航空復(fù)合材料零件制造工藝及設(shè)備應(yīng)用

張海杰

摘 要： 航空復(fù)合材料零件普遍具有尺寸大、精讀要求高的特點(diǎn)，利用現(xiàn)代化制造設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)能夠有效提高其性能質(zhì)量，因此航空復(fù)合材料零件制造工藝及設(shè)備的合理選擇，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在簡(jiǎn)要闡述航空復(fù)合材料制造工藝現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了目前主流制造工藝的應(yīng)用要點(diǎn)，以期為相關(guān)主體提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞： 航空復(fù)合材料；零件制造；工藝特點(diǎn)；設(shè)備應(yīng)用

現(xiàn)代化復(fù)合材料是以有機(jī)高分子材料為根本依托，以高性能連續(xù)纖維作為增強(qiáng)材料，采用專業(yè)的工藝設(shè)備生產(chǎn)而來(lái)，無(wú)論在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性還是外形精確度上，都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，復(fù)合材料憑借超強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天零件制造領(lǐng)域，成為新一代航空器的主要材料，并成為了航空結(jié)構(gòu)先進(jìn)水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。

1、航空符合材料制造技術(shù)與設(shè)備基本概況

航空復(fù)合材料具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精準(zhǔn)度要求高等特點(diǎn)，這也決定了其制造技術(shù)與設(shè)備的先進(jìn)性，而傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)實(shí)發(fā)展要求，尤其是高性能、大差量、強(qiáng)精準(zhǔn)的要求，甚至已經(jīng)對(duì)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了制約。所以近年來(lái)，有關(guān)航空復(fù)合材料制造技術(shù)與設(shè)備的研發(fā)成為了業(yè)內(nèi)外一大熱點(diǎn)，并取得了突破性進(jìn)展，產(chǎn)生了許多先進(jìn)的制造技術(shù)與設(shè)備，具體如下：

1.1數(shù)字設(shè)計(jì)與模擬技術(shù)

數(shù)字化設(shè)計(jì)可以有效確保產(chǎn)品結(jié)構(gòu)研發(fā)的科學(xué)性，是提高產(chǎn)品制造質(zhì)量、提高產(chǎn)品研發(fā)效率、降低產(chǎn)品研發(fā)成本的重要保障。而數(shù)字化模擬能夠全面提升工藝制造自動(dòng)化水平和產(chǎn)品合格率，常見(jiàn)的數(shù)字化模擬技術(shù)主要有鋪層、浸漬、固化成形等。

1.2自動(dòng)化制造技術(shù)

目前，以自動(dòng)鋪帶、自動(dòng)鋪絲等為代表的自動(dòng)化制造技術(shù)，已經(jīng)成為復(fù)合材料零件制造的主流工藝，憑借其較高的制造效率贏得了業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可。自動(dòng)鋪層技術(shù)完全實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料零件制造的高精準(zhǔn)性和高效率性，是傳統(tǒng)人工鋪層效率的十倍之多，全面降低了制造成本。

1.3低成本制造技術(shù)

目前，在航空零件制造的總成本中，有七成以上是復(fù)合材料零件所占據(jù)，尤其是隨著復(fù)合材料研發(fā)的深入推進(jìn)，低成本制造技術(shù)開(kāi)始成為該領(lǐng)域的重要研究方向，其中尤以RTM技術(shù)最具代表性，并得到國(guó)際的普遍認(rèn)可，成為了復(fù)合材料低成本制造技術(shù)發(fā)展的一大轉(zhuǎn)型技術(shù)。

2、航空復(fù)合材料零件制造工藝與設(shè)備的應(yīng)用

2.1航空復(fù)合材料指制造技術(shù)及特點(diǎn)

2.1.1 RTM 成形技術(shù)。RTM是樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成形的英文縮寫，該方法具有成本低、效率高、成效好和污染小等優(yōu)勢(shì)，且可以形成雙面大型整體件，所以被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)度主承受力結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)制造方面，包括艙門、檢查口蓋等。

2.1.2 RFI 工藝技術(shù) 。RFI工藝技術(shù)主要是指樹(shù)脂浸漬技術(shù)，就是樹(shù)脂膜溶液與纖維預(yù)制體相融合所產(chǎn)生的一種具有低成本的成形技術(shù)，目前主要應(yīng)用于飛機(jī)雷達(dá)天線罩等平面面積較大或相對(duì)簡(jiǎn)單的曲面構(gòu)件制造領(lǐng)域。

2.1.3纖維纏繞技術(shù)。所謂的纖維纏繞，就是利用浸漬后的纖維束將相關(guān)裝置纏繞到芯軸上，是目前一種較為成熟的零件制造技術(shù)，并是目前具有最廣泛應(yīng)用范圍的自動(dòng)化成形技術(shù)。經(jīng)該工藝所成形的零件，具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、耐熱好等性能優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于空心、橢圓零件的制作中。

2.1.4自動(dòng)鋪帶、鋪絲技術(shù)。自動(dòng)鋪帶技術(shù)是當(dāng)前西方國(guó)家最為常見(jiàn)的一種成形技術(shù)，主要是利用數(shù)控技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用有隔離襯紙的單向預(yù)浸帶達(dá)成自動(dòng)化生產(chǎn)目標(biāo)。相比于自動(dòng)鋪帶技術(shù)，自動(dòng)鋪絲具有更強(qiáng)的精細(xì)度，可以對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件進(jìn)行成形制造，且材料消耗率較低。

