航空復(fù)合材料整體成型技術(shù)的應(yīng)用

◎張應(yīng)南

復(fù)合材料整體成型技術(shù)的應(yīng)用可以將原本由幾十或者幾百個構(gòu)件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡化為幾個部分，這不僅會縮短生產(chǎn)加工零部件的時間，也可提升航空器裝配的速度，同時也會在一定程度上減少航空制造的成本。從國內(nèi)外的航空制造發(fā)展現(xiàn)狀來看，復(fù)合材料已經(jīng)被成功應(yīng)用到機(jī)身和機(jī)翼部位的制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)，且已經(jīng)成功制造出787飛機(jī)、和B2轟炸機(jī)等?？梢?，復(fù)合材料整體成型技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有較好的應(yīng)用前景，值得我們深入研究。

一、復(fù)合材料整體成型技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢分析

復(fù)合材料在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，呈現(xiàn)出逐步向大型化發(fā)展的趨勢，在實際應(yīng)用中，大型化構(gòu)件為制造裝配提供了較大的便利，同時也可避免在裝配過程中由于裝配質(zhì)量問題所引發(fā)的安全隱患?，F(xiàn)就該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢進(jìn)行分別探討：

1.具備一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

整體成型技術(shù)實際上就是借助共固化、二次膠接等方式，將多個零部件形成整體結(jié)構(gòu)，縮短零部件裝配操作的時間，同時也可省去對接的環(huán)節(jié)，使結(jié)構(gòu)內(nèi)的分段數(shù)量減少。在進(jìn)行復(fù)合材料成本核算時，是將單位質(zhì)量作為主要的核算標(biāo)準(zhǔn)，為此，采用整體成型技術(shù)，使其自身的質(zhì)量減輕時，也必定會減少復(fù)合材料的生產(chǎn)成本。

2.增強(qiáng)裝配效率與質(zhì)量

在原有的航空制造中，因機(jī)身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在進(jìn)行裝配施工時，可以需要幾十萬個緊固構(gòu)件，這為裝配人員帶來了較大的作業(yè)負(fù)擔(dān)，同時進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督與管理時也存在一定的難度，很難保障對每個裝配構(gòu)件質(zhì)量的管理，致使存在一定的質(zhì)量風(fēng)險。而復(fù)合材料的整體成型技術(shù)則可以將幾十萬的堅固構(gòu)件縮減至幾百個或者幾千個，具體要根據(jù)裝配部位的結(jié)構(gòu)形式來確定。堅固構(gòu)件的減少必定會省去大部分的裝配時間，可以有效提升裝配效率與質(zhì)量。在一些承力部位的機(jī)械連接操作中，所采用的緊固構(gòu)件以鈦合金緊固件為主，相對來說投入成本較高。另外，在進(jìn)行裝配施工時，需要借助專用的工具進(jìn)行鉆孔操作，對于鉆孔的質(zhì)量和精度要求較高，這也會產(chǎn)生大量的人工成本投入。此外，裝配過程中，應(yīng)采取濕化裝配方法，以免出現(xiàn)電化腐蝕的現(xiàn)象，但相比與其他裝配方法，濕裝配的成本投入較高。采用復(fù)合材料整體成型技術(shù)則可以有效減少上述操作，起到控制裝配成本的作用。

3.實現(xiàn)翼身融合

翼身融合就是將機(jī)翼和機(jī)身融為一體，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和整體制造。由于復(fù)合材料整體成型技術(shù)的發(fā)展，使得翼身融合設(shè)計更易實現(xiàn)。如美國的無人作戰(zhàn)飛機(jī)X45-A，即采用高度翼身融合體的無尾式飛翼布局，復(fù)合材料占機(jī)體結(jié)構(gòu)的比例超過50%，大部分構(gòu)件由整體成型技術(shù)制成；另外無人作戰(zhàn)飛機(jī)X-47A采用高度翼身融合體的無尾飛翼式布局，全機(jī)結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料，全機(jī)結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料制成，沿中軸線上下分4大塊制成，充分發(fā)揮了復(fù)合材料整體成型的技術(shù)優(yōu)勢。

