航空复合材料零件制造技术与精准控制分析

航空复合材料零件制造技术与精准控制分析

谷雨

空军装备部驻哈尔滨地区第一军事代表室 黑龙江 哈尔滨 150060

摘要：在航空事业蓬勃发展的今天，各种复合材料的应用频率不断提高。在一架飞机中，大部分会采用复合材料，复合材料的技术水平将直接决定航空领域的发展。我国航空复合材料制造技术还有待提高，因此，加强对复合材料制造技术的研究很有必要。由于复合材料优异的耐疲劳性能和高比强度、高比模量，复合材料已经成为航空结构材料的主流，其用量已经突破了结构重量的50%。航空复合材料构件分为层压结构、夹芯结构和整体结构，如图1所示。主要用于飞机机身壁板、机翼和舵面，如垂尾、副翼等结构。因为高分子材料固有的分子量分布、时温等效性和应力松弛特性，复合材料构件的厚度尺寸公差一般为厚度尺寸的5%-8%，复合材料构件固化变形大，有的到达10mm以上。

关键词：航空；复合材料；制造技术

随着航空技术、智能化、无人机等高新技术的发展，复合材料的制造技术正在不断地突破。近年航天科技的飞速发展，飞行器也不断朝着高空化、高速化、智能化以及低成本化的方向突破，航空复合材料的制造技术以及材料性能也在不断提高。先进复合材料已经成为航空航天四大材料之一。飞机的大部分都是采用复合材料，可见复合材料对航空工业的重要性。正所谓“一代材料，一代飞机”，材料的水平直接决定着航空、航天领域的发展。我国目前在复合材料的技术方面还不太成熟，加强对航空复合材料制造技术研究有重要意义。

一、航空复合材料构件制造技术

1、零件成形技术

在航空符合材料构件制造技术中，零件成形技术是一种十分常见的制造手段，主要用于航空航天弯管类零件和饭金零件等各种零件加工。

2、RTM成形技术。RTM成形技术又指树脂转移模塑成形。该技术的优势在于保护环境，制造成本低，加工形成的材料质量有保证，节省大量装配环节。利用RTM成形技术可以制造双面大型的整体件，强度高，应用范围非常广泛，常用于制造舱门、检查口盖、大型RTM件之中。

3、RFI工艺。RFI工艺又称为树脂浸渍技术，是一种复合材料成型技术。RFI工艺主要是利用传统的真空袋压成形手段进行加工，其特色在于使用预浸料树脂体系。RFI工艺常用于制造雷达天线罩等并不复杂的曲面构件。

4、纤维缠绕技术。纤维缠绕技术主要是将纤维束进行充分浸渍，再将其缠绕到芯轴之上。纤维缠绕技术应用范围比较广泛，发展相对成熟，可用于复合材料自动化成形制造中。纤维缠绕技术制造的材料强度很高，质量轻便，具有良好的耐腐蚀性与隔热性。

5、自动铺带和自动铺丝技术。自动铺带技术主要是利用数控技术对有隔离衬纸进行一系列处理，实现对复合材料的制动化制造。自动铺丝技术适应结构更加复杂的零件生产，降低材料消耗

二、航空复合材料构件精确制造技术

1、复合材料构件工装的精确控制。复合材料构件成型时，构件与成型工装一并在热压罐或固化炉中固化成型，因此零件的气动外形、几何尺寸完全受制于复合材料构件的成型工装。虽然复合材料构件成型工装在设计上和制造上完全满足复合材料构件的气动外形及几何尺寸要求，但是成型工装与复合材料构件热传导系数以及热膨胀差异引起复合材料构件层合板内部产生温度分布梯度及应力梯度，直接影响到复合材料构件成型后的实际外形和尺寸精度。因此，工装结构及工装材质将直接影响到复合材料构件成型后的外形和尺寸精度。

2、复合材料构件制造温度场的精确控制。无论是热固性还是热塑性复合材料构件的制造通常都需要高温高压和真空，尤其是热固性复合材料构件在高温高压的作用下发生化学交联固化反应，固化温度对树脂的反应速率、交联密度、固化程度起着重要的作用，复合材料构件固化时不同位置在不同时刻的温度的差异将直接影响到构件的制造精度。加热成型的温度场是一个由工装、构件毛坯、加热设备、升降温速率和辅助材料等构成的系统，是系统综合作用的体现，宏观表现为复合材料构件的热均匀性也称热分布。因此，众多专家学者对温度场的研究均集中在对系统热均匀性或热分布的研究方面。