2.2航空復(fù)合材料指制造設(shè)備與應(yīng)用

為滿足航空復(fù)合材料零件制造工藝的技術(shù)要求，就必須配備顯影的制造設(shè)備，也就是說(shuō)要充分滿足制造設(shè)備高自動(dòng)化、高精準(zhǔn)度、高性能強(qiáng)度的基本要求。不同于傳統(tǒng)的制造設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)復(fù)合材料廠房工程設(shè)計(jì)有著較強(qiáng)影響，要求在進(jìn)行廠房設(shè)計(jì)時(shí)必須要充分考慮到這些設(shè)備的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成、運(yùn)營(yíng)條件等因素。對(duì)此，本文將對(duì)航空復(fù)合材料零件制造工藝流程中所需的重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行介紹，包括熱隔膜成型機(jī)、自動(dòng)鋪帶、鋪絲設(shè)備、RTM成型系統(tǒng)，具體如下：

2.2.1熱隔膜成型機(jī)。該設(shè)備就是將預(yù)浸料鋪放后形成的胚料置于模具上，然后在特質(zhì)隔膜的作用下，采用抽真空、加熱等方法，對(duì)胚料進(jìn)行壓縮最終形成相應(yīng)的形狀。熱隔膜成型具有穩(wěn)定性強(qiáng)、外表平滑度高的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)常被應(yīng)用于飛機(jī)C形梁和長(zhǎng)桁的制造中。熱隔膜成型機(jī)主要由加熱箱體、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等核心要件構(gòu)成。目前，常見(jiàn)的航空復(fù)合材料零件制造中，熱隔膜成型機(jī)加熱箱體長(zhǎng)達(dá)21m，并由工裝預(yù)熱庫(kù)支架和主加熱庫(kù)支架構(gòu)成。為充分滿足預(yù)熱成型的要求，工裝支架和預(yù)浸料支架必須要按照既定線路進(jìn)行移動(dòng)，這就決定了整個(gè)設(shè)備工作區(qū)的面積最低也要25m×16m。因熱隔膜成型機(jī)具有占地面積大、重量大的特點(diǎn)，所以放置該設(shè)備的廠房中還要配有起重設(shè)備。還有，熱隔膜成型機(jī)需要進(jìn)行抽真空操作，這就要求必須配備空氣處理機(jī)，同時(shí)還要充分考慮廠房位置、進(jìn)風(fēng)排風(fēng)管位置等因素進(jìn)行合理布置。

2.2.2 RTM成型系統(tǒng)。RTM技術(shù)是一種低成本復(fù)合材料制造技術(shù)，生產(chǎn)出的零件質(zhì)量好，尺寸精度高并可凈尺寸成型，適合用于大體積、高強(qiáng)度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的制造生產(chǎn)，RTM技術(shù)在大型客機(jī)復(fù)材零件制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

RTM工藝過(guò)程為：首先采用編織、針織、縫紉等技術(shù)制備纖維預(yù)制體，在模具內(nèi)放置預(yù)制件，在壓力注入或外加真空輔助條件下，液態(tài)、具有反應(yīng)活性的低黏度樹(shù)脂貫穿流動(dòng)并充填閉合模具，排出氣體同時(shí)浸潤(rùn)并浸漬干態(tài)纖維結(jié)構(gòu)。在完成浸潤(rùn)浸漬后，樹(shù)脂在模具內(nèi)通過(guò)熱引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)完成固化，最終得到成型的制品。

目前已經(jīng)有多種形式的RTM，如真空輔助RTM（VARTM）、壓縮RTM（CRTM）、樹(shù)脂滲透模塑（SCRIMP）、真空輔助樹(shù)脂注射（VARI）等十多種方法。其中VARI技術(shù)是RTM中一種新型的復(fù)合材料低成本、高性能成型技術(shù)，近年來(lái)在航空領(lǐng)域受到廣泛的重視，該技術(shù)是在真空狀態(tài)下，利用樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維及其織物的浸漬，并在真空下固化的成型方法。

VARI技術(shù)首先需要將纖維編織成預(yù)制體，預(yù)制體的編織需要采用自動(dòng)縫合設(shè)備，一般大尺寸復(fù)雜零件需要采用三維自動(dòng)縫合機(jī)進(jìn)行三維編織。

VARI技術(shù)成型系統(tǒng)主要由儲(chǔ)存罐、真空系統(tǒng)、調(diào)溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、模具及傳輸系統(tǒng)等組成，成型的工藝為：將縫合或編織的干纖維預(yù)成形件放在VARI成型系統(tǒng)的上下模具之間，合模后將樹(shù)脂以一定的壓力注入，VARI成型系統(tǒng)在一定溫度和真空狀態(tài)下，將零件固化成型，最后開(kāi)模取出產(chǎn)品。

RTM成型系統(tǒng)的三維縫合機(jī)布置于潔凈間內(nèi)，成型需使用大型烘箱，靠近廠房的凈化間，便于零件制造成型。

3、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，復(fù)合材料制造技術(shù)是現(xiàn)代飛機(jī)制造工程的支柱技術(shù)之一，其在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用，提升了生產(chǎn)制造的效率，同時(shí)增強(qiáng)了客機(jī)的性能與安全性。作為技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)重視對(duì)航空復(fù)合材料零件制造工藝及相關(guān)設(shè)備的研究與應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)航空事業(yè)健康發(fā)展。

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