某大型客机复合材料中央翼加筋上壁板制造技术研究

2016-09-27朱攀星杨绍昌郭俊刚马煜亮房晓斌

国防制造技术 2016年2期

关键词：壁板轴线工装

朱攀星　杨绍昌　郭俊刚　马煜亮　房晓斌

（中航飞机西安飞机分公司，陕西西安，710089）

某大型客机复合材料中央翼加筋上壁板制造技术研究

朱攀星杨绍昌郭俊刚马煜亮房晓斌

（中航飞机西安飞机分公司，陕西西安，710089）

本文通过某大型客机复合材料中央翼加筋上壁板制造成型试验，对大型客机复合材料主承力构件制造技术进行了多方位的研究探索和试验验证，实现了复合材料零件生产过程的全数字化，制造出满足试验指标的复合材料中央翼上壁板组件。结果表明，建立的湿蒙皮+干长桁共胶接等解决方案，技术风险低，无损质量高，对长度4米以下的复合材料长桁加筋壁板制造提供一种思路。

复合材料；中央翼；加筋；上壁板；制造

先进树脂基复合材料具有比强度、比刚度高，可设计性强，抗疲劳性能好以及特殊的电磁性能等独特优点，随着现代飞机不断追求高性能的步伐，复合材料在航空制造领域获得了越来越广泛的应用，逐步成为飞机结构主要材料之一。今天，复合材料所占机体结构重量百分比已成为衡量飞机先进性的重要标志。

中央翼处于全机结构的枢纽，受力情况严重、协调关系复杂，将复合材料应用于飞机中央翼主承力结构，代表着国际航空领域发展的最新趋势，近年波音、空客陆续投入市场的新机型B787、A380均采用了复合材料中央翼结构。《某大型客机中央翼复合材料制件成型工艺研究》涉及大量新材料、新工艺，技术难度大，质量要求高，对提升我国航空复合材料制造技术、国产大型客机后续改型升级意义重大。

1　零件结构介绍

某大型客机复合材料中央翼上壁板外廓尺寸长3814mm，宽2791mm（见图1），材料选用进口新型T800高强中模碳纤维环氧单向预浸料，层压加筋板结构，壁板变厚度，最大厚度10mm，两端带下陷。长桁数量17根，其中“工”形15根，“T”形2根，间距142mm，厚度5.75mm。上壁板与前梁、后梁、展向梁、1号肋有装配关系。

2　主要技术指标

2.1铺层角度公差

上壁板蒙皮自动铺带：±1°；长桁手工铺贴：±2.5°。

图1　上壁板结构图

图2　上壁板成型工艺流程

2.2结构轴线偏差

普通长桁的结构轴线偏差为±2.0mm；与展向梁连接的长桁结构轴线偏差为±1.5mm。

2.3贴模间隙

在50N力轻压下，允许零件贴模间隙不超过0.3mm。

2.4无损缺陷

2.4.1分层

允许缺陷的面积不得大于30mm2，最大尺寸不得大于9mm，合计不超过2处，相邻缺陷区域边缘最小距离不得小于180mm。

2.4.2脱胶

允许缺陷的面积不得大于30mm2，最大尺寸不得大于6mm，合计不超过2处，相邻缺陷区域边缘最小距离不得小于260mm。

3　技术难点及解决措施

3.1整体成型技术

目前，复合材料整体成型技术一般包括二次胶接、共胶接、共固化三种。共固化技术，众多零件在一次成型中完成各自成型和相互之间连接，一方面大大降低了固化成本，省去了频繁进罐，另一方面大大减少了紧固件数量，节省了装配周期。不过，共固化技术工艺复杂，对工装结构、人员技能要求较高，一旦成型后出现质量问题，修复和处理难度较大，风险较高。二次胶接技术下级零件可以分别提前成型，降低了零件制造难度，缺点是需要多次进罐，固化成本较高，且在形成组件过程中，干干配合，配合部位协调难度大，容易产生无损缺陷，界面胶接强度低，主承力构件一般不采用。共胶接技术是介于上述两者之间的一种整体成型技术，对于结构复杂、无损质量不易保证的零件可以像二次胶接一样提前固化，对于结构简单的零件自身固化与组件形成在一次过程中完成，既降低了技术难度，又节约了固化成本。

