飛機典型復合材料零件成形方法研究

李林

摘 要：通過分析復合材料的結構特點與物理力學特性，總結了此類材料的加工機理與加工難點，針對不同結構形式的復合材料零件，從復合材料件的結構特點及復合材料加工工藝適用性方面開展分析，針對典型復合材料制件確定合理的加工方法，從而實現高強度復合材料的高質量、高精度、高效率、低成本的加工。

關鍵詞：自動化制造技術，液體成形技術，加強件成形技術

引言

飛機結構設計應用復合材料，通過在不同方向鋪設不同比例的纖維，滿足結構平面內所需方向性能的要求。但由于復合材料層壓板各向異性、脆性和非均質性以及層間力學性能低等特點，使復合材料制件的失效機理與金屬完全不同。這種特殊的材料結構性能和力學性能，要求對不同的結構設計型式的復合材料制件優化選用不同的加工工藝。本文從分析復合材料各種加工工藝的特點和適應性，來確定典型的復合材料零件結構設計應用的制造方法，以期實現碳纖維復合材料設計、制造一體化的高質量、高精度、低成本。

1材料形式及鋪放方式

復合材料由高性能的纖維為增強體，高韌性的樹脂為基體。增強纖維分為干織物和預浸料。干織物有雙向和三向編織，用于不同截面形狀的零件預成形體。預浸料有單向帶和纖維絲束，用于不同曲度的大型展開零件。復合材料零件可由不同的纖維體經手工和自動鋪放工藝組合制成。

手工鋪放是將纖維料層逐一放入模腔內形成層壓板，可通過激光投影或定位銷輔助定位纖維層。這種工藝一般用于小零件或具有小圓角半徑的零件，如翼尖小翼、夾芯板結構。

對于不適于用自動工藝鋪放的特殊鋪層，可混合采用手工鋪放，如，閃電防護層。

2大型復合材料整體結構零件成形技術

先進飛機為獲得最好的技術性能和經濟效益，在結構設計中除滿足傳力、承力等功能和維護使用等要求外，還不斷追求高減重、低成本和長壽命的目標，因此現代飛機設計中，結構的整體化得到了大幅提升，減少了連接所付出的重量、連接引起的應力集中以及小零件制造、裝配所需工時，降低了成本。

2.1 大型復合材料件自動化制造技術

大型飛機復合材料壁板成形方式考慮到經濟性和質量可靠性一般采用筋條和蒙皮膠接共固化。如空客A350翼盒復合材料機翼采用“T”形加筋壁板，波音787復合材料機翼采用“工”字型加筋壁板。這類大型復合材料蒙皮鋪層可采用自動鋪帶技術；長桁組裝采用精確的數字化定位技術；固化模具結構設計，重點考慮溫度場均勻性及熱膨脹影響，模具材料殷瓦鋼。

自動鋪帶技術（ATL）用于大尺寸中小曲率的壁板構件的鋪層，與手工鋪放相比，質量穩定，制造成本降低30%-50%。在自動鋪帶機上可實現預浸料單向帶裁剪、定位、鋪疊、輥壓等工序連續自動完成。ATL鋪放后，鋪貼板可與其他元件（如，長桁）共固化或共膠接，圖1。

相對于大尺寸中小曲率的壁板類零件，機身筒段類大曲率旋轉體及帶臺階的翼面、小曲率半徑的凹面等復雜構件，纖維層鋪疊或纏繞時，容易出現架橋和滑移的瓶頸問題。自動絲束鋪放技術（AFP）是在自動鋪帶和纖維纏繞技術基礎上發展起來的新技術，其可以實現復雜形狀整體結構件三維軌跡的連續絲束鋪放，可以根據運行軌跡當地的鋪覆寬度自適應地調整絲束寬度，實現復雜內型曲面結構的鋪放。自動絲束鋪放在航空領域已廣泛應用，F-22和F-35的復合材料S形進氣道、B787的機身段、A380后機身均采用該技術，圖2。

2.2 復合材料結構液體成形技術

復合材料結構液體成形方法主要應用于復雜、次承力的大型整體結構成型。液體成形技術主要包括預制體制備技術和樹脂轉移技術：RTM、RFI。

預制體制備技術指裁剪后的干纖維布在真空狀態下疊放在一起并控制溫度使纖維體壓實成零件形狀或采用織物縫合的方法連接疊層塊制成零件結構骨架的技術。預制體制備是液體轉移成形技術的關鍵環節，縫合預制體可以增強織物的縱向連接，滿足復合材料抗沖擊的要求。

樹脂轉移技術是指將預成形體放入模腔中注入樹脂并固化和脫模。RTM工藝是利用真空或注射裝置提供壓力將專用樹脂注入到閉合的模腔內，直至型腔內的預成形體完全被浸潤。可通過多重模腔控制曲面來實現零件的嚴公差要求。RFI工藝即樹脂膜滲透成形，在預制體與模具間按結構要求鋪設樹脂膜，固化過程中樹脂膜受熱熔化，在真空及壓力作用下樹脂液體滲透到預制體并完成固化成形。

3復合材料加強件成形技術

現代大型飛機復合材料整體件如機翼壁板和機身筒段一般采用整體成形蒙皮與加強筋共固化的方式制造。加強筋屬于桿系類元件，其截面多為半閉合形狀，不適合應用自動化和液體成形技術。參照金屬加強筋零件成形方法，復合材料層壓板可以采用模壓成形、軟模成形和拉擠成形的方法制備成復合材料加強筋零件。

3.1 模壓成形

模壓成形是利用帶有熱源的壓機對復合材料預浸料疊層毛壞進行成形、固化的一種工藝方法。這種方法用于單一厚度層壓板，圖3。

3.2軟模成形

軟模成形是利用膨脹橡膠在一定溫度下可控膨脹量所產生的壓力對預浸料疊層毛坯加壓固化的工藝方法。

3.3 拉擠成形

纖維束浸漬樹脂基體后即刻通過預定內腔型面的模具，迅速固化而制成形狀各異的連續體，其典型型面有圓形、方形、工字形、∪字形、凸形、凹形和多墻多腔形。

復合材料加強件成形后經數字化夾具定位可與自動化成形的蒙皮類零件共固化或共膠接組合成壁板組件或機身筒段。

4結論

國內各航空設計所及飛機生產廠對復合材料研究及應用方面相對起步較晚，通過與國外先進民用飛機公司的合作設計、制造，國內在復合材料應用領域已有了大的飛躍，現代大型民用飛機C919已大量應用復合材料并用于主承力構件。隨著國內科學技術的研究、創新與應用，復合材料結構制造新技術必然會不斷涌現。

參考文獻：

[1]中國航空研究院. 復合材料結構設計手冊. 航空工業出版社.2004年9月.

[2]范玉青，張麗華. 超大型復合材料機體部件應用技術的新進展—飛機制造技術的新跨越[J].航空學報，2009，30.