大型客机复材零件先进制造设备及厂房条件分析

孟庆华

摘 要：复合材料制造技术是现代飞机制造工程的支柱技术之一，文章介绍了复合材料先进制造技术，论述了大型客机复材零件特点、制造工艺，分析了复材零件先进制造工艺设备及对厂房条件的影响。

关键词：复合材料；制造设备；安装条件

引言

先进树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、高性能连续纤维为增强材料、通过复合工艺制备而成，具有明显优于原组分性能的一类新型材料。先进树脂基复合材料以其优越的性能，已经广泛应用于航空工业，成为继铝、钢、钛之后，迅速发展起来的四大航空材料之一，其用量已经成为航空结构先进性的重要标志[1-5]。波音B787飞机大量采用复合材料，达结构质量的50%，全机结构几乎均由复合材料制成，包括机身和机翼。空客A350飞机复合材料使用量达52%。随着我国复合材料制造技术的发展，军机、民机上也已经大量使用复合材料。

1 航空复合材料先进制造技术概述

复合材料在飞机上用量大、结构复杂、性能要求高，使得复合材料制造技术成为现代飞机制造工程的支柱技术之一，也是飞机能同时具备高结构效率和优良性能的基础制造技术之一。

传统制造加工技术已经严重制约复合材料技术的发展，难以满足复合材料特别是飞机复合材料高性能、复杂结构、大产量的要求，因此对先进复合材料制造技术的研究已经深入开展，并取得了大量研究成果，广泛应用于复材零件的生产。国际上大型航空企业，如波音、空客、庞巴迪等，在复合材料生产中已经大量采用先进制造技术 [6]。国际上航空复合材料先进制造技术主要如下。

1.1 数字化设计和模拟技术

数字化设计能够提高产品制造质量、加快产品研制进度、降低成本；数字化模拟技术，如铺层、浸渍、固化成形等工艺过程模型和人工智能模拟，能够大大提高自动化程度和制品合格率，降低废品率。

1.2 自动化制造技术

自动化制造技术能显著提高复合材料零件的制造效率，已经广泛应用于复合材料制造领域，如自动铺带技术、自动铺丝技术等。自动铺放技术彻底实现了复合材料零件生产的机械化、自动化，成型精度高、零件质量好，生产效率较手工铺放提高数十倍，材料废品率降低至3%～5%，大幅度降低了制造成本[7]。

1.3 低成本制造技术

据统计，复合材料的制造工艺成本占总成本的75%以上，随着复合材料的广泛应用，低成本制造技术已成为复合材料研究领域的一个重要课题，其中RTM技术是一种新型的闭模成型技术，现已是世界公认的低成本制造技术，近年来发展较为迅速。

2 大型客机复材零件制造先进工艺特点分析

2.1 大型客机复合材料特点

为满足我国民航运输业发展需求，我国已经开展150座级中短航程大型客机的研制，该飞机力求满足安全、低成本、舒适、环保等综合要求。国际上同类大型客机已经广泛用于民航运输，如B737、A320飞机等，该类大型客机对飞机结构轻量化和整体化的要求较高，复合材料以其优越的性能在该类飞机上大量应用，中央翼、尾翼、后机身、机头雷达罩等零部件已经广泛采用全复合材料结构。该类大型客机复合材料零件具有零件尺寸大、结构复杂、性能要求高等特点，如复合材料机翼蒙皮、梁的长度尺寸达15～20m，复合材料零件大量采用加筋壁板、蜂窝夹芯结构、二次胶接结构等结构形式。文章主要针对150座级中短航程大型客机的复合材料制造设计进行分析。

