小型無(wú)人機(jī)中機(jī)身復(fù)合材料成型技術(shù)

王稚翔

摘要：復(fù)合材料因其獨(dú)特的性能而廣泛應(yīng)用于各國(guó)的飛機(jī)制造中，并且從最初的次結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的主承力復(fù)雜結(jié)構(gòu)。針對(duì)無(wú)人機(jī)特有的低風(fēng)險(xiǎn)（無(wú)人）、低成本（較大飛機(jī)而言）及總體尺寸較小等特點(diǎn)，利用復(fù)合材料的優(yōu)良性能和各種工藝成型技術(shù)，不僅可以減輕質(zhì)量、降低成本，而且也使得復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比重日益提高。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)，機(jī)身復(fù)合;材料成型技術(shù)

一、中機(jī)身的結(jié)構(gòu)

中機(jī)身用于連接前后設(shè)備艙機(jī)翼，主要為翼身融合型前端封閉的薄壁管狀結(jié)構(gòu)，由碳纖維全復(fù)合材料構(gòu)成（總體長(zhǎng)度約0.6m，管狀直徑不到200mm，最大截面寬度約360mm），如圖1所示。

由圖1可知：前端管狀體封閉端面為中機(jī)身的1框，作為與前艙體的安裝配合面，設(shè)計(jì)有電池安裝位置和8個(gè)定位凹槽;1框后為本身艙體安裝空間，艙體兩端為與機(jī)翼連接的整流部分。

二、成型工藝分析及材料使用

2.1成型工藝分析

（1）分塊設(shè)計(jì)：在考慮艙體內(nèi)組件的安裝時(shí)，需對(duì)中機(jī)身進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，分離后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。分塊設(shè)計(jì)時(shí)需確定工裝分離面、模具組合方式以及連接處的下陷（膠接面）設(shè)計(jì)。

（2）工裝分離面的確定：在保證產(chǎn)品氣動(dòng)外形的前提下，基于零件的安全脫模和膠接裝配的便利性來(lái)確定工裝分離面。其中，中機(jī)身下板件的工裝分離面確定在機(jī)翼整流前緣處，便于氣動(dòng)外形的保護(hù)和與上板件的膠接裝配;同時(shí)，由于其后方較大的開(kāi)敞性，也保證了零件成型過(guò)程中的加壓和固化后的安全脫模。

（3）模具的組合方式：根據(jù)中機(jī)身下板件的特點(diǎn)，采用組合金屬模具，主要分為前端框板成型凸模、機(jī)身下板件主體上/下凹模，模具組合后進(jìn)行整體鋪貼、固化（中機(jī)身上板件則采用傳統(tǒng)金屬凹模成型;在設(shè)計(jì)組合模具時(shí)，注意正、負(fù)尺寸公差控制）。

（4）工藝設(shè)計(jì)：為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在具體制造過(guò)程中除使用凹模保證產(chǎn)品外形外，還要進(jìn)行真空袋加壓成型;與其他成型方式相比，真空袋加壓成型方式不僅成熟穩(wěn)定，而且質(zhì)量可控。

2.2材料使用

成型所用的主要材料為中溫固化型EP（環(huán)氧樹(shù)脂）碳布預(yù)浸料和EP結(jié)構(gòu)膠，如表1所示。

三、成型工藝研究

3.1成型工藝流程

中機(jī)身成型采用碳纖維/EP預(yù)浸料，經(jīng)熱壓罐加熱后加壓成型。成型過(guò)程中按照典型工藝規(guī)范要求，嚴(yán)格控制預(yù)浸料鋪貼和熱壓罐固化工藝過(guò)程[如下料及鋪層角度、預(yù)壓實(shí)、工藝組合和固化條件（溫度、時(shí)間和壓力）等的控制。

3.2中機(jī)身上下板件成型

中機(jī)身上下板件具體成型的工藝流程均為“生產(chǎn)準(zhǔn)備→鋪貼→工藝組合→固化→脫?！庑渭庸ぁ鷻z驗(yàn)”，上板件由金屬板件模單獨(dú)成型。

