大型客機復(fù)材零件先進制造設(shè)備及廠房條件分析

孟慶華

摘 要：復(fù)合材料制造技術(shù)是現(xiàn)代飛機制造工程的支柱技術(shù)之一，文章介紹了復(fù)合材料先進制造技術(shù)，論述了大型客機復(fù)材零件特點、制造工藝，分析了復(fù)材零件先進制造工藝設(shè)備及對廠房條件的影響。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；制造設(shè)備；安裝條件

引言

先進樹脂基復(fù)合材料是以有機高分子材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強材料、通過復(fù)合工藝制備而成，具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料。先進樹脂基復(fù)合材料以其優(yōu)越的性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)，成為繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展起來的四大航空材料之一，其用量已經(jīng)成為航空結(jié)構(gòu)先進性的重要標志[1-5]。波音B787飛機大量采用復(fù)合材料，達結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%，全機結(jié)構(gòu)幾乎均由復(fù)合材料制成，包括機身和機翼。空客A350飛機復(fù)合材料使用量達52%。隨著我國復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，軍機、民機上也已經(jīng)大量使用復(fù)合材料。

1 航空復(fù)合材料先進制造技術(shù)概述

復(fù)合材料在飛機上用量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高，使得復(fù)合材料制造技術(shù)成為現(xiàn)代飛機制造工程的支柱技術(shù)之一，也是飛機能同時具備高結(jié)構(gòu)效率和優(yōu)良性能的基礎(chǔ)制造技術(shù)之一。

傳統(tǒng)制造加工技術(shù)已經(jīng)嚴重制約復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，難以滿足復(fù)合材料特別是飛機復(fù)合材料高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大產(chǎn)量的要求，因此對先進復(fù)合材料制造技術(shù)的研究已經(jīng)深入開展，并取得了大量研究成果，廣泛應(yīng)用于復(fù)材零件的生產(chǎn)。國際上大型航空企業(yè)，如波音、空客、龐巴迪等，在復(fù)合材料生產(chǎn)中已經(jīng)大量采用先進制造技術(shù) [6]。國際上航空復(fù)合材料先進制造技術(shù)主要如下。

1.1 數(shù)字化設(shè)計和模擬技術(shù)

數(shù)字化設(shè)計能夠提高產(chǎn)品制造質(zhì)量、加快產(chǎn)品研制進度、降低成本；數(shù)字化模擬技術(shù)，如鋪層、浸漬、固化成形等工藝過程模型和人工智能模擬，能夠大大提高自動化程度和制品合格率，降低廢品率。

1.2 自動化制造技術(shù)

自動化制造技術(shù)能顯著提高復(fù)合材料零件的制造效率，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料制造領(lǐng)域，如自動鋪帶技術(shù)、自動鋪絲技術(shù)等。自動鋪放技術(shù)徹底實現(xiàn)了復(fù)合材料零件生產(chǎn)的機械化、自動化，成型精度高、零件質(zhì)量好，生產(chǎn)效率較手工鋪放提高數(shù)十倍，材料廢品率降低至3%～5%，大幅度降低了制造成本[7]。

1.3 低成本制造技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計，復(fù)合材料的制造工藝成本占總成本的75%以上，隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，低成本制造技術(shù)已成為復(fù)合材料研究領(lǐng)域的一個重要課題，其中RTM技術(shù)是一種新型的閉模成型技術(shù)，現(xiàn)已是世界公認的低成本制造技術(shù)，近年來發(fā)展較為迅速。

2 大型客機復(fù)材零件制造先進工藝特點分析

2.1 大型客機復(fù)合材料特點

為滿足我國民航運輸業(yè)發(fā)展需求，我國已經(jīng)開展150座級中短航程大型客機的研制，該飛機力求滿足安全、低成本、舒適、環(huán)保等綜合要求。國際上同類大型客機已經(jīng)廣泛用于民航運輸，如B737、A320飛機等，該類大型客機對飛機結(jié)構(gòu)輕量化和整體化的要求較高，復(fù)合材料以其優(yōu)越的性能在該類飛機上大量應(yīng)用，中央翼、尾翼、后機身、機頭雷達罩等零部件已經(jīng)廣泛采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。該類大型客機復(fù)合材料零件具有零件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高等特點，如復(fù)合材料機翼蒙皮、梁的長度尺寸達15～20m，復(fù)合材料零件大量采用加筋壁板、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)、二次膠接結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式。文章主要針對150座級中短航程大型客機的復(fù)合材料制造設(shè)計進行分析。

