全復(fù)材通用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)制造技術(shù)研究

徐輝，談騰，陳昊，沈濤

（中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

近些年來，無論在軍用還是民用航空領(lǐng)域，復(fù)合材料因其強度高、抗疲勞、維護(hù)少、質(zhì)量輕等優(yōu)良性能而得到越來越廣泛的應(yīng)用，受到越來越多飛機(jī)制造商的青睞。如波音787復(fù)合材料用量已經(jīng)達(dá)到了50%，空客A350復(fù)合材料用量達(dá)到了53%。而對于通用飛機(jī)而言，因其機(jī)體尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、零部件數(shù)量少等因素，更是出現(xiàn)了一些全復(fù)合材料機(jī)型，如西銳SR22、鉆石DA40等[1]。對全復(fù)合材料制造工藝進(jìn)行全方位研究顯得尤為必要。本文主要對某型全復(fù)合材料通用飛機(jī)機(jī)體制造工藝進(jìn)行較為全面的研究和探討。

1 整體結(jié)構(gòu)及材料

1.1 整體結(jié)構(gòu)

某型全復(fù)合材料通用飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)由垂尾融合式機(jī)身、左（右）外翼、中央翼、水平尾翼五大主要部件構(gòu)成[2],如圖1所示。其中機(jī)身為硬殼式結(jié)構(gòu)，機(jī)身蒙皮承受主要載荷，為泡沫夾層結(jié)構(gòu)。中央翼、左（右）外翼、水平尾翼均為半硬殼式結(jié)構(gòu)，由橫向的翼梁、縱向的翼肋及蒙皮共同傳力。整機(jī)大約由300余種獨立的復(fù)合材料零部件組成。這些部件之間的連接方式大量采用膠接，如機(jī)身由左右兩片蒙皮分別固化后，與內(nèi)部隔框共同進(jìn)行二次膠接，機(jī)翼、中央翼、尾翼也是由上下兩片蒙皮分別固化后，再與橫向的梁、縱向的肋膠接成形。但也有一部分關(guān)鍵部位如機(jī)身-中央翼、中央翼-外翼、機(jī)身-水平尾翼等，采用了機(jī)械連接。

圖1 某型全復(fù)材通用飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1.2 原材料

機(jī)身、機(jī)翼、中央翼蒙皮、翼梁、發(fā)動機(jī)吊裝墻體等主承力件采用碳纖維，內(nèi)部肋和隔框多采用玻璃纖維，泡沫芯材使用PVC泡沫。基體材料使用低溫固化型環(huán)氧樹脂，增強材料主要采用3K碳纖維織物和玻璃纖維織物，機(jī)體最外層玻璃纖維表面層和防雷功能的鋁碳纖維。在復(fù)材結(jié)構(gòu)需要機(jī)械連接部位，如螺栓孔處，均預(yù)埋有碳纖維或玻璃纖維嵌板。

2 工藝方案

2.1 成形工藝

為了降低成本、提高效率，同時還要確保制件滿足設(shè)計要求的性能，在選擇工藝成形方法和工藝細(xì)節(jié)方面就要綜合考慮，在成本、效率、性能、質(zhì)量等多重因素間進(jìn)行權(quán)衡，最終給出一個較為合理的工藝方案。在此考慮之下，最終選擇使用濕法手糊成形工藝為主（如圖2），并采用浸膠機(jī)對各類織物進(jìn)行預(yù)浸漬，然后根據(jù)各工位需要進(jìn)行裁剪下料（如圖3）。這種方式相比于傳統(tǒng)手刷浸漬，樹脂浸潤更均勻，制件質(zhì)量更好。相比于昂貴的干法預(yù)浸料而言，更是節(jié)省了材料成本和低溫倉儲成本，是一種“即浸即用”的高效率、低成本的工藝手段。

