A350是迄今為止被認(rèn)為復(fù)合材料用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量比例最大的一種客機(jī)，其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量52%，超過了波音787復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量比例的50%。由于復(fù)合材料構(gòu)件都比較大，質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，在設(shè)備上、工藝流程上也帶來了許多新的要求，本文即對該飛機(jī)的復(fù)合材料大型構(gòu)件的制造進(jìn)行闡述。

機(jī)身的復(fù)合材料構(gòu)件制造

A350的機(jī)身如圖1所示，機(jī)頭段（11~12段）和機(jī)身前段（13~14段），聯(lián)接后稱為前機(jī)身；15段為機(jī)身中段，又稱中機(jī)身；16~18段為含壓力框的整段，合稱機(jī)身后段，其與桶形后罩（19段）聯(lián)接后稱為后機(jī)身。機(jī)身直徑為5.89m，在A350-900上，3段分別長13m （13~14段）、20m（15段）和15m（16~18段）。

中機(jī)身，由6個(gè)復(fù)合材料板件、地板和隔框等構(gòu)件構(gòu)成。該板件由Spirit AeroSystems 制造。ElectroImpact公司為Spirit公司設(shè)計(jì)制造了專用于A350機(jī)身板件鋪放的雙頭自動纖維鋪放機(jī)，該機(jī)不但可完成鋪放，而且可執(zhí)行切割動作，能夠完全雙向鋪傾斜且復(fù)雜的表面，進(jìn)給速度達(dá)50.8m/min。大型機(jī)身壁板鋪絲速度要求高，該機(jī)床通過新的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了切割，優(yōu)化進(jìn)給、絲束路徑等的需要。

機(jī)床在殷納鋼陽模上鋪Hexply M-21E碳纖維/ Hexcel增韌環(huán)氧預(yù)浸料。所有的15段壁板包含有整體的CFRP桁條，該桁條是采用懸臂類AFP機(jī)床制造的二維夾層件（采用MTorres桁條鋪設(shè)設(shè)備鋪設(shè)）。桁條鋪設(shè)后放在復(fù)合材料壁板槽內(nèi)，在熱壓罐（長為24.4m、寬為6.7m）中進(jìn)行共固化。

MTorres公司還為Spirit公司提供2臺高5m、長15m的Torresonic UT柱形超聲檢測設(shè)備，該設(shè)備上裝有Kuka Roboter GMBH(Ausburg德國)的機(jī)器人裝置，可同時(shí)檢測機(jī)身壁板的內(nèi)外蒙皮。檢測完成后，裝上防雷擊的外部銅網(wǎng)，與ESN（電結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)）連結(jié)，然后將復(fù)合材料壁板連接到機(jī)身框上。

大部分機(jī)身框?yàn)殇X合金制造（1000型部分隔框正考慮用新工藝BRaF編織結(jié)構(gòu)制造復(fù)合材料隔框）。此外，艙門椽為鈦合金，框和椽使用自動設(shè)備連接。

2  前機(jī)身[2]

13~14段由4個(gè)復(fù)合材料板件加上地板構(gòu)件、隔框等構(gòu)成（圖3）。該復(fù)合材料板件由德國Nordenham的premium Aerotec空客公司生產(chǎn)。這4個(gè)13m長復(fù)合材料板件，其所用材料，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工藝方法與15段相同，只是尺寸不同。最大的是前機(jī)身右側(cè)板件，面積為93m2。4個(gè)板件和地板構(gòu)件組合后進(jìn)行超聲、修正、鉆孔，完成機(jī)加工序后運(yùn)到Saint-Nazaire工廠，與在法國Aerolie制造并運(yùn)到此處的機(jī)頭部件（11~12段）對合成為前機(jī)身，圖4為機(jī)頭部分（11~12段）。

該機(jī)頭在法國的空客Aerolia工廠制造，Aerolia為制造該機(jī)頭，建立了5個(gè)制造區(qū)：1個(gè)530m2的鋪層清潔間；一個(gè)7m×14m的熱壓罐；一條表面處理生產(chǎn)線；超聲檢驗(yàn)區(qū)；裝配區(qū)。

3  后機(jī)身[2-3]

