关键词：飞机全复合材料；进气道制造工艺；
在国内，以往大多数型号的直升机发动机进气道结构通常采用不锈钢加筋或钛合金板金结构，在进气道唇口防砂网抗鸟撞功能方面的研究还不是很够，也没有考虑旁通量的设计要求。采用整体不锈钢焊接成型，这种不锈钢板金结构的进气道不仅重量重、易裂，而且维修性也不是很好。
一、设计特点
某民用直升机发动机进气道选择复合材料蜂窝夹层结构作为主要构型。相对于金属构型，复合材料蜂窝夹层结构主要具有重量轻，比强度（σb/ρ）和比模量（E/ρ）高，各向异性和可设计性强，抗坠毁及承载能力高，损伤容限高，电磁防护能力强，破坏后的可修复性和隔热效果好，成本低等优点。
二、飞机全复合材料进气道制造工艺
1.材料选择。由于进气道连着发动机, 选用材料必须具有较好的耐高温性能, 长期使用温度不得低于10℃ , 同时为了满足进气道复杂的外形, 材料必须具有良好的铺叠性能。高温固化环氧玻璃布预浸料体系中,树脂为高温固化改性环氧树脂体系, 该体系长期使用温度可以达到120℃, 短期使用温度可以达到20 0℃ , 满足进气道工作要求; 且该树脂软化点低于30℃ , 成型工艺性和铺叠性好。增强织物采用缎纹玻璃布以保证铺叠过程中材料有良好的变形而避免较多的拼接。具有优异的力学性能、良好的耐湿热性能、优异的抗疲劳性能, 适合于成型先进复合材料制件。
2.模具方案。进气道产品设计采用全复合材料结构，树脂基复合材料预浸料铺贴，热压罐固化成型。进气道的侧视图呈S 形结构，结构形式复杂。同时，为了满足气动要求，进气道主体内型面要求光滑，产品不允许拼接。要满足上述技术要求，进气道产品必须采用阳模整体成型，但整体成型后，由于进气道结构复杂，两端截面形状差别很大，很难实现脱模。因此在模具方案的设计上需要采用新思路、新方法。金属模具成型方案是最为传统的一种复合材料产品成型方案。由于进气道结构复杂，不易脱模，模具采用整体阳模设计时，必须设计成多金属活块组合式结构，各活块内型在不影响模具结构强度的情况下作减重处理，各活块间采用螺钉、定位销等连接形式从内壁与中心转动轴连接，从而便于产品脱模时将活块按一定脱模次序逐块脱出。考虑到进气道尺寸较大，金属模具本身较重，设计时还需设计辅助支架来满足模具本身装配、拆解以及产品转动铺层需要。金属模具方案特点: ①模具设计复杂( 要仔细考虑各活块间的定位连接方式、组装方式及脱模方式) ，设计和制造周期长、成本高; ②模具型面精度高，但脱模复杂; ③模具使用周期长，适用于批量生产; ④由模具成型的产品内型面精度高，表面光洁度高。气囊模具成型方案的模具基本结构为上下模及气囊芯模。模具制作流程为: ①制作上下模; ②将上下模装配在一起形成产品整个型面，在型面上制作产品假件; ③根据成型的产品假件制作气囊芯模; ④利用制作好的上下模及气囊芯模按一定工艺方案成型产品。气囊模具成型基本流程: 首先在上下模中按产品设计要求铺层; 其次在已经铺好的复合材料预浸料的下模中放置气囊，将上下模以及带一定气压的气囊芯模组合装配到位; 最后在模具外制作完整的真空袋，使整套模具的内外压力均衡后，在热压罐中加温加压进行固化。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆气囊模具方案的特点: ①模具设计较复杂，由于要制作上下模和气囊芯模，模具制造周期较长，成本较高; ②模具上下模及由上下模成型制作的气囊芯模型面精度较高; ③上下模一般采用金属模制作，气囊芯模可采用硅橡胶制作，硅橡胶制作的芯模寿命较短，适用于小批量生产; ④由模具成型的产品内外型面都能够控制。在精度和表面光洁度方面，外型面较高，内型面稍差; ⑤由于气囊成型时充气膨胀压力均匀，不会使产品产生薄厚不一的现象，成型质量很高。