圖2 濕法手糊鋪層

圖3 浸膠機(jī)下料

而針對壁厚較厚、泡沫夾層結(jié)構(gòu)、預(yù)埋嵌板、預(yù)埋金屬防雷片結(jié)構(gòu)的制件，為了保證不同材質(zhì)間的黏合效果，在鋪層結(jié)束后使用低壓真空袋進(jìn)行固化成形（如圖4）。低壓真空袋成形相比于其他壓力成形工藝（如真空導(dǎo)入成形），操作簡單，專用設(shè)備投入少，特別適用于對成本和質(zhì)量均有所要求的小型通用飛機(jī)生產(chǎn)。當(dāng)然，對于孔隙率要求更嚴(yán)格、產(chǎn)品質(zhì)量要求更高的一些關(guān)重件，特別是中央翼梁、外翼梁盒，考慮采用低溫固化的壓力罐工藝。同樣考慮成本因素，可以根據(jù)產(chǎn)品尺寸定制專用的小型壓力罐。固化方式采用中低溫固化房進(jìn)行臺階式固化。

圖4 真空袋成形示意圖

除了上述工藝對應(yīng)的設(shè)備，投入較大的就是工模具。濕法手糊和真空袋成形工藝都只需半模成形，僅用一個陰模或陽模，就可以得到形狀復(fù)雜、質(zhì)量較好的制件，也能制造泡沫夾層結(jié)構(gòu)件。一般來說，模具材質(zhì)有木模、金屬、石膏、水泥、碳纖維、玻璃纖維、石蠟等，各個材質(zhì)特點如表1所示。考慮到全復(fù)材飛機(jī)零部件種類和數(shù)量繁多、形狀復(fù)雜、精度要求高，相比之下，碳纖維復(fù)合材料模具較為合適。與精度也很高的鋼模相比，碳纖維模具擁有質(zhì)量輕、與制件的熱膨脹系數(shù)一致等特性，一方面有利于車間轉(zhuǎn)運操作，另一方面可防止產(chǎn)品脫模后變形。同時，對于后期零部件的升級優(yōu)化，例如輪廓和孔位的更改，可直接在原模具上進(jìn)行修型、更改模具上的鉆套位置等，模具修改更加容易，產(chǎn)品迭代的成本更小。

表1 復(fù)合材料模具材料優(yōu)缺點及適用范圍[3]

模具結(jié)構(gòu)形式，可采用碳纖維作為主體、金屬框架作為底座的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。由于碳纖維、金屬的熱膨脹系數(shù)不同，在加溫后兩種材質(zhì)變形不同步導(dǎo)致模具產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。長期在這種熱循環(huán)下會使模具受損。此時考慮在復(fù)合材料模具主體和金屬框架底座連接處加入金屬彈性元件，以抵消這種應(yīng)力。彈性元件如圖5所示。另外，從人機(jī)工程學(xué)的角度，對于質(zhì)量大于20 kg的模具，底座要安裝腳輪以方便轉(zhuǎn)運。

圖5 復(fù)合材料模具主體和金屬框架的連接

2.2 膠接工藝

復(fù)合材料的連接方式有機(jī)械連接和膠接連接。機(jī)械連接多指緊固件連接，如鉚接、螺栓連接、銷釘連接等。這種連接方式大多需要在復(fù)合材料件上制孔，這就容易產(chǎn)生應(yīng)力集中等問題[4]。相比于機(jī)械連接，膠接連接基于復(fù)合材料整體成形技術(shù)，其好處就是質(zhì)量輕、強度高，同時減少對復(fù)材件的破壞，應(yīng)力分布相對均勻，大大減少緊固件的數(shù)量，簡化了工藝。目前，膠接工藝已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于全復(fù)合材料通用飛機(jī)生產(chǎn)制造當(dāng)中，體現(xiàn)了復(fù)合材料整體成形的設(shè)計和制造思想。

復(fù)合材料膠接工藝一般分為如下三類[5]：

1）共固化(co-curing)。2個或2個以上的零件經(jīng)過一次固化成形而制成一個整體制件的工藝方法。

2）共膠接(co-bonding)。把一個或多個已經(jīng)固化成形而另一個或多個尚未固化的零件通過膠黏劑（一般為膠膜）在一次固化中固化并膠接成一個整體制件的工藝方法。

3）二次膠接(secondary bonding)。2個或多個已經(jīng)（預(yù)）固化的復(fù)合材料零件通過膠接連接在一起，其間僅有的化學(xué)或熱的反應(yīng)是膠的固化。

對于濕法手糊工藝而言，由于生產(chǎn)過程中樹脂流動性大，前兩種工藝（共固化和共膠接）并不適用。同時，這兩種工藝對模具的要求也相對較高。所以，采用二次膠接成形更為合理。由于二次膠接時各零部件已經(jīng)固化成形，只需要設(shè)計制造出合理的定位夾具進(jìn)行膠接定位即可。

