景新榮，劉向麗，蘇霞

(中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，陜西 西安 710089)

先進(jìn)復(fù)合材料由于具有比強(qiáng)度高、比剛度大、耐腐蝕、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用可以最大限度地降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量、提高飛機(jī)性能；同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的一些特殊性能要求，如隱身性能、氣動(dòng)剪裁及抗腐蝕性能等。先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)在航空制造中的作用越來越重要的，復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為衡量現(xiàn)代飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。自20世紀(jì)60年代末先進(jìn)復(fù)合材料誕生以來，其在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用逐漸從小到大、從少到多、從弱到強(qiáng)，并逐步由次承力構(gòu)件向主承力構(gòu)件轉(zhuǎn)變。但是由于復(fù)合材料的高成本，難以一次成型整體復(fù)雜的零件，使先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用受到很大限制。

要提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的用量，必須尋求一種新的低成本技術(shù)，尤其是可提供低成本優(yōu)勢(shì)的工藝。目前，國(guó)內(nèi)外都在積極開展低成本的制造技術(shù)和工藝研究，已研制出新型的成型工藝，如樹脂傳遞模塑（RTM）、樹脂膜溶滲（RFI）等。

RTM（Resin Transfer Molding）成型工藝，是一種不采用預(yù)浸料，不采用熱壓罐的復(fù)合材料成型方法，可以生產(chǎn)出具有良好表面和外形尺寸精確的零件以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。其主要優(yōu)點(diǎn)就是能夠制造高纖維體積分?jǐn)?shù)的大型復(fù)雜構(gòu)型的零件，并保持較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率。該技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上解決了復(fù)合材料采用預(yù)浸料方法所帶來的制造成本過高、層間剪切強(qiáng)度低、抗沖擊損傷能力差等缺點(diǎn)。

1 RTM成型工藝原理及技術(shù)應(yīng)用

1.1 RTM成型工藝原理

RTM成型復(fù)合材料是指以低黏度樹脂體系（黏度一般不高于1 Pa·S）作為樹脂基體，玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維以及混雜纖維及其織物作為增強(qiáng)體或預(yù)成型體，采用RTM工藝制造的復(fù)合材料制件。RTM工藝與熱壓罐工藝不同，該過程中樹脂與增強(qiáng)材料沒有預(yù)復(fù)合過程，不形成所謂的預(yù)浸料，而是由增強(qiáng)材料單獨(dú)制成預(yù)成型體。RTM成型工藝的基本原理是將纖維增強(qiáng)材料，鋪放到封閉模具的模腔內(nèi)，用壓力或外加真空輔助條件將樹脂混合膠液注入模腔，并浸潤(rùn)浸透干態(tài)纖維增強(qiáng)材料，然后固化，脫模成型為制件。這個(gè)過程中又可以分解成兩個(gè)平行的子過程：流動(dòng)、浸潤(rùn)、浸滲、充模等物理過程和由低黏度液態(tài)樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w材料的化學(xué)反應(yīng)過程。RTM成型制造工藝流程圖如圖1所示。

RTM成型工藝的關(guān)鍵技術(shù)主要包括，專用的RTM樹脂體系、預(yù)成型體制備技術(shù)、RTM注射工藝控制和固化工藝控制等。

為了實(shí)現(xiàn)液態(tài)樹脂對(duì)于干態(tài)纖維結(jié)構(gòu)的浸潤(rùn)、浸滲和浸漬，用于RTM成型工藝的樹脂應(yīng)滿足工作黏度較小、工作狀態(tài)的開放期相對(duì)較長(zhǎng)的條件，室溫或較低溫度下具有低黏度（0.1～1 pa·s）及一定的適用期；從而能夠滿足大型結(jié)構(gòu)件的浸漬需要。樹脂對(duì)增強(qiáng)材料具有良好的浸潤(rùn)性、匹配性、黏附性、樹脂不含溶劑或揮發(fā)物，固化無(wú)小分子物放出；樹脂在固化溫度下具有良好的反應(yīng)性，且后處理溫度不應(yīng)過高。

