孟慶華

摘 要：復(fù)合材料制造技術(shù)是現(xiàn)代飛機(jī)制造工程的支柱技術(shù)之一，文章介紹了復(fù)合材料先進(jìn)制造技術(shù)，論述了大型客機(jī)復(fù)材零件特點(diǎn)、制造工藝，分析了復(fù)材零件先進(jìn)制造工藝設(shè)備及對(duì)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(jìn)樹脂基復(fù)合材料是以有機(jī)高分子材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強(qiáng)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(jìn)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(jìn)性的重要標(biāo)志[1-5]。波音B787飛機(jī)大量采用復(fù)合材料，達(dá)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%，全機(jī)結(jié)構(gòu)幾乎均由復(fù)合材料制成，包括機(jī)身和機(jī)翼。空客A350飛機(jī)復(fù)合材料使用量達(dá)52%。隨著我國復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展，軍機(jī)、民機(jī)上也已經(jīng)大量使用復(fù)合材料。

1 航空復(fù)合材料先進(jìn)制造技術(shù)概述

復(fù)合材料在飛機(jī)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(jī)制造工程的支柱技術(shù)之一，也是飛機(jī)能同時(shí)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(yán)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(jī)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(duì)先進(jìn)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(jìn)制造技術(shù) [6]。國際上航空復(fù)合材料先進(jìn)制造技術(shù)主要如下。

1.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)和模擬技術(shù)

數(shù)字化設(shè)計(jì)能夠提高產(chǎn)品制造質(zhì)量、加快產(chǎn)品研制進(jìn)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(dòng)化程度和制品合格率，降低廢品率。

1.2 自動(dòng)化制造技術(shù)

自動(dòng)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(dòng)鋪帶技術(shù)、自動(dòng)鋪絲技術(shù)等。自動(dòng)鋪放技術(shù)徹底實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料零件生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)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(jì)，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(gè)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(rèn)的低成本制造技術(shù)，近年來發(fā)展較為迅速。

2 大型客機(jī)復(fù)材零件制造先進(jìn)工藝特點(diǎn)分析

2.1 大型客機(jī)復(fù)合材料特點(diǎn)

為滿足我國民航運(yùn)輸業(yè)發(fā)展需求，我國已經(jīng)開展150座級(jí)中短航程大型客機(jī)的研制，該飛機(jī)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(jī)已經(jīng)廣泛用于民航運(yùn)輸，如B737、A320飛機(jī)等，該類大型客機(jī)對(duì)飛機(jī)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(jī)上大量應(yīng)用，中央翼、尾翼、后機(jī)身、機(jī)頭雷達(dá)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(jī)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(diǎn)，如復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮、梁的長度尺寸達(dá)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(duì)150座級(jí)中短航程大型客機(jī)的復(fù)合材料制造設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2.2 大型客機(jī)復(fù)合材料制造工藝特點(diǎn)

為保證復(fù)合材料的制造質(zhì)量、生產(chǎn)效率，國際先進(jìn)大型客機(jī)復(fù)材零件廣泛采用自動(dòng)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(xì)長類復(fù)材零件的成型，特別是大型客機(jī)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(xué)性能。

自動(dòng)鋪放技術(shù)：包括自動(dòng)鋪帶技術(shù)和自動(dòng)鋪絲技術(shù)，大型客機(jī)的大量復(fù)合材料零件屬于大尺寸整體結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼蒙皮是一個(gè)長度近20m的復(fù)合材料整體零件，自動(dòng)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(shì)，特別適合用于大型客機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件的制造。

2.3 先進(jìn)復(fù)合材料制造設(shè)備對(duì)廠房工藝設(shè)計(jì)的要求

為滿足上述復(fù)材零件先進(jìn)制造工藝技術(shù)要求，需要采用大量先進(jìn)工藝設(shè)備，此類工藝設(shè)備具有自動(dòng)化程度高、工作行程大、制造精度高等特點(diǎn)。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(duì)復(fù)合材料廠房工程設(shè)計(jì)影響較大，復(fù)材廠房工藝設(shè)計(jì)時(shí)需掌握先進(jìn)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(diǎn)對(duì)大型客機(jī)復(fù)合材料廠房內(nèi)先進(jìn)制造設(shè)備進(jìn)行分析。

3 大型客機(jī)復(fù)材零件先進(jìn)制造設(shè)備及廠房條件分析

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

3.1 熱隔膜成型機(jī)

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(dòng)、不易產(chǎn)生皺褶的特殊功效，非常適用于加工大型飛機(jī)的C 形梁及長桁。

熱隔膜成型機(jī)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(jī)使用的大型熱隔膜成型機(jī)的加熱箱體長達(dá)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(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)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(jìn)風(fēng)管、排風(fēng)管通往室外，與空氣處理機(jī)相連，故室外空氣處理機(jī)的布置需綜合考慮空氣處理器能力、風(fēng)管穿行、廠房布置等因素。

3.2 自動(dòng)鋪帶機(jī)

復(fù)合材料自動(dòng)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(jì)將纖維預(yù)浸帶自動(dòng)選擇鋪層位置、自動(dòng)定位、自動(dòng)切割形狀、自動(dòng)鋪放在工裝表面，且自動(dòng)壓實(shí)。自動(dòng)鋪層具有表面平整、位置準(zhǔn)確、精度高、無余量、速度快、質(zhì)量穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件的自動(dòng)化鋪層。自動(dòng)鋪帶效率是傳統(tǒng)手工鋪層的10倍以上。

大型客機(jī)外翼壁板鋪層用自動(dòng)鋪帶設(shè)備的工作行程達(dá)20m，主要由龍門架、鋪帶頭、預(yù)浸料存儲(chǔ)器、控制系統(tǒng)等組成。目前，自動(dòng)鋪帶機(jī)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(jìn)自動(dòng)鋪帶設(shè)備，進(jìn)行大型零件的鋪疊成型，取得了較好的效果。大型客機(jī)研制使用的自動(dòng)鋪帶機(jī)外擴(kuò)尺寸較大，占地面積大。自動(dòng)鋪帶機(jī)基礎(chǔ)部分預(yù)埋鋼軌，單條軌道長度達(dá)30m。由于鋪疊精度高，對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)要求較高，需設(shè)計(jì)獨(dú)立基礎(chǔ)保證軌道的平整度。

3.3 自動(dòng)鋪絲機(jī)

自動(dòng)鋪絲設(shè)備是在自動(dòng)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(jī)身蒙皮、導(dǎo)管等形狀復(fù)雜的制件，也適于制造機(jī)翼水平安定面等大尺寸平面構(gòu)件。

大型客機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼梁絲束鋪放用自動(dòng)鋪絲設(shè)備工作行程達(dá)20m，主要由鋪絲機(jī)器人、絲束箱、工裝支架、控制系統(tǒng)等組成。自動(dòng)鋪絲機(jī)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(dòng)鋪絲機(jī)的鋪絲頭的鋪放精度、軌道平整度對(duì)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(qiáng)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(jī)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(dòng)并充填閉合模具，排出氣體同時(shí)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(dòng)、滲透實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)

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(dòng)縫合設(shè)備，一般大尺寸復(fù)雜零件需要采用三維自動(dòng)縫合機(jī)進(jìn)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(chǔ)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(jī)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(jī)復(fù)合材料零件具有尺寸大、制造精度要求高等特點(diǎn)，選用自動(dòng)化、數(shù)字化、一體化的先進(jìn)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(duì)大型客機(jī)復(fù)材零件先進(jìn)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?yàn)榇笮涂蜋C(jī)復(fù)合材料零件廠房工程設(shè)計(jì)提供有力支撐。

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