飛機典型復(fù)合材料零件成形方法研究

李林

摘 要：通過分析復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點與物理力學(xué)特性，總結(jié)了此類材料的加工機理與加工難點，針對不同結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料零件，從復(fù)合材料件的結(jié)構(gòu)特點及復(fù)合材料加工工藝適用性方面開展分析，針對典型復(fù)合材料制件確定合理的加工方法，從而實現(xiàn)高強度復(fù)合材料的高質(zhì)量、高精度、高效率、低成本的加工。

關(guān)鍵詞：自動化制造技術(shù)，液體成形技術(shù)，加強件成形技術(shù)

引言

飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用復(fù)合材料，通過在不同方向鋪設(shè)不同比例的纖維，滿足結(jié)構(gòu)平面內(nèi)所需方向性能的要求。但由于復(fù)合材料層壓板各向異性、脆性和非均質(zhì)性以及層間力學(xué)性能低等特點，使復(fù)合材料制件的失效機理與金屬完全不同。這種特殊的材料結(jié)構(gòu)性能和力學(xué)性能，要求對不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計型式的復(fù)合材料制件優(yōu)化選用不同的加工工藝。本文從分析復(fù)合材料各種加工工藝的特點和適應(yīng)性，來確定典型的復(fù)合材料零件結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用的制造方法，以期實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料設(shè)計、制造一體化的高質(zhì)量、高精度、低成本。

1材料形式及鋪放方式

復(fù)合材料由高性能的纖維為增強體，高韌性的樹脂為基體。增強纖維分為干織物和預(yù)浸料。干織物有雙向和三向編織，用于不同截面形狀的零件預(yù)成形體。預(yù)浸料有單向帶和纖維絲束，用于不同曲度的大型展開零件。復(fù)合材料零件可由不同的纖維體經(jīng)手工和自動鋪放工藝組合制成。

手工鋪放是將纖維料層逐一放入模腔內(nèi)形成層壓板，可通過激光投影或定位銷輔助定位纖維層。這種工藝一般用于小零件或具有小圓角半徑的零件，如翼尖小翼、夾芯板結(jié)構(gòu)。

對于不適于用自動工藝鋪放的特殊鋪層，可混合采用手工鋪放，如，閃電防護層。

2大型復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)零件成形技術(shù)

先進飛機為獲得最好的技術(shù)性能和經(jīng)濟效益，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中除滿足傳力、承力等功能和維護使用等要求外，還不斷追求高減重、低成本和長壽命的目標(biāo)，因此現(xiàn)代飛機設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的整體化得到了大幅提升，減少了連接所付出的重量、連接引起的應(yīng)力集中以及小零件制造、裝配所需工時，降低了成本。

2.1 大型復(fù)合材料件自動化制造技術(shù)

大型飛機復(fù)合材料壁板成形方式考慮到經(jīng)濟性和質(zhì)量可靠性一般采用筋條和蒙皮膠接共固化。如空客A350翼盒復(fù)合材料機翼采用“T”形加筋壁板，波音787復(fù)合材料機翼采用“工”字型加筋壁板。這類大型復(fù)合材料蒙皮鋪層可采用自動鋪帶技術(shù)；長桁組裝采用精確的數(shù)字化定位技術(shù)；固化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，重點考慮溫度場均勻性及熱膨脹影響，模具材料殷瓦鋼。

自動鋪帶技術(shù)（ATL）用于大尺寸中小曲率的壁板構(gòu)件的鋪層，與手工鋪放相比，質(zhì)量穩(wěn)定，制造成本降低30%-50%。在自動鋪帶機上可實現(xiàn)預(yù)浸料單向帶裁剪、定位、鋪疊、輥壓等工序連續(xù)自動完成。ATL鋪放后，鋪貼板可與其他元件（如，長桁）共固化或共膠接，圖1。

