大型復合材料壁板先進制造技術及應用

（航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110850）

相較金屬材料，復合材料有較好的比剛度、比強度、耐疲勞、抗沖擊、耐腐蝕性能。整體成型的大型復合材料結構是飛機減重的重要措施,也是降低成本的一種方法。現(xiàn)代飛機大型整體復合材料結構的應用部位已經(jīng)由次承力結構過渡到大型主承力結構。作為主承力的復合材料壁板零件，要求結構的鋪層位置、角度精準，組成元件的尺寸和位置度準確，只有這樣才能有效地承載和傳遞載荷。

傳統(tǒng)的手工成型工藝加工大尺寸壁板類零件，經(jīng)常會出現(xiàn)零件內部質量問題，組合元件形位尺寸偏差、零件質量穩(wěn)定性差等狀況。

飛機的復合材料部件，從設計方法到制造技術與金屬材料部件相比都有它的獨特性和復雜性。先進的設計制造一體化技術能夠滿足現(xiàn)代飛機對大型復合材料部件的應用要求。在并行協(xié)同數(shù)字化研制過程中，設計定義與制造技術密切結合，實現(xiàn)設計、材料、工藝的高度一體化，包括從方案設計、材料選擇、鋪層安排、實體建模、鋪層展開、可制造性分析和文檔自動生成等一系列過程[1]。

本文以某民機中央翼盒復合材料壁板為研究對象，解析設計制造一體化的先進技術。

壁板介紹

1 壁板規(guī)格

某民機中央翼盒壁板有11根長桁。按等強度原則，蒙皮斜坡式漸變厚度設計，最大厚度14.803mm，鋪層數(shù)103，最小厚度5.95mm，鋪層數(shù)33，面板3360mm×2850mm。T型長桁為等厚度設計，沿航向各長桁厚度相應減少，最大長桁厚度5.134mm，鋪層數(shù)28，最小長桁厚度2.544mm，鋪層數(shù)14。

2 材料選用

壁板材料選用碳纖維預浸料Cycom 977-2-35-IM7-145。預防電化學腐蝕，蒙皮內、外表面與金屬零件貼合處鋪玻璃布 HEXCEL 8552/42/120/G。

3 工藝分析

將壁板按結構拆分為蒙皮和長桁，分別鋪貼和預成型，組合后共固化制造。工藝流程如圖1[2-3]所示。

圖1 壁板制造工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of the panel

蒙皮成型

1 蒙皮仿真設計

減重需要，蒙皮為變厚度設計。選用FiberSim軟件進行制造仿真設計，生成制造工程信息、驅動鋪層激光投影定位系統(tǒng)、自動下料設備和纖維鋪放設備的數(shù)據(jù)[2，4]。

具有高效率、高質量和低成本優(yōu)點的自動鋪帶技術能夠避免人工鋪放產(chǎn)生的質量重復性差、質量分散性大的問題。由于壁板蒙皮有外型面要求，要直接在固化工裝上鋪貼。蒙皮是大尺寸且中等曲率零件，適于曲面式自動鋪帶機的應用[5]，采用窄帶150mm寬料卷。

2 自動鋪帶（ATL）鋪貼

2.1 ATL工作原理及與工裝校準

用于自動鋪帶工藝的預浸料卷放置在鋪帶機的工作頭上。自動鋪帶工藝專用的預浸料是單面帶襯紙的，在鋪疊工作時，原材料從預浸料卷出來，在壓實軸處鋪疊在工裝表面，其襯紙會被襯紙回收卷收回。切刀控制鋪層的大小和形狀，滾輪控制襯紙與預浸料的分離（圖2）。

設備校準包括：放置蒙皮固化工裝,工裝由與碳纖維熱膨脹系數(shù)相當?shù)囊箐摬牧现圃欤淠Ｌッ鏋榱慵庑兔?；按模胎面上的靶標點通過ATL機模具坐標系校準系統(tǒng)確定工裝與ATL設備的位置[4]，如圖3所示[6]。

2.2 纖維鋪放

（1）加載激光投影程序,投影第一層玻璃布的位置標記，按標記手工鋪放一層玻璃布膠帶條,并壓實（壓實后，揭去表面保護層）。

（2）加載碳纖維ATL鋪放指令；為防差錯和測試設備運轉狀況，每次鋪放角度和料卷更換，ATL都要先在模具試鋪放區(qū)試鋪放一段預浸料，檢查鋪放情況再進行工件鋪貼（圖4）。

