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中国民用航空工艺装备发展报告(二)

2019/3/4        作者:吕家兴    赵会善      
关键字:民用航空 标准工艺装备 制造数据集 PDR CDR FDR  
欧美航空产业是高科技及人才荟萃的领域。其取得的丰硕成果,离不开先进的航空工程设计技术,更离不开航空工艺装备设计制造技术的进步。

     3 复材工艺装备

    3.1 复合材料工艺装备特点分类

    复合材料工艺装备(简称为复材工艺装备或复材工装)用于航空机体复合材料零部件成型,主要应用热压罐成型、RTM成型、模压成型。其中热压罐成型在大型复合材料壁板中广泛应用铺叠工装(LM)。要求内外表面粗糙度要求高的产品使用金属组合工装。

    复合材料与金属材料截然不同,材料成型与结构件成型是同时完成的,复合材料的结构性能对制造工艺过程、复材工装结构敏感,材料的最终性能也是通过工装与制造过程赋予的,制造过程与工装结构直接影响复合材料结构件的质量,一旦工艺过程和复材工装某个环节不合理,复合材料零件会产生制造缺陷和尺寸偏差,严重影响其性能甚至造成构件报废。

    复材工装是复合材料构件制造用的主要工艺装备,用以确定零件形状、结构关系、控制外缘和获得良好的表面质量, 在工装上完成复合材料聚合固化,复合材料工装设计合理性直接影响复合材料结构件质量,决定复合材料结构件是否制造成功。

    3.1.1 热压罐成型

    用真空袋封装复合材料坯件组合件放入热压罐中,在加热加压条件下固化成型复合材料制件的一种工艺方法。是先进复合材料构件成型最常见的一种工艺方法,将先进复合材料毛坯、蜂窝夹心结构或者胶结结构用真空袋密封在模具上,置于热压罐中,在真空(或非真空)状态下,经过升温—加压—保温—降温和卸压过程,使零件成为所需的形状和质量状态的成型工艺方法。

    3.1.2 树脂传递模塑成型(RTM成型)

    将纤维或其预成型体预先装入模具中,再注入液态的基体树脂,经固化成型复合材料制件的复合材料制造方法。此类方法适用于对内、外表面精度要求高的产品。

    3.1.3 模压成型

    将一定量的预混料或预浸料坯件装入闭合模具中,在一定温度、压力下预混料或预浸料充满模腔固化成型的方法。

    3.2 设计要求

    复合材料工艺特殊性要求复合材料工装的设计、制造和操作都必须和所生产的构件、所用复合材料的性能及其相关的制造和固化工艺协调一致。工装设计过程中应该详细考虑在制造过程中可能出现的各种问题。复合材料工装在设计过程中应该注意以下几点:

    (1)分析零件的工程结构。复合材料结构件通常有蒙皮壁板、梁、肋、长桁、框、以及整体盒段等。根据零件结构形式,可对模具有个整体概念,初步确定工装的结构形式,确定采用阴模还是阳模形式。根据零件产量、质量、零件大小及工艺要求确定是采何种成型方法。

    (2)分析零件的工程界面。一般选用气动面、装配面、胶接面等作为贴膜面;但如果这些面结构较复杂时,设计可考虑在工程界面侧添加补偿层。此时贴膜面可设计在工程界面的背面。

    (3)分析零件的质量要求。制件的外形轮廓尺寸精度直接影响到模具的质量要求及成本,可通过设计合理的工装结构、定位方法及加工方法来达到精度要求。

    (4)分析制件的成型工艺方法,是共固化、共胶接还是二次胶接。共固化中,所有层为湿铺层一次进罐,需要较多模具组合到一起同时使用,通常整套模具较复杂;共胶接为干湿件进罐固化,需要一部分零件的成型模具,及已固化零件与湿铺层二次进罐固化的模具;二次胶接时所有零件已固化,通过胶膜把他们固化到一起,需要所有零件的成型模以及二次胶接的定位模具。

    (5)在模具设计过程中需要注意的参数有:型面板厚度、支撑隔板厚度、支撑隔板的数量、通风孔的定位尺寸等。可根据零件结构,零件尺寸大小等因素设置型面板厚度,支撑隔板的数量,通风孔尺寸等参数,要求既能保证工装强度,又要保证工装各位置升温一致性。

    (6)工装的设计补偿:对于大曲率复合材料蒙皮、梁、肋、长桁等零件的工装设计需要考虑零件固化脱模后的回弹影响。回弹与成型工艺、制件结构及铺层角度、模具材料、模具形式等多种因素相关。模具设计时进行回弹的补偿可在一定程度上减小制件固化后的变形,降低装配应力,但补偿系数难以确定。现阶段主要还是依靠试验件制造的方法确定回弹方向及回弹量。通过分析产品结构,在此基础上截取典型部段作为试验件进行工装设计与制造,并在该工装上进行试验件制造,将试验件与工装进行检测,根据检测结果计算试验件角度与工装角度的差值,即回弹角。

    3.3 热压罐成型复材工装

    热压罐成型因热压罐内压力、温度均匀,成型稳定等优点适用于大面积复杂型面的蒙皮、壁板、壳形结构件的成型。该工艺制造的结构件孔隙率低,树脂含量均匀,成型结构件力学性能稳定,产品重复性好。