2.3 機(jī)械加工工藝

復(fù)材件的機(jī)械加工主要包括打磨、切割、鉆孔等，此過程本質(zhì)上是對制件的破壞，如鉆孔會使纖維中斷，引起應(yīng)力集中，也容易導(dǎo)致復(fù)合材料件的脫層。一旦出現(xiàn)切割或制孔錯誤難以維修。所以選擇合適的工具和方法來進(jìn)行機(jī)加工顯得尤為重要。另外，切割和打磨會產(chǎn)生大量粉塵，對操作人員和環(huán)境并不友好。如果大規(guī)模采用CNC自動加工，不僅加工成本上升，且對于手糊成形的“蒙皮”等薄壁件并不適用。綜合考慮以上因素，可通過復(fù)合材料制作仿形鉆模來進(jìn)行人工修剪或鉆孔。圖6展示了一種鉆模或修剪工裝。這種利用零部件輪廓仿形的方式有如下優(yōu)勢：1）可以利用母模隨時翻制，制作簡單、成本較低；2）對于飛機(jī)上復(fù)雜曲面的制件采用型面貼合限位較為合理；3）這種修剪和鉆孔方式操作起來比較簡單，員工的培訓(xùn)成本較低，較容易上手。

圖6 利用仿形鉆模對零部件進(jìn)行鉆孔

2.4 零部件缺陷

對于復(fù)合材料手糊制品，特別是濕法手糊工藝，常見缺陷有褶皺和氣孔（如圖7）。這兩種缺陷是生產(chǎn)操作過程中無法避免的。通常，褶皺會發(fā)生在抽真空過程中。由于此過程會產(chǎn)生樹脂堆積、纖維布移位及真空袋膜的纏絆，這些都會導(dǎo)致褶皺現(xiàn)象發(fā)生。而氣孔往往是由于抽真空過程中真空壓力不足導(dǎo)致。對于褶皺和氣孔這兩類常見缺陷，要根據(jù)其大小、形式、位置及對零部件力學(xué)性能的影響程度視情況來進(jìn)行維修、接受或報廢處理，不能一刀切式地采取相同方式處理。

圖7 手糊工藝制品缺陷

2.5 預(yù)裝配及后固化工藝

由于手糊工藝的制件質(zhì)量在很大程度上取決于操作人員技能水平，所以相比于其他工藝，產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性較差，如果此時直接交付總裝車間進(jìn)行裝配，大概率會出現(xiàn)零部件配合不良，如配合縫隙不均勻、配合出現(xiàn)臺階差等。另外，如果兩種復(fù)合材料零件需要機(jī)械連接（如螺栓連接）時，這種配合不良還容易導(dǎo)致復(fù)材件和緊固件承受額外應(yīng)力，降低零部件使用壽命。對此，較為合理的措施是提前對零部件進(jìn)行預(yù)裝配，裝配后整體進(jìn)行后固化處理（如圖8）。在零部件后固化的過程中，零件在高溫下仍然會有交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生，等到反應(yīng)充分后，零部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力、裝配后產(chǎn)生的額外應(yīng)力都得以消除。這種將預(yù)裝配和后固化相結(jié)合的方法可以很大程度上改善復(fù)合材料零件制件的裝配質(zhì)量。

圖8 復(fù)合材料零部件消除額外應(yīng)力過程

3 結(jié)語

復(fù)合材料的成形和加工方法多種多樣，這些方法在成本、效率、制件質(zhì)量方面差異明顯，而在全復(fù)材通用飛機(jī)生產(chǎn)中，更要考慮成本、效率、質(zhì)量等多重因素。通過對某型全復(fù)合材料通用飛機(jī)機(jī)體制造技術(shù)的研究，從控制成本、提高效率、保證品質(zhì)3個維度，較為全面地探討了某型全復(fù)合材料通用飛機(jī)從復(fù)材成形到后續(xù)加工各個環(huán)節(jié)的工藝技術(shù)方案，通過綜合對比取舍，規(guī)劃出一套較為合理的制造方案，對全復(fù)合材料通用飛機(jī)的制造具有一定的借鑒意義。