飛機(jī)復(fù)材零件成型加工與工裝設(shè)計(jì)

張旭艷 楊紹昌 劉一帆

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089）

復(fù)合材料作為新式制造材料，在飛機(jī)制造領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，復(fù)材零件的大規(guī)模使用會為飛機(jī)的整體性能帶來質(zhì)量的飛躍和重量的減輕，對飛機(jī)制造廠商與飛機(jī)使用企業(yè)來講可以減少成本、提高性能，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益好處，可以促進(jìn)飛機(jī)制造的進(jìn)一步發(fā)展。工裝設(shè)計(jì)則是復(fù)材零件成型加工的重要前期準(zhǔn)備，只有秉承嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的態(tài)度進(jìn)行工藝裝備設(shè)計(jì)，才能將復(fù)材零件的成型加工做到符合各種標(biāo)準(zhǔn)，為飛機(jī)的性能提升提供條件。

1 復(fù)材零件與工裝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與聯(lián)系

1.1 復(fù)材零件與工裝設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.1.1 復(fù)材零件

復(fù)材零件，即使用復(fù)合材料制成的零部件。重點(diǎn)在于復(fù)合材料的應(yīng)用，復(fù)合材料在航空制造中具有重要的應(yīng)用，大部分零件都依靠復(fù)合材料進(jìn)行制造。復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料的應(yīng)用最為廣泛，其擁有普通材料所不具備的高程度比剛度和比強(qiáng)度，以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減磨耐磨的優(yōu)秀性能，還有最為重要的幾乎為零的低熱膨脹系數(shù)，復(fù)合材料中的石墨纖維與樹脂復(fù)合可以將航空航天零件制造中的熱膨脹系數(shù)降到極低的一個水平。這些重要特征都為航空航天各部分的零件設(shè)計(jì)提供了材料性能的支持。復(fù)合材料產(chǎn)品成型是具有一定的特征的，如纖維和樹脂材料要在一定的溫度、壓力、時間條件下才能固定為一定的形狀，復(fù)合材料成型是一個與金屬成型不同的材料和結(jié)構(gòu)同時完成的過程，復(fù)合材料成型過程也要經(jīng)過原材料的選擇、加熱、浸漬、固化等環(huán)節(jié)，需要先進(jìn)、便利的技術(shù)支撐。

飛機(jī)復(fù)材零件需要利用低熱膨脹系數(shù)的復(fù)合材料進(jìn)行制造，可以很大程度地減少飛機(jī)的機(jī)身重量，提高飛機(jī)在飛行中的安全系數(shù)，同時還可以精簡飛機(jī)部件數(shù)量，縮短飛機(jī)制造和組裝的周期。

1.1.2 工裝設(shè)計(jì)

工裝設(shè)計(jì)，即工藝裝備設(shè)計(jì)，是飛機(jī)零件制造的上游環(huán)節(jié)，主要分為生產(chǎn)工藝裝備和標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備。飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)對飛機(jī)制造行業(yè)有著許多的好處和作用，如保證飛機(jī)制造的質(zhì)量水平、提高飛機(jī)制造的工作效率、減輕勞動強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本等，工裝設(shè)計(jì)的應(yīng)用對飛機(jī)制造的發(fā)展有著積極意義。飛機(jī)零件成型加工則是應(yīng)用的零件工藝裝備設(shè)計(jì)技術(shù)，可以保證飛機(jī)零件的精準(zhǔn)度和零件部分之間的協(xié)調(diào)性。

工裝設(shè)計(jì)首先是要滿足零件的精度要求，根據(jù)工裝設(shè)計(jì)中的尺寸對零件進(jìn)行加工，保證零件構(gòu)造與材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，以保障零件的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度；其次是要求工裝設(shè)計(jì)為零件提供足夠的剛度和強(qiáng)度，能夠承受飛機(jī)上其他組件的重量，且在使用過程中不易變形，延長使用壽命；之后便是要求工裝要具備良好的熱傳導(dǎo)性和穩(wěn)定性，變化因?yàn)楦邷囟冃?，保證零件的質(zhì)量水平。