2.2 大型客机复合材料制造工艺特点

为保证复合材料的制造质量、生产效率，国际先进大型客机复材零件广泛采用自动化、数字化、低成本制造工艺技术，主要如下：

热隔膜成型技术适用于细长类复材零件的成型，特别是大型客机梁、长桁等复合材料承力零件，热隔膜成型技术能够有效保证零件外形以及力学性能。

自动铺放技术：包括自动铺带技术和自动铺丝技术，大型客机的大量复合材料零件属于大尺寸整体结构，如机翼蒙皮是一个长度近20m的复合材料整体零件，自动铺放技术高效、高质量制造该类大尺寸、大曲率半径零件。

RTM技术：RTM技术制造零件具有制造精度高、净尺寸成型、加工效率高、制造成本低等优势，特别适合用于大型客机复杂结构复合材料零件的制造。

2.3 先进复合材料制造设备对厂房工艺设计的要求

为满足上述复材零件先进制造工艺技术要求，需要采用大量先进工艺设备，此类工艺设备具有自动化程度高、工作行程大、制造精度高等特点。该类设备与传统复材加工设备差别较大，设备系统组成、制造工艺等对复合材料厂房工程设计影响较大，复材厂房工艺设计时需掌握先进制造设备的工作原理、系统组成、制造工艺及厂房条件要求等，文章重点对大型客机复合材料厂房内先进制造设备进行分析。

3 大型客机复材零件先进制造设备及厂房条件分析

为深入了解大型客机复材零件制造对厂房工程设计影响，需分析复合材料制造先进工艺设备的工作原理、系統组成、制造工艺及对厂房工程设计影响。文章分析的工艺设备主要包括热隔膜成型机、自动铺带机、自动铺丝机、RTM成型系统，具体如下。

3.1 热隔膜成型机

热隔膜成型是将预浸料铺放后形成的坯料放置于模具上，通过特制隔膜的辅助作用，经过抽真空和加热等方法，将预浸料坯料压向模具，形成所需要的形状。热隔膜预成型具有成型过程中纤维不易滑动、不易产生皱褶的特殊功效，非常适用于加工大型飞机的C 形梁及长桁。

热隔膜成型机主要由加热箱体、工装预热库支架、主加热库支架、真空系统、空气处理系统、控制系统等组成。

大型客机使用的大型热隔膜成型机的加热箱体长达21m，设备内部主要包括工装预热库支架和主加热库支架。为满足预热及成型需要，工装支架和预浸料支架需要沿固定轨道移动，导致整个设备工作区域占地面积约25m×16m。由于该设备的工装尺寸、重量较大，放置设备的房间内需设置起重设备；该设备有进风管、排风管通往室外，与空气处理机相连，故室外空气处理机的布置需综合考虑空气处理器能力、风管穿行、厂房布置等因素。

3.2 自动铺带机

复合材料自动铺带设备采用有隔离衬纸的单向预浸带，利用多自由度的铺放头、切割头，根据设计将纤维预浸带自动选择铺层位置、自动定位、自动切割形状、自动铺放在工装表面，且自动压实。自动铺层具有表面平整、位置准确、精度高、无余量、速度快、质量稳定性高等优势，特别适用于曲率半径较大且变化较缓的大尺寸复合材料零件的铺叠成型，可实现大型复杂构件的自动化铺层。自动铺带效率是传统手工铺层的10倍以上。

大型客机外翼壁板铺层用自动铺带设备的工作行程达20m，主要由龙门架、铺带头、预浸料存储器、控制系统等组成。目前，自动铺带机已经在波音、空客等国际航空企业得到广泛应用，国内航空企业也已经引进自动铺带设备，进行大型零件的铺叠成型，取得了较好的效果。大型客机研制使用的自动铺带机外扩尺寸较大，占地面积大。自动铺带机基础部分预埋钢轨，单条轨道长度达30m。由于铺叠精度高，对设备基础要求较高，需设计独立基础保证轨道的平整度。

