试论航空复合材料构件精确制造技术及应用

郑志伟

复合材料的应用优势较为明显，强度高、耐疲劳性强，是目前航空构件应用材料的重要组成，在飞机制造中的用量比较多，而且在飞机各个部位的构件中都有所应用。复合材料精确制造技术的应用可以提高飞机构件的制造精度，实现该技术的有效应用可以对制造环节中的施工工艺进行精确控制，避免受到多种因素的影响而出现变形情况。基于此，本文对航空复合材料构件精确制造技术及应用进行了探究。

一、工装设计和制造的精确控制

复合材料构件在制造的过程中，一般都是在热压罐和固化炉的作用下成型，所以构件的尺寸和结构形状成型工装有着直接的关系。在进行复合材料构件工装设计时，按照构件的应用需求进行设计，但是在固化成型的过程中，复合材料会受到温度的影响，导致成型的尺寸大小存在着一定的偏差，影响构件的尺寸精度。

李桂东等认为工装支撑结构中的通风口，对热压罐空气循环系统中空气的流动影响较大，如果工装支撑结构中的通风口开口方向和大小设计不合理，将影响工装模板表面的受热均匀性，导致工装型面变形不均匀，影响复合材料构件的成型精度。FERNLUND等对比了脱模布与脱模剂对复合材料构件变形的影响，结果表明相同的固化工艺条件下脱模剂比脱模布对复合材料构件变形影响更大，主要是因为脱模布在工装受热膨胀后能随工装生长，而脱模剂作为树脂聚合物很难随工装生长，复合材料构件与脱模剂制件又产生二次变形。

所以工装结构和工装材料是影响构件精度的重要因素。想要消除膨胀系数对复合材料构件的影响，可以应用与复合材料膨胀系数相似的材料，在设计的过程中对不同种类的材料进行合理分配，确定好每种材料的位置，这样保证制造精度。

二、固化温度场的精确控制

热固性和热塑性复合材料构件在制造的过程中，高温高压和真空是不可缺少的因素。特别是热固性复合材料构件，会在高温高压的环境中发生一系列的反应，从而进行固化，对复合材料构件的成型有着非常重要的作用。构件在固化的过程中，不同部位的温度情况对最终的构件精度有着直接的影响。温度场中包括的内容有很多，可以进行加热升温处理，对温度进行协调控制，是一个综合性较强的系统，可以保证构件温度的均匀性。

复合材料构件在固化过程中，不同部位温度的差异性是导致构件变形的主要因素，而且还会产生温度应力，对复合材料的精度有着一定的影响，所以在进行飞机构件的制造时，需要对固化温度场的进行科学控制，保证整体精准度。对于体积和尺寸较大的构件，如果在固化过程中温度上升或者下降的速率比较快，就会对整体的热均匀性影响，导致不同位置的温度存在较大的差异。温度不同对复合材料的影响也不同，在固化的过程中就会产生不同的温度应力，从而导致复合材料构件出现弯曲或者变形的情况。这就需要对固化温度场的升温和降温的速率进行精准控制，但是如果速率过低，虽然可以避免构件温度梯度的产生，也会增加投入成本，影响整体的经济效益。所以要确定好复合材料构件固化过程中的温度和温度场的升温、降温速率。一般来讲，航空复合材料构件成型时，升温速率一般不超过2℃/min，降温速率一般为2～3℃/min，复合材料构件出罐后需后固化4h以上。

三、固化压力的精确控制

真空袋--热压罐法成型复合材料构件时，预浸料被热压罐固化压力紧紧压贴在成型工装表面，热压罐开始升温后复合材料构件与成型模具之间产生剪切应力。随着温度的升高预浸料的树脂进入橡胶态阶段，此时复合材料构件的剪切模量很低，靠近成型工装型面的预浸料的铺层受到的剪切应力远大于非贴膜面的预浸料的铺层，使得在复合材料构件厚度方向形成一个应力梯度，由于固化压力的作用使得应力梯度随着树脂交联固化而被迫残留在构件内部，直到复合材料构件完全固化。在复合材料构件脱模后，残留在构件内部残余应力得到释放而导致构件发生变形。

在热压罐固化过程中由于热压罐内的固化压力分布不均匀导致复合材料预浸料构件受压不均，使得复合材料构件不同部位的树脂含量不尽相同。树脂含量的差异直接造成构件不同部位的固化度不一致，引起固化收缩，造成构件的变形和翘曲。Twigg等研究了复合材料构件在不同的固化压力下构件的变形量，可以看出随着固化压力的增加复合材料构件的翘曲和变形增加，使得复合材料构件的制造精度降低。

荀国立等研究了外加压力和真空压力对复合材料构件内部孔隙率的影响。认为固化压力达到一定值时压力对复合材料构件孔隙率的影响有限。原因在于压力达到一定值时，内部已经压实厚度不再减少。而越早加压和较小的真空对减少复合材料构件内部孔隙率越有利。

综上所述，压力对复合材料构件内部质量有较大影响。在厚度一定的条件下，随着固化压力的增大，复合材料构件的孔隙率逐步降低，而构件的变形量增大。降低复合材料构件成型的真空度可以改善构件内部质量。

四、结论

复合材料构件的制造精度受到多方面因素的影响，比如材料质量、工装结构和温度环境等，则就需要对影响构件精度的因素进行了解，采取有效的措施进行控制，以此提高成型后的零部件精度。

在进行工装设计的过程中，可以应数字模拟仿真技术对飞机构件的外形进行模拟，对构件成型后可能发生的变形情况体现出来，并结合相关数据对构件的变形部位进行补偿，对各项参数进行优化和调整，这样在实际进行工装制造的过程中就可以直接按照优化后的数据参数进行制造，可以降低复合材料成型后产生的制造精度差异。还将生产过程中的温度环境控制在合理的范围内，保证整体的均匀性，这样可以提高飞机构件的外形精度，降低应用过程中对飞机整体结构造成的影响。

对复合材料优化成型工艺进行优化和完善，对各方面的影响因素进行控制，以此提升复合材料构件精度制造水平，推动技术的应用和发展。

参考文献：

[1]姜宇,孙飞.航空复合材料构件精确制造技术探讨及应用[J].军民两用技术与产品,2018(12):133.

[2]陈丽凤.航空复合材料制造技术及发展趋势探讨[J].装备制造技术,2017(8):80-81.