（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

0 引言

復(fù)合材料由于其強(qiáng)度高、抗疲勞能力強(qiáng)以及耐腐蝕性好尤其是其具有優(yōu)越的減重性能被廣泛應(yīng)用，尤其是被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域[1]。目前，復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的用量已超過其總量的50%，而且在將來其用量比例還在不斷增加。為保證復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用效果，要求其性能必須滿足其應(yīng)用需求，繼而對復(fù)合材料的制造技術(shù)提出更要的要求和挑戰(zhàn)[2]。

1 航空復(fù)合材料構(gòu)件精確制造技術(shù)研究

1.1 航空負(fù)荷材料構(gòu)件制造技術(shù)概述

航空事業(yè)發(fā)展的今天，各種復(fù)合材料的應(yīng)用頻率不斷增高，如一架飛機(jī)中采取到負(fù)荷材料水平直接決定了其在航空領(lǐng)域的發(fā)展。

與國外一些國家，如俄羅斯、白俄羅斯以及烏克蘭等國家相比我國復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用相對較晚，對應(yīng)復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)的水平還存在一定的差距。比如，由于制造技術(shù)落到導(dǎo)致制造效率低且最終產(chǎn)品質(zhì)量無法完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。為保證復(fù)合材料性能針對其構(gòu)件采用精確制造技術(shù)，并對制造技術(shù)應(yīng)用過程中進(jìn)行全面的監(jiān)測和控制。

目前，就復(fù)合材料構(gòu)件的制造工藝而言，根據(jù)其應(yīng)用原材料的不同可分為基于預(yù)浸料的制造技術(shù)和基于樹脂轉(zhuǎn)移的制造方法。其中，基于預(yù)浸料的制造工藝包括有熱壓罐成型工藝、模壓成型工藝及真空壓力成型工藝；基于數(shù)值轉(zhuǎn)移的制造工藝包括有樹脂膜滲透成型工藝、樹脂傳遞模塑成型工藝等。上述兩種復(fù)合材料制造技術(shù)主要以基于預(yù)浸料制造技術(shù)的應(yīng)用為主，且以熱壓罐成型工藝應(yīng)用最為廣泛[3]。對熱壓罐成型工藝而言，為保證最終構(gòu)件的性能需結(jié)合自動化技術(shù)和整體化制造工藝達(dá)到精確制造的目的。如RFM工藝就是樹脂浸漬技術(shù)，利用傳統(tǒng)的真空袋壓成型的手段來進(jìn)行生產(chǎn)和加工，具體的工藝常用于雷達(dá)天線罩；RTM技術(shù)則是制造雙面大型的整體件強(qiáng)度高用來制造行門艙門、后蓋大型配件。

將預(yù)浸料的自動鋪層技術(shù)、自動裝配技術(shù)、自動檢測技術(shù)等有機(jī)結(jié)合應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件的制造和性能的檢測，為保證復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)品的性能，提高其生產(chǎn)效率提供了基礎(chǔ)。自動化技術(shù)的運(yùn)用是借助數(shù)控技術(shù)由隔離襯紙進(jìn)行一系列地處理，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的自動化控制。采用上述精確制造技術(shù)可有效降低生產(chǎn)制造工藝中的裝配環(huán)節(jié)、提升鋪層效率和質(zhì)量，并對半成品進(jìn)行檢測及時修正制造工藝參數(shù)。

1.2 國外航空復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)

就俄羅斯、烏克蘭等國家而言，上述復(fù)合材料構(gòu)件的精確制造技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于空客A350和波音787等機(jī)身、機(jī)翼的制造中，其涉及的精確制造工藝包括有自動鋪帶、自動鋪絲。實(shí)踐表明，復(fù)合材料構(gòu)件精確制造技術(shù)的應(yīng)用不僅提升了制造的自動化水平降低了單機(jī)的制造成本，而且還保證了所制造復(fù)合材料構(gòu)件的性能。

對于波音787飛機(jī)的筒體結(jié)構(gòu)采用精確制造技術(shù)中的整段制造工藝，根據(jù)波音787所設(shè)計的結(jié)構(gòu)外形設(shè)計大型模具，并結(jié)合臥式絲鋪放設(shè)備對預(yù)浸料進(jìn)行鋪層，最終基于熱壓罐成型工藝完成對波音787機(jī)身的整體精確制造。上述整段制造工藝雖然具有極好的整體性和制造效率，但是該種整體精確制造工藝下對應(yīng)的模具及工裝的設(shè)計難度較大。為此，在保證制造效率的前提下，為進(jìn)一步簡化模具及工裝，針對空客350機(jī)身復(fù)合材料構(gòu)件的制造采用分段成型工藝并采用長桁膠接共固化工藝完成每段構(gòu)件的裝配。因此，當(dāng)前國外針對復(fù)合材料構(gòu)件的制造基于先進(jìn)鋪層技術(shù)和膠接技術(shù)已經(jīng)形成了精確制造技術(shù)并已成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

1.3 國內(nèi)航空復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)