預(yù)成型體制備技術(shù)的目的是借助預(yù)定型劑，在溫度、壓力和時(shí)間的共同作用下，將通常呈現(xiàn)蓬松狀態(tài)的織物，或在鋪放過程中的半成型體制備成近凈形的預(yù)制體，從而保證了復(fù)合材料構(gòu)件的形狀精度和尺寸精度的凈成型性。在制備預(yù)制體時(shí)，通常按照工藝上推薦的定型劑使用含量進(jìn)行預(yù)定型。另外，在合模時(shí)應(yīng)避免預(yù)成型體滑移及變形。

RTM注射工藝控制主要是樹脂注射的過程控制，包括樹脂的真空度（樹脂的真空脫泡）、注射溫度和注射壓力的控制等。尤其應(yīng)注意溢膠口的樹脂流出狀態(tài)，當(dāng)流出的樹脂中不含有氣泡時(shí)，依次關(guān)閉溢膠口和注膠口，完成樹脂注射過程。

固化工藝控制應(yīng)根據(jù)不同樹脂的具體固化參數(shù)進(jìn)行。特別是升溫速率保持溫度的時(shí)間及降溫速率的控制等。

1.2 RTM成型工藝技術(shù)在現(xiàn)代飛機(jī)制造中的應(yīng)用

近年來，RTM成型工藝技術(shù)得到迅速發(fā)展，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)相當(dāng)成熟。特別是在航空航天等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，國(guó)外先進(jìn)的大型軍用運(yùn)輸機(jī)及客機(jī)如A380、A350、B878上的尾翼、機(jī)身、機(jī)翼和中央翼盒等承力結(jié)構(gòu)均大量采用了RTM成型工藝技術(shù)。這些織物/RTM制件的大量應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了航空復(fù)合材料的整體制造，減少了大量緊固件、連接件，大大降低了飛機(jī)重量和制造、裝配成本，同時(shí)獲得了顯著的高效率和低成本。

在現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)應(yīng)用中RTM成型工藝的典型制件有很多， 如A380飛機(jī)上艙門連接件、副翼梁、中央翼盒的5個(gè)工字梁、襟翼導(dǎo)軌面板、懸掛接頭及機(jī)身框等。Airbus France(Nantes)采用RTM6樹脂和碳布制造出A380副翼梁。A320飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)吊架、尾部整流罩、機(jī)頭雷達(dá)罩和B787起落架撐桿等也采用RTM成型工藝技術(shù)制造。美國(guó)DOW-UT公司采用改進(jìn)的RTM成型工藝，制成B777動(dòng)力裝置PW4084的全碳纖維/PR500風(fēng)扇靜子，直徑3 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本下降約40%。F-22飛機(jī)復(fù)雜型面正弦波形梁采用Cycom5250-4樹脂RTM成型，它比用預(yù)浸料鋪貼制備的方法節(jié)省成本20%，加上高尺寸容差和不需要進(jìn)行再加工也算在內(nèi)，制造成本節(jié)省可達(dá)到50%。另外，美國(guó)Dow-UT公司已成功開發(fā)了F—22飛機(jī)和F117—A飛機(jī)主承力梁和框件RTM成型工藝技術(shù)。

RTM工藝在我國(guó)起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)比較薄弱，技術(shù)研究還不成熟，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，僅有少量的RTM成型零件在飛機(jī)上應(yīng)用。但隨著國(guó)際合作的加強(qiáng)，國(guó)內(nèi)在這方面也取得了一定的發(fā)展，例如,針對(duì)飛機(jī)研制需求已經(jīng)開展了RTM成型工藝方面的研究工作，進(jìn)行了某型機(jī)機(jī)翼縫翼試驗(yàn)件、飛機(jī)螺旋槳RTM工藝成型制造、編織/RTM盒式梁、波紋梁的研制、以及機(jī)身中段舷窗窗框的RTM成型工藝技術(shù)研究等，積累了很多RTM成型研制經(jīng)驗(yàn),隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，RTM工藝的應(yīng)用范圍也將越來越廣泛。