1.2 復(fù)材零件與工裝設(shè)計(jì)的關(guān)系

工裝設(shè)計(jì)是飛機(jī)復(fù)材零件成型加工的前提條件和上游環(huán)節(jié)，只有進(jìn)行合理的工裝設(shè)計(jì)，才能制造出符合理想預(yù)期的復(fù)材零件。復(fù)材零件的成型是在工裝加工中進(jìn)行的，各種成型技術(shù)對工藝裝備都有著各自的要求。[1]

工裝設(shè)計(jì)在飛機(jī)復(fù)材零件的成型加工需要考慮多方面的問題，如零件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、零件的性質(zhì)和質(zhì)量要求、互換協(xié)調(diào)的要求、現(xiàn)行技術(shù)是否支持等因素，再對飛機(jī)零件的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證零件性能的最大化和最優(yōu)化。

2 復(fù)材零件成型加工的相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

飛機(jī)復(fù)材零件大多用于飛機(jī)的機(jī)身和壁板，因此零件的安全性能得到了很大的重視。復(fù)材零件的成型加工離不開相關(guān)技術(shù)的支持。

高性能熱塑復(fù)合材料成型工藝，是由熱固性樹脂復(fù)合材料和金屬成型技術(shù)演變而來，根據(jù)設(shè)備的差異可以分為模壓成型、雙膜成型、熱壓罐成型、真空袋成型、纖維纏繞成型等方法，是飛機(jī)復(fù)材零件成型加工最為常用的技術(shù)，也是最為全面、先進(jìn)的技術(shù)，可以根據(jù)情況的不同選擇相適應(yīng)的成型技術(shù)，使得飛機(jī)零件的成型加工有著多重技術(shù)的質(zhì)量保障。

2.1 熱壓罐復(fù)材零件成型技術(shù)

熱壓罐成型技術(shù)是指將復(fù)合材料的毛坯、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)等密封在工裝上，之后將工裝置于熱壓罐中，在真空狀態(tài)下經(jīng)過升溫、加壓、保溫、降溫、卸壓等過程，使復(fù)合材料成為所需的零件形狀和質(zhì)量的工業(yè)技術(shù)。熱壓罐成型技術(shù)是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的一種主要成型方法之一，其適用于大部分熱固性復(fù)合材料的成型。

熱壓罐技術(shù)對復(fù)合材料的固化有著復(fù)材多的好處，如壓力均勻，使制品各點(diǎn)壓力相等，能夠在相同壓力下成型；溫度可控，能夠在零件成型制造中控制熱壓罐的溫度，使得溫度控制在工裝設(shè)計(jì)的理想范圍內(nèi)；適用范圍較廣，其模具可以進(jìn)行多種簡單或復(fù)雜形狀的使用，這也就會大大提高制件效率，降低制造模具的成本；以及成型工藝較為成熟，穩(wěn)定性強(qiáng)，壓力與溫度都可以進(jìn)行人為調(diào)節(jié)，使操作者可以準(zhǔn)確地控制零件的質(zhì)量水平。

但熱壓罐技術(shù)也有投資大、成本高的不足，需要大量的前期投入作為支持。熱壓罐接軌較為復(fù)雜，設(shè)備造價高，每次使用都要消耗大量的水、電、真空袋膜等能源和材料，前期的生產(chǎn)成本會比較高。

2.2 預(yù)浸料成型技術(shù)

預(yù)浸料成型技術(shù)適用于生產(chǎn)量較大、尺寸精準(zhǔn)度要求高的零件制造。預(yù)浸料成型技術(shù)中廣泛用于航空復(fù)合材料制造的又以碳纖維預(yù)浸料技術(shù)為主流技術(shù)，包括溶液預(yù)浸和膠膜預(yù)浸。溶液預(yù)浸是先將碳纖維引進(jìn)預(yù)浸槽中，再進(jìn)行冷卻；而膠膜預(yù)浸則是將碳纖維引導(dǎo)上涂上膠并加熱之后冷卻的技術(shù)。預(yù)浸技術(shù)可以增強(qiáng)材料的耐用度，對飛機(jī)復(fù)材零件的成型較為有利。

2.3 纏繞成型技術(shù)

