航空复合材料构件精确制造技术及应用分析

（中国航空制造技术研究院，北京 100024）

0 引言

复合材料由于其强度高、抗疲劳能力强以及耐腐蚀性好尤其是其具有优越的减重性能被广泛应用，尤其是被广泛应用于航空领域[1]。目前，复合材料在飞机结构中的用量已超过其总量的50%，而且在将来其用量比例还在不断增加。为保证复合材料在航空领域应用效果，要求其性能必须满足其应用需求，继而对复合材料的制造技术提出更要的要求和挑战[2]。

1 航空复合材料构件精确制造技术研究

1.1 航空负荷材料构件制造技术概述

航空事业发展的今天，各种复合材料的应用频率不断增高，如一架飞机中采取到负荷材料水平直接决定了其在航空领域的发展。

与国外一些国家，如俄罗斯、白俄罗斯以及乌克兰等国家相比我国复合材料在航空领域的应用相对较晚，对应复合材料构件制造技术的水平还存在一定的差距。比如，由于制造技术落到导致制造效率低且最终产品质量无法完全满足实际应用的需求。为保证复合材料性能针对其构件采用精确制造技术，并对制造技术应用过程中进行全面的监测和控制。

目前，就复合材料构件的制造工艺而言，根据其应用原材料的不同可分为基于预浸料的制造技术和基于树脂转移的制造方法。其中，基于预浸料的制造工艺包括有热压罐成型工艺、模压成型工艺及真空压力成型工艺；基于数值转移的制造工艺包括有树脂膜渗透成型工艺、树脂传递模塑成型工艺等。上述两种复合材料制造技术主要以基于预浸料制造技术的应用为主，且以热压罐成型工艺应用最为广泛[3]。对热压罐成型工艺而言，为保证最终构件的性能需结合自动化技术和整体化制造工艺达到精确制造的目的。如RFM工艺就是树脂浸渍技术，利用传统的真空袋压成型的手段来进行生产和加工，具体的工艺常用于雷达天线罩；RTM技术则是制造双面大型的整体件强度高用来制造行门舱门、后盖大型配件。

将预浸料的自动铺层技术、自动装配技术、自动检测技术等有机结合应用于复合材料构件的制造和性能的检测，为保证复合材料构件产品的性能，提高其生产效率提供了基础。自动化技术的运用是借助数控技术由隔离衬纸进行一系列地处理，实现复合材料的自动化控制。采用上述精确制造技术可有效降低生产制造工艺中的装配环节、提升铺层效率和质量，并对半成品进行检测及时修正制造工艺参数。

1.2 国外航空复合材料构件制造技术

就俄罗斯、乌克兰等国家而言，上述复合材料构件的精确制造技术已经应用于空客A350和波音787等机身、机翼的制造中，其涉及的精确制造工艺包括有自动铺带、自动铺丝。实践表明，复合材料构件精确制造技术的应用不仅提升了制造的自动化水平降低了单机的制造成本，而且还保证了所制造复合材料构件的性能。

对于波音787飞机的筒体结构采用精确制造技术中的整段制造工艺，根据波音787所设计的结构外形设计大型模具，并结合卧式丝铺放设备对预浸料进行铺层，最终基于热压罐成型工艺完成对波音787机身的整体精确制造。上述整段制造工艺虽然具有极好的整体性和制造效率，但是该种整体精确制造工艺下对应的模具及工装的设计难度较大。为此，在保证制造效率的前提下，为进一步简化模具及工装，针对空客350机身复合材料构件的制造采用分段成型工艺并采用长桁胶接共固化工艺完成每段构件的装配。因此，当前国外针对复合材料构件的制造基于先进铺层技术和胶接技术已经形成了精确制造技术并已成功应用于实际生产中。

1.3 国内航空复合材料构件制造技术

近年来，随着我国对复合材料构件在飞机制造应用比例的不断增加，涉及到的精确制造技术已经得到初步发展，主要指国产客机机身复合材料构件包括机身壁板等大型构件的精确制造。比如，采用自动铺丝、铺带以及叠层滑移等关键精确制造技术提升了对大型复合材料构件的自动铺丝水平和叠层滑移能力，而且，上述精确制造技术已经应用于实际生产中。

2 复合材料构件精确制造技术的质量控制

为保证基于精确制造技术所得产品的性能满足实际生产需求，需对该制造技术实施中涉及到的各项工序进行严格的质量控制，主要从复合材料构件的原材料控制、工艺过程的控制以及最终产品的检验控制等三个方面进行。本文结合基于热压罐工艺制造飞机复合材料构件的制造阐述精确制造技术的质量控制。

2.1 复合材料构件精确制造原料的控制

针对原料的质量控制，除了对原材料本身的特性进行严格把关外还需对原材料在运输、储存等过程中的工艺参数进行严格控制，保证原料的稳定性。

对复合材料构件而言，其主要的原材料为预浸料，在制造实施之前需对预浸料本身的关键参数进行确认，包括有预浸料本身的树脂含量、凝胶时间、挥发含量以及预浸料与其他材料的层合特性等综合对预浸料的性能进行综合评估。鉴于预浸料本身会发生固化反应，从而影响其使用性能。因此，在运输和贮存需严格按照规范对条件进行设置，尤其是注意对预浸料低温、防潮的处理。

2.2 复合材料构件精确制造工艺过程的控制

对于精确制造工艺中的整段制造工艺由于其对模具及工装的要求较高，导致模具、工装的设计难度较大。因此，复合材料构件的精确制造一般采用自动铺放工艺和胶接工艺。故，本文注重对自动铺放工艺和胶接工艺的质量控制进行研究。

2.2.1 自动铺放工艺的质量控制

目前，预浸料的铺放工艺已经由传统的人工铺放发展为基于自动化设备的铺放。但是，在实际操作中由于预浸料本身材料特性与铺放设备工艺参数、轨迹等不合理导致最终产品有缺陷产生。因此，在自动铺放工艺实施之前需严格对预浸料的一致性、设备参数设置的合理性和设备运行的稳定性等进行严格把关，并对自动铺层完成的半成品的质量进行实时监控，并对上述参数进行实时调整，包括对温度、铺放压力等工艺参数的稳定控制。

2.2.2 胶接工艺的质量控制

胶接工艺的控制将最终决定所得产品的整体性能。对于胶接工艺的质量控制，其中涉及并包括了对胶接材料本身性能的控制，对胶接辅助材料性能的控制以及对待胶接半成品表面处理方法的控制和实施环境的控制。对于胶接材料、胶接辅助材料以及待胶接半成品的表面处理必须符合相关工艺规范的要求；对于胶接实施过程中定位质量，需基于先进定位设备完成包括有激光投影仪、工业机器人等胶接定位进行控制。

2.3 复合材料构件精确制造产品的检验

好的产品离不开规范的检验流程。同样，对复合材料构件成品而言，为保证产品能够满足航空领域的需求在产品出厂前需完成无损检测、外形检测和外观检测等。在检测过程中，要求严格按照检测规范和流程执行，对复合材料构件的质量进行综合判定。

3 结语

复合材料具有较好的强度、抗疲劳性能，并在航空领域减重方面具有显著作用。复合材料构件的制造技术在多年的发展中基于自动铺带技术、胶接技术以及先进固化技术实现了对其产品的精确制造。复合材料精确制造技术在保证产品性能的同时，还提高了其制造效率，为航空领域的发展奠定了扎实的基础。