復(fù)材機(jī)身隔框制造技術(shù)研究進(jìn)展

（上海飛機(jī)制造有限公司,上海 200070）

隨著先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用得到了顯著的提升。相對(duì)金屬而言，復(fù)材具有高的比強(qiáng)度、比剛度及良好的抗疲勞性能和耐介質(zhì)腐蝕性，其設(shè)計(jì)性和工藝性也具有很多優(yōu)勢(shì)，選擇復(fù)材已經(jīng)成為提升飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率和設(shè)計(jì)工藝性的重要方式之一[1-3]。當(dāng)下先進(jìn)民機(jī)如波音787和A350的復(fù)合材料用量均超過(guò)了50%。復(fù)合材料大量應(yīng)用帶來(lái)的直接好處就是與同等大小的飛機(jī)相比，大幅提高了飛機(jī)營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性及可維護(hù)性，飛行的舒適性也有很大提升[4-5]。相比ARJ21-700飛機(jī)只在雷達(dá)罩、翼梢小翼、方向舵等極少部件采用了復(fù)合材料，C919飛機(jī)的復(fù)材用量有較大的提升，但與波音、空客相比還有較大差距?，F(xiàn)代飛機(jī)的機(jī)身是一種加強(qiáng)的殼體，為了防止蒙皮在受壓和受剪時(shí)失穩(wěn)，就需要安裝隔框、長(zhǎng)桁等加強(qiáng)構(gòu)件[6-7]。復(fù)合材料隔框是整個(gè)機(jī)身的支撐零件，也是飛機(jī)的主承力結(jié)構(gòu)件，隔框與角片通過(guò)金屬緊固件同機(jī)身蒙皮進(jìn)行連接（圖1）。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)及制造水平的提高，機(jī)身隔框的制造工藝也從傳統(tǒng)的鈑金工藝、數(shù)控機(jī)加工藝發(fā)展到最近20年左右大量應(yīng)用的復(fù)材工藝[8]。采用復(fù)合材料制造機(jī)身隔框關(guān)鍵技術(shù)在于：（1）隔框扇形結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的0°鋪層纖維的褶皺以及其他角度鋪層纖維之間的間隙控制；（2）材料鋪貼時(shí)纖維角度偏差的控制；（3）復(fù)合材料隔框自動(dòng)化制造；（4）隔框零件復(fù)雜的固化變形分析等。目前,國(guó)外先進(jìn)復(fù)材制造廠商已發(fā)展出多種復(fù)材隔框的制造工藝，在滿足工程要求的情況下實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，部分技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)役飛機(jī)零件制造上。

1 制造工藝

目前，復(fù)合材料機(jī)身隔框的制造工藝主要分為熱壓罐和液體成型兩大類型，其中熱壓罐工藝分為單向帶+自動(dòng)鋪絲+自動(dòng)輥壓、自動(dòng)鋪絲+熱隔膜和編織預(yù)浸料工藝；液體成型工藝中根據(jù)預(yù)成型體制備的方法分為編織預(yù)成型體和NCF布預(yù)成型體兩種方法，注膠工藝均采用RTM工藝。

1.1 單向帶+自動(dòng)鋪絲+自動(dòng)輥壓

美國(guó)ATK公司[9]是一家專業(yè)生產(chǎn)復(fù)合材料框、長(zhǎng)桁類零件的廠家，該公司自主研發(fā)了生產(chǎn)上述零件的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備（ASF系統(tǒng)），為空客A350和波音787飛機(jī)生產(chǎn)復(fù)合材料隔框及長(zhǎng)桁零件。該工藝的原理是在牽引輪的牽引下，將預(yù)浸料牽引至成型模具平臺(tái)上，在多組不同型面的輥輪依次輥壓作用下，得到所需要的零件型面。

該工藝詳細(xì)過(guò)程是：首先采用材料準(zhǔn)備設(shè)備（MPM系統(tǒng)），將單向帶材料根據(jù)鋪層要求分切成90°、45°及-45°鋪層料，分切過(guò)程中有專門(mén)的監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量控制，最后將分切好的材料進(jìn)行單獨(dú)回卷待用。90°及±45°鋪層鋪貼時(shí)直接將上述回卷的材料采用輥壓設(shè)備直接輥壓成型；但0°鋪層位于隔框腹板區(qū)域，由于內(nèi)外徑不同，若采用單向帶直接鋪貼將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的褶皺，因此需要采用自動(dòng)鋪絲機(jī)在平板模具上將0°鋪層進(jìn)行單獨(dú)鋪貼成平板預(yù)成型體，隨后將該平板預(yù)成型體手工轉(zhuǎn)移到成型模具上，再用自動(dòng)輥壓設(shè)備對(duì)0°鋪層進(jìn)行輥壓，最后采用真空袋密封進(jìn)罐固化。MPM設(shè)備及0°鋪層鋪貼見(jiàn)圖2，ASF生產(chǎn)線見(jiàn)圖3。