相對于大尺寸中小曲率的壁板類零件，機身筒段類大曲率旋轉(zhuǎn)體及帶臺階的翼面、小曲率半徑的凹面等復(fù)雜構(gòu)件，纖維層鋪疊或纏繞時，容易出現(xiàn)架橋和滑移的瓶頸問題。自動絲束鋪放技術(shù)（AFP）是在自動鋪帶和纖維纏繞技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，其可以實現(xiàn)復(fù)雜形狀整體結(jié)構(gòu)件三維軌跡的連續(xù)絲束鋪放，可以根據(jù)運行軌跡當(dāng)?shù)氐匿伕矊挾茸赃m應(yīng)地調(diào)整絲束寬度，實現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)型曲面結(jié)構(gòu)的鋪放。自動絲束鋪放在航空領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，F(xiàn)-22和F-35的復(fù)合材料S形進氣道、B787的機身段、A380后機身均采用該技術(shù)，圖2。

2.2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)液體成形技術(shù)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)液體成形方法主要應(yīng)用于復(fù)雜、次承力的大型整體結(jié)構(gòu)成型。液體成形技術(shù)主要包括預(yù)制體制備技術(shù)和樹脂轉(zhuǎn)移技術(shù)：RTM、RFI。

預(yù)制體制備技術(shù)指裁剪后的干纖維布在真空狀態(tài)下疊放在一起并控制溫度使纖維體壓實成零件形狀或采用織物縫合的方法連接疊層塊制成零件結(jié)構(gòu)骨架的技術(shù)。預(yù)制體制備是液體轉(zhuǎn)移成形技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，縫合預(yù)制體可以增強織物的縱向連接，滿足復(fù)合材料抗沖擊的要求。

樹脂轉(zhuǎn)移技術(shù)是指將預(yù)成形體放入模腔中注入樹脂并固化和脫模。RTM工藝是利用真空或注射裝置提供壓力將專用樹脂注入到閉合的模腔內(nèi)，直至型腔內(nèi)的預(yù)成形體完全被浸潤?？赏ㄟ^多重模腔控制曲面來實現(xiàn)零件的嚴公差要求。RFI工藝即樹脂膜滲透成形，在預(yù)制體與模具間按結(jié)構(gòu)要求鋪設(shè)樹脂膜，固化過程中樹脂膜受熱熔化，在真空及壓力作用下樹脂液體滲透到預(yù)制體并完成固化成形。

3復(fù)合材料加強件成形技術(shù)

現(xiàn)代大型飛機復(fù)合材料整體件如機翼壁板和機身筒段一般采用整體成形蒙皮與加強筋共固化的方式制造。加強筋屬于桿系類元件，其截面多為半閉合形狀，不適合應(yīng)用自動化和液體成形技術(shù)。參照金屬加強筋零件成形方法，復(fù)合材料層壓板可以采用模壓成形、軟模成形和拉擠成形的方法制備成復(fù)合材料加強筋零件。

3.1 模壓成形

模壓成形是利用帶有熱源的壓機對復(fù)合材料預(yù)浸料疊層毛壞進行成形、固化的一種工藝方法。這種方法用于單一厚度層壓板，圖3。

3.2軟模成形

軟模成形是利用膨脹橡膠在一定溫度下可控膨脹量所產(chǎn)生的壓力對預(yù)浸料疊層毛坯加壓固化的工藝方法。

3.3 拉擠成形

纖維束浸漬樹脂基體后即刻通過預(yù)定內(nèi)腔型面的模具，迅速固化而制成形狀各異的連續(xù)體，其典型型面有圓形、方形、工字形、∪字形、凸形、凹形和多墻多腔形。

復(fù)合材料加強件成形后經(jīng)數(shù)字化夾具定位可與自動化成形的蒙皮類零件共固化或共膠接組合成壁板組件或機身筒段。

4結(jié)論

國內(nèi)各航空設(shè)計所及飛機生產(chǎn)廠對復(fù)合材料研究及應(yīng)用方面相對起步較晚，通過與國外先進民用飛機公司的合作設(shè)計、制造，國內(nèi)在復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域已有了大的飛躍，現(xiàn)代大型民用飛機C919已大量應(yīng)用復(fù)合材料并用于主承力構(gòu)件。隨著國內(nèi)科學(xué)技術(shù)的研究、創(chuàng)新與應(yīng)用，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造新技術(shù)必然會不斷涌現(xiàn)。

參考文獻：

[1]中國航空研究院. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊. 航空工業(yè)出版社.2004年9月.

[2]范玉青，張麗華. 超大型復(fù)合材料機體部件應(yīng)用技術(shù)的新進展—飛機制造技術(shù)的新跨越[J].航空學(xué)報，2009，30.