航空模壓成型工藝

航空模壓成型工藝為追求輕質(zhì)商用飛機(jī)，一個最新開啟的前沿是飛機(jī)內(nèi)部托架的輕質(zhì)生產(chǎn)，其中許多托架都是長型材形式的。這些重要的但不經(jīng)常被見到的飛機(jī)組裝部件——C形通道、H形梁、U型剖面、L形和T形桁條、以及空心梯形桁條，長期以來都是由鋁制成的。模壓成型，一個與汽車和工業(yè)復(fù)合材料關(guān)系更緊密的加工工藝，將改變這種鋁制托架的局面。模壓成型(CCM)，是一個自動的半連續(xù)加工過程，可以將增強(qiáng)的可作熱壓成形的輸入料帶入到模具中，然后制作有效的無限長的異形型材和平面板。由一人操作，該計算機(jī)控制過程生產(chǎn)產(chǎn)品的速度，與拉擠成型的生產(chǎn)速度接近，異形型材的生產(chǎn)速度高達(dá)40米/小時（131英尺/小時），而平面板的生產(chǎn)速度高達(dá)91米/小時（300英尺/小時）。

左邊為CCM異形型材生產(chǎn)線，右邊為CCM平面板生產(chǎn)線。這兩條生產(chǎn)線都是自動化的，由一人操作。

每一條生產(chǎn)線都具備電腦控制喂料、擠壓、切割和堆積功能。不像熱塑性拉擠成型，熱塑性樹脂在模具中被注入到干纖維中去，模壓成型采用的輸入料，與航空環(huán)氧預(yù)浸料相似，是高均衡的、用高端熱塑性塑料浸漬過的連續(xù)纖維增強(qiáng)材料，包括聚醚醚酮(PEEK)、PEKK、聚醚酰亞胺（PEI）和聚苯硫醚（PPS）。對于非航空應(yīng)用而言，聚丙烯（PP）和其他工程塑料是常見的基體材料。由此產(chǎn)生的熱塑性結(jié)構(gòu)具備了航空級別的優(yōu)質(zhì)質(zhì)量，不可用的部分通常少于1%（已通過層壓顯微照片得到證實），而對于經(jīng)熱壓處理的復(fù)合材料而言，要求不可用的部分少于2%。

Xperion公司已經(jīng)采用模壓成型工藝，為用于固定空客A330/A340飛機(jī)室內(nèi)側(cè)壁板的

碳纖維/聚醚酰亞胺橫桿扣件裝置，制作長型材和托架（如本圖所示）。目前為止，商業(yè)產(chǎn)品的制作已經(jīng)使用碳纖維或玻璃纖維（盡管他們可以由芳綸或其它纖維制成），其中包括高負(fù)荷結(jié)構(gòu)構(gòu)件，比如，用來固定空客A330/A340飛機(jī)室內(nèi)側(cè)壁板的碳纖維/聚醚酰亞胺橫桿扣件裝置。CCM制造商XperionAerospaceGmbH公司（位于德國黑爾福德）表示，已經(jīng)生產(chǎn)出3萬多個這樣的扣件，這些復(fù)合材料扣件代替了傳統(tǒng)的鋁制扣件，重量減輕約50%，生產(chǎn)成本降低了21%，兩年后，部件拒絕率將小于0.1%。

工藝歷史

模壓成型(CCM)不是一種新型工藝，20世紀(jì)90年代初，Dornier飛機(jī)制造公司（位于德國）的UlrichSpelz——一位熱塑性復(fù)合材料(TPC)先驅(qū)，開發(fā)了此工藝并獲得了專利。1999年，UlrichSpelz創(chuàng)立了ACM公司（即AdvancedCompositesandMachinesGmbH,位于德國，馬克多夫），目的是為了推動CCM工藝的發(fā)展；為客戶測試新的熱塑性復(fù)合材料及原型模具；并使部件投入到批量生產(chǎn)中去。

