航空复合材料零件制造工艺及设备应用

张海杰

摘 要： 航空复合材料零件普遍具有尺寸大、精读要求高的特点，利用现代化制造设备进行生产能够有效提高其性能质量，因此航空复合材料零件制造工艺及设备的合理选择，具有非常重要的现实意义。本文在简要阐述航空复合材料制造工艺现状的基础上，重点分析了目前主流制造工艺的应用要点，以期为相关主体提供有益借鉴。

关键词： 航空复合材料；零件制造；工艺特点；设备应用

现代化复合材料是以有机高分子材料为根本依托，以高性能连续纤维作为增强材料，采用专业的工艺设备生产而来，无论在结构稳定性还是外形精确度上，都有着明显的优势。目前，复合材料凭借超强的性能优势，被广泛应用于航空航天零件制造领域，成为新一代航空器的主要材料，并成为了航空结构先进水平的重要衡量标准。

1、航空符合材料制造技術与设备基本概况

航空复合材料具有尺寸大、结构复杂、精准度要求高等特点，这也决定了其制造技术与设备的先进性，而传统的制造工艺已经无法满足现实发展要求，尤其是高性能、大差量、强精准的要求，甚至已经对复合材料技术的发展产生了制约。所以近年来，有关航空复合材料制造技术与设备的研发成为了业内外一大热点，并取得了突破性进展，产生了许多先进的制造技术与设备，具体如下：

1.1数字设计与模拟技术

数字化设计可以有效确保产品结构研发的科学性，是提高产品制造质量、提高产品研发效率、降低产品研发成本的重要保障。而数字化模拟能够全面提升工艺制造自动化水平和产品合格率，常见的数字化模拟技术主要有铺层、浸渍、固化成形等。

1.2自动化制造技术

目前，以自动铺带、自动铺丝等为代表的自动化制造技术，已经成为复合材料零件制造的主流工艺，凭借其较高的制造效率赢得了业内广泛认可。自动铺层技术完全实现了复合材料零件制造的高精准性和高效率性，是传统人工铺层效率的十倍之多，全面降低了制造成本。

1.3低成本制造技术

目前，在航空零件制造的总成本中，有七成以上是复合材料零件所占据，尤其是随着复合材料研发的深入推进，低成本制造技术开始成为该领域的重要研究方向，其中尤以RTM技术最具代表性，并得到国际的普遍认可，成为了复合材料低成本制造技术发展的一大转型技术。

2、航空复合材料零件制造工艺与设备的应用

2.1航空复合材料指制造技术及特点

2.1.1 RTM 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。

2.1.2 RFI 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。

2.1.3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制造技术，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。

2.1.4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。

2.2航空复合材料指制造设备与应用

为满足航空复合材料零件制造工艺的技术要求，就必须配备显影的制造设备，也就是说要充分满足制造设备高自动化、高精准度、高性能强度的基本要求。不同于传统的制造设备，这些设备对复合材料厂房工程设计有着较强影响，要求在进行厂房设计时必须要充分考虑到这些设备的工作原理、系统构成、运营条件等因素。对此，本文将对航空复合材料零件制造工艺流程中所需的重点设备进行介绍，包括热隔膜成型机、自动铺带、铺丝设备、RTM成型系统，具体如下：

2.2.1热隔膜成型机。该设备就是将预浸料铺放后形成的胚料置于模具上，然后在特质隔膜的作用下，采用抽真空、加热等方法，对胚料进行压缩最终形成相应的形状。热隔膜成型具有稳定性强、外表平滑度高的优势，经常被应用于飞机C形梁和长桁的制造中。热隔膜成型机主要由加热箱体、真空系统、控制系统等核心要件构成。目前，常见的航空复合材料零件制造中，热隔膜成型机加热箱体长达21m，并由工装预热库支架和主加热库支架构成。为充分满足预热成型的要求，工装支架和预浸料支架必须要按照既定线路进行移动，这就决定了整个设备工作区的面积最低也要25m×16m。因热隔膜成型机具有占地面积大、重量大的特点，所以放置该设备的厂房中还要配有起重设备。还有，热隔膜成型机需要进行抽真空操作，这就要求必须配备空气处理机，同时还要充分考虑厂房位置、进风排风管位置等因素进行合理布置。

2.2.2 RTM成型系统。RTM技术是一种低成本复合材料制造技术，生产出的零件质量好，尺寸精度高并可净尺寸成型，适合用于大体积、高强度、复杂结构复合材料零件的制造生产，RTM技术在大型客机复材零件制造领域得到广泛应用。

RTM工艺过程为：首先采用编织、针织、缝纫等技术制备纤维预制体，在模具内放置预制件，在压力注入或外加真空辅助条件下，液态、具有反应活性的低黏度树脂贯穿流动并充填闭合模具，排出气体同时浸润并浸渍干态纤维结构。在完成浸润浸渍后，树脂在模具内通过热引发交联反应完成固化，最终得到成型的制品。

目前已经有多种形式的RTM，如真空辅助RTM（VARTM）、压缩RTM（CRTM）、树脂渗透模塑（SCRIMP）、真空辅助树脂注射（VARI）等十多种方法。其中VARI技术是RTM中一种新型的复合材料低成本、高性能成型技术，近年来在航空领域受到广泛的重视，该技术是在真空状态下，利用树脂的流动、渗透实现对纤维及其织物的浸渍，并在真空下固化的成型方法。

VARI技术首先需要将纤维编织成预制体，预制体的编织需要采用自动缝合设备，一般大尺寸复杂零件需要采用三维自动缝合机进行三维编织。

VARI技术成型系统主要由储存罐、真空系统、调温系统、控制系统、模具及传输系统等组成，成型的工艺为：将缝合或编织的干纤维预成形件放在VARI成型系统的上下模具之间，合模后将树脂以一定的压力注入，VARI成型系统在一定温度和真空状态下，将零件固化成型，最后开模取出产品。

RTM成型系统的三维缝合机布置于洁净间内，成型需使用大型烘箱，靠近厂房的净化间，便于零件制造成型。

3、结束语

综上所述，复合材料制造技术是现代飞机制造工程的支柱技术之一，其在航空制造领域的应用，提升了生产制造的效率，同时增强了客机的性能与安全性。作为技术人员应当重视对航空复合材料零件制造工艺及相关设备的研究与应用，促进我国航空事业健康发展。

参考文献

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