空客A350的碳纖維涂裝
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(guò)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(lái)了許多新的要求，本文即對(duì)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(zhǎng)13m （13~14段）、20m（15段）和15m（16~18段）。其中，機(jī)身中段（15段）如圖2所示。
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(dòng)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(dòng)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(guò)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(yáng)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(lèi)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(zhǎng)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(tái)高5m、長(zhǎng)15m的Torresonic UT柱形超聲檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備上裝有Kuka Roboter GMBH(Ausburg德國(guó))的機(jī)器人裝置，可同時(shí)檢測(cè)機(jī)身壁板的內(nèi)外蒙皮。檢測(cè)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(mén)椽為鈦合金，框和椽使用自動(dòng)設(shè)備連接。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(guó)Nordenham的premium Aerotec空客公司生產(chǎn)。這4個(gè)13m長(zhǎng)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(guó)Aerolie制造并運(yùn)到此處的機(jī)頭部件（11~12段）對(duì)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(guó)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)。 11段是鋁結(jié)構(gòu)，12段是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其鋪設(shè)見(jiàn)圖5。
機(jī)身16~18段在德國(guó)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(guó)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(duì)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(lèi)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(guó)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(shù)脂熔化，真空抽入，開(kāi)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]A350的前翼梁是長(zhǎng)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(zhǎng)為7m的內(nèi)側(cè)梁、長(zhǎng)為12.7m的中梁和長(zhǎng)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(guò)渡到外側(cè)梁翼尖的寬0.3m處。M Torres公司是Spirit開(kāi)發(fā)梁生產(chǎn)能力的關(guān)鍵合作伙伴。公司的自動(dòng)纖維鋪放系統(tǒng)相比于普通臺(tái)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(tái)類(lèi)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(kāi)發(fā)的，因?yàn)樵诎?/span>45°角鋪設(shè)到90°彎角時(shí)，梁的邊緣容易產(chǎn)生許多問(wèn)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(tái)M Torres機(jī)床可以同時(shí)在殷鋼芯軸上鋪2個(gè)長(zhǎng)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(dòng)臺(tái)架TORRESONIC UT檢測(cè)儀進(jìn)行質(zhì)量檢查，該檢測(cè)儀的檢測(cè)范圍長(zhǎng)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(guó)Kuka Roboter GMBH (Ausburg 德國(guó))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(duì)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。后翼梁在GKN（Reddich Worchester英國(guó)）生產(chǎn)，MTorres公司提供了類(lèi)似設(shè)備。由于該梁要和固定后緣對(duì)接，并要承當(dāng)來(lái)自動(dòng)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(zhǎng)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。