航空復(fù)合材料零件制造技術(shù)與精準(zhǔn)控制分析

張海杰

摘 要： 隨著航空航天、智能機(jī)器人、無人機(jī)等高端技術(shù)的成熟發(fā)展，復(fù)合材料的制造技術(shù)也隨之不斷提高，并取得了突破性進(jìn)展。本文在簡要介紹主流的零件成形技術(shù)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討了航空符合材料零件制造的精準(zhǔn)控制要點(diǎn)，希望能夠?yàn)闃I(yè)內(nèi)同仁提供有益思考和啟發(fā)。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料；航空零件；制造技術(shù)；精準(zhǔn)控制

早在上世紀(jì)六十年代，符合材料就已經(jīng)被應(yīng)用在航空領(lǐng)域，尤其是隨著我國航天事業(yè)的迅猛崛起，飛行器的高空化、智能化、低成本化發(fā)展趨勢(shì)越來越鮮明，航空復(fù)合材料生產(chǎn)制造技術(shù)越來越成熟，復(fù)合材料的性能也隨之得到了大幅提升，并成為了航空航天建設(shè)中不可缺少的一大材料。飛機(jī)的許多部分都是復(fù)合材料零件，正所謂“一代材料，一代飛機(jī)”，不難發(fā)現(xiàn)材料的性能在航空航天領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。但客觀來講，我國在復(fù)合材料制造方面還存在許多不足，加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐，對(duì)推動(dòng)航空航天事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，無疑具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)價(jià)值。

1、零件成形技術(shù)

這里所講的零件成形技術(shù)，主要是指在滿足零件外形要求的基礎(chǔ)上，不損壞材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)并確保纖維合理分布在內(nèi)而形成重大孔隙的制作方法。零件成形技術(shù)主要應(yīng)用于航空航天各類零件的加工領(lǐng)域，以復(fù)合材料來講，其成形技術(shù)的選擇主要是由復(fù)合材料基體本身性能所決定的，目前常見的復(fù)合材料成形技術(shù)主要包括四類，具體如下：

1.1RTM 成形技術(shù)

RTM是樹脂轉(zhuǎn)移模塑成形的英文縮寫，該方法具有成本低、效率高、成效好和污染小等優(yōu)勢(shì)，且可以形成雙面大型整體件，所以被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)度主承受力結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)制造方面，包括艙門、檢查口蓋等。就該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來講，要想實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破，就必須有效解決孔隙大、樹脂分布失衡、纖維含量不高等問題。在未來技術(shù)研發(fā)實(shí)踐中，熱傳遞、注射方法研究、相關(guān)設(shè)備升級(jí)等將成為重點(diǎn)攻克的領(lǐng)域。

1.2RFI 工藝技術(shù)

RFI工藝技術(shù)主要是指樹脂浸漬技術(shù)，就是樹脂膜溶液與纖維預(yù)制體相融合所產(chǎn)生的一種具有低成本的成形技術(shù)，目前主要應(yīng)用于飛機(jī)雷達(dá)天線罩等平面面積較大或相對(duì)簡單的曲面構(gòu)件制造領(lǐng)域。RFI工藝的優(yōu)勢(shì)就是能夠使用熟知的預(yù)浸料樹脂體系，利用這一工藝所成形的復(fù)合材料性能與預(yù)浸料成形的性能不存在差異。但該項(xiàng)技術(shù)所使用的樹脂膜，其制作成本大約是純樹脂成本的兩倍，所以其成本也相對(duì)要高。此外，所使用的樹脂膜在沒有載體的前提下無法實(shí)施有效操作，如膠黏劑膜。該項(xiàng)成形技術(shù)在真空袋系統(tǒng)進(jìn)行固化時(shí)，有著較為嚴(yán)格的溫度要求，所以對(duì)核心材料和相關(guān)設(shè)施的耐溫性能有著較高要求，在未來的技術(shù)研發(fā)實(shí)踐中，樹脂流動(dòng)模擬、樹脂流動(dòng)控制和三維編織縫合等將成為重點(diǎn)突破的方向。

1.3纖維纏繞技術(shù)

所謂的纖維纏繞，就是利用浸漬后的纖維束將相關(guān)裝置纏繞到芯軸上，是目前一種較為成熟的零件成形技術(shù)，并是目前具有最廣泛應(yīng)用范圍的自動(dòng)化成形技術(shù)。經(jīng)該工藝所成形的零件，具有強(qiáng)度大、質(zhì)量輕、耐熱好等性能優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于空心、橢圓零件的制作中。在未來技術(shù)研發(fā)實(shí)踐中，纖維纏繞技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)解決成本高、自動(dòng)化水平低的問題，這樣才能進(jìn)一步拓展其效益空間。

1.4自動(dòng)鋪帶、鋪絲技術(shù)

