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單位：中航工業(yè)洪都集團(tuán) 作者：馬軍 龍國(guó)榮 林業(yè)明 以熱壓罐成型技術(shù)為主制造的航空先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在各類飛機(jī)制造上都不同程度進(jìn)入了批量生產(chǎn)階段，有的型號(hào)已生產(chǎn)了數(shù)百架份的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，并經(jīng)過(guò)了十多年的使用考核，為進(jìn)一步擴(kuò)大先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用提供了實(shí)用的工程經(jīng)驗(yàn)。但我們必須清醒看到，先進(jìn)復(fù)合材料的制造成本居高不下、批產(chǎn)中質(zhì)量的不一致性、對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料特性缺乏足夠的認(rèn)識(shí)等仍然是阻礙先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上擴(kuò)大應(yīng)用的主要因素，這也是我國(guó)航空先進(jìn)復(fù)合材料與先進(jìn)國(guó)家航空復(fù)合材料應(yīng)用差距巨大的問(wèn)題所在。因此，立足現(xiàn)有的熱壓罐法，如何降低其制造成本是我們的當(dāng)務(wù)之急，如選用工藝特性優(yōu)良的樹脂體系、國(guó)產(chǎn)輔助材料的采用、成型模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及過(guò)程細(xì)節(jié)的嚴(yán)格控制等，都可以在降低制造成本的同時(shí)，明顯的提高制件的合格率。本課題針對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)成型的產(chǎn)品，從材料開發(fā)、工藝優(yōu)化、性能檢測(cè)到售后服務(wù)等環(huán)節(jié)，以低成本為主導(dǎo)線，詳細(xì)描述了一個(gè)熱壓罐共固化技術(shù)工程化的范例，達(dá)到了在熱壓罐成型方面明顯降低制造成本的目的。 內(nèi)容來(lái)自123456 技術(shù)難點(diǎn) 復(fù)合材料共固化技術(shù)要進(jìn)入工程化，必須從材料、工藝、檢測(cè)和售后等環(huán)節(jié)入手，高產(chǎn)品質(zhì)量與低制造成本并行研究，高生產(chǎn)效率與低缺陷率并行考慮，建立低成本、高質(zhì)量、高效率和低缺陷的復(fù)合材料工程化制造體系，達(dá)到整個(gè)工程的低成本化、技術(shù)完整化。 先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)工程化要實(shí)現(xiàn)低制造成本必須攻克的技術(shù)難點(diǎn)主要有： （1） 低成本的原材料貨源和多品種預(yù)浸料的開發(fā)與儲(chǔ)備； copyright 123456 （2） 共固化技術(shù)所需輔助材料的國(guó)產(chǎn)化研究； （3） 共固化成型工藝的優(yōu)化； （4） 產(chǎn)品性能檢測(cè)項(xiàng)目的合理性以及產(chǎn)品質(zhì)量的保證； （5） 先進(jìn)復(fù)合材料制品缺陷修復(fù)手段和修復(fù)后的性能表征。 技術(shù)方案 1 多品種預(yù)浸料的開發(fā) 由于復(fù)合材料的基體用原材料性能不穩(wěn)定，加上材料體系易受運(yùn)輸、保管等因素的影響，使得預(yù)浸料的工藝性能出現(xiàn)較大的差異，從而影響先進(jìn)復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量。此外，先進(jìn)復(fù)合材料件在固化過(guò)程中出現(xiàn)的某些局部缺陷，由于很難找到一種與之性能相當(dāng)?shù)臉渲w系對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，構(gòu)件因不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求而無(wú)法使用，增加了構(gòu)件的制造成本。 123456 為提高和穩(wěn)定先進(jìn)復(fù)合材料的成型質(zhì)量，降低先進(jìn)復(fù)合材料的制造成本，我們根據(jù)不同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件研制開發(fā)了中高溫度固化、韌性不同的NY9200環(huán)氧樹脂體系，原材料均為國(guó)產(chǎn)，價(jià)廉易購(gòu)；其配制工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量穩(wěn)定，可用于濕法或干法預(yù)浸，無(wú)污染，易工程化；其預(yù)浸料具有貯存期長(zhǎng)，固化溫度帶寬，固化時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)；其先進(jìn)復(fù)合材料具有韌性和機(jī)械性能兼優(yōu)的特性，完全可滿足使用溫度為80～130℃的國(guó)內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料對(duì)樹脂基體的要求。