- 相關(guān)推薦
飛機復(fù)合材料先進制造技術(shù)探究論文
[摘要]隨著先進復(fù)合材料技術(shù)和工藝技術(shù)的迅速發(fā)展，復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用比例穩(wěn)步增長，應(yīng)用部位從非承力、次承力結(jié)構(gòu)向主承力和核心部件擴展，本文總結(jié)了近年來推動復(fù)合材料發(fā)展的先進材料技術(shù)和制造工藝技術(shù)。
1.引言
航空復(fù)合材料是一種由高強度、高剛度增強材料構(gòu)成的新型材料，具有良好的抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點。復(fù)合材料是綜合權(quán)衡飛機減重、性能、成本三方面因素的理想材料，在飛機上大量應(yīng)用可以明顯減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量，提高飛機的性能。
2.航空先進復(fù)合材料發(fā)展分析
復(fù)合材料原材料方面，航空用各種樹脂基復(fù)合材料水平有大幅度提高。在碳纖維材料方面，大絲束12k、24k已逐漸代替3k及6k，高強度的T700S及T800S已開始廣泛生產(chǎn)。以977-3/IM7和3900/T800S為代表的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料已發(fā)展到第二代，其CAI達到245～315MPa，堪稱首屈一指。以5250-4/IM7為代表的雙馬基高溫復(fù)合材料已發(fā)展到第二代，工作溫度達到177℃，廣泛用于飛機高溫部位。
聚酰亞胺復(fù)合材料廣泛用于發(fā)動機高溫部位，缺點是含二氨基二苯甲烷（MDA）有毒，美國研究出無MDA的預(yù)浸帶可用于發(fā)動機及飛機；因鈦合金稀缺，聚酰亞胺預(yù)浸帶正研究用來代替500℃以下的鈦合金。美國Amber公司開發(fā)的C740阻燃氰酸乙酯樹脂與碳纖維組成的材料固化后工作溫度可達344℃，可用作無人機S-100的尾噴管及發(fā)動機。
3.航空復(fù)合材料先進工藝技術(shù)發(fā)展分析
航空復(fù)合材料先進工藝技術(shù)方面，數(shù)字化技術(shù)、自動化技術(shù)、低成本技術(shù)以及先進工藝裝備的應(yīng)用和發(fā)展，推動了復(fù)合材料工藝技術(shù)從以手工制造、模擬量傳遞為特征的傳統(tǒng)技術(shù)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰詣踊圃臁?shù)字量傳遞為特征的先進技術(shù)，目前在航空復(fù)合材料中得到廣泛認可和推廣應(yīng)用的先進制造技術(shù)如下：
3.1數(shù)字化技術(shù)廣泛應(yīng)用
采用數(shù)字量形式對產(chǎn)品進行全面描述和數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)了設(shè)計與制造之間的無縫對接。目前復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化制造主要體現(xiàn)在預(yù)浸料自動下料、激光鋪層定位和纖維自動鋪放等方面。
3.2自動化技術(shù)迅猛發(fā)展
自動鋪疊可成型超大尺寸和形狀復(fù)雜的復(fù)合材料制件，而且質(zhì)量穩(wěn)定，工件凈近成形，加工切削加工及原材料耗費減少。自動鋪帶及絲束鋪放的材料利用率達到80%～97%，而手工鋪層的材料利用率僅為40%，先進鋪帶技術(shù)可降低制造成本30%～50%。據(jù)統(tǒng)計，2001年前全球只有不足100臺自動化復(fù)合材料鋪層機，到2007年全球擁有自動化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造用機器人設(shè)備250臺。2007年大型民機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)只有43%是用自動化制造的，預(yù)計10年內(nèi)將達到64%。
復(fù)合材料自動化技術(shù)包括自動鋪帶技術(shù)（ATL）和自動鋪絲（AFP）技術(shù)。目前最先進的第五代鋪帶機是帶有雙超聲切割刀和縫隙光學(xué)探測器的十軸鋪帶機，鋪帶寬度最大可達到300mm，鋪帶速度達（1.3～20.4）kg/h，生產(chǎn)效率可達到手工鋪疊的數(shù)十倍。所有波音787翼面及翼盒構(gòu)件均采用自動鋪帶技術(shù)制造。
針對復(fù)雜雙曲率型面，由Hercules率先開發(fā)了自動絲束鋪放（ATP）。其結(jié)合了自動鋪帶和纖維纏繞技術(shù)的優(yōu)點，鋪束頭把纏繞技術(shù)所用的不同預(yù)浸紗束獨立輸送和鋪帶技術(shù)所用的壓實、切割、重送功能結(jié)合在一起，由鋪束頭將數(shù)根預(yù)浸紗束在壓輥下集束成為一條寬度可變的預(yù)浸帶，然后鋪放在芯模表面，鋪放過程中加熱軟化預(yù)浸紗束并壓實定型。目前最新的Viper6000系統(tǒng)可以鋪放并控制32個纖維束，每束寬3.2mm，鋪層帶寬達到10.2cm，鋪絲速度可達6.8～11.3kg/h，最高可達23kg/h，絲束的鋪放精度達到±1.3mm。