由此可见，复合材料固化过程中复杂的温度梯度是产生残余应力和变形的直接原因，进而影响到复合材料构件的制造精度，因此在复合材料构件制造时必须对固化温度场进行精确控制。在成型尺寸较大、厚度大的复合材料构件时，升温速率和降温速率过快不仅会影响到成型工装温度场的均匀性，还会造成复合材料构件内部产生较大的温度梯度。温度梯度的存在使得构件内部的树脂固化度不一致，固化收缩引起复合材料构件发生翘曲和变形。虽然较低的升、降温速率能减小复合材料构件内部的温度差异，使得复合材料构件内部温度梯度减小，复合材料构件变形小不易发生翘曲，保证复合材料构件的精确制造，但是过低的升温速率和降温速率无疑会增加零件的制造成本。航空复合材料构件成型时，升温速率一般不超过2℃/min，降温速率一般为2~3℃/min，复合材料构件出罐后需后固化4h以上。

三、复合材料构件制造固化压力的精确控制

真空袋-热压罐法成型复合材料构件时，预浸料被热压罐固化压力紧紧压贴在成型工装表面，热压罐开始升温后复合材料构件与成型模具之间产生剪切应力。随着温度的升高预浸料的树脂进入橡胶态阶段，此时复合材料构件的剪切模量很低，靠近成型工装型面的预浸料的铺层受到的剪切应力远大于非贴膜面的预浸料的铺层，使得在复合材料构件厚度方向形成一个应力梯度，由于固化压力的作用使得应力梯度随着树脂交联固化而被迫残留在构件内部，直到复合材料构件完全固化。在复合材料构件脱模后，残留在构件内部残余应力得到释放而导致构件发生变形。

在热压罐固化过程中由于热压罐内的固化压力分布不均匀导致复合材料预浸料构件受压不均，使得复合材料构件不同部位的树脂含量不尽相同。树脂含量的差异直接造成构件不同部位的固化度不一致，引起固化收缩，造成构件的变形和翘曲。[1]研究了复合材料构件在不同的固化压力下构件的变形量，可以看出随着固化压力的增加复合材料构件的翘曲和变形增加，使得复合材料构件的制造精度降低。复合材料构件的精确制造受原材料、工装结构与热性能、制造温度场和压力的影响。因此，从下述方法着手可提高复合材料构件成型后的尺寸精度，降低复合材料构件的变形和翘曲。工装设计时对复合材料构件外形采用数值模拟仿真分析,如有限元分析获取构件成型后变形、回弹理论值，并通过试验核实补偿、修整系数，在工装制造时直接进行补偿，可以缩小复合材料构件成型后构件回弹对制造精度的影响。严格控制工装的温度均匀性，采用与复合材料构件热膨胀系数匹配的材质制造成型工装可提高复合材料构件制造的外形精度，降低工装变形对复合材料构件成型后变形的影响。

总之，航空复合材料构件制造技术水平将直接关系到我国航空航天事业发展。与发达国家相比，我国的复合材料制造技术还存在一定欠缺，因此，为了提高制造技术水平，要积极吸取国外精华，不断创新，放眼世界，加强技术研究，进一步提高航空产品竞争力，使我国航空复合材料的制造水平迈向新的台阶。

参考文献：

[1]任晓华.航空复合材料制造技术发展[J].航空科学技术，2019（4）：2-5.

[2]张岩.复合材料制造技术现状及在飞机制造业中的应用[J].西安航空学院学报，2019，27（5）：1-3.

[3]周长庚，荀国立，邱启艳.航空复合材料整体成型技术应用现状与分析[J].新材料产业，2018（05）：52-57.

[4]陈丽凤.航空复合材料制造技术及发展趋势探讨[J].装备制造技术，2017(08):82.

[5]何凯，李成龙，龚志红，袁喆.航空复合材料构件精确制造技术探讨及应用[J].航空制造技术，2017(09):15.