飞机复材零件热压罐成形复材工装设计技术

飞机复材零件热压罐成形复材工装设计技术

范文博

航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司  黑龙江省哈尔滨市  150010

摘要：文章从温度和压力控制技术原理、工装结构设计技术原理以及成型工艺控制技术原理三个角度出发，讨论了飞机复材零件热压罐成形工装设计的技术原理。并提出了飞机复材零件热压罐成形复材工装设计存在的复材特性与工装设计不匹配、加工精度和一致性控制不足、自动化水平和生产效率有待提高等问题，并从材料选择、设计标准以及工艺流程等角度对其进行了详细分析。

关键词：飞机复材；复材工装；热压罐成形

引言

飞机的复合材料零件在现代航空工程中起着至关重要的作用。这些复合材料零件的制造过程中，热压罐成形技术被广泛应用，以确保零件的高质量和优异性能。然而，复材工装设计作为热压罐成形过程中的关键环节，其设计质量直接关系到最终零件的精度和性能。因此，本论文旨在探讨飞机复材零件热压罐成形复材工装设计技术，为提高飞机复合材料零件的制造质量和生产效率提供有价值的理论指导和实践经验。

一、飞机复材零件热压罐成形工装设计的技术原理

（一）温度和压力控制技术原理

在飞机复材零件的热压罐成形过程中，温度和压力的控制是至关重要的。温度控制是通过加热元件和冷却系统来实现的。加热元件通常是电加热器或热油循环系统，可以提供恒定的、精确控制的加热功率。冷却系统则用于调节热压罐内部的温度，以确保复合材料在热固化过程中得到适当的温度梯度。同时，通过控制热压罐内的压力，可以实现复合材料在成型时的均匀压实和密实。

温度和压力的控制可以通过多种方式实现。例如，可以使用PID控制系统来监测和调节热压罐内的温度和压力。PID控制系统根据实际温度和压力与设定值之间的差异，自动调整加热功率和冷却系统的工作情况，以达到设定的成型条件。此外，还可以利用传感器和反馈系统来实时监测热压罐内部的温度和压力，并进行自动调节。

温度和压力的控制技术原理确保了复合材料在热压罐中得到适当的温度和压力条件，从而实现理想的成型效果。

（二）工装结构设计技术原理：

飞机复材零件热压罐成形过程中的工装结构设计是另一个关键方面。工装的设计应考虑到复合材料的形状、尺寸和成型要求，以及工装与热压罐之间的适配性。工装的结构设计需要充分考虑复合材料在成型过程中的收缩和变形，工装结构设计技术原理的合理应用可以提高工装的耐用性和热传导效率，确保成型件的质量和精度。在工装结构设计中，需要考虑以下几个方面：

收缩和变形控制：由于复合材料在热压罐中的热固化过程中会发生收缩和变形，因此工装的设计应考虑到这一点，以确保成型件能够符合设计要求。可以通过在工装设计中引入补偿措施，如引入补偿材料或设计弹性结构来控制收缩和变形。

材料选择与涂层：工装的材料选择应考虑到其热传导性能、耐磨性和耐腐蚀性等因素。常用的工装材料包括铝合金、钛合金和高温陶瓷等。此外，可以在工装表面涂覆特殊的涂层来提高其表面硬度和抗粘附性，以减少复合材料与工装之间的摩擦和粘附。

热传导性能：工装的热传导性能对于保持复合材料在成型过程中的均匀温度分布非常重要。通过优化工装的导热性能，可以减少温度梯度，从而降低复合材料的残余应力和变形。

（三）成型工艺控制技术原理

成型工艺控制是指在热压罐成形过程中对各个参数进行有效控制和调节，以确保复合材料的成型品质。成型工艺控制涉及多个关键参数，包括温度升降速率、压力施加过程、气体或液体介质的流量等。合理应用成型工艺控制技术原理可以减少复合材料在成型过程中的缺陷，如气泡、翘曲等，并提高成品的强度和精度。成型工艺控制技术原理可以通过以下方式实现：