（3）直到鋪完最后一層碳纖維，并按工裝標記線修剪到鋪層設計邊界線處。

（4）用激光投影儀定位蒙皮內表面玻璃布位置，人工鋪放玻璃布，完成蒙皮鋪貼。真空吸膠、預成型[7]。

根據(jù)零件結構、鋪層等特點，不適用于自動鋪放設備的，仍由手工鋪貼完成。傳統(tǒng)手工鋪貼采用測量和劃線方式來確定鋪層邊界，定位誤差較大。將零件制造數(shù)模中的鋪層輪廓信息轉化為激光投影定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可提高定位精度。自動鋪貼技術能夠提高鋪層的位置準確度，滿足設計要求的鋪層過渡比例。通過吸膠、預成型工藝可排除夾雜的氣泡、多余的樹脂，使零件結構密實，保證制件厚度，工件形面規(guī)整，便于后續(xù)組合。

圖2 ATL機結構示意圖Fig.2 ATL sketch map

圖3 蒙皮工裝上的標記點Fig.3 Marks on the tooling

T型長桁制造

傳統(tǒng)的長桁加工方法通過下料樣板裁剪預浸料，人工劃線定位、鋪貼。零件的制造精度受限于設備的使用精度和人工操作的準確度，已不能滿足現(xiàn)代飛機對大型壁板類零件的精度要求。數(shù)字化技術代替模擬量工作法將很好地解決這些問題。

根據(jù)長桁的仿真設計轉化數(shù)據(jù)，用平板型自動鋪帶機在平面工作臺上直接鋪放，可以選用300mm寬料卷。按各長桁的厚度鋪放整體層板并由數(shù)控下料機相應剪裁[5]，將剪裁后的層板彎折成L型，再將對應的兩個L型片放在長桁模具上由夾具組合成T型長桁。由于裁剪后的平面層板是大厚度大尺寸，手工折彎操作容易造成R角纖維褶皺屈曲，產(chǎn)品質量得不到保障，可運用熱隔膜預成型工藝加工層板片[6,8-9]。

1 加熱預成型設備

加熱燈預熱氣囊中空氣達到要求后框架向下移動，熱氣囊逐步下壓、包覆置于成型工裝上的層板，在一定時間的熱壓下，層板貼覆于成型工裝上。

2 長桁層板制備、預成型

（1）加載ATL鋪放程序，按長桁設計要求鋪疊不同區(qū)域厚度的整體層板，用自動剪裁機制出各長桁相應層板[3,7]；

（2）裁剪后的平板，不能翻轉（層板最外層是45°），直接放置在加熱預成型模具上；放置蓋板，連接熱電偶；加熱預成型機將長桁層板加熱至60℃，熱壓成L型；

（3）制備用于填補元件間及元件與模具間隙的碳纖維卷，放置模具中并加熱預成型。

工程數(shù)模仿真設計生成的長桁展開數(shù)據(jù)，可根據(jù)材料幅寬、層板鋪放尺寸優(yōu)化排版，數(shù)控剪裁切割，可提高材料利用率，省去了下料、定位樣板，減少工人操作時間。對長桁層板的預成型，可提高層板外型的穩(wěn)定性和外觀質量，便于后續(xù)操作。

圖4 蒙皮ATL鋪放Fig.4 Skin ATL

圖5 長桁預成型Fig.5 Stringer pre-molding

3 長桁預成型

（1）加熱預成型后的層板片會有回彈，將從加熱預成型工裝上脫模后的左、右L型層板片扣在殷鋼固化模具上，真空壓實、吸膠20min，使其貼模; 將壓實后的左、右L型層板片連模具整體分別放置在長桁對合夾具上，在夾具一側有豎直擋塊用于模具定位; 在模具兩端層板片外側加密封膠條以防固化時樹脂溢出，見圖5（a）；

（2）修剪后的層板片邊緣會有“書邊”現(xiàn)象,用碳纖維卷填充層板邊緣與模具間隙；設計對長桁立邊有加厚要求的，在層板片對合處加填充片及對縫填充卷，見圖5（b）；

（3）對合后，在長桁臥邊鋪用于與蒙皮防滑的抗剪切膠膜，并按長桁臥邊尺寸修剪，見圖5（c）；

（4）在臥邊預成型工裝上，按航向順序擺放對合的長桁模具并真空壓實預成型，見圖5（d）；

對長桁層板及合模的預成型，可以保證長桁厚度和外型尺寸的準確，有助于后續(xù)組合操作及固化成型。

4 長桁定位

長桁在蒙皮上定位通常采用定位卡塊或定位軟模等方式，工裝零件制造及組裝通過模擬量工作法。大尺寸零件在工裝上裝配時經(jīng)常出現(xiàn)干涉或超差現(xiàn)象。固化時較大的壓力下，較小的定位卡塊或質軟的軟模也不足以約束長桁偏移、變形。

