RTM成型工艺技术应用及加工工艺性研究浅析

景新荣，刘向丽，苏霞

(中航飞机西安飞机分公司，陕西 西安 710089)

先进复合材料由于具有比强度高、比刚度大、耐腐蚀、抗疲劳性能好等优点，其应用可以最大限度地降低飞机结构重量、提高飞机性能；同时，还可以实现飞机的一些特殊性能要求，如隐身性能、气动剪裁及抗腐蚀性能等。先进复合材料技术在航空制造中的作用越来越重要的，复合材料的用量已经成为衡量现代飞机先进性的重要指标之一。自20世纪60年代末先进复合材料诞生以来，其在航空领域中的应用逐渐从小到大、从少到多、从弱到强，并逐步由次承力构件向主承力构件转变。但是由于复合材料的高成本，难以一次成型整体复杂的零件，使先进复合材料的应用受到很大限制。

要提高飞机结构中复合材料的用量，必须寻求一种新的低成本技术，尤其是可提供低成本优势的工艺。目前，国内外都在积极开展低成本的制造技术和工艺研究，已研制出新型的成型工艺，如树脂传递模塑（RTM）、树脂膜溶渗（RFI）等。

RTM（Resin Transfer Molding）成型工艺，是一种不采用预浸料，不采用热压罐的复合材料成型方法，可以生产出具有良好表面和外形尺寸精确的零件以及结构复杂的零件。其主要优点就是能够制造高纤维体积分数的大型复杂构型的零件，并保持较高的结构设计效率。该技术的应用在一定程度上解决了复合材料采用预浸料方法所带来的制造成本过高、层间剪切强度低、抗冲击损伤能力差等缺点。

1 RTM成型工艺原理及技术应用

1.1 RTM成型工艺原理

RTM成型复合材料是指以低黏度树脂体系（黏度一般不高于1 Pa·S）作为树脂基体，玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维以及混杂纤维及其织物作为增强体或预成型体，采用RTM工艺制造的复合材料制件。RTM工艺与热压罐工艺不同，该过程中树脂与增强材料没有预复合过程，不形成所谓的预浸料，而是由增强材料单独制成预成型体。RTM成型工艺的基本原理是将纤维增强材料，铺放到封闭模具的模腔内，用压力或外加真空辅助条件将树脂混合胶液注入模腔，并浸润浸透干态纤维增强材料，然后固化，脱模成型为制件。这个过程中又可以分解成两个平行的子过程：流动、浸润、浸渗、充模等物理过程和由低黏度液态树脂转变为固体材料的化学反应过程。RTM成型制造工艺流程图如图1所示。

RTM成型工艺的关键技术主要包括，专用的RTM树脂体系、预成型体制备技术、RTM注射工艺控制和固化工艺控制等。

为了实现液态树脂对于干态纤维结构的浸润、浸渗和浸渍，用于RTM成型工艺的树脂应满足工作黏度较小、工作状态的开放期相对较长的条件，室温或较低温度下具有低黏度（0.1～1 pa·s）及一定的适用期；从而能够满足大型结构件的浸渍需要。树脂对增强材料具有良好的浸润性、匹配性、黏附性、树脂不含溶剂或挥发物，固化无小分子物放出；树脂在固化温度下具有良好的反应性，且后处理温度不应过高。

预成型体制备技术的目的是借助预定型剂，在温度、压力和时间的共同作用下，将通常呈现蓬松状态的织物，或在铺放过程中的半成型体制备成近净形的预制体，从而保证了复合材料构件的形状精度和尺寸精度的净成型性。在制备预制体时，通常按照工艺上推荐的定型剂使用含量进行预定型。另外，在合模时应避免预成型体滑移及变形。

RTM注射工艺控制主要是树脂注射的过程控制，包括树脂的真空度（树脂的真空脱泡）、注射温度和注射压力的控制等。尤其应注意溢胶口的树脂流出状态，当流出的树脂中不含有气泡时，依次关闭溢胶口和注胶口，完成树脂注射过程。

