小型無人機復合材料機身壁板與梁整體制造工藝

段國晨，趙景麗，趙偉超

(西安愛生技術集團公司西工大無人機所，西安 710075)

0 前言

纖維增強樹脂基復合材料具有高的比強度、比模量、可設計性強、耐腐蝕等特性，在航空、航天、汽車、船舶、醫用、體育等方面的應用越來越廣泛[1-3]。減重是航空永遠的話題，復合材料的使用可以減少機體質量而增加任務載荷、延長續航時間，而無人機幾乎達到全復合材料結構，如機身、機翼、垂尾、舵面、尾撐、梁等[4-5]。傳統的無人機機身板件為Nomex紙蜂窩夾芯，面板為玻璃布/碳布復合材料結構，具有大量的梁槽、肋槽，手糊玻璃鋼工藝成型板件時，梁槽和肋槽必須采用金屬假梁和假肋，定位銷進行定位，烘箱固化成型[6-8]。機身梁為碳帶預浸料設計，需要設計和制造梁的成型工裝模具，采用熱壓罐真空袋成型工藝制造，然后將梁與左右板件二次膠接。長期采用金屬假梁、假肋，多次脫模，容易翹曲變形，并且，若采用定位銷進行定位，復合材料面板會產生若干銷子孔，破壞纖維連續性，影響產品表面質量；模具表面還有產生大量銷子孔，生產一定批次之后需要進行工裝維護，花費一定成本；在飛機噴涂過程中，需要花費大量工序去打膩子密封等。傳統的制造方法有諸多缺點，本文成功研究了復合材料整體組合壓力墊，準確控制梁槽、肋槽尺寸位置，研究了UAV機身蜂窩夾芯板件與復合材料梁進行整體共固化成型工藝，提高了產品表面質量，降低飛機制造成本，縮短制造周期。

1 機身壁板與梁整體制造工藝技術

1.1 主要原料

聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)，閉孔泡沫，50 kg/m3，ROHACELL 51 WF，贏創德固賽有限公司；

復合材料膠膜，Hysol EA9696，美國樂泰公司；

玻璃布預浸料，MTM28-1-38%RW-EGLASS-P-125-1000，Cytec公司；

碳帶預浸料，MTM28-1-33%-12KT700SC-125-600，Cytec公司；

真空袋，WL-6400，埃爾泰克復合材料有限公司；

透氣氈，AIRBLEEDER10，法國Aerovac Systems公司；

密封膠帶，AT-200Y，埃爾泰克復合材料有限公司；

隔離膜，WL5200，埃爾泰克復合材料有限公司；

脫模劑，FREKOTE 700-NC，美國樂泰公司。

1.2 主要設備及儀器

熱壓罐，Φ3 m×6 m，美國Thermal Equipment公司。

1.3 復合材料整體壓力墊制造工藝

復合材料整體壓力墊就是復合材料輔助工裝，與復合材料板件有一樣的熱膨脹系數：一是可以均勻地傳遞壓力，保證肋槽表面平整，裝配區域精度提高；二是可以準確控制蜂窩在放置及固化抽真空過程不會移動，從而控制肋槽的尺寸位置，避免裝配干涉；三是復合材料整體壓力墊可以避免金屬工裝銷子孔給產品所帶來的缺陷，保證產品外形質量；四是可以避免因多次使用產生的翹曲變形問題；五是不損害工裝工作表面質量；

復合材料整體壓力墊是采用厚度為0.1 mm的玻璃布預浸料在產品模具鋪貼，在熱壓罐中進行固化所得到的一種復合材料輔助工裝；

輔助壓力墊對復合材料整體定位的關鍵技術在于精確制造壓力墊，為了得到與產品類型完全一致的曲面，首先采用玻璃布鋪貼與產品一致的厚度，或者在肋槽區域鋪貼產品實際鋪層，但是比肋槽寬度尺寸至少大20 mm，鋪貼時必須保證層與層之間服帖，我們稱其為“假件”，在假件表面鋪貼一層隔離膜，然后對稱鋪貼玻璃布預浸料，避免壓力墊變形，厚度與肋槽深度一致，寬度與假件尺寸一致，這個部分我們稱之為“復合材料整體壓力墊”，每3層進行抽真空預壓實一次，肋槽區域鋪貼如圖1所示。

