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复合材料长桁热隔膜成型技术的特点及优势分析

2020-05-26 294 上传者：管理员

摘要：复合材料主承力构件以大型加筋壁板整体结构为主，大量应用复合材料长桁类零件。热隔膜成型工艺以独特的优势成为一项新型的复合材料长桁构件成型技术。本文通过分析热隔膜成型工艺特点、热隔膜成型机的组成及工作过程，探讨了热隔膜成型机安装对厂房工程设计的相关要求，为热隔膜成型技术在国内的推广应用提供了参考。

关键词：
复合材料长桁
工程设计
材料科学
热隔膜成型设备
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随着航空制造技术的不断进步，复合材料用量不断增加，其应用已从次承力构件逐步扩展到主承力构件，应用部位也从尾翼扩展到机翼，直至机身，其用量成为航空结构先进性的重要标志。复合材料主承力构件以大型加筋壁板整体结构为主，将大量应用复合材料长桁类零件。复合材料长桁具有长径比大、截面形状复杂、加工精度要求高等特点，对成型工艺提出了更高的要求。

热隔膜成型技术是近年来提出并获得广泛关注的一种复合材料长桁制造新技术，该技术配合自动铺带技术使用，具有铺叠效率高、零件成型直线度好、强度和表面质量好等优点，成为复合材料长桁专业化的生产手段。本文以该技术的核心设备——热隔膜成型机为研究对象，通过分析热隔膜成型机的组成和工作过程，探讨了热隔膜成型设备的安装要求，包括对厂房的土建和水、电、气设计要求。本文的研究内容对复合材料长桁热隔膜成型技术在国内的推广应用具有积极意义。

1、热隔膜成型技术及制造难点

复材大型加筋壁板结构中，长桁零件具有以下特点：（1）单个壁板中长桁数量众多（几个至十几个）；（2）长径比大（长度可达7～8米，高度仅几十个毫米）；（3）截面形状复杂，曲率变化大。由于以上特点，给长桁的生产制造带来了极大的困难。如何能够在保证生产效率的同时，制造出直线度、强度、表面质量均满足要求的长桁零件，成为推广复合材料大型加筋壁板结构的关键技术之一，从而引起了广泛关注。

热隔膜成型技术是将铺叠好的预浸料平板放置于模具上，通过一种特制隔膜的辅助作用，经过抽真空和加热等方法，将层压件压向模具，形成所需要的形状。复合材料零件热隔膜成型类似于金属材料的引深/压延以及折弯成型，它不仅可以成型一些形状复杂的产品，而且由于隔膜的作用，成型过程中纤维不滑动，不起褶皱，保证了产品的质量和外观。

采用热隔膜成型技术进行复合材料长桁专业化生产的核心在于解决以下几个问题：（1）如何在大跨度尺寸下保证长桁的直线度；（2）如何保证铺叠效率及大曲率处预浸料与模具的贴合度；（3）如何保证长桁在预成型过程中纤维不发生褶皱，以及预成型后长桁的表面质量。

热隔膜成型工艺的核心在于热隔膜成型机，目前，该设备在波音、空客等民机制造公司已较为成熟地应用，该工艺不仅有利于保证长桁的加工质量，还大幅度提高了铺叠速度，提升了生产能力。

2、热隔膜成型设备

热隔膜成型机通过真空和热量进行长桁的预成型。该设备利用特制隔膜通过精确控制温度和真空速率，并对零件进行准确定位，以预成型出长桁截面形状。

2.1热隔膜成型机的组成

热隔膜成型机一般由以下几大部分组成：加热库（主灯库和工装预热库）、隔膜框、真空床、预热床（可选）、移料床等。一般主灯库固定不动，真空床和移料床通过导轨来回移动，以实现各个操作过程。

配套系统包括机械运动系统、热工系统、真空系统、冷却系统（可选）、气动系统等，各系统的主要功能如下：机械运动系统：实现主灯库、工装预热库、隔膜框的提升和下降；实现真空床、移料床在导轨上的来回运输。热工系统：实现主灯库、工装预热库的加热功能。真空系统：为设备提供真空，由真空泵和真空罐组成。冷却系统：对送入主灯库内的空气进行冷却，主要由空气处理单元和制冷机组组成。气动系统：用于实现隔膜框的升降。