機(jī)身16~18段在德國的Ausburg生產(chǎn)，也是4個(gè)復(fù)合材料板件組合，工藝流程基本和中機(jī)身一樣。漢堡是空客A380主要部件的生產(chǎn)區(qū)，有強(qiáng)大的復(fù)合材料構(gòu)件制造能力。在漢堡完成系統(tǒng)件安裝后也運(yùn)到法國到圖盧茲總裝廠。

19段在西班牙的Illescas生產(chǎn)。 后機(jī)身段（16~18段）與后機(jī)身桶子段（19段）對接成后機(jī)身。后機(jī)身桶子段和波音787機(jī)身生產(chǎn)方法類似，在纖維鋪放機(jī)上鋪設(shè)。

 后機(jī)身的壓力框和地板構(gòu)件均在德國的空客Aerotec工廠生產(chǎn)。壓力框用CFRP制造，其工藝方法VAP(Vacuum Assisted Process)是一種抽真空滲漬工藝。這是該公司發(fā)展并取得專利的一項(xiàng)專用于制造壓力框的技術(shù)，已在A380、A400M和波音787中使用。其特點(diǎn)是將纖維布剪裁縫合或纖維絲編織成產(chǎn)品形狀，鋪放在工裝上進(jìn)行密封，將外部的樹脂熔化，真空抽入，開發(fā)了一種專用的微孔薄膜，隔離空氣，可進(jìn)熱壓罐也可不進(jìn)熱壓罐，是制造出的產(chǎn)品孔隙率低，纖維含量高的一種工藝方法。這也屬于熱壓罐外固化（Out of Autoclave，OOA）工藝的一種。

 機(jī)身龍骨梁雖然主要受力件用了鈦合金結(jié)構(gòu)，但該梁尺寸為16.6m×4.0m，重為1180kg，復(fù)合材料件仍占70%。

 機(jī)翼的復(fù)合材料構(gòu)件制造[2-4]

1  前翼梁制造

A350的前翼梁是長為31.2m的結(jié)構(gòu)件，是Spirit公司制造的最大的梁，也是Spirit公司制造的第一個(gè)全復(fù)合材料梁，該梁從翼根到翼尖由3部件組成，即長為7m的內(nèi)側(cè)梁、長為12.7m的中梁和長為11.5m的外側(cè)梁。梁的制造是采用100層碳纖維增強(qiáng)塑料，從內(nèi)側(cè)梁根部的寬1.8m處逐漸過渡到外側(cè)梁翼尖的寬0.3m處。

 M Torres公司是Spirit開發(fā)梁生產(chǎn)能力的關(guān)鍵合作伙伴。公司的自動纖維鋪放系統(tǒng)相比于普通臺架式或柱式機(jī)床具有更大柔性和生產(chǎn)率。據(jù)報(bào)道，這些AFP系統(tǒng)鋪設(shè)速度高達(dá)60m/min，遠(yuǎn)高于以前的速度，使梁生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)可行。M Torres公司已經(jīng)向GKN航宇公司交付一臺類似設(shè)備，用于生產(chǎn)A350后翼梁。這些機(jī)床是為實(shí)現(xiàn)沿著梁的邊緣嚴(yán)格的U形幾何形狀而開發(fā)的，因?yàn)樵诎?5°角鋪設(shè)到90°彎角時(shí)，梁的邊緣容易產(chǎn)生許多問題。機(jī)床頭還可以承受高溫和更大壓力，適用于低粘度Hexply材料，即用于鋪疊與機(jī)身壁板的同樣M21-E增韌環(huán)氧預(yù)浸料。每臺M Torres機(jī)床可以同時(shí)在殷鋼芯軸上鋪2個(gè)長為15m的梁，然后轉(zhuǎn)移到熱壓罐中進(jìn)行固化。

 固化梁要使用自動臺架TORRESONIC UT檢測儀進(jìn)行質(zhì)量檢查，該檢測儀的檢測范圍長為15m，寬為2 m。MTorres公司制造框架和裝上通用機(jī)器人，機(jī)器人由德國Kuka Roboter GMBH (Ausburg 德國)公司提供，電子設(shè)備由Techaton(Madrid 西班牙)供應(yīng)。完成的梁部件運(yùn)到Spirit公司位于蘇格蘭的Prestwick工廠，3段連接到一起，并與固定前緣和其他定位裝置對接，然后交付完整的前緣組件給空客的Broughton工廠進(jìn)行機(jī)翼總裝。

