飛機復材零件成形加工與工裝設計

華軍威

摘 要： 本文研究飛機復材零件，通過分析復材熱膨脹系數，設計出符合膨脹系數的工裝，工裝設計是飛機復材零件成形的必要組成部分，通過分析碳纖維復材零件的性能，總結出以零件的工裝型面設計。

關鍵詞： 復材零件；復材熱膨脹系數；工裝設計

1.復材零件

在飛機零件中，復材的使用非常廣，因為復材零件的性能比較好，強度高、疲勞性能好、耐腐蝕性強等，在飛機壁板零件上廣泛應用，如圖1.1。

飛機復材零件的使用可以大大減少飛機的質量，提高飛機飛行中的安全性能，同時還可以減少飛機零件和部件的數量，在裝配和組裝上縮短飛機的制造周期，它已經成為飛機制造中4大材料之一。

飛機復合材料在飛機上的應用是從開始的簡單零件到后期的大量使用，在飛機機身和壁板上是尤為突出的，同時飛機上曲面零件大部分都是復材，因為復材可以根據工裝不同加工出不同形狀的零件。飛機復材零件的成形一般選擇熱壓灌成形技術，這種加工方法主要的流程是將復材零件的毛坯利用真空袋密封在工作上，在將其置于熱壓罐中，經過升溫、加壓、保溫、降溫、卸壓等過程，將其制造成所需的形狀，如圖1.2。

通過以上成形技術加工復材零件的優點如下：

（1）熱壓罐內的壓力是保持恒定的，所以對復材零件固化成形時候，零件內部分子性能好。

（2）工作制造簡單，生產效率高，適合對飛機大面積蒙皮的加工，同時還能保證零件的結構性能。

（3）復材零件的孔隙率低，樹脂含量均勻，零件的各項性能平穩。

2.復材熱膨脹系數

復合材料的研究中，假設材料是均勻的，那么影響材料就是材料的熱膨脹系數，對復合材料熱膨脹系數的研究分為兩種：

（1）單層板熱膨脹系數，該材料是正交各向異性，并且這種異性是垂直纖維方向的，與同性材料的區別是異性層合結構是對每一層進行分析，為了知道各層結構的彈性特性，需要對力學和膨脹進行分析，分析方法是根據力學進行坐標矩陣轉換，然后進行分析。

（2）層合板熱膨脹系數計算，這種是有兩層或兩層以上的單板組成的結構，在組合上各層可以是不同材質和性能，得到的材料性能也最優，這種 的力學性能復雜，熱膨脹系數需要分析每一層的熱膨脹系數，分析方法也是矩陣法。

3.工裝設計

飛機復材零件最大的特點就是設計性強，不論零件的形狀是什么，都能制造出來，一個是因為材料自身的問題，另一個就是工裝的設計，通過工裝的輔助進行零件生產，在復材零件工裝設計上是按照鋪層工藝進行鋪貼的，然后放入到熱壓罐中，按照要求進行固化，隨著飛機技術不斷的發展，零件的精度和連接匹配性在不斷被要求提高，工裝的設計也在提高，一般飛機復材工裝包含三大部分，模板、背部支撐、底架，如圖3.1。

復材工裝結構在設計的時候，需要對材料進行選擇，在選擇上比較廣泛，主體要求是材料的熱膨脹系數低，強度要高，具體如下：

（1）飛機復材零件如果是碳纖維的，那么工裝也要是相匹配的碳纖維，并且要求工裝的熱變形溫度要高于零件的20度以上。

（2）工裝的預固化溫度要小，使用溫度要高，優點是提高工裝成型質量，降低制造成本。

（3）工裝的氣密性好，可以重復使用，剛度要良好，適當的粘性，良好的鋪疊性。

結論

在飛機復材零件的研究中，對零件進行各向異性和成形精度以及溫度的研究中，通過工裝設計進行深入研究，根據零件常溫下型面設計成形復材零件的型面，也就是工裝型面研究，在根據工裝模板進行分析，避免回彈、反復修模等問題的發生，從而影響復材零件的成形和零件的精度。

參考文獻

[1]周來水.崔耀東.飛行器新結構新材料制造技術.[M].南京：南京航空航天大學，2005

[2]羅振壁.汪勁松.楊世明.制造過程質量控制中誤差流理論的研究.[N].機械工程學報，1995.31（4）：62-69.

[3]傅曉錦.張新華.零件加工偏差原因診斷專家系統.[J].機械設計與制造工程.1999，5（28）：36-38.

[4]楊鴻鵬.林志航.基于集成診斷模型加工質量的智能診斷系統研究.[N].西安交通大學學報，1997，31（9）：1-5.