù)一般包括二次膠接、共膠接、共固化三種。共固化技術(shù)，眾多零件在一次成型中完成各自成型和相互之間連接，一方面大大降低了固化成本，省去了頻繁進罐，另一方面大大減少了緊固件數(shù)量，節(jié)省了裝配周期。不過，共固化技術(shù)工藝復(fù)雜，對工裝結(jié)構(gòu)、人員技能要求較高，一旦成型后出現(xiàn)質(zhì)量問題，修復(fù)和處理難度較大，風(fēng)險較高。二次膠接技術(shù)下級零件可以分別提前成型，降低了零件制造難度，缺點是需要多次進罐，固化成本較高，且在形成組件過程中，干干配合，配合部位協(xié)調(diào)難度大，容易產(chǎn)生無損缺陷，界面膠接強度低，主承力構(gòu)件一般不采用。共膠接技術(shù)是介于上述兩者之間的一種整體成型技術(shù)，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無損質(zhì)量不易保證的零件可以像二次膠接一樣提前固化，對于結(jié)構(gòu)簡單的零件自身固化與組件形成在一次過程中完成，既降低了技術(shù)難度，又節(jié)約了固化成本。

通過綜合考慮，確定中央翼上壁板采用共膠接技術(shù)。共膠接技術(shù)有兩種，一種是干蒙皮加濕長桁結(jié)構(gòu)，一種是濕蒙皮加干長桁結(jié)構(gòu)。干蒙皮加濕長桁結(jié)構(gòu)，優(yōu)點是蒙皮先成型，表面平整、質(zhì)量高，缺點是共膠接工裝必須采用組合結(jié)構(gòu)，形式復(fù)雜，需要專門設(shè)計長桁腹板側(cè)向傳壓裝置，長桁質(zhì)量不易保證。濕蒙皮加干長桁結(jié)構(gòu)，長桁質(zhì)量可控，工裝結(jié)構(gòu)簡單，但需采取工藝措施保證蒙皮表面平整度，國外采用較多，因此中央翼上壁板采用濕蒙皮加干長桁結(jié)構(gòu)，工藝流程見圖2。

圖3　上下合模長桁成型工裝示意圖

3.2長桁成型技術(shù)

長桁成型的難點在于保證成型后的無損質(zhì)量，通常長桁成型采用左右組合工裝結(jié)構(gòu)，該方法的特點是無余量加工，長桁成型后僅需簡單的修整，缺點是工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，工裝的配合精度的細微缺陷都將影響長桁無損質(zhì)量。針對中央翼上壁板長桁，我們采取了另一種工裝結(jié)構(gòu)形式，既上下合模式組合工裝結(jié)構(gòu)（見圖3），該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是工裝制造簡單，成型過程中零件傳壓好，無損質(zhì)量易于保證，但固化后需對長桁周邊進行銑切加工。

3.3自動鋪帶技術(shù)

采用自動鋪帶技術(shù)，一方面可以大大提高生產(chǎn)效率，另一方面降低了對人員技能的依賴，制件質(zhì)量大幅提高，目前國外已在B787、A380等型號上廣泛應(yīng)用，但國內(nèi)尚處于設(shè)備引進、技術(shù)熟悉的起步階段。

本研究使用M.Torres公司生產(chǎn)的自動鋪帶機，采用TORLAY軟件進行鋪帶編程，該軟件只能識別Catia V5軟件的composites模塊設(shè)計的復(fù)合材料鋪層信息，第一步必須對FiberSIM軟件中的鋪層信息進行轉(zhuǎn)化。模型轉(zhuǎn)換工作完成后，進入鋪帶編程軟件Torlay進行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)包括材料幅寬，鋪帶間隙，鋪貼壓力，每層的鋪貼起始點，錯縫規(guī)則，施壓參考面等，最后生成自動鋪帶鋪層。為保證鋪貼過程中自動鋪帶角度、間隙不超出設(shè)計要求，保證零件質(zhì)量，建立好鋪帶鋪層后，還需進行鋪帶間隙和角度仿真分析。通過仿真分析，壁板鋪帶間隙0.5～1.5mm，鋪帶角度44.6～45.1°，滿足設(shè)計要求。上述工作完成后，輸出包括TAPE輪廓、鋪貼方向、鋪貼順序的鋪帶程序，通過設(shè)備運行路徑碰撞仿真，便可用于零件自動鋪帶。