圖1 肋槽區域鋪貼典型示意圖Fig.1 Typical laying-up for rib grooves

鋪貼結束之后按照圖2進行工藝組合，依次放置熱電偶、隔離膜、透氣氈、真空袋；

圖2 真空袋組合圖Fig.2 Vacuum bagging curing schematic for pressure pads

檢查氣密性，系統泄露不超過0.017 MPa，符合要求進行熱壓罐固化，固化參數如圖3所示。

圖3 固化工藝流程圖Fig.3 Curing process

固化結束之后，自然降至室溫，脫模之前，在工裝非產品表面，采用定位銷對壓力墊進行整體定位，預制銷子孔；脫模，采用高速鋸帶及砂磨機，依據模具線外側、肋槽外線進行切割，并砂磨至模具線，保證端面平整；切割結束之后，假件與壓力墊脫離，獲得所需要的復合材料壓力墊。

1.4 復合材料機身板件與梁整體制造工藝技術

無人機復合材料機身梁—外蒙皮的預鋪貼，中小型無人機機身一般采用梁、框槽、蒙皮、蜂窩夾芯結構，機身分為左右板件，最后二次膠接。針對左(右)機身壁板，兩根縱梁為泡沫填充的單向碳纖維復合材料結構，蒙皮一般采用玻璃布或者碳纖維布，夾芯材料為Nomex紙蜂窩結構。具體結構圖如圖4所示。

圖4 機身壁板結構圖Fig.4 Drawing for the fuselage

無人機機身蒙皮與梁一般采用碳纖維布設計，傳統工藝為機身板件與梁單獨固化成型，二次膠接的方法。本研究在鋪貼外蒙皮結束之后，采用復合材料輔助壓力墊定位泡沫筋條的位置，放置PMI泡沫筋條，并進行預壓實，如圖5 所示。在泡沫表面鋪貼所有加貼層，如圖6所示，每3層預壓實一次，預壓實過程必須放置壓力墊，避免在抽真空過程中引起泡沫偏移，引起在后續裝配過程所帶來的間隙配合問題，壓力墊可以很好地控制梁的位置。

復合材料機身板件與梁整體制造工藝技術：復合材料機身梁結貼鋪貼結束之后，放置整體壓力墊，固定蜂窩的位置；放置蜂窩前，在蜂窩底部四周可增加一層膠膜，稍稍加熱，便于在室溫條件固定蜂窩；抽真空預壓實之后，鋪貼肋槽加貼翻至蜂窩表面，包裹蜂窩，鋪貼內蒙皮。工藝流程如圖7 所示，并依次放置隔離膜、壓力墊、透氣氈、真空袋等，進行工藝組合，工藝組合圖如圖8 所示，檢查氣密性之后，進行熱壓罐固化。60 ℃以下出罐脫模，經過外形加工之后所獲得的機身左(右)板件如圖9所示。

圖5 泡沫梁的定位與放置Fig.5 Location of PMI foam

圖6 梁鋪貼示意圖Fig.6 Beam laying-up

圖7 機身板件成型工藝流程圖Fig.7 Process drawing of fuselage plate moulding

圖8 產品真空袋組合圖Fig.8 Vacuum bagging curing schematic for the product

圖9 共固化所制造的機身壁板左(右)板件Fig.9 Drawing for fuselage manufacture by co-curing

2 成本分析

通過共固化整體成型工藝，可以帶來成本的減少，與傳統工藝對比如表1所示。

表1 2種工藝優缺點對比Tab.1 Advantage and disadvantage of the two process

3 結論

(1)借助復合材料整體壓力墊，可以制造無人機先進復合材料機身蜂窩夾芯壁板、梁等整體件，替代了傳統金屬壓板，降低了生產成本，縮短了生產周期，提高了裝配精度，飛機已經通過裝配及飛行驗證；

(2)此工藝可以使用于典型的梁框結構設計的復合材料飛機。