圖1 Z型機(jī)身隔框與角片、機(jī)身蒙皮的連接關(guān)系Fig.1 Connection relationship of fuselage frame Z-shape shear and shear tie, fuselage skin

圖2 MPM設(shè)備及0°鋪層鋪貼Fig.2 MPM system and 0°fiber placement

圖3 ASF生產(chǎn)線全貌Fig.3 Overview of ASF system

法國(guó)Duqueine Group公司[10]采用與ATK公司類似輥壓的方法進(jìn)行隔框零件的制造，兩家公司生產(chǎn)線的區(qū)別在于：ATK公司是通過(guò)輥壓頭的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)鋪層的折彎，而Duqueine Group公司是通過(guò)旋轉(zhuǎn)模具來(lái)實(shí)現(xiàn)鋪層的折彎。目前，該公司為空客機(jī)體供應(yīng)商Aerolia公司和PAG公司供應(yīng)A350飛機(jī)機(jī)身隔框，其生產(chǎn)線見(jiàn)圖4。

圖4 隔框生產(chǎn)線Fig.4 Production line of frames

該工藝的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)隔框零件連續(xù)自動(dòng)化成型、復(fù)材零件的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、零件的力學(xué)性能高，同時(shí)均分了由于零件幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的料片之間的間隙及角度偏差。

1.2 自動(dòng)鋪絲+熱隔膜

采用自動(dòng)鋪絲機(jī)將所有鋪層在平板模具上鋪成平板預(yù)成型體，然后將平板預(yù)成型體轉(zhuǎn)移并定位到成型模具上，采用真空袋密封后將零件和模具放置在熱隔膜機(jī)預(yù)成型平臺(tái)上，升溫進(jìn)行預(yù)成型。平板預(yù)成型體和熱隔膜成型過(guò)程見(jiàn)圖5。國(guó)內(nèi)復(fù)材制造商采用該工藝完成了C型隔框及L型角片的制造驗(yàn)證工作。

圖5 平板預(yù)成型體及熱隔膜成型過(guò)程Fig.5 Flat preform and hot drape forming

波音公司將該技術(shù)用于生產(chǎn)隔框角片一體化零件，并申請(qǐng)了專利[11]，整個(gè)零件為“Z”型截面，該技術(shù)路線是采用自動(dòng)鋪絲機(jī)在平板模具上將零件的鋪層鋪成平板預(yù)成型體，在鋪貼±45°及90°鋪層過(guò)程中可能存在較大的三角區(qū)間隙，需要視情況進(jìn)行補(bǔ)料，采用超聲波裁斷設(shè)備在外圓弧上切出角片的“豁口”（圖6），隨后采用預(yù)成型工裝一進(jìn)行第一次熱隔膜成型（圖7），完成內(nèi)緣條的預(yù)成型，將預(yù)成型體轉(zhuǎn)移到預(yù)成型工裝二上進(jìn)行第二次熱隔膜成型（圖8），完成外緣條的預(yù)成型，最后采用真空袋密封并固化，進(jìn)罐完成零件的固化。

該工藝方法的優(yōu)點(diǎn)是：（1）采用隔框角片一體化設(shè)計(jì)，減輕了零件的整體重量，同時(shí)省去了隔框角片之間的緊固件；（2）采用鋪絲機(jī)直接鋪貼平板預(yù)成型體，極大提高了鋪絲機(jī)的鋪貼效率；（3）該工藝方法也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)身隔框高效穩(wěn)定的生產(chǎn)。

1.3 編織預(yù)浸料

針對(duì)隔框零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及單向帶在鋪貼該零件時(shí)角度變形能力十分有限的缺點(diǎn)，美國(guó)A&P公司與Hencel公司聯(lián)合研制了一種全新的編織預(yù)浸料。該材料是由美國(guó)A&P公司進(jìn)行干纖維布的編織（圖9），編織完后由Hencel公司采用苯并噁嗪樹(shù)脂進(jìn)行浸膠，材料編織角度范圍為25°～75°之間，并可以在指定區(qū)域根據(jù)要求增加0°加強(qiáng)纖維絲束進(jìn)行三軸編織。該材料（圖10）具有極好的鋪覆性，纖維方向保證極好，角度偏差在0.5°左右，固化后零件無(wú)損檢測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜和脫粘缺陷，但表面有較為明顯的富膠，該材料需要在纖維絲束間隙及樹(shù)脂含量控制方面進(jìn)行重點(diǎn)提升。