2.2 大型客機復(fù)合材料制造工藝特點

為保證復(fù)合材料的制造質(zhì)量、生產(chǎn)效率，國際先進大型客機復(fù)材零件廣泛采用自動化、數(shù)字化、低成本制造工藝技術(shù)，主要如下：

熱隔膜成型技術(shù)適用于細長類復(fù)材零件的成型，特別是大型客機梁、長桁等復(fù)合材料承力零件，熱隔膜成型技術(shù)能夠有效保證零件外形以及力學性能。

自動鋪放技術(shù)：包括自動鋪帶技術(shù)和自動鋪絲技術(shù)，大型客機的大量復(fù)合材料零件屬于大尺寸整體結(jié)構(gòu)，如機翼蒙皮是一個長度近20m的復(fù)合材料整體零件，自動鋪放技術(shù)高效、高質(zhì)量制造該類大尺寸、大曲率半徑零件。

RTM技術(shù)：RTM技術(shù)制造零件具有制造精度高、凈尺寸成型、加工效率高、制造成本低等優(yōu)勢，特別適合用于大型客機復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的制造。

2.3 先進復(fù)合材料制造設(shè)備對廠房工藝設(shè)計的要求

為滿足上述復(fù)材零件先進制造工藝技術(shù)要求，需要采用大量先進工藝設(shè)備，此類工藝設(shè)備具有自動化程度高、工作行程大、制造精度高等特點。該類設(shè)備與傳統(tǒng)復(fù)材加工設(shè)備差別較大，設(shè)備系統(tǒng)組成、制造工藝等對復(fù)合材料廠房工程設(shè)計影響較大，復(fù)材廠房工藝設(shè)計時需掌握先進制造設(shè)備的工作原理、系統(tǒng)組成、制造工藝及廠房條件要求等，文章重點對大型客機復(fù)合材料廠房內(nèi)先進制造設(shè)備進行分析。

3 大型客機復(fù)材零件先進制造設(shè)備及廠房條件分析

為深入了解大型客機復(fù)材零件制造對廠房工程設(shè)計影響，需分析復(fù)合材料制造先進工藝設(shè)備的工作原理、系統(tǒng)組成、制造工藝及對廠房工程設(shè)計影響。文章分析的工藝設(shè)備主要包括熱隔膜成型機、自動鋪帶機、自動鋪絲機、RTM成型系統(tǒng)，具體如下。

3.1 熱隔膜成型機

熱隔膜成型是將預(yù)浸料鋪放后形成的坯料放置于模具上，通過特制隔膜的輔助作用，經(jīng)過抽真空和加熱等方法，將預(yù)浸料坯料壓向模具，形成所需要的形狀。熱隔膜預(yù)成型具有成型過程中纖維不易滑動、不易產(chǎn)生皺褶的特殊功效，非常適用于加工大型飛機的C 形梁及長桁。

熱隔膜成型機主要由加熱箱體、工裝預(yù)熱庫支架、主加熱庫支架、真空系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

大型客機使用的大型熱隔膜成型機的加熱箱體長達21m，設(shè)備內(nèi)部主要包括工裝預(yù)熱庫支架和主加熱庫支架。為滿足預(yù)熱及成型需要，工裝支架和預(yù)浸料支架需要沿固定軌道移動，導(dǎo)致整個設(shè)備工作區(qū)域占地面積約25m×16m。由于該設(shè)備的工裝尺寸、重量較大，放置設(shè)備的房間內(nèi)需設(shè)置起重設(shè)備；該設(shè)備有進風管、排風管通往室外，與空氣處理機相連，故室外空氣處理機的布置需綜合考慮空氣處理器能力、風管穿行、廠房布置等因素。