通过综合考虑，确定中央翼上壁板采用共胶接技术。共胶接技术有两种，一种是干蒙皮加湿长桁结构，一种是湿蒙皮加干长桁结构。干蒙皮加湿长桁结构，优点是蒙皮先成型，表面平整、质量高，缺点是共胶接工装必须采用组合结构，形式复杂，需要专门设计长桁腹板侧向传压装置，长桁质量不易保证。湿蒙皮加干长桁结构，长桁质量可控，工装结构简单，但需采取工艺措施保证蒙皮表面平整度，国外采用较多，因此中央翼上壁板采用湿蒙皮加干长桁结构，工艺流程见图2。

图3　上下合模长桁成型工装示意图

3.2长桁成型技术

长桁成型的难点在于保证成型后的无损质量，通常长桁成型采用左右组合工装结构，该方法的特点是无余量加工，长桁成型后仅需简单的修整，缺点是工装结构复杂，制造难度大，工装的配合精度的细微缺陷都将影响长桁无损质量。针对中央翼上壁板长桁，我们采取了另一种工装结构形式，既上下合模式组合工装结构（见图3），该结构的优点是工装制造简单，成型过程中零件传压好，无损质量易于保证，但固化后需对长桁周边进行铣切加工。

3.3自动铺带技术

采用自动铺带技术，一方面可以大大提高生产效率，另一方面降低了对人员技能的依赖，制件质量大幅提高，目前国外已在B787、A380等型号上广泛应用，但国内尚处于设备引进、技术熟悉的起步阶段。

本研究使用M.Torres公司生产的自动铺带机，采用TORLAY软件进行铺带编程，该软件只能识别Catia V5软件的composites模块设计的复合材料铺层信息，第一步必须对FiberSIM软件中的铺层信息进行转化。模型转换工作完成后，进入铺带编程软件Torlay进行参数设置，设置的参数包括材料幅宽，铺带间隙，铺贴压力，每层的铺贴起始点，错缝规则，施压参考面等，最后生成自动铺带铺层。为保证铺贴过程中自动铺带角度、间隙不超出设计要求，保证零件质量，建立好铺带铺层后，还需进行铺带间隙和角度仿真分析。通过仿真分析，壁板铺带间隙0.5～1.5mm，铺带角度44.6～45.1°，满足设计要求。上述工作完成后，输出包括TAPE轮廓、铺贴方向、铺贴顺序的铺带程序，通过设备运行路径碰撞仿真，便可用于零件自动铺带。

3.4长桁轴线控制技术

中央翼上壁板通过长桁与1#肋和展向梁连接，长桁轴线偏差对产品质量影响巨大，必须严格控制。针对中央翼上壁板布置17根长桁，数量较多，长度接近4m，尺寸较长的结构特点，为解决长桁轴线两端头和中部定位准确度问题，采取定位孔、定位卡板等措施，提高长桁组合定位精度，避免长桁固化过程中滑移和窜动。

方法1：定位孔定位，分别在长桁零件两端和成型工装两端制出定位孔，二者孔位相互协调，孔径一大一小，位置对角布置，长桁定位孔脱模前通过钻模制出，装配时通过销棒固定在工装底孔上，以保证长桁端头位置准确度，制袋封装过程中销棒不取出，随零件一起固化。

方法2：定位卡板定位，沿长桁长度方向布置3道卡板，卡板与长桁理论平面贴合，通过抽真空压实检查长桁下缘条与壁板的间隙以及长桁轴线偏差量大小，根据间隙大小及长桁轴线偏差确定胶膜补偿层数，直至冷压实状态下轴线偏差符合设计要求。定位卡板制袋前取下，不与零件一同进罐。

3.5制袋封装技术

长桁与壁板组装通常采用的是芯模支撑方式，该方式芯模需分段，容易错混，芯模与长桁在R区配合不好，容易出现压痕和分层。针对中央翼上壁板长桁截面对称，变形较小的零件特点，独创了真空袋软模支撑法替代部段样件使用的刚性芯模支撑法，首先大大简化了工装，节约了工装材料和加工成本；其次，避免了已固化零件因变形与芯模R区等接触区域出现配合误差导致的干涉；第三，装配定位及胶接组合操作难度及劳动强度显著降低，生产效率大大提高。从试验结果来看，零件无损质量及几何外形都达到了预期目标。

4　试验结果

长桁、上壁板组件无损缺陷符合验收标准，分层及脱胶缺陷均小于30mm2；零件贴胎间隙0～0.15mm，未超过0.3mm；普通长桁结构轴线偏差最小+1.4mm，最大-1.6mm，满足±2.0mm要求；与展向梁连接的长桁结构轴线偏差+0.5～0.8mm，满足±1.5mm要求。某大型客机复合材料中央翼上壁板组件整体性能达到预期目标。