其先進(jìn)復(fù)合材料層壓板的基本性能如表1所示。  該樹脂體系復(fù)合材料已批量用于各類航空產(chǎn)品，經(jīng)測(cè)算每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約120元，其制造成本的降低貢獻(xiàn)率為8.6%。 123,123 2 輔助材料的國(guó)產(chǎn)化研究 共固化技術(shù)采用的是真空-氣壓相結(jié)合的熱壓罐成型法，為保證先進(jìn)復(fù)合材料的制造質(zhì)量，工藝上通常選用的輔助材料有隔離膜、脫模布、真空袋膜和透氣氈等材料。由于國(guó)內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展起步較晚，因此，國(guó)內(nèi)許多廠家所用的輔助材料均依賴于進(jìn)口，這樣不僅價(jià)格高，需花費(fèi)大量的外匯（輔助材料成本約占材料總成本的80%），而且還常常因進(jìn)貨渠道等問(wèn)題難于保證生產(chǎn)的進(jìn)度需要，特別是先進(jìn)復(fù)合材料制造成本方面，嚴(yán)重地阻礙了這一先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的調(diào)研和試驗(yàn)，我們?cè)谏a(chǎn)中已確定用多種國(guó)產(chǎn)輔助材料替換進(jìn)口輔助材料。國(guó)產(chǎn)化輔助材料的應(yīng)用，打破了完全依賴進(jìn)口的被動(dòng)局面，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)輔助材料的研究進(jìn)程，使制造成本大大下降。 123456 在工程化應(yīng)用實(shí)踐中，輔助材料的樣板化下料也是減少生產(chǎn)成本的的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)輔助材料的使用和生產(chǎn)環(huán)節(jié)過(guò)程中的規(guī)范下料，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約470元，制造成本降低貢獻(xiàn)率高達(dá)33.6%。 本文來(lái)自123 3 共固化成型工藝的優(yōu)化 對(duì)于封閉式盒形典型結(jié)構(gòu)部件，通常是采用對(duì)合?？刂仆庑危瑑?nèi)腔橡膠軟模施壓的共固化工藝技術(shù)，也就是在對(duì)合模具中，在預(yù)浸料蒙皮、墻體間采用特種橡膠軟模及真空系統(tǒng)將墻體與蒙皮一次性成型出來(lái)，如圖1(a)所示。在加溫固化過(guò)程中，對(duì)預(yù)制品施加壓力是靠橡膠軟模的熱膨脹力來(lái)完成的。這種成型工藝使用的橡膠軟模成本極高，且存在以下的問(wèn)題：  （1）對(duì)于預(yù)浸料蒙皮或墻體設(shè)計(jì)層數(shù)較多時(shí)，材料中的小分子物較難排盡，產(chǎn)品容易產(chǎn)生疏松及孔隙率缺陷。 內(nèi)容來(lái)自123456 （2）橡膠軟模是作為壓力源使用的，由于橡膠軟膜較厚，尤其是在角區(qū)，其膨脹能力與其他部位存在差異，不能使墻和蒙皮的過(guò)渡角區(qū)完全貼合，導(dǎo)致蒙皮與墻體脫粘、疏松。 （3）軟模各部位的熱膨脹力的計(jì)算復(fù)雜，使用次數(shù)有限，成型模設(shè)計(jì)要求高。 （4）軟模在加熱過(guò)程中因熱傳導(dǎo)問(wèn)題，導(dǎo)致制件加熱固化不定因素增多，引起固化后質(zhì)量不穩(wěn)定。 針對(duì)上述問(wèn)題，我們經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，在工程化生產(chǎn)中不斷改進(jìn)，將軟模共固化工藝優(yōu)化為圖1（b）所示形式，利用這種工藝方案連續(xù)生產(chǎn)300多架份的復(fù)合材料產(chǎn)品，質(zhì)量一直穩(wěn)定。 為提高工程化生產(chǎn)的質(zhì)量，在共固化技術(shù)上除了采用上述工藝方案外，還在預(yù)固化參數(shù)、控制含膠量、氣體導(dǎo)流和尺寸控制等方面采取了優(yōu)化技術(shù)，使熱壓罐共固化技術(shù)達(dá)到最優(yōu)化，產(chǎn)品合格率達(dá)到99%以上。 copyright 123456 通過(guò)對(duì)共固化工藝的多方面優(yōu)化，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約600元，對(duì)制造成本降低的貢獻(xiàn)率為42.8%。 