轻型飞机复合材料结构件工装的设计与制造Design and Manufacture of Tools for Composite Structures in Light Aircraft
南京航空航天大学昌河飞机制造公司张晖武厚忠
[摘要]探讨了轻型飞机复合材料结构件制造工装的设计与制造技术;论述了传统工艺的利与弊;介绍了全金属结构工装制造的几种方法。
关键词:飞机制造复合材料结构件
工装的设计与制造
[ABSTRACT]The design and manufacture method for tools used for composite structures in light air-crafts are studied.The advantages and disadvantages of traditional technology are discussed and several methods for manufacturing full metal tools are introduced.
Keywords:Aircraft manufacturing Composite structures Design and manufacture of tools
飞行器的复合材料结构件由于具有高比强度、高比刚度、良好的抗疲劳特性、抗腐蚀性、重量轻、可探测性低、隐身性好等一系列优点而被越来越多地采用。
尤其在轻型飞机、直升机结构中的应用更为广泛。
例如,在某些飞行器结构中,复合材料结构件的比重已经占到80%以上。
无数实践证明,采用复合材料结构件最重要的条件是设计、工艺、材料3方面紧密配合和相互促进。
其中,用于制造复合材料结构件的工艺装备设计制造的如何将严重影响到产品质量。
本文根据多年实践经验,对轻型飞机复合材料结构件生产所用工装的设计和制造问题进行了探讨。
1传统的工艺方法
飞机复合材料结构件的主要优点之一是容易成型形状复杂的构件。
不但组成构件的零件数量少,而且大大提高了结构的整体性。
采用复合材料结构件可获得比常规金属构件减重20%~30%的显著效果。
但要保证这一点,就必须设计制造一套具有复杂形状的成型工装。
传统的工艺方法是根据模线样板制造全木制样模,然后根据样模翻制成型模。
成型模的表面采用5~8mm厚的玻璃钢铺层,底座为焊接构架。
例如,AD 系列轻型飞机的成型工装就是采用这种方法制造的(图1)。
图1AD100轻型飞机机翼样模和成型模Fig.1Master model and forming die for the wing
of Model AD100light aircraft
其优点是:工装设计制造简单,生产周期短,制造成本低。
缺点是:工装制造精度低,使用过程中受温度、湿度变化影响大,容易变形,工装无法复制和检修。
对于飞行速度低,外形要求不高,产量少,采用常温固化复合材料结构件的飞机,选用这种方法是可行的。
2传统工艺的改进方案
针对飞行速度快,外形精度要求高,具有一定生产批量的飞行器,我们在传统工艺的基础上,对复合材料结构件成型工装的设计与制造做了以下改进。
首先,采用金属、木材及环氧材料相混合的结构制造标准模型(图2)。
模型的主要控制切面为数控线切割加工的切面样板,中间镶拼木料,木料上面的型面部分为10mm厚的环氧层。
标准模型底座是表面经过加工的金属底座。
成型模采用金属和复合材料相结合的结构。
采用表面经过加工的铸造金属网状底座,表面层采用含有增强纤维的复合材料,增加了卡板、定位器、压紧器等辅助设施,提高了成型工装的整体刚度,
新工艺#新技术#新设备
降低了变形程度,
保证了成型工装的制造精度。
图2 某型无人机机翼标准模型和成型模Fig.2 Master model and forming die for
the wing of drone aircraft 采用改进方案后,根据数学模型切面数据直接加工的切面样板成为控制切面的制造依据,飞机模线已不再作为工艺装备制造中的原始依据。
与旧的传统工艺相比,改进的方案提高了产品制造精度,可以对工装进行复制和检修,在我们研制的某型无人机生产中取得了较好的效果。
3 全金属成型工装
近年来,随着各种高性能复合材料的推广应用,生产过程中普遍采用真空袋、热压罐加热加压,不但要求成型温度高、成型压力大,而且对复合材料结构件在生产中的加热和冷却随时间变化的过程需要严格控制。