3.2 自動鋪帶機

復(fù)合材料自動鋪帶設(shè)備采用有隔離襯紙的單向預(yù)浸帶，利用多自由度的鋪放頭、切割頭，根據(jù)設(shè)計將纖維預(yù)浸帶自動選擇鋪層位置、自動定位、自動切割形狀、自動鋪放在工裝表面，且自動壓實。自動鋪層具有表面平整、位置準確、精度高、無余量、速度快、質(zhì)量穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，特別適用于曲率半徑較大且變化較緩的大尺寸復(fù)合材料零件的鋪疊成型，可實現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件的自動化鋪層。自動鋪帶效率是傳統(tǒng)手工鋪層的10倍以上。

大型客機外翼壁板鋪層用自動鋪帶設(shè)備的工作行程達20m，主要由龍門架、鋪帶頭、預(yù)浸料存儲器、控制系統(tǒng)等組成。目前，自動鋪帶機已經(jīng)在波音、空客等國際航空企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)航空企業(yè)也已經(jīng)引進自動鋪帶設(shè)備，進行大型零件的鋪疊成型，取得了較好的效果。大型客機研制使用的自動鋪帶機外擴尺寸較大，占地面積大。自動鋪帶機基礎(chǔ)部分預(yù)埋鋼軌，單條軌道長度達30m。由于鋪疊精度高，對設(shè)備基礎(chǔ)要求較高，需設(shè)計獨立基礎(chǔ)保證軌道的平整度。

3.3 自動鋪絲機

自動鋪絲設(shè)備是在自動鋪帶加纖維纏繞基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是將預(yù)浸絲束或窄的預(yù)浸帶在幾乎沒有張力的情況下，按制件形狀鋪放纖維束，充分利用材料，無邊角廢料，節(jié)省了原材料；適于制造整體件，減少零件數(shù)目，節(jié)省了制造和裝配成本；既適于制造機身蒙皮、導(dǎo)管等形狀復(fù)雜的制件，也適于制造機翼水平安定面等大尺寸平面構(gòu)件。

大型客機復(fù)合材料機翼梁絲束鋪放用自動鋪絲設(shè)備工作行程達20m，主要由鋪絲機器人、絲束箱、工裝支架、控制系統(tǒng)等組成。自動鋪絲機屬于航空工業(yè)復(fù)合材料制造領(lǐng)域高精尖設(shè)備，美國、歐洲部分國家一度禁止向中國航空企業(yè)銷售該類設(shè)備。由于自動鋪絲機的鋪絲頭的鋪放精度、軌道平整度對零件制造精度影響較大，為保證設(shè)備精度，廠房條件特別是設(shè)備基礎(chǔ)需能夠保障設(shè)備安裝的精度要求。

3.4 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)在大型客機復(fù)材零件制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

RTM工藝過程為：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)活性的低黏度樹脂貫穿流動并充填閉合模具，排出氣體同時浸潤并浸漬干態(tài)纖維結(jié)構(gòu)。在完成浸潤浸漬后，樹脂在模具內(nèi)通過熱引發(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）、樹脂滲透模塑（SCRIMP）、真空輔助樹脂注射（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，利用樹脂的流動、滲透實現(xiàn)對纖維及其織物的浸漬，并在真空下固化的成型方法。

3.4.1 三維編織機

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縫合設(shè)備，一般大尺寸復(fù)雜零件需要采用三維自動縫合機進行三維編織。

3.4.2 成型設(shè)備

VARI技術(shù)成型系統(tǒng)主要由儲存罐、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，最后開模取出產(chǎn)品。

RTM成型系統(tǒng)的三維縫合機布置于潔凈間內(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。

4 結(jié)束語

大型民用飛機復(fù)合材料零件具有尺寸大、制造精度要求高等特點，選用自動化、數(shù)字化、一體化的先進制造設(shè)備，能夠大幅提升制造零件的質(zhì)量、性能、復(fù)雜度等，提高生產(chǎn)效率。通過對大型客機復(fù)材零件先進制造設(shè)備的工作原理、系統(tǒng)組成、制造工藝及廠房條件要求的分析，能夠為大型客機復(fù)合材料零件廠房工程設(shè)計提供有力支撐。

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