全復材通用飛機機體結構制造技術研究

徐輝，談騰，陳昊，沈濤

（中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

近些年來，無論在軍用還是民用航空領域，復合材料因其強度高、抗疲勞、維護少、質量輕等優良性能而得到越來越廣泛的應用，受到越來越多飛機制造商的青睞。如波音787復合材料用量已經達到了50%，空客A350復合材料用量達到了53%。而對于通用飛機而言，因其機體尺寸小、結構簡單、零部件數量少等因素，更是出現了一些全復合材料機型，如西銳SR22、鉆石DA40等[1]。對全復合材料制造工藝進行全方位研究顯得尤為必要。本文主要對某型全復合材料通用飛機機體制造工藝進行較為全面的研究和探討。

1 整體結構及材料

1.1 整體結構

某型全復合材料通用飛機整體結構由垂尾融合式機身、左（右）外翼、中央翼、水平尾翼五大主要部件構成[2],如圖1所示。其中機身為硬殼式結構，機身蒙皮承受主要載荷，為泡沫夾層結構。中央翼、左（右）外翼、水平尾翼均為半硬殼式結構，由橫向的翼梁、縱向的翼肋及蒙皮共同傳力。整機大約由300余種獨立的復合材料零部件組成。這些部件之間的連接方式大量采用膠接，如機身由左右兩片蒙皮分別固化后，與內部隔框共同進行二次膠接，機翼、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。但也有一部分關鍵部位如機身-中央翼、中央翼-外翼、機身-水平尾翼等，采用了機械連接。

圖1 某型全復材通用飛機整體結構

1.2 原材料

機身、機翼、中央翼蒙皮、翼梁、發動機吊裝墻體等主承力件采用碳纖維，內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，機體最外層玻璃纖維表面層和防雷功能的鋁碳纖維。在復材結構需要機械連接部位，如螺栓孔處，均預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計要求的性能，在選擇工藝成形方法和工藝細節方面就要綜合考慮，在成本、效率、性能、質量等多重因素間進行權衡，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），并采用浸膠機對各類織物進行預浸漬，然后根據各工位需要進行裁剪下料（如圖3）。這種方式相比于傳統手刷浸漬，樹脂浸潤更均勻，制件質量更好。相比于昂貴的干法預浸料而言，更是節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 浸膠機下料

而針對壁厚較厚、泡沫夾層結構、預埋嵌板、預埋金屬防雷片結構的制件，為了保證不同材質間的黏合效果，在鋪層結束后使用低壓真空袋進行固化成形（如圖4）。低壓真空袋成形相比于其他壓力成形工藝（如真空導入成形），操作簡單，專用設備投入少，特別適用于對成本和質量均有所要求的小型通用飛機生產。當然，對于孔隙率要求更嚴格、產品質量要求更高的一些關重件，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，可以根據產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行臺階式固化。

圖4 真空袋成形示意圖

除了上述工藝對應的設備，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，就可以得到形狀復雜、質量較好的制件，也能制造泡沫夾層結構件。一般來說，模具材質有木模、金屬、石膏、水泥、碳纖維、玻璃纖維、石蠟等，各個材質特點如表1所示。考慮到全復材飛機零部件種類和數量繁多、形狀復雜、精度要求高，相比之下，碳纖維復合材料模具較為合適。與精度也很高的鋼模相比，碳纖維模具擁有質量輕、與制件的熱膨脹系數一致等特性，一方面有利于車間轉運操作，另一方面可防止產品脫模后變形。同時，對于后期零部件的升級優化，例如輪廓和孔位的更改，可直接在原模具上進行修型、更改模具上的鉆套位置等，模具修改更加容易，產品迭代的成本更小。

表1 復合材料模具材料優缺點及適用范圍[3]

模具結構形式，可采用碳纖維作為主體、金屬框架作為底座的復合結構形式。由于碳纖維、金屬的熱膨脹系數不同，在加溫后兩種材質變形不同步導致模具產生內應力。長期在這種熱循環下會使模具受損。此時考慮在復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，以抵消這種應力。彈性元件如圖5所示。另外，從人機工程學的角度，對于質量大于20 kg的模具，底座要安裝腳輪以方便轉運。

圖5 復合材料模具主體和金屬框架的連接

2.2 膠接工藝

復合材料的連接方式有機械連接和膠接連接。機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合材料件上制孔，這就容易產生應力集中等問題[4]。相比于機械連接，膠接連接基于復合材料整體成形技術，其好處就是質量輕、強度高，同時減少對復材件的破壞，應力分布相對均勻，大大減少緊固件的數量，簡化了工藝。目前，膠接工藝已經廣泛地應用于全復合材料通用飛機生產制造當中，體現了復合材料整體成形的設計和制造思想。

復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（預）固化的復合材料零件通過膠接連接在一起，其間僅有的化學或熱的反應是膠的固化。

對于濕法手糊工藝而言，由于生產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固化成形，只需要設計制造出合理的定位夾具進行膠接定位即可。

2.3 機械加工工藝

復材件的機械加工主要包括打磨、切割、鉆孔等，此過程本質上是對制件的破壞，如鉆孔會使纖維中斷，引起應力集中，也容易導致復合材料件的脫層。一旦出現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行機加工顯得尤為重要。另外，切割和打磨會產生大量粉塵，對操作人員和環境并不友好。如果大規模采用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，可通過復合材料制作仿形鉆模來進行人工修剪或鉆孔。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）對于飛機上復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，員工的培訓成本較低，較容易上手。

圖6 利用仿形鉆模對零部件進行鉆孔

2.4 零部件缺陷

對于復合材料手糊制品，特別是濕法手糊工藝，常見缺陷有褶皺和氣孔（如圖7）。這兩種缺陷是生產操作過程中無法避免的。通常，褶皺會發生在抽真空過程中。由于此過程會產生樹脂堆積、纖維布移位及真空袋膜的纏絆，這些都會導致褶皺現象發生。而氣孔往往是由于抽真空過程中真空壓力不足導致。對于褶皺和氣孔這兩類常見缺陷，要根據其大小、形式、位置及對零部件力學性能的影響程度視情況來進行維修、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 預裝配及后固化工藝

由于手糊工藝的制件質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，產品的一致性和穩定性較差，如果此時直接交付總裝車間進行裝配，大概率會出現零部件配合不良，如配合縫隙不均勻、配合出現臺階差等。另外，如果兩種復合材料零件需要機械連接（如螺栓連接）時，這種配合不良還容易導致復材件和緊固件承受額外應力，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行預裝配，裝配后整體進行后固化處理（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反應發生，等到反應充分后，零部件內部的殘余應力、裝配后產生的額外應力都得以消除。這種將預裝配和后固化相結合的方法可以很大程度上改善復合材料零件制件的裝配質量。

圖8 復合材料零部件消除額外應力過程

3 結語

復合材料的成形和加工方法多種多樣，這些方法在成本、效率、制件質量方面差異明顯，而在全復材通用飛機生產中，更要考慮成本、效率、質量等多重因素。通過對某型全復合材料通用飛機機體制造技術的研究，從控制成本、提高效率、保證品質3個維度，較為全面地探討了某型全復合材料通用飛機從復材成形到后續加工各個環節的工藝技術方案，通過綜合對比取舍，規劃出一套較為合理的制造方案，對全復合材料通用飛機的制造具有一定的借鑒意義。