飛機(jī)裝配工裝復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)
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關(guān)鍵詞：裝配工裝；復(fù)合材料；材料性能
近年來，隨著飛機(jī)產(chǎn)品制造精度和裝配質(zhì)量要求的不斷提升，飛機(jī)制造企業(yè)需要實現(xiàn)更高精度的產(chǎn)品裝配，裝配工裝是飛機(jī)裝配的基礎(chǔ)，提高裝配工裝定位精度是實現(xiàn)產(chǎn)品高精度裝配的重要保障。
1裝配工裝材料研究
傳統(tǒng)的裝配工裝主要由Q235鋼材、2A12鋁材、6061鋁材等金屬材料制作，金屬材料具有加工性好，拉伸模量較高的優(yōu)點(diǎn)，所制造的固定工裝在恒定溫度下具有穩(wěn)定的尺寸精度。隨著飛機(jī)產(chǎn)品大量應(yīng)用復(fù)合材料，零件的外形精度和尺寸精度要求也不斷提高，傳統(tǒng)工裝所使用的金屬材料和產(chǎn)品使用的復(fù)合材料存在的熱膨脹線性系數(shù)差異，使得工裝結(jié)構(gòu)在不同溫度下與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形量差異，影響產(chǎn)品的定位精度。同時，隨著飛機(jī)裝配技術(shù)的不斷發(fā)展，新的生產(chǎn)線裝配方案要求裝配工裝在生產(chǎn)過程中需要轉(zhuǎn)站移動，傳統(tǒng)工裝框架所采用的Q235鋼材密度大，工裝總重量大，移動難度大，且移動過程安全性差。為了解決上訴問題，研究使用復(fù)合材料作為裝配工裝主體材料具有現(xiàn)實意義。目前，鮮見全復(fù)合材料裝配工裝的應(yīng)用，但有資料顯示，國外機(jī)床設(shè)備廠家已經(jīng)較普遍的采用復(fù)合材料大跨度橫梁結(jié)構(gòu)解決金屬材料橫梁缺點(diǎn)。丹麥DENCAM公司制造風(fēng)機(jī)葉片模具加工用大跨度設(shè)備橫梁（見圖1）采用復(fù)合材料圓管搭建成的桁架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠有效降低橫梁總重量，允許選用更小功率的電機(jī)實現(xiàn)橫梁的運(yùn)動，同時，降低橫梁運(yùn)動慣性。 復(fù)合材料碳纖維圓管作為復(fù)合材料設(shè)備橫梁主要基礎(chǔ)材料，主要原因是機(jī)器加工的碳纖維圓管具有更低的樹脂含量，力學(xué)性能優(yōu)異，成型過程非人工鋪貼，質(zhì)量更穩(wěn)定，成本相對更低。但是，由碳纖維圓管組成的橫梁結(jié)構(gòu)截面尺寸大，通常高度和寬度達(dá)到長度的1/4，而飛機(jī)裝配工裝的結(jié)構(gòu)較多地考慮產(chǎn)品和操作人員操作空間，以碳纖維圓管構(gòu)成的桁架結(jié)構(gòu)做框架，通常難以滿足較小的空間尺寸要求，并且單純的碳纖維圓管桁架結(jié)構(gòu)對可設(shè)計性限制較大，定位器與其連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜。裝配工裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定復(fù)合材料設(shè)計過程需要考慮在原有金屬結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做材料的替換。
2材料性能分析
本文重點(diǎn)對設(shè)計性更強(qiáng)的預(yù)浸料做材料性能分析，以材料性能為關(guān)注點(diǎn)，在此分析基礎(chǔ)上，實際應(yīng)用過程對復(fù)合材料使用量較大的結(jié)構(gòu)，考慮制造工藝和制造成本，可以采用機(jī)器拉擠成型的基材，減少人工鋪貼工作量，降低制造難度和成本。傳統(tǒng)工裝主體框架通常采用Q235鋼材或者2A12鋁材，其優(yōu)點(diǎn)在于成本低廉，拉伸模量較高，加工性好，但密度和熱膨脹線性系數(shù)都較高。隨著結(jié)構(gòu)膨脹特性的影響不斷被重視，近年來，部分復(fù)合材料工裝模具將INVAR合金應(yīng)用到結(jié)構(gòu)型面上，但因價格高昂，加上力學(xué)性能和物理性能無優(yōu)勢，僅在一定范圍內(nèi)使用。