2.2热隔膜成型机的工作过程

(1）将成型工装吊运至真空床上，通过导轨移至工装预热库内，并在一定温度下进行预热；（2）将自动铺叠并超声裁剪好的复合材料层板转移至移料床上，通过导轨移至主灯库内，利用隔膜框将其装夹固定在两层特制隔膜中间，并提升至一定高度；（3）移料床移出主灯库，并进行下一个零件的准备工作；（4）将预热好的工装移至主灯库内，定位后，隔膜下降，并开始抽真空，使隔膜和层板贴合在成型模具上；（5）降低加热腔室，启动全自动加热和真空循环，一定时间后，长桁截面成型缓慢完成；（6）预成型结束后，加热腔室提升，保持真空压力直到零件冷却至指定温度，提升隔膜，将真空床移出，取出工装和零件，进入后续工序。

图1热隔膜成型机外形图

图2隔膜真空施压过程和红外灯加热情况

2.3热隔膜成型机对厂房工程设计的要求

(1）热隔膜成型机对安装空间及运输设备的要求。现阶段，复合材料长桁的最大尺寸已超过9米，基于该工艺特性，热隔膜成型机通常尺寸较大。若考虑长度方向上同时成型两个零件以提高生产效率，热隔膜成型机X轴的有效行程将达到20米。如此庞大的设备对厂房的安装空间提出了更高的要求。由于各个工厂生产任务情况千差万别，生产单元的大小、工艺布局也不尽相同，现以单台热隔膜成型机布置在单个房间内为例，分析热隔膜成型机的安装空间等要求。

1)上部起重运输设备。长桁零件在制造过程中，成型工装上、下真空床均需使用吊车吊运。由于成型工装长度较长，为保证吊运过程中工装重心尽量平稳，减少晃动，通常需要至少两个吊点。若吊车梁方向与热隔膜成型机长度方向一致，则通常选用双葫芦吊车；若吊车梁方向垂直于热隔膜成型机长度方向，则需要两台吊车同时吊运一个工装，这将增加操作难度。2)热隔膜成型间的高度。热隔膜成型机设备主体高度一般在4m左右，考虑设备送排风管道的高度，设备高度可达7m左右。考虑吊车梁、电动葫芦、吊钩尺寸及吊车运行安全保护间距，至少需要3m左右的空间，因此热隔膜成型间的房间高度至少为10m。若吊车梁方向与热隔膜成型机长度方向一致，且吊车只在热隔膜成型机的一侧运行，考虑送排风管道的安装和检修空间，则房间的高度可降至8米左右。3)热隔膜成型间的长度和宽度。热隔膜成型间的长度方向上主要考虑热隔膜成型主体设备、配套设备的布置空间，以及人员操作和检修空间，因此，房间的长度主要由设备的长度决定。热隔膜成型间的宽度方向上主要考虑以下两方面因素：a）设备的运行空间；b）设备前端零件接收和准备、工装清理、零件发运等周转面积。考虑将零件从成型模具上取下及下一个零件的准备空间，周转区需设置至少两个工位。

（2）热隔膜成型机对厂房地基设计的要求。热隔膜成型机的主灯库和工装预热库固定在支架上，灯库在提升和下降时一般速度缓慢，支架主要受到压应力作用。真空床和移料床在导轨上运行，导轨通过螺栓固定在地面上，导轨主要承受压应力，固定螺栓会受到水平剪切力的作用，由于真空床和移料床运动速度缓慢，实际剪切力很小，一般不考虑。土建设计时，需根据支架和导轨的承重进行基础设计。

热隔膜成型机的配套附属设施主要包括控制台、控制电柜、动力接收器、真空泵、空气处理器、制冷机组等。控制台、控制电柜、动力接收器布置在热隔膜成型间内，一般不需要考虑特殊荷载。对于真空系统、空气处理器和制冷机组，需根据设备重量、载荷形式进行基础设计。

热隔膜成型机的送排风管道尺寸往往较大，直径甚至超过1米，在土建设计时，应考虑管道进出墙面。

（3）热隔膜成型机对厂房动力配套条件的要求。水：热隔膜成型机通常自带制冷机组，机组在初次安装和运行补漏时需供水，水质要求为普通自来水，常压。电：热隔膜成型机的机械运动系统、热工系统、真空系统、冷却系统均需用电，且各系统通常需要单独供电。用电量与热隔膜成型机的规格和升降温速率等有关。压缩空气：热隔膜成型机的气动系统采用压缩空气，压缩空气供应至动力接收器。压缩空气的气质、压力及流量根据成型机有关要求进行设计。

3、结语

本文通过分析热隔膜成型技术以及热隔膜成型机的组成和工作过程，探讨了热隔膜成型设备对工程设计的相关要求，包括对安装空间、地基设计及动力配套条件等的设计要求。结果表明，热隔膜成型机对安装空间有较高要求，通常要求房间高度不低于10m，长度、宽度方向需要综合考虑设备规格以及运输周转空间要求；另外，热隔膜成型机运行过程中，同时需要使用自来水、电及压缩空气等，应在工程设计中充分予以考虑。

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