飛機復(fù)材零件成型加工與工裝設(shè)計

張旭艷 楊紹昌 劉一帆

摘 要 飛機部分性能的作用發(fā)揮需要復(fù)材零件的支持，飛機組裝中復(fù)材零件的使用可以很大程度的提高飛機的耐腐蝕性以及飛機整體架構(gòu)的穩(wěn)定性，同時還可以減少零件制造材料的成本，復(fù)材零件的使用是飛機制造的一大創(chuàng)新和進步，促進了飛機零件的性能提升。工裝設(shè)計是復(fù)材零件成型的必備條件，通過對復(fù)材零件相關(guān)性能的分析，得到最為合理的工裝設(shè)計方案，促進飛機零件性能的最優(yōu)發(fā)揮。本文對復(fù)材零件和工裝設(shè)計進行簡單的介紹并對其各自的特點進行分析，列出部分廣泛使用的零件成型技術(shù)并進行介紹，最后對經(jīng)常應(yīng)用于飛機制造中的碳纖維復(fù)合材料進行介紹，以明確對飛機復(fù)材零件加工成型于工裝設(shè)計的認識和了解。

關(guān)鍵詞 復(fù)材零件 成型加工 工程裝備設(shè)計 飛機零件

中圖分類號：V22 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）11-0054-02

復(fù)合材料作為新式制造材料，在飛機制造領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，復(fù)材零件的大規(guī)模使用會為飛機的整體性能帶來質(zhì)量的飛躍和重量的減輕，對飛機制造廠商與飛機使用企業(yè)來講可以減少成本、提高性能，有著巨大的經(jīng)濟效益好處，可以促進飛機制造的進一步發(fā)展。工裝設(shè)計則是復(fù)材零件成型加工的重要前期準(zhǔn)備，只有秉承嚴謹科學(xué)的態(tài)度進行工藝裝備設(shè)計，才能將復(fù)材零件的成型加工做到符合各種標(biāo)準(zhǔn)，為飛機的性能提升提供條件。

1 復(fù)材零件與工裝設(shè)計的特點與聯(lián)系

1.1 復(fù)材零件與工裝設(shè)計的特點

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)合材料進行制造。復(fù)合材料中以纖維增強材料的應(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、便利的技術(shù)支撐。

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

1.1.2 工裝設(shè)計

工裝設(shè)計，即工藝裝備設(shè)計，是飛機零件制造的上游環(huán)節(jié)，主要分為生產(chǎn)工藝裝備和標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備。飛機工裝設(shè)計對飛機制造行業(yè)有著許多的好處和作用，如保證飛機制造的質(zhì)量水平、提高飛機制造的工作效率、減輕勞動強度、降低生產(chǎn)成本等，工裝設(shè)計的應(yīng)用對飛機制造的發(fā)展有著積極意義。飛機零件成型加工則是應(yīng)用的零件工藝裝備設(shè)計技術(shù)，可以保證飛機零件的精準(zhǔn)度和零件部分之間的協(xié)調(diào)性。

工裝設(shè)計首先是要滿足零件的精度要求，根據(jù)工裝設(shè)計中的尺寸對零件進行加工，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)計為零件提供足夠的剛度和強度，能夠承受飛機上其他組件的重量，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，變化因為高溫而變形，保證零件的質(zhì)量水平。

1.2 復(fù)材零件與工裝設(shè)計的關(guān)系

工裝設(shè)計是飛機復(fù)材零件成型加工的前提條件和上游環(huán)節(jié)，只有進行合理的工裝設(shè)計，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)計在飛機復(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、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，再對飛機零件的具體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，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

飛機復(fù)材零件大多用于飛機的機身和壁板，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)計的理想范圍內(nèi);適用范圍較廣，其模具可以進行多種簡單或復(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，壓力與溫度都可以進行人為調(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預(yù)浸槽中，再進行冷卻;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)可以增強材料的耐用度，對飛機復(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)用的裝備從機械式到機器人纏繞，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器，根據(jù)不同制件的特征選用相適應(yīng)的機器，纏繞成型設(shè)備機器類型包括如螺旋纏繞機、軌道式纖維纏繞機、行星式纖維纏繞機、滾轉(zhuǎn)式纏繞機等等，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)計中的材料選擇

目前，飛機上使用最為廣泛的就是碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，該材料具有很強的抗腐蝕性和抗疲勞性，還具有密度小、重量輕、比強與比剛度高的優(yōu)勢。碳纖維復(fù)合材料的輕量、堅固的優(yōu)點，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)是減輕飛機重量的先進技術(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。[3]在不久的未來，復(fù)合材料將廣泛運用于飛機零件的制造中，并大大減少飛機零件的制造成本、提高飛機零件的性能，為飛機制造的發(fā)展提供良好條件。

4 結(jié)語

飛機復(fù)材零件的成型加工離不開合理的工裝設(shè)計，因此在飛機的零件制造過程中，需要著重對飛機復(fù)材零件材料的選擇和工裝設(shè)計的合理性要求，不僅可以提高飛機制造零件的耐用性，還能在一定程度上促進飛機性能的提升。對于多種先進技術(shù)的應(yīng)用也是零件設(shè)計和制造的關(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，提高飛機的使用期限和質(zhì)量水平，保障飛機零件在飛行過程中安全性能的發(fā)揮。

參考文獻：

[1] 王海燕.飛機工裝設(shè)計制造研究[J].化纖與紡織技術(shù)，2021，50（04）：113-114.

[2] 劉宇欣.基于工裝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的航空制造效率提升研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2020（05）：205，208.

[3] 李德尚.飛機復(fù)材零件熱壓罐成型復(fù)材工裝設(shè)計技術(shù)[D].南京航空航天大學(xué)，2010.