固化工艺控制应根据不同树脂的具体固化参数进行。特别是升温速率保持温度的时间及降温速率的控制等。

1.2 RTM成型工艺技术在现代飞机制造中的应用

近年来，RTM成型工艺技术得到迅速发展，在发达国家已经相当成熟。特别是在航空航天等工业领域的应用范围不断扩大，国外先进的大型军用运输机及客机如A380、A350、B878上的尾翼、机身、机翼和中央翼盒等承力结构均大量采用了RTM成型工艺技术。这些织物/RTM制件的大量应用实现了航空复合材料的整体制造，减少了大量紧固件、连接件，大大降低了飞机重量和制造、装配成本，同时获得了显著的高效率和低成本。

在现代飞机制造技术应用中RTM成型工艺的典型制件有很多， 如A380飞机上舱门连接件、副翼梁、中央翼盒的5个工字梁、襟翼导轨面板、悬挂接头及机身框等。Airbus France(Nantes)采用RTM6树脂和碳布制造出A380副翼梁。A320飞机的发动机吊架、尾部整流罩、机头雷达罩和B787起落架撑杆等也采用RTM成型工艺技术制造。美国DOW-UT公司采用改进的RTM成型工艺，制成B777动力装置PW4084的全碳纤维/PR500风扇静子，直径3 m，结构复杂，成本下降约40%。F-22飞机复杂型面正弦波形梁采用Cycom5250-4树脂RTM成型，它比用预浸料铺贴制备的方法节省成本20%，加上高尺寸容差和不需要进行再加工也算在内，制造成本节省可达到50%。另外，美国Dow-UT公司已成功开发了F—22飞机和F117—A飞机主承力梁和框件RTM成型工艺技术。

RTM工艺在我国起步较晚，技术基础比较薄弱，技术研究还不成熟，产品质量不够稳定，仅有少量的RTM成型零件在飞机上应用。但随着国际合作的加强，国内在这方面也取得了一定的发展，例如,针对飞机研制需求已经开展了RTM成型工艺方面的研究工作，进行了某型机机翼缝翼试验件、飞机螺旋桨RTM工艺成型制造、编织/RTM盒式梁、波纹梁的研制、以及机身中段舷窗窗框的RTM成型工艺技术研究等，积累了很多RTM成型研制经验,随着技术的不断发展，RTM工艺的应用范围也将越来越广泛。

2 RTM成型工艺制件的加工工艺性研究

近两年来，我们针对RTM成型复合材料试板和制件开展了一系列的加工工艺性研究试验，包括RTM成型试件的无损检测，试件切割、修边，试件的钻孔、扩孔、铰孔、锪窝及装配工艺试验，以验证RTM复合材料试板和制件的制孔、装配工艺的可行性。进行试件的制孔、装配工艺试验，优化工艺参数，针对不同的试件夹层厚度选择合适的高锁螺栓、密封剂、装配工具和工艺方法，确保RTM零件的制孔、装配工艺能够满足现代飞机的技术要求。

RTM成型试件按照复合材料制件采用的装配协调方案、容差分配关系进行装配。装配流程如图2所示。

图2 装配流程

2.1 RTM成型工艺制件的切割修边工艺

碳纤维增强复合材料，是一种难切削加工的材料，其硬度高、脆性大。复合材料制件去余量一般采用切割和修磨两种方法。若余量大时对制件采用切割的方法，余量小时则采用修磨的方法。由于RTM工艺的优点之一就是能够生产接近无余量的零件，因此可以大大减少制件切割修边的工作量，降低二次修整成本。在工艺试验中，将大的RTM试板分成小块试板时，我们采用金刚砂刀具进行手动切割的方法，切割效果较好。同时，应控制好切割进给力参数，一般是切割进给量与RTM成型工艺制件的厚度成反比；而典型试验件则只是顺着表层纤维方向进行了少量的修磨。

2.2 RTM成型工艺制件的制孔工艺

飞机结构上采用的复合材料制件，其制孔必须完整，不允许有干涉和影响后续组件加工工序的粗糙或磨损的纤维。复合材料制孔工艺主要包括钻孔、铰孔及锪窝3个加工工序。由于不同纤维增强的复合材料性能差异较大，相应的制孔工艺也不完全相同。为了保证制孔的质量，必须选择适合的制孔刀具。根据RTM成型工艺制件的材料结构、厚度、孔径尺寸等性能特点来选用制孔刀具。刀具材料必须具有良好的耐磨性和抗冲击性能，这里选用带有锥度过渡区的硬质合金刀具进行制孔。

