飛機復材零件成型加工與工裝設計

張旭艷 楊紹昌 劉一帆

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089）

復合材料作為新式制造材料，在飛機制造領域被廣泛應用，復材零件的大規模使用會為飛機的整體性能帶來質量的飛躍和重量的減輕，對飛機制造廠商與飛機使用企業來講可以減少成本、提高性能，有著巨大的經濟效益好處，可以促進飛機制造的進一步發展。工裝設計則是復材零件成型加工的重要前期準備，只有秉承嚴謹科學的態度進行工藝裝備設計，才能將復材零件的成型加工做到符合各種標準，為飛機的性能提升提供條件。

1 復材零件與工裝設計的特點與聯系

1.1 復材零件與工裝設計的特點

1.1.1 復材零件

復材零件，即使用復合材料制成的零部件。重點在于復合材料的應用，復合材料在航空制造中具有重要的應用，大部分零件都依靠復合材料進行制造。復合材料中以纖維增強材料的應用最為廣泛，其擁有普通材料所不具備的高程度比剛度和比強度，以及優良的化學穩定性、減磨耐磨的優秀性能，還有最為重要的幾乎為零的低熱膨脹系數，復合材料中的石墨纖維與樹脂復合可以將航空航天零件制造中的熱膨脹系數降到極低的一個水平。這些重要特征都為航空航天各部分的零件設計提供了材料性能的支持。復合材料產品成型是具有一定的特征的，如纖維和樹脂材料要在一定的溫度、壓力、時間條件下才能固定為一定的形狀，復合材料成型是一個與金屬成型不同的材料和結構同時完成的過程，復合材料成型過程也要經過原材料的選擇、加熱、浸漬、固化等環節，需要先進、便利的技術支撐。

飛機復材零件需要利用低熱膨脹系數的復合材料進行制造，可以很大程度地減少飛機的機身重量，提高飛機在飛行中的安全系數，同時還可以精簡飛機部件數量，縮短飛機制造和組裝的周期。

1.1.2 工裝設計

工裝設計，即工藝裝備設計，是飛機零件制造的上游環節，主要分為生產工藝裝備和標準工藝裝備。飛機工裝設計對飛機制造行業有著許多的好處和作用，如保證飛機制造的質量水平、提高飛機制造的工作效率、減輕勞動強度、降低生產成本等，工裝設計的應用對飛機制造的發展有著積極意義。飛機零件成型加工則是應用的零件工藝裝備設計技術，可以保證飛機零件的精準度和零件部分之間的協調性。

工裝設計首先是要滿足零件的精度要求，根據工裝設計中的尺寸對零件進行加工，保證零件構造與材料的熱膨脹系數相匹配，以保障零件的穩定性和精準度；其次是要求工裝設計為零件提供足夠的剛度和強度，能夠承受飛機上其他組件的重量，且在使用過程中不易變形，延長使用壽命；之后便是要求工裝要具備良好的熱傳導性和穩定性，變化因為高溫而變形，保證零件的質量水平。

1.2 復材零件與工裝設計的關系

工裝設計是飛機復材零件成型加工的前提條件和上游環節，只有進行合理的工裝設計，才能制造出符合理想預期的復材零件。復材零件的成型是在工裝加工中進行的，各種成型技術對工藝裝備都有著各自的要求。[1]

工裝設計在飛機復材零件的成型加工需要考慮多方面的問題，如零件結構的特點、零件的性質和質量要求、互換協調的要求、現行技術是否支持等因素，再對飛機零件的具體結構進行設計，以保證零件性能的最大化和最優化。

2 復材零件成型加工的相關技術的應用

飛機復材零件大多用于飛機的機身和壁板，因此零件的安全性能得到了很大的重視。復材零件的成型加工離不開相關技術的支持。

高性能熱塑復合材料成型工藝，是由熱固性樹脂復合材料和金屬成型技術演變而來，根據設備的差異可以分為模壓成型、雙膜成型、熱壓罐成型、真空袋成型、纖維纏繞成型等方法，是飛機復材零件成型加工最為常用的技術，也是最為全面、先進的技術，可以根據情況的不同選擇相適應的成型技術，使得飛機零件的成型加工有著多重技術的質量保障。

2.1 熱壓罐復材零件成型技術

熱壓罐成型技術是指將復合材料的毛坯、蜂窩夾芯結構等密封在工裝上，之后將工裝置于熱壓罐中，在真空狀態下經過升溫、加壓、保溫、降溫、卸壓等過程，使復合材料成為所需的零件形狀和質量的工業技術。熱壓罐成型技術是現階段應用較為廣泛的一種主要成型方法之一，其適用于大部分熱固性復合材料的成型。