一個早期的成功產(chǎn)品是用于BicoAG公司（位于瑞士，Sch?nis）創(chuàng)新板條床設(shè)計的卡條，該卡條被提名為2002年JEC獎的候選產(chǎn)品。為適應(yīng)模壓成型，ACM公司與DyneDesignEngineering公司（位于瑞士，Niederlenz）及制造商N(yùn)?geliSwissAG公司（位于瑞士，Güttingen）合作，調(diào)整了卡條設(shè)計。CCM機(jī)器中裝入了五層Gurit公司的Plytron60%玻璃增強(qiáng)聚丙烯單向預(yù)浸帶后，就開始加熱并擠壓這種材料。由此產(chǎn)生的加固片材自動被切割成650毫米×200毫米（25.6英寸×7.9英寸）的板塊。這些板塊被送入到一臺雙面圖案成形液壓機(jī)內(nèi)，液壓機(jī)對其加熱直到可以壓印為止，每50秒，壓印25根發(fā)條，每根卡條25毫米寬，大約70毫米長，1.4毫米厚（0.98英寸×2.75英寸×0.06英寸）。到2007年為止，通過這種工藝平均每年生產(chǎn)的卡條有140萬根。

Xperion采用模壓成型工藝，為BicoAG公司壓制復(fù)合材料床用卡條，

從2001年到2007年一共生產(chǎn)了800萬根卡條。2004年，ACM公司與波音公司幻影工作室合作，協(xié)助其開發(fā)用于未來飛機(jī)（比如787夢想飛機(jī)）的熱塑性復(fù)合材料部件。合作計劃中包括了用作圣路易斯工廠研究平臺的可生產(chǎn)板材和異形型材的CCM機(jī)器。這促使ACM公司尋找一個更大的制造商合作者，來承擔(dān)這項重大的投資。Xperion公司完成了對Dornier公司的部分收購并于2000年正是成立，該公司于2007年1月1日收購了ACM公司，Spelz仍然任命首席技術(shù)經(jīng)理一職。

Xperion公司于2005年交付了CCM機(jī)器，在Spelz的領(lǐng)導(dǎo)下，公司繼續(xù)與波音合作，利用模壓成型工藝，制造各種熱塑性復(fù)合材料飛機(jī)部件?！安ㄒ艄拘枰喔蟮牟考保琒pelz回想道：“所以Xperion公司開始考慮在美國成立一個工廠的好處?！庇谑且粋€與CDI公司（CuttingDynamicsInc.位于俄亥俄州）合資的企業(yè)出現(xiàn)了，各自擁有50%的股份。CDI公司是Sikorsky公司（位于康涅狄格州，斯特拉特福）長期的機(jī)械加工金屬部件供應(yīng)商，也是波音公司及BellHelicopter公司（位于德克薩斯州）的合格供應(yīng)商。該公司有豐富的熱塑復(fù)合材料經(jīng)驗，已經(jīng)購買了Fiberforge公司的自動鋪帶裝置，將其與傳統(tǒng)的圖案成形液壓機(jī)一同使用，為飛機(jī)座椅生產(chǎn)TPC部件。新成立的合資公司總部設(shè)在CDI公司的Avon工廠內(nèi)，今年就能夠為波音787飛機(jī)生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料吊頂部件?？湛惋w機(jī)的部件將繼續(xù)由Xperion公司德國工廠提供。

工藝過程

CCM模具得益于廣泛的發(fā)展?！按罅繌氖聼崴苄詮?fù)合材料行業(yè)的供應(yīng)商來自于注射成型業(yè)或有過從事深扛成形汽車零部件工作的經(jīng)歷，在深扛成形過程中，模具相當(dāng)復(fù)雜和昂貴”，Spelz指出，“在Xperion公司，基于迅速變化的模塊，我們開發(fā)了一種新的模具系統(tǒng)?！彼蠧CM模具是為符合機(jī)器上的一個標(biāo)準(zhǔn)模式的安裝孔而改裝的。許多種形狀可由一套模具制得，所有不同的陽模和陰模可以結(jié)合起來，并且很容易更改和調(diào)整。例如，一個L形陰?？膳c不同的陽模一起使用，來達(dá)到不同的厚度或外半徑（如果部件腿兒的尺寸是一樣的），而不用設(shè)計新的密封件或加熱裝置。Spelz表示組合模具節(jié)省了大量的時間和成本，特別是在原型制作中。