近年來，隨著我國對復(fù)合材料構(gòu)件在飛機(jī)制造應(yīng)用比例的不斷增加，涉及到的精確制造技術(shù)已經(jīng)得到初步發(fā)展，主要指國產(chǎn)客機(jī)機(jī)身復(fù)合材料構(gòu)件包括機(jī)身壁板等大型構(gòu)件的精確制造。比如，采用自動鋪絲、鋪帶以及疊層滑移等關(guān)鍵精確制造技術(shù)提升了對大型復(fù)合材料構(gòu)件的自動鋪絲水平和疊層滑移能力，而且，上述精確制造技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

2 復(fù)合材料構(gòu)件精確制造技術(shù)的質(zhì)量控制

為保證基于精確制造技術(shù)所得產(chǎn)品的性能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，需對該制造技術(shù)實(shí)施中涉及到的各項(xiàng)工序進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，主要從復(fù)合材料構(gòu)件的原材料控制、工藝過程的控制以及最終產(chǎn)品的檢驗(yàn)控制等三個方面進(jìn)行。本文結(jié)合基于熱壓罐工藝制造飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的制造闡述精確制造技術(shù)的質(zhì)量控制。

2.1 復(fù)合材料構(gòu)件精確制造原料的控制

針對原料的質(zhì)量控制，除了對原材料本身的特性進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)外還需對原材料在運(yùn)輸、儲存等過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證原料的穩(wěn)定性。

對復(fù)合材料構(gòu)件而言，其主要的原材料為預(yù)浸料，在制造實(shí)施之前需對預(yù)浸料本身的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，包括有預(yù)浸料本身的樹脂含量、凝膠時間、揮發(fā)含量以及預(yù)浸料與其他材料的層合特性等綜合對預(yù)浸料的性能進(jìn)行綜合評估。鑒于預(yù)浸料本身會發(fā)生固化反應(yīng)，從而影響其使用性能。因此，在運(yùn)輸和貯存需嚴(yán)格按照規(guī)范對條件進(jìn)行設(shè)置，尤其是注意對預(yù)浸料低溫、防潮的處理。

2.2 復(fù)合材料構(gòu)件精確制造工藝過程的控制

對于精確制造工藝中的整段制造工藝由于其對模具及工裝的要求較高，導(dǎo)致模具、工裝的設(shè)計難度較大。因此，復(fù)合材料構(gòu)件的精確制造一般采用自動鋪放工藝和膠接工藝。故，本文注重對自動鋪放工藝和膠接工藝的質(zhì)量控制進(jìn)行研究。

2.2.1 自動鋪放工藝的質(zhì)量控制

目前，預(yù)浸料的鋪放工藝已經(jīng)由傳統(tǒng)的人工鋪放發(fā)展為基于自動化設(shè)備的鋪放。但是，在實(shí)際操作中由于預(yù)浸料本身材料特性與鋪放設(shè)備工藝參數(shù)、軌跡等不合理導(dǎo)致最終產(chǎn)品有缺陷產(chǎn)生。因此，在自動鋪放工藝實(shí)施之前需嚴(yán)格對預(yù)浸料的一致性、設(shè)備參數(shù)設(shè)置的合理性和設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性等進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，并對自動鋪層完成的半成品的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并對上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，包括對溫度、鋪放壓力等工藝參數(shù)的穩(wěn)定控制。

2.2.2 膠接工藝的質(zhì)量控制

膠接工藝的控制將最終決定所得產(chǎn)品的整體性能。對于膠接工藝的質(zhì)量控制，其中涉及并包括了對膠接材料本身性能的控制，對膠接輔助材料性能的控制以及對待膠接半成品表面處理方法的控制和實(shí)施環(huán)境的控制。對于膠接材料、膠接輔助材料以及待膠接半成品的表面處理必須符合相關(guān)工藝規(guī)范的要求；對于膠接實(shí)施過程中定位質(zhì)量，需基于先進(jìn)定位設(shè)備完成包括有激光投影儀、工業(yè)機(jī)器人等膠接定位進(jìn)行控制。

2.3 復(fù)合材料構(gòu)件精確制造產(chǎn)品的檢驗(yàn)

好的產(chǎn)品離不開規(guī)范的檢驗(yàn)流程。同樣，對復(fù)合材料構(gòu)件成品而言，為保證產(chǎn)品能夠滿足航空領(lǐng)域的需求在產(chǎn)品出廠前需完成無損檢測、外形檢測和外觀檢測等。在檢測過程中，要求嚴(yán)格按照檢測規(guī)范和流程執(zhí)行，對復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量進(jìn)行綜合判定。

3 結(jié)語

復(fù)合材料具有較好的強(qiáng)度、抗疲勞性能，并在航空領(lǐng)域減重方面具有顯著作用。復(fù)合材料構(gòu)件的制造技術(shù)在多年的發(fā)展中基于自動鋪帶技術(shù)、膠接技術(shù)以及先進(jìn)固化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對其產(chǎn)品的精確制造。復(fù)合材料精確制造技術(shù)在保證產(chǎn)品性能的同時，還提高了其制造效率，為航空領(lǐng)域的發(fā)展奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。