2 RTM成型工藝制件的加工工藝性研究

近兩年來，我們針對(duì)RTM成型復(fù)合材料試板和制件開展了一系列的加工工藝性研究試驗(yàn)，包括RTM成型試件的無(wú)損檢測(cè)，試件切割、修邊，試件的鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪窩及裝配工藝試驗(yàn)，以驗(yàn)證RTM復(fù)合材料試板和制件的制孔、裝配工藝的可行性。進(jìn)行試件的制孔、裝配工藝試驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)，針對(duì)不同的試件夾層厚度選擇合適的高鎖螺栓、密封劑、裝配工具和工藝方法，確保RTM零件的制孔、裝配工藝能夠滿足現(xiàn)代飛機(jī)的技術(shù)要求。

RTM成型試件按照復(fù)合材料制件采用的裝配協(xié)調(diào)方案、容差分配關(guān)系進(jìn)行裝配。裝配流程如圖2所示。

圖2 裝配流程

2.1 RTM成型工藝制件的切割修邊工藝

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是一種難切削加工的材料，其硬度高、脆性大。復(fù)合材料制件去余量一般采用切割和修磨兩種方法。若余量大時(shí)對(duì)制件采用切割的方法，余量小時(shí)則采用修磨的方法。由于RTM工藝的優(yōu)點(diǎn)之一就是能夠生產(chǎn)接近無(wú)余量的零件，因此可以大大減少制件切割修邊的工作量，降低二次修整成本。在工藝試驗(yàn)中，將大的RTM試板分成小塊試板時(shí)，我們采用金剛砂刀具進(jìn)行手動(dòng)切割的方法，切割效果較好。同時(shí)，應(yīng)控制好切割進(jìn)給力參數(shù)，一般是切割進(jìn)給量與RTM成型工藝制件的厚度成反比；而典型試驗(yàn)件則只是順著表層纖維方向進(jìn)行了少量的修磨。

2.2 RTM成型工藝制件的制孔工藝

飛機(jī)結(jié)構(gòu)上采用的復(fù)合材料制件，其制孔必須完整，不允許有干涉和影響后續(xù)組件加工工序的粗糙或磨損的纖維。復(fù)合材料制孔工藝主要包括鉆孔、鉸孔及锪窩3個(gè)加工工序。由于不同纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料性能差異較大，相應(yīng)的制孔工藝也不完全相同。為了保證制孔的質(zhì)量，必須選擇適合的制孔刀具。根據(jù)RTM成型工藝制件的材料結(jié)構(gòu)、厚度、孔徑尺寸等性能特點(diǎn)來選用制孔刀具。刀具材料必須具有良好的耐磨性和抗沖擊性能，這里選用帶有錐度過渡區(qū)的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行制孔。

在RTM制件制孔的過程中通常會(huì)出現(xiàn)的缺陷是制件的進(jìn)、出口面產(chǎn)生纖維劈裂、出口處分層和毛刺。為避免產(chǎn)生這些缺陷，主要分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

首先，在生產(chǎn)前進(jìn)行制孔工藝驗(yàn)證試驗(yàn)。選擇適用的刀具，優(yōu)選帶有錐度過渡區(qū)的硬質(zhì)合金鉆頭，通過調(diào)整鉆頭進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速，優(yōu)化制孔工藝參數(shù)，在試板上制孔使工藝達(dá)到穩(wěn)定。

其次，制孔時(shí)制件必須充分夾緊。一般采用分步鉆孔，先鉆小孔，然后在制件另一側(cè)墊上支撐墊板將孔擴(kuò)至最后尺寸。RTM制件鉆孔時(shí)必須使用支撐墊板墊實(shí)，以防止孔的出口面產(chǎn)生纖維劈裂和分層。另外，也可以先在RTM制件需要制孔的出口面貼上1～2層紙膠帶，然后再制孔，同樣可有效防止孔出口面產(chǎn)生纖維劈裂和分層等缺陷。