熱壓罐技術對復合材料的固化有著復材多的好處，如壓力均勻，使制品各點壓力相等，能夠在相同壓力下成型；溫度可控，能夠在零件成型制造中控制熱壓罐的溫度，使得溫度控制在工裝設計的理想范圍內；適用范圍較廣，其模具可以進行多種簡單或復雜形狀的使用，這也就會大大提高制件效率，降低制造模具的成本；以及成型工藝較為成熟，穩定性強，壓力與溫度都可以進行人為調節，使操作者可以準確地控制零件的質量水平。

但熱壓罐技術也有投資大、成本高的不足，需要大量的前期投入作為支持。熱壓罐接軌較為復雜，設備造價高，每次使用都要消耗大量的水、電、真空袋膜等能源和材料，前期的生產成本會比較高。

2.2 預浸料成型技術

預浸料成型技術適用于生產量較大、尺寸精準度要求高的零件制造。預浸料成型技術中廣泛用于航空復合材料制造的又以碳纖維預浸料技術為主流技術，包括溶液預浸和膠膜預浸。溶液預浸是先將碳纖維引進預浸槽中，再進行冷卻；而膠膜預浸則是將碳纖維引導上涂上膠并加熱之后冷卻的技術。預浸技術可以增強材料的耐用度，對飛機復材零件的成型較為有利。

2.3 纏繞成型技術

纏繞成型工藝是指將預浸過樹脂的連續纖維材料按照一定的規律纏繞在芯模上，然后經過固化之后進行脫模，獲得制作成品的成型技術。纏繞成型技術所應用的裝備從機械式到機器人纏繞，經歷了多種設備的變革，目前的纏繞成型設備主要朝著多工藝復合、高速高精度纏繞、連續纏繞等方向發展，纏繞成型工藝中如高精度張力控制器、內加熱固化模具等輔助設備也在不斷的精進和變化，纏繞成型技術的工藝水平與制件品質也在不斷提升。[2]

纏繞成型工藝應用多種不同的纖維纏繞機器，根據不同制件的特征選用相適應的機器，纏繞成型設備機器類型包括如螺旋纏繞機、軌道式纖維纏繞機、行星式纖維纏繞機、滾轉式纏繞機等等，此技術對纏繞設備的要求較為復雜，但同時也能保障零件制品的質量，穩固性可以得到保障。

2.4 模壓成型技術

模壓成型是一種將預成型過的復合材料放入開放的加熱模具中，然后封閉模具進行加壓，使材料延伸到模具的各個區域，將溫度升高，在材料成型后釋放壓力并將零件卸下的成型技術。模壓成型是一種比較流行的工藝，它能夠將優越的復合材料制造成較為復雜的零件，盡管模壓成型不能達到塑料注射成型的生產速度，但與經典的層壓復合材料技術相比，模壓成型技術提供了更多的幾何形狀選擇，還將允許更長的纖維材料的應用，使零件更加堅固。

模壓成型技術具有制造復雜零件的能力，同時又兼顧生產周期和生產成本的考慮，因此模壓成型工藝是一種較受制造商歡迎的技術。而模壓成型技術中最為關鍵的便是模具的使用，在分析零件制品的特性和質量要求的基礎上，增加溫度、時間、壓力等因素的考慮，確保復合材料能夠在模具中充分地流動并填充均勻完整，以獲得工藝精美的零件產品。

3 復材零件工裝設計中的材料選擇

目前，飛機上使用最為廣泛的就是碳纖維增強樹脂基復合材料，該材料具有很強的抗腐蝕性和抗疲勞性，還具有密度小、重量輕、比強與比剛度高的優勢。碳纖維復合材料的輕量、堅固的優點，非常符合航空航天零件制造中減輕重量、減少成本、提高性能的要求，如波音787的飛機零件制造大量采用碳纖維復合材料。

蜂窩結構是減輕飛機重量的先進技術，需要應用碳纖維復合材料來構成蜂窩結構，碳纖維材料的重量比輕質合金還要更勝一籌，且隨著現代科技的不斷發展以及材料的不斷進步，復合材料在航空航天中的應用地位已經朝著關鍵結構前進。[3]在不久的未來，復合材料將廣泛運用于飛機零件的制造中，并大大減少飛機零件的制造成本、提高飛機零件的性能，為飛機制造的發展提供良好條件。

4 結語

飛機復材零件的成型加工離不開合理的工裝設計，因此在飛機的零件制造過程中，需要著重對飛機復材零件材料的選擇和工裝設計的合理性要求，不僅可以提高飛機制造零件的耐用性，還能在一定程度上促進飛機性能的提升。對于多種先進技術的應用也是零件設計和制造的關鍵，高水平技術的使用會在很大程度上發揮材料本身的優越性，解決飛機復材零件制造中的若干難題，提高零件的精準度和耐用程度，提高飛機的使用期限和質量水平，保障飛機零件在飛行過程中安全性能的發揮。