传统木制或由其他导热较差的非金属材料塑造方法制造的工装已无法满足工艺要求,不但成型模表面不耐高温,而且由于热膨胀系数不同,使得塑造层和金属结构之间容易开裂和脱落。
对一些高强度、高刚度纤维复合材料或透波率要求高的先进复合材料结构件成型过程,采用金属制造成型工装是可供选择的方案之一。
目前,国内外制造全金属成型工装最典型的方法是一体化技术的应用。
采用CAD/CAM 技术加工工装的型面,数据来源于飞机外形数学模型。
用钢或铝制造的模具导热性好,精度高,便于复制。
但这些方法需要大型的数控加工设备,模具笨重,制造成本上升。
近年来,随着先进树脂基复合材料应用的日益增多,努力降低复合材料构件使用成本已成为一种新的发展趋势。
由于降低树脂及纤维增强材料成本的浮动范围不大[1],所以,在复合材料结构件的设计制造上努力降低成本已成为人们追求的目标。
以下介绍在飞机复合材料结构件制造中采用的一种带有曲面外形、低成本的轻便工装(图3)。
这类工装同样采用一体化系统提供外形数据,由数控线切割机床或数控铣床加工带有切面外形的格板,由若干块格板组合成支撑面板的立体骨架,格板间用空心管状型材连接,并与各块格板一起组成一个稳定的单元。
为降低成本,用于组装格板的基座可以设计成通用的。
在通用基座上也可置有与工装格板上的孔相配的基准孔,用于装配各种长
度尺寸的工装。
图3 新型工装的制造过程
Fig.3 Manufacturing process of ne w type tools
(下转第58页)
新工艺#新技术#新设备
图纸上导梭齿的尺寸公差规定为?0.03mm。
对于尺寸17.055mm,在17.085~17.025mm之间都应视为符合要求,故量规公差的确定应建立在此基础上。
为保证量规检测的准确可靠,又兼顾其制造精度,并考虑到通规在使用中的磨损情况,通规定为17.055-0.022
-0.026,止规定为17.055+0.030
+0.026,公差带为0.004 mm,角度45b取45b?2c,以保证尺寸17.055mm的准确性。
(3)形状公差。
导梭齿量规不但有尺寸公差的要求,在A,B,C3个面上还有形状公差平面度的要求。
与普通检验孔径的量规不同(普通的孔径量规没有形状公差),导梭齿量规因要插入导梭齿中达75mm之深,故3个面一定要有平面度要求,才能保证量规能检测到每组齿的位置是否准确,确保检测的准确性。
在确定平面度时,还要考虑尺寸公差与形状公差的相关影响。
经过多方面考虑,取平面度为0.004mm是较合理的。
(4)材质。
导梭齿量规的材质定为T12A,经热处理后硬度为HRC60~64。
这充分考虑了量规在使用中的磨损情况,以延长其使用寿命。
3结束语
导梭齿量规的设计成功标志着洪都航空集团南飞纺机公司在导梭齿的检测方面有了新的突破,为今后导梭齿的制造提供了检测依据。
此外,量规还可用于单片热处理后的校形检查。
量规现已制造出来,经使用取得了满意的效果。
同时,还设计了前梭齿外形检验样板,这些都有利于导梭齿的研制开发,对推动片梭织机国产化有着积极的意义。
(责编小目)(上接第48页)
对于单曲度的面板一般用薄铝板或钢板滚压成形,然后采用胶接或焊接方法与骨架连为整体,见图3 (a)。
对于双曲度的工装,可加工一个曲面拉伸成型模胎,然后用它拉伸工装面板。
将面板胶接或焊接在构架上,最后将通用的、很重的基座移去,剩下的构架和已经胶(或焊)接上的面板一起构成一个完整的夹具。
再将结构装配中所需的一组外围轮廓定位器装上,成型工装就完成了,见图3(b)。
目前,国内外在低成本工装的设计制造上进行了很多探索,并已成功地运用到飞机制造中。
例如,在连接方式上充分考虑到温度补偿等等。
4结束语
今天,人们已经越来越认识到复合材料结构件成型过程中工装的重要性。
随着材料科学的发展,新型复合材料层出不穷,如何提高制造工艺水平,设计更合理的成型工装,充分体现材料的性能指标,降低成本,扩大应用领域,已成为我们努力的方向。
参考文献
1陈祥宝.先进树脂基复合材料.航空制造工程,1998 (3):3~7
2陈绍杰.第11届世界复合材料会议见闻.航空制造工程,1998(3):11~12
35航空制造工程手册6总编委会.航空制造工程手册#非金属结构件工艺.北京:航空工业出版社,1993
(责编根山)
技术改造#技术革新。