 2  后翼梁制造

后翼梁在GKN（Reddich Worchester英國）生產(chǎn)，MTorres公司提供了類似設(shè)備。由于該梁要和固定后緣對接，并要承當(dāng)來自動翼的力，該公司除了制造梁以外，還負(fù)責(zé)將GE公司制造的固定機(jī)翼后緣（FTE）固定到后梁上。并進(jìn)行最后檢驗(yàn)，合格后重新將固定后緣分解，以便運(yùn)輸。

后梁包括3段，每段長為10m，最重要的是內(nèi)側(cè)的那段梁，重約500kg,其根部層壓達(dá)25~30mm厚，中段梁重為150kg，最外的一段重為100kg。

 每段梁都用纖維鋪放機(jī)鋪設(shè)，用殷納鋼模具。桶形的，固化后切成2個(gè)C形梁。材料是Hexcel的碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料M-21E。帶寬為16px。前面已經(jīng)提到所用鋪放機(jī)也是M.Torres提供的，五坐標(biāo)自動控制，模具固定在轉(zhuǎn)動心軸上鋪設(shè)。機(jī)器可按要求自動控制鋪放厚度。鋪設(shè)完后的熱壓罐固化和檢驗(yàn)同前梁一樣。

 3  機(jī)翼上板件制造

機(jī)翼上部蒙皮在空客德國漢堡總部所屬的空客Stade工廠生產(chǎn)，此處工房面積為30000m2,不但可鋪碳纖維帶，還第一次開發(fā)了玻璃纖維的鋪設(shè)，該機(jī)翼板件31.6m×5.6m,所用熱壓罐是當(dāng)前世界上技術(shù)最先進(jìn)直徑最大者之一，能同時(shí)固化2個(gè)板件。該熱壓罐據(jù)說直徑是8m,而空客在制造A380時(shí)所用熱壓罐直徑為6m。

 除鋪制機(jī)翼板件蒙皮外，該廠還生產(chǎn)用于該板件的長桁，為此該廠建了一條140m的生產(chǎn)線。在質(zhì)量控制方面，引進(jìn)了適用于該板件CFRP內(nèi)外表面同時(shí)檢查的的檢查系統(tǒng)。對邊緣的修整用水切割。在工房里建立了自動運(yùn)輸系統(tǒng)。

 該全套設(shè)施也用于A350垂尾的制造。

 4  機(jī)翼下板件制造

機(jī)翼下板件在西班牙Illescas 生產(chǎn)，所用技術(shù)條件、標(biāo)準(zhǔn)、工藝流程、設(shè)備與上板件一致。

 上下機(jī)翼板件完工后均運(yùn)至Broughton（英國）進(jìn)行機(jī)翼裝配。 Illescas還同時(shí)生產(chǎn)A350機(jī)身19段。

 5  機(jī)翼固定后緣制造

機(jī)翼固定后緣由GE公司生產(chǎn)。后緣是蜂窩結(jié)構(gòu)，原用Hexply8552預(yù)浸料膠接蒙皮和Hexcel蜂窩芯子Hexweb HRH-36,該芯子由Hexcel下料機(jī)加后交到GE公司?，F(xiàn)在UMECO公司根據(jù)GE的要求開發(fā)了OOA的MTM-44-1預(yù)浸料，該新材料的特點(diǎn)是密度低，預(yù)制品密封袋裝好后，抽真空并加溫，130℃時(shí)開始固化，180℃時(shí)固化完成。揮發(fā)氣少、孔隙率低。由于不需加壓，可以不進(jìn)熱壓罐，節(jié)約造價(jià)。

 6  機(jī)翼前緣制造

機(jī)翼前緣在英國蘇格蘭 Spirit Aerosystems Europe的普雷斯蒂克工廠設(shè)計(jì)制造，部份零組件安排在其在馬來西亞Subang工廠生產(chǎn)（如下板件）。該前緣長接近32m,其中50%是碳纖維構(gòu)件。