最后，還應(yīng)控制好鉆頭的進(jìn)給力參數(shù)。鉆孔時(shí)，刀具的作用力向下壓材料，隨著鉆頭靠近出口面，過大的作用力會(huì)導(dǎo)致鉆頭生硬地?cái)D破（而非鉆削）孔的最后一部分，結(jié)果會(huì)造成復(fù)合材料纖維粗糙或磨損。為防止RTM制件孔出口面纖維劈裂或分層，當(dāng)接近鉆頭時(shí)應(yīng)放慢進(jìn)給速度。

2.3 RTM成型工藝制件的連接工藝

由于復(fù)合材料的各向異性，非均勻性和脆性等特征，使得復(fù)合材料的連接與金屬材料的連接有較大區(qū)別。特別是在孔邊會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力集中，降低了連接效率，因此RTM成型工藝制件的連接也非常關(guān)鍵。RTM成型工藝制件與其它零件連接時(shí)，一般可以采用膠接固化連接、機(jī)械連接（包括螺接和鉚接）和混合連接等方式進(jìn)行。本次針對(duì)復(fù)合材料RTM成型試板和制件開展的加工工藝性研究驗(yàn)證試驗(yàn)，均采用了機(jī)械連接中的螺接方法。

機(jī)械連接是復(fù)合材料主承力結(jié)構(gòu)的主要連接形式，適用于可靠性要求較高和傳遞較大載荷的情況。機(jī)械連接通常有鉚接和螺接2種形式，其中螺接方法具有在制造、更換和維修中可重復(fù)裝配和拆卸、便于檢查質(zhì)量、保證連接的可靠性、能傳遞大載荷，抗剝離性能好及無(wú)膠接固化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，故優(yōu)先選用螺接方法進(jìn)行RTM成型工藝制件的連接。

因RTM成型制件所用的碳纖維復(fù)合材料的塑性較差，會(huì)造成多排緊固件連接載荷分配的嚴(yán)重不均，故盡量采用不多于兩排緊固件的多釘連接形式。在采用雙排的多釘連接時(shí)，各排釘孔應(yīng)盡可能平行排列而不選用交錯(cuò)排列，以提高連接強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度。安裝緊固件時(shí)應(yīng)均衡、對(duì)稱的將所有螺栓分若干次擰緊，直至達(dá)到規(guī)定的擰緊力矩值。按照螺接工藝應(yīng)滿足抗電偶腐蝕要求的原則，采用濕裝配進(jìn)行RTM成型工藝制件的連接。在孔內(nèi)或緊固件涂敷密封膠，螺母必須在膠的施工期內(nèi)上緊完成。

圖3所示為RTM制件加工工藝性研究的試驗(yàn)件制孔裝配圖。

圖3 RTM成型波紋梁試驗(yàn)件制孔裝配，高鎖螺栓

3 結(jié)束語(yǔ)

RTM成型工藝作為一種新型的復(fù)合材料制造技術(shù)，由于其制造的低成本、良好的制件性能、適合批生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展方向之一。目前，國(guó)內(nèi)在RTM工藝方面的技術(shù)研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在這方面的裝配工藝技術(shù)研究還處于起步階段，缺乏工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。我們公司也進(jìn)行了一些RTM復(fù)合材料成型試件的加工工藝性研究，但還未完全掌握這種新型的復(fù)合材料成型技術(shù)，研究和掌握RTM制造工藝技術(shù)已刻不容緩。因此需加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外合作與技術(shù)交流，并加強(qiáng)引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的二次開發(fā)，從工藝適用性研究做起，盡快掌握RTM成型零件制造和裝配的關(guān)鍵技術(shù)，為公司以后的飛機(jī)復(fù)合材料制件低成本制造提供技術(shù)支持。

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