激光定位組合夾具是將激光測量技術應用于數(shù)字化制造的裝配組合工裝上。工裝夾具可根據(jù)需要上下移動及繞定軸翻轉。工裝3個卡板工作型面為相應位置的T型長桁臥邊內型面，此型面確定長桁縱向位置（Z向），見圖6（a）；T型長桁立邊嵌入卡板凹槽中并被凹槽一側擋塊及鎖緊塊確定航向位置（X向），見圖6（b）；最外側卡板凹槽外側有可拆卸擋塊，此擋塊確定各長桁展向位置（Y向），見圖6（c）。長桁放置后，在各卡板凹槽處，連接激光定位儀光電感應元件組，測量長桁設計測量點的實際位置坐標，查驗長桁位置是否符合要求，見圖6（d）。長桁模具對接端面是互相重合的斜面，利于向下加壓及防側滑，見圖6（e）。

通過這套工裝可使各長桁合為一個整體，確保相互之間的位置關系。在同一坐標系下，利用產(chǎn)品數(shù)模轉化的工裝制造數(shù)據(jù)技術和零件激光測量定位數(shù)據(jù)技術可以大大提高元件定位的準確度，提升產(chǎn)品質量，提高勞動效率。

圖6 工裝原理及長桁定位Fig.6 Tooling principle and the stringer position

圖7 長桁、蒙皮組合Fig.7 Stringer and the skin combination

蒙皮、長桁組合及固化準備

傳統(tǒng)的工裝組合定位采用模擬量工作法通過劃線、定位孔和定位塊等方式，存在較大的人為和系統(tǒng)誤差，尺寸和位置精度差。

應用設計制造一體化技術，蒙皮、長桁工裝在同一坐標系下利用零件數(shù)模進行數(shù)據(jù)轉化設計，并應用數(shù)控加工制造。工裝組合時，在同一坐標系下通過激光定位儀確保工裝配合型面的參照點相互吻合來定位長桁組模具在蒙皮上的位置。長桁組合定位后，對長桁模具鋪放加壓蓋板，防止固化時長桁翹曲變形[10]。操作流程為：

（1）長桁定位后，抗剪切膠膜間加碳纖維卷，防固化時樹脂流淌及防翼盒使用時燃油浸入長桁臥邊，見圖7（a）；

（2）在長桁組的空白區(qū)域鋪硅膠墊，以填平長桁組與蒙皮的間隙及方便固化后脫模，見圖7（b）；

（3）按工裝定位儀孔，利用激光定位儀確定長桁組與蒙皮對合，釋放長桁組合夾具，見圖7（c）；

（4）用碳纖維卷及密封膠密封蒙皮與固化工裝間縫隙，安裝固化工裝加壓帶板，連熱電偶，作共固化準備，見圖7（d）。

傳遞外翼彎曲和剪流載荷的復合材料翼盒壁板，要求組成元件制造尺寸精度和鋪放位置準確度高，只有通過數(shù)字化技術設計、制造才能保證飛機設計的精確要求。

結束語

隨著復合材料在飛機上的大量使用，先進復合材料的應用水平已成為現(xiàn)代飛機產(chǎn)品先進性的一個十分重要的標志。目前國內在大尺寸復合材料壁板數(shù)字化制造方面基本處于工藝試驗和驗證階段。長桁的制造及與蒙皮的組合技術還處于傳統(tǒng)工藝與數(shù)字化相結合的階段。國外飛機制造商生產(chǎn)的波音787和空客A380飛機大量采用復合材料結構，分別應用纖維鋪放、共固化和大型壁板整體成型技術，成為飛機制造行業(yè)的先驅者。

自動鋪帶及激光定位組合技術的成功應用，不僅解決了大尺寸、組合元件形位精度高的復合材料件的制造難題，而且體現(xiàn)出成型自動化、數(shù)字化相對于傳統(tǒng)成型方法的絕對優(yōu)勢。同時預示著高效率、高質量的復合材料成型自動化、數(shù)字化是未來幾十年復合材料制造技術發(fā)展的必然趨勢。

參 考 文 獻

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