（1）生產(chǎn)準(zhǔn)備分為：①模具準(zhǔn)備，將模具表面清理干凈，然后按規(guī)范要求在模具工作面上涂抹脫模劑、晾干，再按工藝要求進(jìn)行模具組合（即將前端框板成型金屬凸模、中機(jī)身下板件主體成型上/下金屬凹模進(jìn)行組合）;②預(yù)浸料剪裁，提前將密封完好的預(yù)浸料從冷庫(kù)中取出，置于操作間，直至預(yù)浸料密封袋上無(wú)可見(jiàn)冷凝水，再按工藝要求進(jìn)行預(yù)浸料的裁剪，并及時(shí)進(jìn)行標(biāo)記。

（2）手工鋪貼：按工藝要求在組合模具上鋪貼預(yù)浸料，并進(jìn)行預(yù)壓實(shí)。鋪貼首層及后續(xù)每鋪貼1～3層預(yù)浸料需預(yù)壓實(shí)1次，即在操作環(huán)境溫度條件下通過(guò)真空密閉系統(tǒng)將毛坯鋪貼時(shí)帶入的空氣排出。

（3）工藝組合：在毛坯件上分別鋪放隔離材料、透氣材料和塑料薄膜，并預(yù)先放置抽氣嘴和熱電偶，再通過(guò)密封膠帶使塑料薄膜與模具形成真空系統(tǒng)。

（4）固化：采用熱壓罐設(shè)備對(duì)帶毛坯件的模具進(jìn)行加熱、加壓。

（5）脫模：爐內(nèi)溫度降至出爐溫度以下時(shí)，將帶有毛坯件的模具出爐，清理毛坯件上的輔助材料，使用輔助工具將毛坯件脫離模具。

（6）外形加工：沿毛坯件上的產(chǎn)品輪廓線外緣進(jìn)行外形加工，并對(duì)切口進(jìn)行光滑處理。

（7）檢驗(yàn)：根據(jù)產(chǎn)品驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量、外部質(zhì)量及外形尺寸的檢驗(yàn)。

3.3中機(jī)身板件成型

在合攏工裝上按照“預(yù)裝配→表面處理→膠接裝配”的流程，將中機(jī)身上、下板件在裝配工裝上用EP結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行膠接裝配。

（1）預(yù)裝配：產(chǎn)品制造或損壞修復(fù)的粘接部位，在表面處理和粘接之前先預(yù)裝，檢查配合的尺寸、間隙以及所用的夾具是否合適。在預(yù)裝配中發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，可保證正式膠接順利進(jìn)行。

（2）復(fù)合材料表面處理：對(duì)膠接面進(jìn)行潔凈處理，在不傷及復(fù)合材料纖維的前提下通過(guò)“清洗→砂磨→清洗”方法去除膠接面上的雜質(zhì)，提高膠接質(zhì)量和耐久性等性能。

（3）膠接裝配：按照裝配關(guān)系在合攏工裝上進(jìn)行板件間的膠接，膠粘劑的配制、涂覆及固化均按規(guī)范要求進(jìn)行。待膠粘劑固化及檢驗(yàn)合格時(shí)，可得到最終中機(jī)身復(fù)合材料產(chǎn)品。

四、結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)小型無(wú)人機(jī)中機(jī)身復(fù)合材料成型技術(shù)的研究，從產(chǎn)品工藝分離、模具組合及成型工藝設(shè)計(jì)等方面闡述了中機(jī)身從設(shè)計(jì)到制造的具體過(guò)程。

（2）通過(guò)分塊設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了工藝分離，優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低了制造復(fù)雜性;通過(guò)工裝分離面的確定，不僅保證了產(chǎn)品的氣動(dòng)外形，也有利于后續(xù)的膠接裝配;通過(guò)組合模具的使用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的整體成型;通過(guò)成型工藝設(shè)計(jì)，確保了產(chǎn)品的內(nèi)外質(zhì)量。

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