纏繞成型工藝是指將預(yù)浸過樹脂的連續(xù)纖維材料按照一定的規(guī)律纏繞在芯模上，然后經(jīng)過固化之后進(jìn)行脫模，獲得制作成品的成型技術(shù)。纏繞成型技術(shù)所應(yīng)用的裝備從機(jī)械式到機(jī)器人纏繞，經(jīng)歷了多種設(shè)備的變革，目前的纏繞成型設(shè)備主要朝著多工藝復(fù)合、高速高精度纏繞、連續(xù)纏繞等方向發(fā)展，纏繞成型工藝中如高精度張力控制器、內(nèi)加熱固化模具等輔助設(shè)備也在不斷的精進(jìn)和變化，纏繞成型技術(shù)的工藝水平與制件品質(zhì)也在不斷提升。[2]

纏繞成型工藝應(yīng)用多種不同的纖維纏繞機(jī)器，根據(jù)不同制件的特征選用相適應(yīng)的機(jī)器，纏繞成型設(shè)備機(jī)器類型包括如螺旋纏繞機(jī)、軌道式纖維纏繞機(jī)、行星式纖維纏繞機(jī)、滾轉(zhuǎn)式纏繞機(jī)等等，此技術(shù)對纏繞設(shè)備的要求較為復(fù)雜，但同時也能保障零件制品的質(zhì)量，穩(wěn)固性可以得到保障。

2.4 模壓成型技術(shù)

模壓成型是一種將預(yù)成型過的復(fù)合材料放入開放的加熱模具中，然后封閉模具進(jìn)行加壓，使材料延伸到模具的各個區(qū)域，將溫度升高，在材料成型后釋放壓力并將零件卸下的成型技術(shù)。模壓成型是一種比較流行的工藝，它能夠?qū)?yōu)越的復(fù)合材料制造成較為復(fù)雜的零件，盡管模壓成型不能達(dá)到塑料注射成型的生產(chǎn)速度，但與經(jīng)典的層壓復(fù)合材料技術(shù)相比，模壓成型技術(shù)提供了更多的幾何形狀選擇，還將允許更長的纖維材料的應(yīng)用，使零件更加堅(jiān)固。

模壓成型技術(shù)具有制造復(fù)雜零件的能力，同時又兼顧生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本的考慮，因此模壓成型工藝是一種較受制造商歡迎的技術(shù)。而模壓成型技術(shù)中最為關(guān)鍵的便是模具的使用，在分析零件制品的特性和質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，增加溫度、時間、壓力等因素的考慮，確保復(fù)合材料能夠在模具中充分地流動并填充均勻完整，以獲得工藝精美的零件產(chǎn)品。

3 復(fù)材零件工裝設(shè)計(jì)中的材料選擇

目前，飛機(jī)上使用最為廣泛的就是碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，該材料具有很強(qiáng)的抗腐蝕性和抗疲勞性，還具有密度小、重量輕、比強(qiáng)與比剛度高的優(yōu)勢。碳纖維復(fù)合材料的輕量、堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn)，非常符合航空航天零件制造中減輕重量、減少成本、提高性能的要求，如波音787的飛機(jī)零件制造大量采用碳纖維復(fù)合材料。

蜂窩結(jié)構(gòu)是減輕飛機(jī)重量的先進(jìn)技術(shù)，需要應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料來構(gòu)成蜂窩結(jié)構(gòu)，碳纖維材料的重量比輕質(zhì)合金還要更勝一籌，且隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展以及材料的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用地位已經(jīng)朝著關(guān)鍵結(jié)構(gòu)前進(jìn)。[3]在不久的未來，復(fù)合材料將廣泛運(yùn)用于飛機(jī)零件的制造中，并大大減少飛機(jī)零件的制造成本、提高飛機(jī)零件的性能，為飛機(jī)制造的發(fā)展提供良好條件。

4 結(jié)語

飛機(jī)復(fù)材零件的成型加工離不開合理的工裝設(shè)計(jì)，因此在飛機(jī)的零件制造過程中，需要著重對飛機(jī)復(fù)材零件材料的選擇和工裝設(shè)計(jì)的合理性要求，不僅可以提高飛機(jī)制造零件的耐用性，還能在一定程度上促進(jìn)飛機(jī)性能的提升。對于多種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用也是零件設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵，高水平技術(shù)的使用會在很大程度上發(fā)揮材料本身的優(yōu)越性，解決飛機(jī)復(fù)材零件制造中的若干難題，提高零件的精準(zhǔn)度和耐用程度，提高飛機(jī)的使用期限和質(zhì)量水平，保障飛機(jī)零件在飛行過程中安全性能的發(fā)揮。