模壓成型工藝的靈活性可以通過一個事實得以加強(qiáng)證明：不用停止機(jī)器運作，通過添加預(yù)浸帶層和/或變化堆積順序就可以改變部件的接頭處，只需要添加、移除和/或替換進(jìn)料繞線軸架上的線圈（預(yù)浸帶），并將他們放置到軸架上合適的位置。Spelz說明了這樣做的好處：“對于長線線圈而言，可以在高裝載的地方增加線圈厚度?！蹦撼尚凸に嚳赡鼙桓倪M(jìn)，用于較小較薄部件的持續(xù)高速生產(chǎn)。

“因為模壓成型允許單獨改變每一個變量，在原型制作和迅速達(dá)到解決方案上，這種工藝是非常經(jīng)得起檢驗的”，Xperion/CDI合資工廠常務(wù)董事BillCarson說道。他也指出異形型材機(jī)器能產(chǎn)生垂直方向和水平方向的壓力，生產(chǎn)出的型材沒有起皺，即便是復(fù)雜的幾何型材也是如此，這都是選用了非常高質(zhì)量復(fù)合材料的結(jié)果。Carson表示這是傳統(tǒng)的真空袋成型工藝不容易達(dá)到的。Carson也看到了熱塑性復(fù)合材料可循環(huán)利用的靈活性。

現(xiàn)狀及前景展望

Xperion/CDI合資工廠的第一批產(chǎn)品將是用于夢想787飛機(jī)的吊頂部件，包括C形件和L形件，大約2英寸/51毫米寬，這些吊頂部件將為頭頂行李架承載所有的負(fù)荷。盡管空客飛機(jī)的側(cè)壁扣件由TenCate公司的碳纖維/聚醚酰亞胺織物預(yù)浸料制成，但787飛機(jī)部件，將最可能采用碳纖維/PEEK或碳纖維/PEEK單向預(yù)浸帶制成。

半成品TPC輸入料被裝上進(jìn)料繞線軸架“我們已經(jīng)使用CCM模壓板材制作了飛機(jī)內(nèi)部側(cè)壁板，但是對于這樣大的一個部件來說，使用的材料太過昂貴了，而目前使用的酚醛材料，價格非常便宜”，Spelz說道。此外，用于側(cè)壁生產(chǎn)的大型機(jī)器不太利于CCM（模壓成型工藝）加工?！皟?nèi)部側(cè)壁板后面的許多小部件非常適合采用熱塑性復(fù)合材料和CCM工藝”，他又說道。

“我們認(rèn)為，關(guān)于某一部件的生產(chǎn)，選擇什么材料，什么工藝最好，人們必須要誠實”，Spelz說道。他欣然承認(rèn)，并非所有部件都適合采用熱塑性復(fù)合材料，空心部件和夾層結(jié)構(gòu)更適合熱固性加工。