    3.3.1 热压罐成型复材工装的一般要求

    (1)模具要有足够的刚度、强度,以保持模具本身的尺寸稳定性。

    (2)热容量小、热膨胀小(与零件材料膨胀系数接近),热稳定性好。

    (3)施工便捷,加工精度高,表面光度高,模具自身协调性好。

    (4)导热性好,热量传递快,升温迅速;

    (5)重量轻,运输方便,操作安全可靠。

    (6)制造成本低,可维护性好。

    (7)用于成型零件的模具表面应满足气密性要求。

 B777机翼铺叠工装

图2.5 B777机翼铺叠工装(BAJ)

    3.3.2 阴模与阳模选择

    复合材料成型工装分为阴模和阳模两种结构形式,阴模、阳模成型各有优缺点,可以根据零件工程面,零件结构、质量要求等方面来考量选择。阴模、阳模结构如图:

左图为阴模,右图为阳模

图2.6 左图为阴模,右图为阳模

    阴模成型出的制件外形规整模具加工成本较高;R角手工铺叠难度较大,成型质量保证较困难;不适合自动铺带技术。阳模工装易于加工,成本较低;R 角成型质量容易保证;易于手工铺叠;易于自动铺丝,且生产效率高。

    3.3.3 热压罐成型复材工装结构

    (1)平板类工装结构

    平板类工装适用于零件型面为平面或近是平板,零件尺寸在500mm以下可选用平板结构工装,该工装类型结构简单,制造方便,平板厚度在保证工装不变形的的基础上控制工装厚度。

    (2)框架类工装结构

    现阶段热压罐成型工装多选用框架式结构,该工装具有型面厚度均匀,通风好,升降温速率易于保持,其结构主要有以下几个部分:型面板、带通风孔的横向支撑隔板、带通风孔的纵向支撑隔板、底板、脚轮等。

    3.3.4 辅助装置

    (1)防滑带

    用于生产纸蜂窝、铝蜂窝夹层结构零件的工装需要在铺叠余量线外安放防滑带。主要作用是夹层表面预浸料在固化过程中收缩,形成材料滑移造成表面褶皱,同时对夹层施加向下压力易把蜂窝压塌或变形,造成零件报废。防滑带起到增大预浸料与模具间摩擦力,减缓零件固化过程中对对蜂窝压力。

    防滑带在零件铺叠余量线外20-30mm以外,防滑带材料由0.5mm-0.8mm、宽度在60mm左右厚薄钢板上面冲压出均匀高度在2mm-3mm凸点,可以直接采用电阻焊或粘接方式两种方式固定在工装型面边缘。

    (2)真空线路

    复合材料零件在铺叠过程和热压成型过程中需要抽真空压实,在工装设计过程中需考虑透气毡、零件形状、工装结构对空气流动的影响,保证零件各个位置的真空度。所以对外形复杂的结构件一般采用在铺叠余量区外开真空槽或在工装背部设置真空管路方式来保证零件各个位置的真空度。

    真空槽方式真空管路接口直接打到真空袋上,可根据需要调整真空接口的位置,操作灵活,适用于研制批零件。

    真空管路在工装背部开孔直接接真空管路,管路接口直接接真空接口,操作方便,但是成本较高,适用于批产零件。

    (3)型面标识及孔位

    a.产品线:即产品的外形轮廓线,用于非数控切边时使用,决定了产品的外形尺寸的精度;设计时应考虑模具材料的膨胀因素作适当缩放处理,产品线的位置精度和宽度精度都需要根据复材制件外形尺寸精度要求定义在模具设计中。

    铺贴线:由于零件边缘铺贴不完全齐整,以及流胶、挡胶条、打真空袋等因素导致固化后产品边缘质量不高,需要在产品线外一定距离开始铺贴,在制件上将留有一定余量待加工掉。同时,铺贴线用于无激光投影时手工铺贴定位,以控制铺贴余量,既不浪费太多的料,又能保证产品质量。通常铺贴线到产品线可留20~30mm。

    b.基准孔:用于工艺装备机加和检测时作为基准,精度要高,并保证可重复使用。基准孔坐标值通常刻于模具上用于工艺装备后续定检返修。

    c.靶标孔:用于手动铺贴时放置激光投影的靶标,以定位铺层区域,同时也作为激光跟踪仪测量工装的基准孔。靶标孔按实测值即可,坐标值刻于工装上或打在工具球标牌上。每套工装至少要求有四个或以上靶标孔,尺寸较大工装一般每500mm设置一个激光靶标孔。

    d.复材制件定位孔:也叫制件工艺耳片孔,用于复材制件在脱模后检测、机加和装配时作定位基准,精度要求高。此孔需要有相应的钻模板来准确定位,钻孔需要在脱模前进行,孔应该在工装的法线方向。

    e.余量区:在铺贴线到工装边缘需要留有一定距离用于打真空袋及自动铺带退料。通常手工铺贴模具的余量区在100~200mm,而自动铺带则需要200~300mm。

    f.铺层角度线:在工装型面余量区外刻45°、0°、-45°纤维铺层角度线,以便在铺叠过程中进行参考。

    (4)热电偶接口

    根据适当位置安装热电偶接头,需要考虑工装热分布要求。

    3.3.5 工装材料选择

    制造复材工装可选择的材料有多种,常见有铝、钢、殷钢、复合材料、代木等,工装材料的选择从零件的结构、工装使用频率、成本等方面考虑,但是最主要的因素还是要材料的热膨胀系数是否与复合材料膨胀系数一致。

    工装材料选择可以参照下表:

表2.1 复材工装材料选择

复材工装材料选择

责任编辑:张瑾
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