除廣泛采用自動化鋪層設(shè)備外，還廣泛采用了大型自動化高速噴水切割機、超聲切割機、數(shù)控自動化鉆鉚機、大型剪切螺栓緊固機等。
3.3液態(tài)成型、非熱壓罐固化等多種工藝日趨成熟
VARTM技術(shù)是目前液態(tài)成形技術(shù)中發(fā)展得較為完善的一種，在CRJ700/900支線飛機、A380、787機身后壓力隔框及A400M貨艙門上廣泛應(yīng)用了VAP技術(shù)，纖維體積密度達到65%，孔隙率小于0.2%。非熱壓罐固化雖會使纖維體積含量減少，但其影響甚小，如在VARTM技術(shù)中，單向帶及織物的纖維體積含量已分別達到60%和56%，而熱壓罐固化所能達到的相應(yīng)值也僅為62%和58%。
較之VARTM和RTM更接近傳統(tǒng)方法的是采用為非熱壓罐固化開發(fā)的專用預(yù)浸料，然后在固化爐中固化。目前，先進復(fù)合材料公司的首個熱壓罐外固化復(fù)合材料MTM44-1已取得空客認可用做結(jié)構(gòu)件。
3.4先進無損檢測技術(shù)的應(yīng)用
復(fù)合材料制件無損檢測設(shè)備主要需要配置大型超聲C掃描設(shè)備和X光無損檢測設(shè)備。此外激光剪切攝影及激光超聲檢測也是主要發(fā)展方向。
在超聲檢驗技術(shù)上最重要的進展之一是相控陣檢驗的開發(fā)。相控陣超聲檢驗與傳統(tǒng)超聲檢驗相比，改進了探測的概率，并明顯加快了檢驗速度。
波音及空軍實驗室等采用了一批先進的無損檢測技術(shù)。波音公司的移動式自動掃描機（MAUS）C掃描系統(tǒng)，檢測速度9.3m2/h；空軍實驗室的激光超聲檢驗速度是水浸超聲探傷的10倍。此外還有電子剪切成像、相控陣超聲等多種方法。
3.5大型工藝裝備的建立
波音787的機翼固化用熱壓罐8m×40m，機身固化熱壓罐9m×23m。A380固化用熱壓罐9m×42m，為世界之最。此外還有Viper6000自動鋪放機、大型噴水切割機、隔膜成形機以及自動鉆鉚機等也是重要的大型設(shè)備。
大型構(gòu)件的模具重量太大，重達45360kg，采用復(fù)合材料作模具，使波音787的后機身模具重量降低60%。目前還在開發(fā)氣相沉積薄殼鎳基合金模具，低溫固化復(fù)合材料制的模具、碳泡沫模具以及納米技術(shù)改性模具等。
3.6手工鋪層在次承力結(jié)構(gòu)制造中仍不可替代
手工鋪層在定貨量小，質(zhì)量要求高的場合仍廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點是可使蒙皮厚度有大的變化，進行局部加強。目前手工鋪層使用了許多專用設(shè)備來控制和保證鋪層的質(zhì)量，如復(fù)合材料預(yù)浸料自動剪裁下料系統(tǒng)、鋪層激光定位系統(tǒng)等，從而將依賴于樣板的制造過程轉(zhuǎn)變?yōu)榭筛鶕?jù)復(fù)合材料設(shè)計軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件進行全面運作的制造過程。在某些形狀復(fù)雜的次承力構(gòu)件制造中，手工鋪層仍是不可取代的。手工鋪層的缺點是要求鋪層人員有很高的技藝和施工經(jīng)驗，手工鋪貼費工費時，效率低、成本高（占總成本的1/4），難以適應(yīng)大批量生產(chǎn)和大型復(fù)雜復(fù)合材料制件的生產(chǎn)要求。
4.結(jié)論
先進復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用和發(fā)展很大程度上取決于復(fù)合材料技術(shù)和工藝制造技術(shù)的快速進步。在目前及未來一段時期內(nèi)，在適當保留傳統(tǒng)手工制造的基礎(chǔ)上，耐高溫、耐腐蝕、高強度等高性能復(fù)合材料及數(shù)字化、自動化、低成本制造技術(shù)是航空復(fù)合材料發(fā)展的主要方向。
參考文獻
[1] 益小蘇.先進復(fù)合材料技術(shù)研究與發(fā)展[M].國防工業(yè)出版社，2016，（5）.
【飛機復(fù)合材料先進制造技術(shù)探究論文】相關(guān)文章：
探究泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀論文09-29
淺析先進機械制造技術(shù)及工藝10-09
自動化技術(shù)在機械制造的應(yīng)用探究10-21
淺論復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展論文08-14
對復(fù)合材料飛機上靜電放電的研究05-14
淺談提高先進制造技術(shù)教學(xué)質(zhì)量的探討07-16
關(guān)于航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展的回顧及展望論文05-26
金屬基復(fù)合材料論文10-27