二、復(fù)合材料整體成型的主要方法

共膠接。共膠接也叫膠接共固化，是指一個或多個已經(jīng)固化成型與另一個或多個尚未固化的預(yù)成型件通過膠粘劑，在一次固化工藝中固化并膠接成1個整體制件的工藝方法；共固化。共固化是指2個或2個以上的預(yù)成型件經(jīng)過同一固化一次固化成型為一個整體構(gòu)件的工藝方法；二次膠接。二次膠接是指將2個或多個已固化的復(fù)合材料零件通過膠接而連在一起的工藝方法。二次膠接工藝方法的優(yōu)點(diǎn)在于：二次膠接無應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；二次膠接不需要鉆孔，結(jié)構(gòu)完整性好，密封性能好；零件分次固化，工藝風(fēng)險小。

三、復(fù)合材料整體成型技術(shù)在我國航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

在復(fù)合材料應(yīng)用范圍逐漸增大的基礎(chǔ)上，其在航空制造中的作用也越來越突出，已經(jīng)由最初的非承力構(gòu)件制造，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诔辛?gòu)件制造中的應(yīng)用，同時整體成型技術(shù)的推出，也為其在航空制造中的推廣與應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。一些較為先進(jìn)的復(fù)合材料已經(jīng)被成功應(yīng)用到我國所設(shè)計的軍民飛行器上，主要應(yīng)用部位有水平安定面、升降舵以及機(jī)翼等重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部位。在技術(shù)不斷完善的技術(shù)上，已經(jīng)實現(xiàn)了各類構(gòu)件的批量化生產(chǎn)與應(yīng)用，不僅能夠提升復(fù)合材料的應(yīng)用水平，也可進(jìn)一步提升制造效率。

整體成型技術(shù)在我國航空制造中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在機(jī)身、球面框、機(jī)翼、平尾和鴨翼等部位。實際制造生產(chǎn)中，在各類結(jié)構(gòu)中發(fā)揮了突出的應(yīng)用優(yōu)勢，不僅可以減輕結(jié)構(gòu)重量，還可以縮短施工周期，使航空制造的效率得到顯著提升。復(fù)合材料整體成型技術(shù)在應(yīng)用過程中總結(jié)出了較為完善的施工經(jīng)驗，且借助多種整體成型技術(shù)實現(xiàn)了壁板、加筋工件的加工制造，對于一次曲型結(jié)構(gòu)也可采用復(fù)合材料進(jìn)行加工生產(chǎn)。

另外，研發(fā)團(tuán)隊開發(fā)了可實現(xiàn)"零吸膠、常溫加壓"工藝的環(huán)氧和雙馬來酰亞胺預(yù)浸料，突破了大尺寸/整體化復(fù)合材料構(gòu)件成型時溫差大、加壓窗口對構(gòu)件質(zhì)量影響的技術(shù)瓶頸，為大尺寸/整體化復(fù)合材料構(gòu)件的制造奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)然，和歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國航空復(fù)合材料整體成型技術(shù)的運(yùn)用相對較少，工藝技術(shù)水平相對較低，自動化水平相對低下，制件質(zhì)量及性能有待提升，研制成本相對較高。為了應(yīng)對航空制造業(yè)的發(fā)展要求，應(yīng)該大力開展整體成型技術(shù)的相關(guān)研究，以實現(xiàn)復(fù)合材料整體成型技術(shù)的跨越式發(fā)展。

結(jié)語：航空復(fù)合材料構(gòu)件逐漸向整體化發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢。一方面整體化和大型化能更好發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，能夠進(jìn)一步減輕質(zhì)量，提高構(gòu)件質(zhì)量，減少緊固件數(shù)量，降低裝配成本；同時，復(fù)合材料的設(shè)計和制造特點(diǎn)也便于實現(xiàn)構(gòu)件的整體化。在航空產(chǎn)品中使用復(fù)合材料整體化技術(shù)所帶來的效益已獲得廣泛共識，整體化成型技術(shù)所運(yùn)用的工藝方法也越來越多，越來越趨向自動化，如自動鋪絲、自動鋪帶技術(shù)的運(yùn)用。