温度升降速率控制：复合材料在成型过程中的温度升降速率对最终成型的质量和性能具有重要影响。通过控制加热功率和冷却系统的工作情况，可以实现温度升降速率的精确控制。

压力施加过程控制：在热压罐成形过程中，压力的施加过程需要控制得当。通常采用升压、保压和降压三个阶段。控制压力施加的速率和时间，可以确保复合材料在成型过程中得到充分的压实和密实。

气体或液体介质流量控制：在热压罐中，通过调节气体或液体介质的流量，可以有效控制复合材料的热固化过程。流量的控制可以通过阀门或泵等装置实现，以确保复合材料在成型过程中的压实和固化。

二、飞机复材零件热压罐成形复材工装设计的现存问题

（一）复材特性与工装设计不匹配

复材零件的特性包括轻质、高强度、高刚度等，在热压罐成形过程中，复材的特性对工装设计提出了挑战。然而，现存问题之一是，部分工装设计仍未充分考虑复材的特性和需求。例如，复材的热膨胀系数较高，如果工装设计未考虑到这一点，可能会导致复材零件在加热过程中出现过度应力或变形。此外，复材的纤维取向对力学性能至关重要，但一些工装设计可能未能提供足够的定位和支撑，以确保复材在成形过程中保持正确的纤维取向。

从材料选择的角度来看，飞机复材零件热压罐成形复材工装设计存在的问题主要包括材料的选择不合理和材料性能不稳定。在工装设计中，需要选择能够承受高温和高压的复合材料作为材料，然而目前市面上的复合材料种类繁多，质量参差不齐，选择不当容易导致工装的使用寿命较短或者出现意外事故。

（二）加工精度和一致性控制不足

飞机复材零件的加工精度和一致性对其性能和装配要求至关重要。然而，现存问题之二是，一些工装设计未能有效控制加工精度和一致性。例如，加热过程中的温度分布不均匀可能导致零件的局部变形或粘结不稳定。此外，加压过程中的压力控制不准确可能导致复材零件的密度不均匀，影响其力学性能和质量。另外，工装的重复定位和固定性能也直接影响着复材零件的加工精度和一致性，但一些现有工装设计可能没有充分考虑这些因素。

从设计标准的角度来看，飞机复材零件热压罐成形复材工装设计存在的问题主要包括设计标准不统一和缺乏规范化。由于复合材料工装设计领域的标准尚未完全统一，不同地区、不同企业甚至不同项目对于工装设计的要求存在较大差异，因此在实际设计中往往缺乏规范化的指导和标准化的设计流程。这不仅增加了设计的难度，还影响了工装的质量和可靠性。

（三）自动化水平和生产效率有待提高

随着制造业的发展，自动化生产已成为提高生产效率和降低成本的重要手段。然而，现存问题之三是，飞机复材零件热压罐成形复材工装设计的自动化水平和生产效率有待进一步提高。一些工装设计仍依赖人工操作，导致生产周期较长、产能较低。同时，缺乏有效的自动化控制和数据采集系统，限制了实时监测和调整工装的能力。此外，针对不同规格和型号的复材零件，工装切换和调整的灵活性较差，导致生产流程不连贯和生产效率的损失。

从工艺流程的角度来看，飞机复材零件热压罐成形复材工装设计存在的问题主要包括工艺流程复杂和生产效率低下。在复合材料的热压成形过程中，工装的设计需要考虑到复材的成形形状、尺寸精度和表面质量等因素，而目前的工装设计往往存在着工艺流程复杂、调试周期长、生产效率低下的问题。这不仅增加了生产成本，还影响了产品的质量和交付周期。

结语

在飞机制造业中，复合材料零件的热压罐成形工装设计是确保产品质量和精度的重要环节。然而，在实际应用中，我们也发现了一些问题。例如，工装结构设计不合理导致成品尺寸与形状不符合要求；温度和压力控制不稳定影响成型效果；成型工艺控制不足导致复合材料出现缺陷。因此，未来的研究可以进一步深入探索和应用新的材料和工艺，不断创新和完善飞机复材零件热压罐成形复材工装设计技术，为飞机制造业的发展做出更大的贡献。

参考文献

[1]李德尚.飞机复材零件热压罐成形复材工装设计技术[D].南京航空航天大学,2010.

[2]陆晓华,邵传金,左洪福.飞机复材结构的修理容限确定方法[J].系统工程理论与实践,2019,39(12):3217-3228.