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

作者：张海杰

来源：《科学与财富》2018年第12期

摘 要： 随着航空航天、智能机器人、无人机等高端技术的成熟发展，复合材料的制造技术也随之不断提高，并取得了突破性进展。本文在简要介绍主流的零件成形技术基础上，重点探讨了航空符合材料零件制造的精准控制要点，希望能够为业内同仁提供有益思考和启发。 关键词： 复合材料；航空零件；制造技术；精准控制

早在上世纪六十年代，符合材料就已经被应用在航空领域，尤其是随着我国航天事业的迅猛崛起，飞行器的高空化、智能化、低成本化发展趋势越来越鲜明，航空复合材料生产制造技术越来越成熟，复合材料的性能也随之得到了大幅提升，并成为了航空航天建设中不可缺少的一大材料。飞机的许多部分都是复合材料零件，正所谓“一代材料，一代飞机”，不难发现材料的性能在航空航天领域有着举足轻重的作用。但客观来讲，我国在复合材料制造方面还存在许多不足，加强相关领域的研究和实践，对推动航空航天事业的可持续发展，无疑具有非常重要的现实意义和指导价值。 1、零件成形技术

这里所讲的零件成形技术，主要是指在满足零件外形要求的基础上，不损坏材料内部结构并确保纤维合理分布在内而形成重大孔隙的制作方法。零件成形技术主要应用于航空航天各类零件的加工领域，以复合材料来讲，其成形技术的选择主要是由复合材料基体本身性能所决定的，目前常见的复合材料成形技术主要包括四类，具体如下： 1.1RTM 成形技术

RTM是树脂转移模塑成形的英文缩写，该方法具有成本低、效率高、成效好和污染小等优势，且可以形成双面大型整体件，所以被广泛应用于强度主承受力结构件生产制造方面，包括舱门、检查口盖等。就该技术的发展趋势来讲，要想实现进一步突破，就必须有效解决孔隙大、树脂分布失衡、纤维含量不高等问题。在未来技术研发实践中，热传递、注射方法研究、相关设备升级等将成为重点攻克的领域。 1.2RFI 工艺技术

RFI工艺技术主要是指树脂浸渍技术，就是树脂膜溶液与纤维预制体相融合所产生的一种具有低成本的成形技术，目前主要应用于飞机雷达天线罩等平面面积较大或相对简单的曲面构件制造领域。RFI工艺的优势就是能够使用熟知的预浸料树脂体系，利用这一工艺所成形的复合材料性能与预浸料成形的性能不存在差异。但该项技术所使用的树脂膜，其制作成本大约是纯树脂成本的两倍，所以其成本也相对要高。此外，所使用的树脂膜在没有载体的前提下无法

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实施有效操作，如胶黏剂膜。该项成形技术在真空袋系统进行固化时，有着较为严格的温度要求，所以对核心材料和相关设施的耐温性能有着较高要求，在未来的技术研发实践中，树脂流动模拟、树脂流动控制和三维编织缝合等将成为重点突破的方向。 1.3纤维缠绕技术

所谓的纤维缠绕，就是利用浸渍后的纤维束将相关装置缠绕到芯轴上，是目前一种较为成熟的零件成形技术，并是目前具有最广泛应用范围的自动化成形技术。经该工艺所成形的零件，具有强度大、质量轻、耐热好等性能优势，因此被广泛应用于空心、椭圆零件的制作中。在未来技术研发实践中，纤维缠绕技术应重点解决成本高、自动化水平低的问题，这样才能进一步拓展其效益空间。 1.4自动铺带、铺丝技术

自动铺带技术是当前西方国家最为常见的一种成形技术，主要是利用数控技术来实现的，采用有隔离衬纸的单向预浸带达成自动化生产目标。相比于自动铺带技术，自动铺丝具有更强的精细度，可以对结构复杂的零件进行成形制造，且材料消耗率较低。可以说，自动铺丝技术集自动铺带技术和纤维缠绕技术于一体，在机身段和尾段等复合材料零件成形制造中，具有非常重要的现实应用价值。

2、复合材料航空零制造的精准控制要点分析 2.1工装的精确控制

工装结构及其材质的优劣，将直接决定复合材料零件成型后的精度，为消除热膨胀系数对零件外形精度所产生的负面影响，广泛采用了与复合材料膨胀系数相接近的工装材质进行工装制造。而在具体设计与实践中，要合理分布支撑柱，在确保工装结构稳定性的基础上，有效降低支撑柱的承重压力。此外，正确的防黏层和成形工装摆放位置，都能够有效降低因工装变形而造成的零件变形，最终切实增强复合材料听见制造的精准性。 2.2制造温度场的精确控制

在复合材料零件成形的固化阶段，因复杂的温度梯度造成构件变形是非常普遍的，所以在复合材料零件制造过程中，一定要对温度场进行精准控制。当所制造的零件具有较大厚度和尺寸时，升温速率和降温速率若是过快，不仅会对工装温度场的均衡性造成破坏，而且会对复合材料零件内部结构带来严重破坏。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。

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2.3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。压力对复合材料构件内部质量有较大影响。在厚度一定的条件下，随着固化压力的增大，复合材料构件的孔隙率逐步降低，而构件的变形量增大。降低复合材料构件成型的真空度可以改善构件内部质量。 3、结语

总而言之，在航空复合材料零件制造实践中，为确保零件的高质量性，不仅要对工装温度均衡性进行严格把控，尽量使用与复合材料热膨胀系数相接近的工装材质，在确保零件外形精准度的基础上，有效降低因工装变形带来零件变形问题的发生概率。而且还要优化成型工艺参数，尤其是升温速率、降温速率、固化压力等，通过这些参数的优化配置，来建构科学合理的温度梯度，进而达到温度场的均衡性，确保复合材料构建的精准性。此外，还要采用初始加压、较低真空值和固化压力，以提高复合材料零件的强度、精度和结构稳定度。 参考文献

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