试谈航空复合材料整体成型技术的应用

试谈航空复合材料整体成型技术的应用

曹涛、董嘉蕾、刘梦辉

（中航西安飞机工业集团股份有效公司，陕西西安，710089）

摘要：复合材料具有比强度高、比刚度高、耐久性好、可设计性强等优点，在航空制造领域得到越来越广泛的应用。根据复合材料成型的特点，其在用于制造航空飞机零部件时，能够对零部件进行整体设计和制造。本文从整体成型技术的应用优势进行分析，对其具体的发展前景做出深入探究。

关键词：航空设备；复合材料；整体成型技术

中图分类号：TB332     文献标识码：A

复合材料整体成型技术是指，采用共固化（组合零件均未固化）、共胶接、二次胶接（组合零件均已固化）或者液体成型的方式，大量减少零件和紧固件的数量，从而实现复合材料结构从设计到制造一体化成型的相关技术[1]。采用此工艺可大幅度提高零件的生产效率。对于某些需要具有高强度和高承载能力的零件，可以采用复合材料整体成型工艺来实现。在具体设计制造时，能够将由数百个零件构成的结构组合成一个整体，从而大幅缩短了装配所需要的时间，显著提高了飞机制造的效率和质量，在实际生产工作中的应用也获得了良好的效果。

1航空复合材料整体成型技术的应用优势

（一）降低零件制造成本

复合材料整体成型工艺在实际应用中，能够将不同类型的零件进行有效地集成。相对于传统的飞机制造工艺，该工艺可以大大减少零件和紧固件的数量，降低零件制造和紧固件的成本，减少零件周转和装配所需的时间，降低了供应链协同的难度。采用这种方法，可以有效地提高飞机制造的经济效益。如B787、A350机体结构几乎全部使用复合材料，单架机复合材料用量约35吨。其中B787机身采用整体筒段结构，最大长度达到12m。这样一个机身段就是一个“零件”，替代了金属机身段1500个左右的铝合金零件和4-5万个紧固件，大幅度降低飞机的制造成本[2]。

（二）提升构件装配质量

采用整体成型技术，可以把数十万个固定件的数量缩减为数千甚至数百个，降低零件、模具的数量，因此可以显著降低构件的重量和组装费用，并进一步降低构件的制造成本。在复合材料承载结构的机械连接中，一般采用的是价格昂贵的钛合金连接件；在传统的装配过程中，需要制造出数量庞大的装配孔，制孔难度大，效率低，需要使用专用工具，精度要求严格，成本高；在装配过程中，为了避免电解腐蚀，需要采用湿法进行装配，这种装配方式费时费力，成本较高。大幅减少固定件数量后，减轻了由于连接而引起的重量增加，避免因制孔损伤复合材料零件，可改善结构的承载能力。在装配过程中，采用大接头或构件一体化加工，可降低劳动强度，大幅减少装配孔数量、降低装配误差、缩短装配周期。

（三）有利于实现翼身融合

翼身融合是指将传统的机翼与机体结合在一起，在结构上进行一体化的设计与制造。复合材料整体成型技术可以有效减少结构分段、对接、间隙和台阶，使得部件表面更加光滑，提高结构气动表面质量，使得机翼与机身一体化设计和制造更容易实现。如美国的X-47A无人机，就是采用了一种高度融合的无尾飞翼布局，除了两侧后缘有升降副翼用于控制倾斜和翻滚外，该机的上下表面简洁流畅，看不到任何平尾和垂尾的痕迹，大大减少了气动阻力。该飞机沿中心线分成了两块上蒙皮和两块下蒙皮，并大量使用了复合材料，它的很多部件都是通过复合材料整体成型技术制造出来的，将复合材料的技术优势发挥到了极致。

2航空复合材料整体成型技术的应用与发展

随着我国航空飞行器设计技术的不断进步，以及新材料的不断涌现，复合材料在航空飞行器结构中的应用也越来越广泛。目前，国内自主设计的鸭翼、垂直尾翼、水平尾翼、升降舵和方向舵等部件已经大量使用了先进的复合材料整体构件，这将极大地提升我国的复合材料技术水平。

大尺寸机翼复合材料壁板结构件的成型是复合材料整体成型技术应用的典型领域。目前普遍采用共胶接工艺制造机翼壁板，共胶接工艺的胶接质量更好，节约了一次热压罐使用，成型效率较高。空客在机翼壁板结构上采用了共胶接成型工艺，波音787、空客A400M和A350XWB的复合材料机翼也都采用先固化长桁，再和蒙皮定位组合的共胶接方式。采用共胶接可以保证长桁的成型质量和加工精度, 长桁和预成型蒙皮固化时胶接质量更易保证, 长桁定位方便, 总装成本低。也可采用共固化工艺制造机翼壁板，组合时长桁和蒙皮均为未固化的状态，只需要进罐固化一次，能够明显缩短长桁和蒙皮暴露在高温环境下的累积时间[3]。

将复合材料整体成型技术应用于大型复合材料零件制造时，需要结合自动铺带技术、自动铺丝技术、热隔膜成型技术等自动化制造技术共同使用。采用自动铺放技术可以显著降低复杂形状复合材料构件的制造成本。自动铺放技术研究始于复合材料机身的制造技术研究，采用缠绕技术制造机身时，缠绕张力使凹面产生缝隙，并使纤维滑移而偏离原来位置，自动铺放技术解决了上述问题。在大型复杂型面上铺放和压实连续预浸纤维，可按要求调整铺放宽度，还能通过加热或冷却改变预浸料的粘度。热隔膜成型是一种先进的复合材料成型技术，该技术通常与自动铺带工艺和自动铺丝工艺结合，即首先铺设出预浸料叠层平板，然后将该平板转移到热隔膜成型机上，通过抽真空并升高温度的方式使其整体贴合模具，然后再升高温度固化或转移到热压罐固化的复合材料成型方式。复合材料自动化制造技术有利于复合材料整体成型技术的应用和发展，相比于传统的手工铺贴预浸料热压罐成型工艺，具有生产效率高、零件质量稳定的特点。

与欧美等先进国家相比，我国对于复合材料整体成型技术的应用还不够多，加工技术水平不够高，生产自动化程度、零件的质量和性能等方面还需要进一步提高，制造成本也比较高。飞机上的复合材料部件逐步走向一体化是一种不可避免的趋势，一体化和大型化可以将复合材料的优势和特性更好地发挥出来，复合材料设计和制造的特点，也为部件的整体化提供了便利。发展复合材料整体成型技术，需要和复合材料自动化制造技术、复合材料成型模具设计与制造、复合材料固化变形仿真与分析、复合材料低成本制造技术相结合，才能促使复合材料整体成型技术朝着高效、自动化、低成本的方向发展。

3结论

从传统的单个零件生产，到目前的大规模、一体化生产。可以说，近年来，复合材料在航空制造业中的应用已经取得了长足的进步，复合材料整体成型技术的应用，不仅提高了航空制造业的生产效率，还提高了产品的质量，这对推动航空制造业的发展起到了积极的作用。

参考文献

[1]周长庚,荀国立,邱启艳,等.航空复合材料整体成型技术应用现状与分析[J].新材料产业,2016,No.270(05):52-57.

[2]范玉青,张丽华.超大型复合材料机体部件应用技术的新进展——飞机制造技术的新跨越[J].航空学报,2009,30(03):534-543.

[3]闫恩玮,杨绍昌.T型加筋壁板共固化技术研究[J].航空制造技术,2018,v.61(14):50-55.