在RTM制件制孔的过程中通常会出现的缺陷是制件的进、出口面产生纤维劈裂、出口处分层和毛刺。为避免产生这些缺陷，主要分以下几个步骤进行：

首先，在生产前进行制孔工艺验证试验。选择适用的刀具，优选带有锥度过渡区的硬质合金钻头，通过调整钻头进给量和转速，优化制孔工艺参数，在试板上制孔使工艺达到稳定。

其次，制孔时制件必须充分夹紧。一般采用分步钻孔，先钻小孔，然后在制件另一侧垫上支撑垫板将孔扩至最后尺寸。RTM制件钻孔时必须使用支撑垫板垫实，以防止孔的出口面产生纤维劈裂和分层。另外，也可以先在RTM制件需要制孔的出口面贴上1～2层纸胶带，然后再制孔，同样可有效防止孔出口面产生纤维劈裂和分层等缺陷。

最后，还应控制好钻头的进给力参数。钻孔时，刀具的作用力向下压材料，随着钻头靠近出口面，过大的作用力会导致钻头生硬地挤破（而非钻削）孔的最后一部分，结果会造成复合材料纤维粗糙或磨损。为防止RTM制件孔出口面纤维劈裂或分层，当接近钻头时应放慢进给速度。

2.3 RTM成型工艺制件的连接工艺

由于复合材料的各向异性，非均匀性和脆性等特征，使得复合材料的连接与金属材料的连接有较大区别。特别是在孔边会出现高应力集中，降低了连接效率，因此RTM成型工艺制件的连接也非常关键。RTM成型工艺制件与其它零件连接时，一般可以采用胶接固化连接、机械连接（包括螺接和铆接）和混合连接等方式进行。本次针对复合材料RTM成型试板和制件开展的加工工艺性研究验证试验，均采用了机械连接中的螺接方法。

机械连接是复合材料主承力结构的主要连接形式，适用于可靠性要求较高和传递较大载荷的情况。机械连接通常有铆接和螺接2种形式，其中螺接方法具有在制造、更换和维修中可重复装配和拆卸、便于检查质量、保证连接的可靠性、能传递大载荷，抗剥离性能好及无胶接固化产生的残余应力等优点，故优先选用螺接方法进行RTM成型工艺制件的连接。

因RTM成型制件所用的碳纤维复合材料的塑性较差，会造成多排紧固件连接载荷分配的严重不均，故尽量采用不多于两排紧固件的多钉连接形式。在采用双排的多钉连接时，各排钉孔应尽可能平行排列而不选用交错排列，以提高连接强度，特别是疲劳强度。安装紧固件时应均衡、对称的将所有螺栓分若干次拧紧，直至达到规定的拧紧力矩值。按照螺接工艺应满足抗电偶腐蚀要求的原则，采用湿装配进行RTM成型工艺制件的连接。在孔内或紧固件涂敷密封胶，螺母必须在胶的施工期内上紧完成。

图3所示为RTM制件加工工艺性研究的试验件制孔装配图。

图3 RTM成型波纹梁试验件制孔装配，高锁螺栓

3 结束语

RTM成型工艺作为一种新型的复合材料制造技术，由于其制造的低成本、良好的制件性能、适合批生产等优点，已逐步成为先进复合材料制造技术的发展方向之一。目前，国内在RTM工艺方面的技术研究也取得了长足的进步，但在这方面的装配工艺技术研究还处于起步阶段，缺乏工艺实践经验。我们公司也进行了一些RTM复合材料成型试件的加工工艺性研究，但还未完全掌握这种新型的复合材料成型技术，研究和掌握RTM制造工艺技术已刻不容缓。因此需加强国内外合作与技术交流，并加强引进技术和设备的二次开发，从工艺适用性研究做起，尽快掌握RTM成型零件制造和装配的关键技术，为公司以后的飞机复合材料制件低成本制造提供技术支持。

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