 7  中央翼制造

中央翼由EADS在Nante（法國南特）的工廠生產(chǎn)，40%的碳纖維（CFRP）件。翼盒長為6.5m，高為3.9m,表面面積為36m2,其板件是Nante生產(chǎn)過的最大復(fù)合材料件。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工藝流程、工藝方法基本和機(jī)翼部分一致。中央翼完工后運(yùn)至法國St Nazaire,在那里和機(jī)身對接。

 8  襟副翼制造

襟副翼也主要是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。GKN公司承擔(dān)為A350制造襟翼，該合同在德國幕尼黑簽訂。GKN又將承包的外襟翼轉(zhuǎn)包給荷蘭Stork Fokker公司生產(chǎn)，F(xiàn)okker公司在Papendrecht制造外襟翼。內(nèi)襟翼即由GKN在Bremen生產(chǎn)。

 9   尾翼制造

空客德國Stade分部承擔(dān)了A350尾翼的設(shè)計(jì)工作，并承擔(dān)垂直尾翼的制造。尾翼整個(gè)是以碳纖維（CFRP）為主。Stade擁有強(qiáng)大的復(fù)合材料構(gòu)件制造能力，除承當(dāng)A350機(jī)翼上板件生產(chǎn)外還有足夠的實(shí)力（包括設(shè)備）來完成垂尾制造計(jì)劃。 西班牙的 Puero Real于2011年開始制造A350的水平尾翼，該處擁有強(qiáng)大的自動鉆孔設(shè)備和鋪放能力以及無損檢測能力。 

尾翼的方向舵，升降舵即通過西班牙安排在哈爾濱哈飛與空客合資的企業(yè)生產(chǎn)。該合資公司配備了鋪帶機(jī)及有關(guān)的檢驗(yàn)設(shè)備。

結(jié)束語

A350的制造分工比較復(fù)雜，其第一供應(yīng)商參與總體設(shè)計(jì)并承包分工部件的整個(gè)部件設(shè)計(jì)，除自己承當(dāng)部分制造任務(wù)外還將部分制造工作外擴(kuò)到第二承包商，甚至還有第三承包商，但第二承包商以下都不再有設(shè)計(jì)權(quán)限。

 總的情況是前機(jī)身在德國總成，中機(jī)身在美國總成，后機(jī)身也在德國總成，機(jī)翼在英國總成，尾翼在西班牙總成，中央翼在法國總成，這些總成單位就是當(dāng)然的第一承包單位。最后都交到法國圖魯茲進(jìn)行總裝配。

 總之，復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用正日益增大，A350中52%的占有量雖是空前，但決非絕后。A350在鋪帶鋪絲工藝上比A380又有許多突破。從當(dāng)前復(fù)合材料構(gòu)件制造來看，全工藝過程必須緊緊抓住鋪放（鋪帶或鋪絲）、機(jī)加銑切、鉆孔、無損超聲幾個(gè)主要環(huán)節(jié)，縫合技術(shù)在機(jī)身后壓力框等部件中已開始采用。隨著A350-1000型的開發(fā)還正在研究一些更新的技術(shù)使用。

 值得一提的是，空客還在考慮繼續(xù)擴(kuò)大復(fù)合材料使用范圍，例如將發(fā)展的1000型，總長將比900型長7m,要增加 11個(gè)隔框。要減少由于增加隔框而相應(yīng)增加過多重量，他們準(zhǔn)備用BRaF (Braided Frame）即隔框編織法來制造這些復(fù)合材料隔框。其過程就是將干纖維帶通過編織預(yù)成型件和機(jī)身直徑相同的預(yù)成型件，然后注樹脂，固化后修正成為框的成品，而不再通過預(yù)浸帶來鋪設(shè)。此外還在研究用FPP（Fiber PatchPerform）,是一種干脆用纖維絲束小片的預(yù)成型法，它通過機(jī)械手來安放微小的補(bǔ)片，注入樹脂制造零件，并用于零件（如窗口邊緣）的局部加強(qiáng)，下一步計(jì)劃是準(zhǔn)備用于制造復(fù)合材料長桁的預(yù)成型件，使重量更輕、成本更低。而有關(guān)這些新技術(shù)所需新設(shè)備的充實(shí)和現(xiàn)代化又是個(gè)重要問題。

來源：復(fù)材應(yīng)用技術(shù)