分析是否工程化生產(chǎn)和成本等因素，選定T系列預(yù)浸料和某型玻璃纖維預(yù)浸料與常用金屬材料Q235鋼材和2A12鋁材做力學(xué)性能和物理性能比較，材料各項數(shù)值見表1。（1）拉伸模量對比分析。拉伸模量是材料受力后抵抗彈性變形的力學(xué)性能，其數(shù)值高低影響結(jié)構(gòu)承載后變形量，大部分裝配工裝結(jié)構(gòu)都需要考慮承載后的變形量大小，材料拉伸模量是影響裝配工裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要參數(shù)。通過力學(xué)性能比，某型玻璃纖維預(yù)浸料拉伸模量54Gpa低于Q235鋼材，為2A12鋁材的75%，不適合作為裝配工裝的主體材料；T300預(yù)浸料、T700預(yù)浸料、T800預(yù)浸料的拉伸模量相近，主要力學(xué)性能提升為拉伸強(qiáng)度，從成本考慮僅分析T300預(yù)浸料。T300預(yù)浸料的拉伸模量130Gpa介于Q235鋼材和2A12鋁材之間，為Q235鋼材的62%，可以作為裝配工裝結(jié)構(gòu)主體材料，但對現(xiàn)有裝配工裝做Q235鋼材的復(fù)合材料替換設(shè)計時，相同截面尺寸需要考慮加大結(jié)構(gòu)壁厚。（2）拉伸強(qiáng)度對比分析。拉伸強(qiáng)度是材料抵抗斷裂和過度變形的力學(xué)性能，其數(shù)值高低反映結(jié)構(gòu)能承載的最大拉伸應(yīng)力[1]。T300預(yù)浸料和某型玻璃纖維預(yù)浸料拉伸強(qiáng)度普遍大幅高于Q235鋼材和2A12鋁材。對于裝配工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)通常承載僅為飛機(jī)產(chǎn)品，受力較小，遠(yuǎn)不至于產(chǎn)生斷裂和過度變形，傳統(tǒng)Q235鋼材和2A12鋁材構(gòu)成的結(jié)構(gòu)能夠滿足性能要求，T300預(yù)浸料和某型玻璃纖維預(yù)浸料亦能滿足，當(dāng)然，設(shè)計時，需要考慮纖維方向。（3）密度和熱膨脹線性系數(shù)對比分析。通過對比，T300預(yù)浸料和某型玻璃纖維預(yù)浸料的密度低于Q235鋼材和2A12鋁材，采用復(fù)合材料構(gòu)成的裝配工裝結(jié)構(gòu)通常能夠起到良好的減重功能。T300預(yù)浸料的熱膨脹線性系數(shù)大幅低于Q235鋼材和2A12鋁材，具有良好的熱穩(wěn)定性，某型玻璃纖維預(yù)浸料的熱穩(wěn)定性優(yōu)勢不顯著。
3結(jié)語
復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng)材料應(yīng)用最廣、用量最大。其具有高比強(qiáng)度、高比模量、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)越的抗震動衰減性能、耐疲勞性、熱穩(wěn)定性等性能，近年來，廣泛地應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、風(fēng)力發(fā)電、體育用品和管道等領(lǐng)域。隨著航空制造業(yè)更高效率、更高質(zhì)量的追求，復(fù)合材料產(chǎn)品更加成熟，成本呈降低趨勢，開展復(fù)合材料裝配工裝設(shè)計技術(shù)研究，拓展復(fù)合材料在飛機(jī)裝配過程的應(yīng)用，有利于解決目前傳統(tǒng)材料工裝結(jié)構(gòu)存在的技術(shù)難題。
參考文獻(xiàn)：
[1]阿蘭•貝克，斯圖爾特•達(dá)特恩，唐納德•凱利.飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料技術(shù)，航空工業(yè)出版社，2015.
[2]劉春勻.實用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造[M].航空工業(yè)出版社，2010.
作者：耿育科 單位：航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司制造工程部