由于該預(yù)浸料纖維具有很強(qiáng)的變形能力及很好的鋪貼性能，可采用類似美國(guó)ATK公司的簡(jiǎn)易的ASF生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)隔框零件，或采用自動(dòng)下料機(jī)下料后直接進(jìn)行人工鋪貼，人工鋪貼同樣可以實(shí)現(xiàn)很高的制造效率，同時(shí)省去昂貴的設(shè)備采購(gòu)成本。

圖6 預(yù)成型體切割Fig.6 Trimming the preform

圖7 第一次熱隔膜成型Fig.7 First hot drape forming

圖8 第二次熱隔膜成型Fig.8 Secondary hot drape forming

1.4 編織預(yù)成型體+LCM工藝

復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的應(yīng)用隨著復(fù)材在飛機(jī)上用量的劇增而備受矚目。相比預(yù)浸料工藝具有很多優(yōu)勢(shì)的RTM成型工藝已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注及應(yīng)用[12]，RTM工藝進(jìn)入航空制造領(lǐng)域大規(guī)模生產(chǎn)只是時(shí)間問(wèn)題。纖維編織技術(shù)因其在零件預(yù)成型體制造中具有很高的效率，也廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面[13]。空客CTC部門(mén)已經(jīng)成功研發(fā)了用于復(fù)合材料機(jī)身隔框預(yù)成型體制備的三維編織機(jī)（圖11），實(shí)現(xiàn)了展示件的批量生產(chǎn)，并計(jì)劃將該技術(shù)用于A350-1000機(jī)身隔框的生產(chǎn)。

圖9 ±65°及±25°編織形式Fig.9 Braiding form of ±65°and ±25°

圖10 預(yù)浸料樣品Fig.10 Sample of the prepreg

圖11 編織設(shè)備Fig.11 Braiding machine

為了改善采用傳統(tǒng)編織工藝制造的預(yù)成型體力學(xué)性能偏低的缺點(diǎn)，空客CTC采用了一種叫“UD braid”的編織技術(shù)，此技術(shù)是采用一條纖維絲束和一條極細(xì)的熱塑性絲（固化時(shí)熱塑性絲熔融到零件中）相互疊壓的方式，可近似實(shí)現(xiàn)碳纖維材料的單層編織，大幅降低了纖維的力學(xué)損失。同時(shí)該編織設(shè)備還集成了纏繞機(jī)的功能，很好地實(shí)現(xiàn)了90°鋪層的編織。并且針對(duì)隔框零件緣條區(qū)域有0°鋪層的要求，該設(shè)備在編織下一層鋪層的時(shí)候通過(guò)輥壓?jiǎn)蜗驇У姆绞綄?shí)現(xiàn)0°鋪層的鋪貼。圖12對(duì)比了傳統(tǒng)編織與UD編織形式上的不同。圖13展示了Z型隔框LCM工藝過(guò)程。

預(yù)成型體完成制造以后，將預(yù)成型體轉(zhuǎn)移到RTM模具中，采用RTM工藝自動(dòng)化生產(chǎn)線（圖14），實(shí)現(xiàn)隔框零件的高效低成本生產(chǎn)[14]。

1.5 NCF預(yù)成型體+LCM工藝

該工藝方法預(yù)成型體采取德國(guó)Seartex公司的NCF無(wú)褶皺織物鋪貼而成，預(yù)成型體可以采取手工鋪貼或自動(dòng)化設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)。荷蘭國(guó)家航空實(shí)驗(yàn)室[15]采用手鋪NCF預(yù)成型體后，采用RTM工藝注膠制造了隔框角片一體化零件（圖15）。為了提高預(yù)成型體制造的效率及質(zhì)量穩(wěn)定性，德國(guó)Broetje聯(lián)合空客CTC及Faserinstitut Bremen Research Facility已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一套用于隔框零件預(yù)成型體連續(xù)自動(dòng)化成型的CCPS系統(tǒng)（圖16），該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)10年的研發(fā)，目前已具備大規(guī)模推廣的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)包括材料輸送單元、材料牽引單元、材料預(yù)壓實(shí)單元、截面成型單元、運(yùn)輸單元、曲面成型單元、切割單元及預(yù)成型體搬運(yùn)單元[16-17]。目前，復(fù)材行業(yè)正在研究采用自動(dòng)鋪干絲設(shè)備制造隔框、窗框等預(yù)成型體，該技術(shù)已經(jīng)取得了階段性的進(jìn)展。圖17展示了截面輥壓和預(yù)成型體。