水溶性模具成型的基本流程: ①根据复合材料产品的技术要求，选用合适的水溶性材料，经过配料、预成型、干燥、数控加工、表面处理等步骤完成水溶性模具制造; ②根据产品成型工艺方案完成复合材料产品的铺贴和固化成型; ③采用一定方式将水溶性模具用水溶解掉，完成复合材料产品脱模。水溶性模具方案的特点: ①模具设计简单，只需根据产品型面设计制作水溶性芯模即可，而且模具的制造周期短，成本低; ②模具预成型后采用数控加工型面，数控加工完成后，对模具型面进行表面光洁度处理，精度较高; ③模具完成一件产品生产后必须溶于水来实现产品脱模，属一次性模具，适用于研发阶段的产品试制及单件生产; ④由模具成型的产品内型面能够控制较好，精度较高，表面光洁度较高。
2.成型工艺方案。根据水溶性模具成型方案，制定进气道产品成型工艺方案如下:进气道产品的铺贴材料根据设计要求为树脂基体的预浸料。这种预浸料采用中温固化( 初始固化参数为在120℃下1h 固化) ，具有优良的粘接性能，可直接与蜂窝夹芯粘接而无需额外使用胶黏剂，成型方式可采用真空袋、热压罐或模压成型工艺进行固化成型。根据复合材料进气道产品的铺层和成型技术要求，结合水溶性石膏模具设计方案，制定复合材料进气道产品成型工艺流程如下:( 1) 脱模层制作: 铺脱模布于模具表面，制袋冷抽使之与模具表面完全贴实。( 2) 主体铺贴: 按产品设计铺层顺序把预浸料一层层铺贴在模具上，不允许一次多层铺贴。在铺层过程中每铺贴3 至8 层后抽真空预压实一次，以保证层间的真空压实。预压实时，抽真空不低于0. 08MPa，时间为15min 左右。( 3) 工艺组合: 铺层过程中将隔离膜、透气毡、真空袋等辅助材料按一定次序进行铺贴工艺组合。在石膏阳模上完成铺叠后必须进行预固化, 一方面完成树脂的硬化, 以保证从石膏模上脱模后不变形, 另一方面完成树脂的预吸胶, 保证厚度, 避免定型时大量的流胶。铺贴完成后，对制件进行密封性检查，保证产品制件真空度不低于－0.09MPa，停止抽气后10min 内真空度下降应不大于0. 02MPa。( 4) 固化: 将组合好、做完密封性检查的进气道产品制件放入热压罐中，按预定固化程序和固化参数进行固化。固化参数如下: 罐压0. 5MPa; 保压温度120℃; 保压时间1h; 升温速率与降温速率均≤3℃ /min。固化后，保持加压条件，产品制件冷却到60℃以下，卸压后出罐，自然冷却至室温。( 5) 脱模: 先用水慢慢浸湿石膏，再用工具将石膏模逐段破坏掉，最后完成进气道产品制件的脱模、清理和裁边工作
在对国内领先的几家复合材料产品生产企业进行广泛调研的基础上，集中分析了目前国内复杂型面复合材料产品的成型方案，并通过深入细致的分析，对三种成型方案的优缺点从八个方面进行了比较，从中选出了最符合当前进气道产品研制需要的水溶性石膏模具成型方案。然后在确定的水溶性石膏模具成型方案基础上，通过制定细致的成型工艺方案，一次性试制成功进气道产品，产品经检验后，性能指标均满足设计要求。此次进气道产品的试制成功，也为复杂型面复合材料产品的成型提供了一定参考。
参考文献：
[1]赵振业，赵英涛，何鲁林，等. 先进飞机结构材料的发展，材料工程 , 2018，（1）：4-8，11.
[2]崔巍，高军. 超声切割技术在复合材料加工领域的应用，航空制造技术，2017（6）：105-106.
[3]柯映林，金成柱，刘刚. NOMEX 蜂窝芯高速铣削加工工艺的优化. 中国机械工程，2017（12）：93-96.
论文作者:盖喜春
论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期
论文发表时间:2020/4/29
标签：模具论文; 气道论文; 产品论文; 复合材料论文; 气囊论文; 方案论文; 水溶性论文; 《科学与技术》2019年20期论文;