自動(dòng)鋪帶技術(shù)是當(dāng)前西方國家最為常見的一種成形技術(shù)，主要是利用數(shù)控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，采用有隔離襯紙的單向預(yù)浸帶達(dá)成自動(dòng)化生產(chǎn)目標(biāo)。相比于自動(dòng)鋪帶技術(shù)，自動(dòng)鋪絲具有更強(qiáng)的精細(xì)度，可以對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件進(jìn)行成形制造，且材料消耗率較低。可以說，自動(dòng)鋪絲技術(shù)集自動(dòng)鋪帶技術(shù)和纖維纏繞技術(shù)于一體，在機(jī)身段和尾段等復(fù)合材料零件成形制造中，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。

2、復(fù)合材料航空零制造的精準(zhǔn)控制要點(diǎn)分析

2.1工裝的精確控制

工裝結(jié)構(gòu)及其材質(zhì)的優(yōu)劣，將直接決定復(fù)合材料零件成型后的精度，為消除熱膨脹系數(shù)對(duì)零件外形精度所產(chǎn)生的負(fù)面影響，廣泛采用了與復(fù)合材料膨脹系數(shù)相接近的工裝材質(zhì)進(jìn)行工裝制造。而在具體設(shè)計(jì)與實(shí)踐中，要合理分布支撐柱，在確保工裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，有效降低支撐柱的承重壓力。此外，正確的防黏層和成形工裝擺放位置，都能夠有效降低因工裝變形而造成的零件變形，最終切實(shí)增強(qiáng)復(fù)合材料聽見制造的精準(zhǔn)性。

2.2制造溫度場的精確控制

在復(fù)合材料零件成形的固化階段，因復(fù)雜的溫度梯度造成構(gòu)件變形是非常普遍的，所以在復(fù)合材料零件制造過程中，一定要對(duì)溫度場進(jìn)行精準(zhǔn)控制。當(dāng)所制造的零件具有較大厚度和尺寸時(shí)，升溫速率和降溫速率若是過快，不僅會(huì)對(duì)工裝溫度場的均衡性造成破壞，而且會(huì)對(duì)復(fù)合材料零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重破壞。溫度梯度的存在使得構(gòu)件內(nèi)部的樹脂固化度不一致，固化收縮引起復(fù)合材料構(gòu)件發(fā)生翹曲和變形。雖然較低的升、降溫速率能減小復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部的溫度差異，使得復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部溫度梯度減小，復(fù)合材料構(gòu)件變形小不易發(fā)生翹曲，保證復(fù)合材料構(gòu)件的精確制造，但是過低的升溫速率和降溫速率無疑會(huì)增加零件的制造成本。航空復(fù)合材料構(gòu)件成型時(shí)，升溫速率一般不超過 2℃ /min，降溫速率一般為 2～3℃ /min，復(fù)合材料構(gòu)件出罐后需后固化 4h 以上。

2.3固化壓力的精確控制

真空袋-熱壓罐法成型復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，預(yù)浸料被熱壓罐固化壓力緊緊壓貼在成型工裝表面，熱壓罐開始升溫后復(fù)合材料構(gòu)件與成型模具之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力。隨著溫度的升高預(yù)浸料的樹脂進(jìn)入橡膠態(tài)階段，此時(shí)復(fù)合材料構(gòu)件的剪切模量很低，靠近成型工裝型面的預(yù)浸料的鋪層受到的剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于非貼膜面的預(yù)浸料的鋪層，使得在復(fù)合材料構(gòu)件厚度方向形成一個(gè)應(yīng)力梯度，由于固化壓力的作用使得應(yīng)力梯度隨著樹脂交聯(lián)固化而被迫殘留在構(gòu)件內(nèi)部，直到復(fù)合材料構(gòu)件完全固化。在復(fù)合材料構(gòu)件脫模后，殘留在構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力得到釋放而導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生變形。壓力對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量有較大影響。在厚度一定的條件下，隨著固化壓力的增大，復(fù)合材料構(gòu)件的孔隙率逐步降低，而構(gòu)件的變形量增大。降低復(fù)合材料構(gòu)件成型的真空度可以改善構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量。

3、結(jié)語

總而言之，在航空復(fù)合材料零件制造實(shí)踐中，為確保零件的高質(zhì)量性，不僅要對(duì)工裝溫度均衡性進(jìn)行嚴(yán)格把控，盡量使用與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)相接近的工裝材質(zhì)，在確保零件外形精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上，有效降低因工裝變形帶來零件變形問題的發(fā)生概率。而且還要優(yōu)化成型工藝參數(shù)，尤其是升溫速率、降溫速率、固化壓力等，通過這些參數(shù)的優(yōu)化配置，來建構(gòu)科學(xué)合理的溫度梯度，進(jìn)而達(dá)到溫度場的均衡性，確保復(fù)合材料構(gòu)建的精準(zhǔn)性。此外，還要采用初始加壓、較低真空值和固化壓力，以提高復(fù)合材料零件的強(qiáng)度、精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度。

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