3.4長桁軸線控制技術(shù)

中央翼上壁板通過長桁與1#肋和展向梁連接，長桁軸線偏差對產(chǎn)品質(zhì)量影響巨大，必須嚴(yán)格控制。針對中央翼上壁板布置17根長桁，數(shù)量較多，長度接近4m，尺寸較長的結(jié)構(gòu)特點，為解決長桁軸線兩端頭和中部定位準(zhǔn)確度問題，采取定位孔、定位卡板等措施，提高長桁組合定位精度，避免長桁固化過程中滑移和竄動。

方法1：定位孔定位，分別在長桁零件兩端和成型工裝兩端制出定位孔，二者孔位相互協(xié)調(diào)，孔徑一大一小，位置對角布置，長桁定位孔脫模前通過鉆模制出，裝配時通過銷棒固定在工裝底孔上，以保證長桁端頭位置準(zhǔn)確度，制袋封裝過程中銷棒不取出，隨零件一起固化。

方法2：定位卡板定位，沿長桁長度方向布置3道卡板，卡板與長桁理論平面貼合，通過抽真空壓實檢查長桁下緣條與壁板的間隙以及長桁軸線偏差量大小，根據(jù)間隙大小及長桁軸線偏差確定膠膜補償層數(shù)，直至冷壓實狀態(tài)下軸線偏差符合設(shè)計要求。定位卡板制袋前取下，不與零件一同進罐。

3.5制袋封裝技術(shù)

長桁與壁板組裝通常采用的是芯模支撐方式，該方式芯模需分段，容易錯混，芯模與長桁在R區(qū)配合不好，容易出現(xiàn)壓痕和分層。針對中央翼上壁板長桁截面對稱，變形較小的零件特點，獨創(chuàng)了真空袋軟模支撐法替代部段樣件使用的剛性芯模支撐法，首先大大簡化了工裝，節(jié)約了工裝材料和加工成本；其次，避免了已固化零件因變形與芯模R區(qū)等接觸區(qū)域出現(xiàn)配合誤差導(dǎo)致的干涉；第三，裝配定位及膠接組合操作難度及勞動強度顯著降低，生產(chǎn)效率大大提高。從試驗結(jié)果來看，零件無損質(zhì)量及幾何外形都達到了預(yù)期目標(biāo)。

4　試驗結(jié)果

長桁、上壁板組件無損缺陷符合驗收標(biāo)準(zhǔn)，分層及脫膠缺陷均小于30mm2；零件貼胎間隙0～0.15mm，未超過0.3mm；普通長桁結(jié)構(gòu)軸線偏差最小+1.4mm，最大-1.6mm，滿足±2.0mm要求；與展向梁連接的長桁結(jié)構(gòu)軸線偏差+0.5～0.8mm，滿足±1.5mm要求。某大型客機復(fù)合材料中央翼上壁板組件整體性能達到預(yù)期目標(biāo)。

5　結(jié)束語

針對某大型客機復(fù)合材料中央翼上壁板典型試驗件的研究攻關(guān)，掌握了一種能夠滿足變厚度復(fù)合材料加筋壁板的成型技術(shù)解決方案，打通復(fù)合材料中央翼上壁板制造全過程，成功試制復(fù)合材料中央翼上壁板主承力構(gòu)件，為未來國產(chǎn)大型客機采用復(fù)合材料中央翼、外翼結(jié)構(gòu)積累了經(jīng)驗，促進我國大型客機制造技術(shù)水平跨越式提升。

（References）

［1］段友社.大飛機復(fù)合材料機翼研制技術(shù)現(xiàn)狀［J］.航空制造技術(shù)，2012（18）:34-37.

［2 ］陳祥寶.先進復(fù)合材料低成本技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004（7）.

朱攀星（1980－），男，工程師，西安理工大學(xué)，本科，研究方向為復(fù)合材料制造技術(shù)。