3.3 自动铺丝机

自动铺丝设备是在自动铺带加纤维缠绕基础上发展而来的，是将预浸丝束或窄的预浸带在几乎没有张力的情况下，按制件形状铺放纤维束，充分利用材料，无边角废料，节省了原材料；适于制造整体件，减少零件数目，节省了制造和装配成本；既适于制造机身蒙皮、导管等形状复杂的制件，也适于制造机翼水平安定面等大尺寸平面构件。

大型客机复合材料机翼梁丝束铺放用自动铺丝设备工作行程达20m，主要由铺丝机器人、丝束箱、工装支架、控制系统等组成。自动铺丝机属于航空工业复合材料制造领域高精尖设备，美国、欧洲部分国家一度禁止向中国航空企业销售该类设备。由于自动铺丝机的铺丝头的铺放精度、轨道平整度对零件制造精度影响较大，为保证设备精度，厂房条件特别是设备基础需能够保障设备安装的精度要求。

3.4 RTM成型系统

RTM技术是一种低成本复合材料制造技术，生产出的零件质量好，尺寸精度高并可净尺寸成型，适合用于大体积、高强度、复杂结构复合材料零件的制造生产，RTM技术在大型客机复材零件制造领域得到广泛应用。

RTM工艺过程为：首先采用编织、针织、缝纫等技术制备纤维预制体，在模具内放置预制件，在压力注入或外加真空辅助条件下，液态、具有反应活性的低黏度樹脂贯穿流动并充填闭合模具，排出气体同时浸润并浸渍干态纤维结构。在完成浸润浸渍后，树脂在模具内通过热引发交联反应完成固化，最终得到成型的制品。

目前已经有多种形式的RTM，如真空辅助RTM（VARTM）、压缩RTM （CRTM）、树脂渗透模塑（SCRIMP）、真空辅助树脂注射（VARI）等十多种方法。其中VARI技术是RTM中一种新型的复合材料低成本、高性能成型技术，近年来在航空领域受到广泛的重视，该技术是在真空状态下，利用树脂的流动、渗透实现对纤维及其织物的浸渍，并在真空下固化的成型方法。

3.4.1 三维编织机

VARI技术首先需要将纤维编织成预制体，预制体的编织需要采用自动缝合设备，一般大尺寸复杂零件需要采用三维自动缝合机进行三维编织。

3.4.2 成型设备

VARI技术成型系统主要由储存罐、真空系统、调温系统、控制系统、模具及传输系统等组成，成型的工艺为：将缝合或编织的干纤维预成形件放在VARI成型系统的上下模具之间，合模后将树脂以一定的压力注入，VARI成型系统在一定温度和真空状态下，将零件固化成型，最后开模取出产品。

RTM成型系统的三维缝合机布置于洁净间内，成型需使用大型烘箱，靠近厂房的净化间，便于零件制造成型。

4 结束语

大型民用飞机复合材料零件具有尺寸大、制造精度要求高等特点，选用自动化、数字化、一体化的先进制造设备，能够大幅提升制造零件的质量、性能、复杂度等，提高生产效率。通过对大型客机复材零件先进制造设备的工作原理、系统组成、制造工艺及厂房条件要求的分析，能够为大型客机复合材料零件厂房工程设计提供有力支撑。

参考文献

[1]陈绍杰.复合材料技术与大飞机[J].航空学报，2008，29（3）：605-610.

[2]刘代军，陈亚莉.先进树脂基复合材料在航空工业中的应用[J].材料工程，2008（11）：194-198.

[3]杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.

[4]杜善义.复合材料和航空航天[J].复合材料学报，2008，22（1）：1-7.

[5]陈绍杰.复合材料技术发展及其对我国航空工业的挑战[J].高科技纤维与应用，2010，35（1）：1-7.

[6]陈祥宝，张宝艳，邢丽英.先进树脂基复合材料技术发展及应用现状[J].中国材料进展，2009，28（6）：2-12.

[7]肖军，李勇，李建龙.自动铺带技术在大型航空复合材料结构中的应用[J].航空制造技术，2008（1）：50.