圖12 傳統(tǒng)編織與UD編織形式對(duì)比Fig.12 Comparison of traditional and UD braiding

圖13 Z型隔框LCM工藝過(guò)程Fig.13 LCM process of Z-shape fuselage frame

圖14 RTM模具及RTM自動(dòng)化生產(chǎn)線Fig.14 RTM mould and automatic product line of RTM process

圖15 手鋪預(yù)成型體及隔框角片一體化零件Fig.15 Perform manufactured by hand and integrated parts of frame and shear tie

圖16 CCPS系統(tǒng)Fig.16 CCPS system

圖17 截面輥壓及預(yù)成型體Fig.17 Section forming and perform sample

2 方案對(duì)比及總結(jié)

隨著當(dāng)今民用飛機(jī)及復(fù)材制造技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)身隔框的設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)的隔框角片分離向隔框角片一體化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，機(jī)身隔框的制造工藝也從傳統(tǒng)的鈑金工藝、數(shù)控機(jī)加工藝向復(fù)合材料自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn)方向發(fā)展。本文簡(jiǎn)要介紹了幾種用于復(fù)材機(jī)身隔框的生產(chǎn)工藝，其中部分已經(jīng)用于波音、空客的最新型號(hào)及改進(jìn)型號(hào)，其余還處在研發(fā)驗(yàn)證階段。所有工藝方案都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造，但是各工藝方法成本、自動(dòng)化程度、材料設(shè)備采購(gòu)限制、力學(xué)效益、適航風(fēng)險(xiǎn)等都有不同，需要進(jìn)行綜合考量。

單向帶+自動(dòng)鋪絲+自動(dòng)輥壓工藝，由于采用單向預(yù)浸料材料進(jìn)行制造，因此零件的力學(xué)效益很高，制造過(guò)程自動(dòng)化程度高，同時(shí)該工藝在現(xiàn)役飛機(jī)上已有成熟應(yīng)用；自動(dòng)鋪絲+熱隔膜工藝，同樣采用單向預(yù)浸料材料，零件的力學(xué)效益高，對(duì)于C型隔框，可采用一次熱隔膜成型，Z型隔框需要進(jìn)行兩次熱隔膜成型，隔框角片一體化設(shè)計(jì)減少了零件及緊固件的數(shù)量，是隔框最新設(shè)計(jì)趨勢(shì)；編織預(yù)浸料工藝采用最新開(kāi)發(fā)的編織材料，該工藝的特點(diǎn)是材料的鋪覆性極好，纖維角度偏差控制到位，同時(shí)可以根據(jù)零件鋪層設(shè)計(jì)需求引入0°纖維進(jìn)行三軸編織，但該材料為編織材料，纖維力學(xué)效益較低，同時(shí)材料的含膠量需要進(jìn)一步的改善，因此該工藝是一項(xiàng)很有潛力的技術(shù)；編織預(yù)成型體+LCM工藝為低成本液體成型工藝，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自動(dòng)化生產(chǎn)，零件的表面質(zhì)量好，已在現(xiàn)役飛機(jī)上有成熟應(yīng)用，傳統(tǒng)編織由于纖維的屈曲，使得纖維的力學(xué)效益較低，但最新發(fā)展的“UD braid”技術(shù)極大提高了纖維的力學(xué)效益，同時(shí)改善了零件的韌性；NCF預(yù)成型體+LCM工藝也是低成本液體成型工藝，德國(guó)Broetje公司開(kāi)發(fā)的CCPS系統(tǒng)是成型隔框預(yù)成型體的最新設(shè)備，采用NCF布制造預(yù)成型體，力學(xué)性能接近單向帶+自動(dòng)鋪絲+自動(dòng)輥壓工藝，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)成型體高效穩(wěn)定成型，是非常具有發(fā)展?jié)摿Φ脑O(shè)備，后續(xù)有望應(yīng)用到飛機(jī)復(fù)材零件制造。

綜上所述，機(jī)身隔框目前最新的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是將隔框及角片進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，達(dá)到減重及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，而零件的制造需要綜合設(shè)計(jì)能力、制造能力以及原材料采購(gòu)等因素。在實(shí)際制造加工中，應(yīng)權(quán)衡各方面的利弊，選擇一種對(duì)零件性能、生產(chǎn)效率、綜合成本及項(xiàng)目進(jìn)展等最為有利的工藝方案。

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