航空复合材料桨叶生产线工艺设计分析

张睿悦1、张涛2 

1.身份证号：130534199001307727     2.身份证号：320411199501212535

摘要：直升机复合材料桨叶作为直升机升力系统的核心动部件，具有长度尺寸大、零组件数量多，制造工艺复杂、工序多、工艺流程长等特点，其生产线是航空复合材料生产线的典型代表。本文主要结合复合材料桨叶结构和成型工艺特点，提出生产线工艺设计方案。对于后续设计者进行类似生产车间方案设计，具有一定的参考意义。

关键词：复合材料桨叶；生产线；工艺设计

1.前言

复合材料桨叶制造工艺与常规复材零件真空袋/热压罐成型工艺不同，采用共固化整体模压成型技术[3]，制造工艺复杂、工序多、工艺流程长，本文将以直升机复合材料桨叶为研究对象，通过分析桨叶的结构及成型工艺特点，确定桨叶生产线的工程设计方案要点。

2直升机复合材料桨叶成型工艺分析

2.1桨叶结构特点

直升机复合材料桨叶采用“C”型梁多闭腔结构形式，用硬质聚氨酯泡沫填充，主要由上蒙皮、下蒙皮、大梁带、泡沫芯、接头填块、配重支座、桨根堵盖、前缘包铁、后缘条等大量零组件组成，如图1所示。具有长度方向尺寸大、内部零组件数量多、制造精度和综合性能要求高等特点。主要零组件特点如表1所示。

图1 复合材料桨叶结构示意图

表1 复合材料桨叶零组件特点

序号	零组件 名称	主要特点
1	蒙皮	桨叶上、下蒙皮采用整体结构，蒙皮尺寸较大，可达8×0.5m，需整体铺叠成型，铺叠难度高。
2	大梁带	是整个复材桨叶关键承力件，决定桨叶的结构性能，大梁带为连续纤维整体缠绕结构，缠绕精度直接影响桨叶结构性能。
3	泡沫芯	桨叶内泡沫芯为复杂变截面结构外形，数量多，大型直升机桨叶内的泡沫芯数量达二十余块。
4	小型复材件	如接头填块、配重支座、桨根堵盖等，该类零件尺寸小、数量多，零件尺寸一般小于0.5m。
5	金属组件	包括前缘包铁、桨根衬套、后缘条、调整片、配重块、加强肋等，该类组件对桨叶气动能力、综合性能指标影响较大。

2.2桨叶制造工艺特点

复合材料桨叶采用共固化整体模压成型技术，制造阶段主要包括零组件制造、桨叶模压成型、桨叶加工检测等。详细工艺流程及特点具体如下：

1）零组件制造

为保证复合材料桨叶生产线专业化，一般非金属零组件如蒙皮、大梁带、小型复材件、泡沫件等在桨叶生产线进行制造，金属零组件由金属加工车间供应。蒙皮、大梁带、小型复材件、泡沫芯等零组件制造工艺如图2所示。

图2  零组件制造工艺流程图

2）桨叶模压成型

桨叶模压成型是桨叶制造的关键工艺，主要工序如图3所示。桨叶模压成型在模压成型系统内进行，该系统主要由上压模、下压模、翻转机构、压力系统、热油系统、冷却系统及控制系统等组成，详见图4。桨叶下蒙皮在下压模内铺叠完成后，在蒙皮上定位装配零组件，同时在上压模上铺叠上蒙皮，待上述工作完成后，上压模通过翻转机构翻转至下压模上，通过压力系统加压将上下压模闭合。经过合模压实、预固化、加装包铁等工序后，最后进行桨叶模压成型，模压成型时模具温度升高至一定温度保温保压一定时间，最后降温开模。

图3  桨叶模压成型工艺流程图

图4  桨叶模压成型系统设备原理图

3）桨叶加工检测

复合材料桨叶成型后，需对桨根衬套进行镗孔加工；部分金属组件，如调整片、配重块、后缘搭铁片在桨叶成型后再胶接在桨叶上；桨叶制造质量、综合性能要求高，需在加工过程中进行多次外形检测、内部质量检测及综合性能检测，具体可以分为桨叶加工、检测、组件胶接固化等主要阶段。

3桨叶生产线设计重点及典型工艺布局

3.1桨叶生产线设计要点

通过对直升机复合材料桨叶结构、成型工艺的分析可知，在桨叶生产线工程设计中需重点关注以下问题：

a.零组件供应快捷：复材桨叶配套零组件种类多、数量多，不同零组件制造工艺各异，因此，在工程设计中应根据生产节奏，保证零组件在生产线上高效制造、供应，减少零件周转。

b.精益生产工艺布局：桨叶加工检测阶段工序多、工艺复杂，部分工序环境要求高、部分工序需往复运行，因此，在工程设计中，应充分考虑复材桨叶生产线的工艺特点，采用适用、精益的工艺布局，保证生产线工艺流畅、避免工序往复对生产流程的不利影响。

c.其他工艺特殊要求：桨叶模压成型对零组件胶接装配、模压工艺要求高，对环境温湿度、洁净度要求高，需要在洁净间内进行；此外，模压成型系统设备尺寸大，桨叶成型后运输周转空间大，需充分考虑桨叶模压成型工序的空间。

3.2桨叶生产线典型工艺布局

复合材料桨叶生产线典型工艺布局如图6所示。可以将生产线工艺区域大致分为零组件制造区域、桨叶模压成型区域、桨叶加工检测区域和包装发运区域，各大区域内又包括了多个生产工序，具体如下：

（1）零组件制造区域：根据零组件分类，该区域主要包括“大梁带缠绕成型区”、“泡沫加工区”、“小型复材加工区”，蒙皮在桨叶模压成型系统模具内铺叠成型，无需专用制造区域。

（2）桨叶模压成型区域

：桨叶模压成型在净化间内进行，净化间空调耗能大，为降低空调能耗，通过分析生产线生产节奏，尽量将净化间分隔为几个独立的小型净化间。

（3）桨叶加工检测区：根据加工检测工艺，该区域主要分为“桨叶加工区”、“组件胶接固化区”、“桨叶检测区”。

（4）包装发运区：生产线末端设集中包装发运区，便于成品桨叶的集中管理。

（5）配套区：除上述工艺区域外，生产线还需考虑原材料存储等工艺配套房间及空调机房、变电站等动力配套房间，以及生活用房等。

4 结论

本文结合复合材料桨叶结构和成型工艺特点，提出生产线工艺设计方案要点，可作为未来航空复合材料桨叶厂房设计的参考。

参考文献

[1]黄文俊, 何志平, 程小全. 直升机复合材料应用现状与发展[J]. 高科技纤维与应用,2016, 41(5):7-13.

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