4 性能測(cè)試項(xiàng)目?jī)?yōu)化方案 先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件在固化成型后必須進(jìn)行外形尺寸檢驗(yàn)、內(nèi)部質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)和隨爐試樣的強(qiáng)度測(cè)試。檢查時(shí)間與整個(gè)制件成型時(shí)間相當(dāng)。由于產(chǎn)品進(jìn)入批量生產(chǎn)，隨爐試樣要耗費(fèi)公司大量的人力物力，因此如何優(yōu)化隨爐試樣的測(cè)試項(xiàng)目也是提高生產(chǎn)效率、降低制造成本的一個(gè)方面。隨爐試樣的性能不是用來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的，而是用來(lái)考核工藝的穩(wěn)定性的，根據(jù)國(guó)際航空復(fù)合材料轉(zhuǎn)包生產(chǎn)的一貫作法以及我公司在對(duì)60罐次的隨爐試樣的性能測(cè)試值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，將4項(xiàng)指標(biāo)減為2項(xiàng)，即留下層間剪切和含膠量。 123456 通過(guò)對(duì)性能測(cè)試項(xiàng)目?jī)?yōu)化，每生產(chǎn)1kg的復(fù)合材料制件可節(jié)約制造成本約120元，對(duì)制造成本降低的貢獻(xiàn)率為8.6%。 5 修補(bǔ)技術(shù)研究 進(jìn)入工程化生產(chǎn)后，由于大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用，在此過(guò)程中難免存在缺陷/損傷，先進(jìn)復(fù)合材料制件的生產(chǎn)和售后服務(wù)成為急待解決的問(wèn)題。通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)和強(qiáng)度性能測(cè)試，我們對(duì)各種缺陷/損傷類型給出了具體的修補(bǔ)方案，形成了修補(bǔ)文件。除常用的注射樹脂修補(bǔ)、填充和灌注修補(bǔ)、螺接外補(bǔ)強(qiáng)板修補(bǔ)以及膠接外補(bǔ)強(qiáng)板修補(bǔ)方法外，還根據(jù)我們公司復(fù)合材料制件的特點(diǎn)研制了適用于撞擊及碰傷導(dǎo)致的先進(jìn)復(fù)合材料制件內(nèi)部疏松、分層、蜂窩受損等缺陷/損傷的修補(bǔ)法，如預(yù)浸料補(bǔ)片法、固化補(bǔ)片法。這些方法的技術(shù)難點(diǎn)在于補(bǔ)片的同心度控制和缺口斜階的控制。在同心度方面專門研制了一套定位板用于取樣和定位，在斜階方面通過(guò)特制工具和試驗(yàn)獲得斜階的長(zhǎng)厚比。 123456 在共固化技術(shù)工程化應(yīng)用的前期，我們?cè)霈F(xiàn)過(guò)制造質(zhì)量不滿足設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象，通過(guò)我們的修補(bǔ)技術(shù)，該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件已使用多年，并且質(zhì)量一直良好。在這方面，平均對(duì)制造成本降低貢獻(xiàn)率達(dá)到6.4%。 結(jié)論 先進(jìn)復(fù)合材料共固化技術(shù)在某型機(jī)上自90年代初得到應(yīng)用以來(lái)，已生產(chǎn)了350余架次，實(shí)現(xiàn)了工程化的目標(biāo)。通過(guò)原材料的開發(fā)、輔助材料的國(guó)產(chǎn)化研究、共固化工藝的優(yōu)化、性能測(cè)試項(xiàng)目的優(yōu)化和修補(bǔ)技術(shù)的研究，將一套完整共固化技術(shù)應(yīng)用于批生產(chǎn)的同時(shí)，又獲得了極大的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了低成本共固化技術(shù)的工程化應(yīng)用。通過(guò)該材料的工程化應(yīng)用，我們可得出以下的結(jié)論： 123,123 （1）金屬-橡膠組合式芯模用于盒形結(jié)構(gòu)受力部件的共固化成型，能夠?qū)崿F(xiàn)均壓效果，并能有效降低制造成本； （2）國(guó)產(chǎn)化輔助材料的應(yīng)用，能夠滿足復(fù)合材料制造使用工藝要求，降低工程化制造成本； （3）工程化生產(chǎn)的隨爐試樣（片）性能跟蹤測(cè)試項(xiàng)目，可以進(jìn)行優(yōu)化選擇，以降低生產(chǎn)成本； （4）工程化生產(chǎn)的同時(shí)，開展有針對(duì)性的修補(bǔ)技術(shù)研究，既可解決生產(chǎn)過(guò)程中超差品的修補(bǔ)問(wèn)題，也是產(chǎn)品使用過(guò)程的有效保障，技術(shù)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效果兼得； （5）降低熱壓罐成型法制造成本的其他有益研究還有待不斷開發(fā)。 |
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