在InstitutfürVerbundwerkstoffeGmbH研究中心（位于德國，凱撒斯勞滕），已有夾層結(jié)構(gòu)和空心件制作方面的新突破。2009年，該非營利性研究機(jī)構(gòu)展示了通過模壓成型制成的空心型材的連續(xù)生產(chǎn)，這種型材的制成過程采用了一種改良后的設(shè)計——模具中央有一個浮動模芯。這項工作也探究了PBT（聚對苯二甲酸丁）參與的加工過程，PBT是在單體CBT（cyclicbutyleneterephthalate）加工過程中形成的，CBT易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的。Cyclics公司（位于紐約斯克內(nèi)克塔迪）制作過程是將聚對苯二甲酸?。≒BT）分解成環(huán)狀齊聚物的形式，然后將其加熱到指定的溫度，待環(huán)狀齊聚物成為水一樣的粘質(zhì)時，就會促進(jìn)纖維的浸潤。待催化并冷卻后，環(huán)狀齊聚物就又成為較常見的粘質(zhì)，并構(gòu)成長鏈、高分子量的PBT熱塑性塑料。Cyclics公司表示，這種材料具有熱塑性性能，但可進(jìn)行熱固性加工。為形象化這兩種材料的益處，一位重要的CBT作家SteveWinckler指出，人們必須將CBT想象為奶油溶化粘質(zhì)，把PBT當(dāng)作橡皮泥，他們的性能更接近環(huán)氧樹脂，比聚丙烯性能好，純樹脂價格為6美元/鎊到8美元/鎊——僅略高于聚醚酰亞胺（PEI，5美元/鎊到6美元/鎊），是PEEK及PEKK價格（30美元/鎊）的一部分。Winckler也解釋道，CBT作為一個基體，天生“想”去浸潤復(fù)合增強(qiáng)材料，從而導(dǎo)致更好的樹脂與纖維分布，也有助于達(dá)到與環(huán)氧樹脂相近的力學(xué)性能。相關(guān)報告指出，CBT的使用加快了生產(chǎn)速度，大大降低了生產(chǎn)成本，但力學(xué)性能沒有損失。

Spelz和Carson同意，下一步要將高力學(xué)性能（以前只有熱固性復(fù)合材料才可以實現(xiàn)）、快速度、高質(zhì)量及低成本結(jié)合起來用于模壓成型工藝，首先用來生產(chǎn)飛機(jī)吊頂?shù)蔫鞐l和加固件及結(jié)構(gòu)部件，最后生產(chǎn)蒙皮桁條組件及地板等。CMM異型型材和平面板材可以進(jìn)行熔接，以形成非常長的組件，迅速而節(jié)約成本。Carson看到了對Xperion/CDI開放的一個全新世界?！盎贑DI公司悠久的供應(yīng)歷史，我們知道航空部件制作需要花費的材料成本和勞動力成本?，F(xiàn)在我們可以利用新的材料，生產(chǎn)出可替代鋁制結(jié)構(gòu)或其他金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。這樣重量至少減30%,成本卻非常便宜，而且我們能夠輕而易舉地回收這些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)”，Carson說道。

附錄資料：不需要的可以自行刪除下料通用工藝范圍本通用工藝規(guī)定了下料的工藝規(guī)則，適用于本公司的產(chǎn)品材料的下料。2下料前的準(zhǔn)備2.1看清下料單上的材質(zhì)、規(guī)格、尺寸及數(shù)量等。2.2核對材質(zhì)、規(guī)格與下料單要求是否相符。材料代用必須嚴(yán)格履行代用手續(xù)。2.3查看材料外觀質(zhì)量（疤痕、夾層、變形、銹蝕等）是否符合有關(guān)質(zhì)量規(guī)定。2.4將不同工件所用相同材質(zhì)、規(guī)格的料單集中，考慮能否套料。2.5號料2.5.1端面不規(guī)則的型鋼、鋼板、管材等材料號料時必須將不規(guī)則部分讓出。鋼材表面上如有不平、彎曲、扭曲、波浪等缺陷，在下料切割和成形加工之前，必須對有缺陷的鋼材進(jìn)行矯正。2.5.2號料時，應(yīng)考慮下料方法，留出切口余量。2.5.3有下料定尺擋板的設(shè)備，下料前要按尺寸要求調(diào)準(zhǔn)定尺擋板，并保證工作可靠，下料時材料靠實擋板。3下料3.1剪板下料3.1.1鋼板、角鋼、扁鋼下料時，應(yīng)優(yōu)先使用剪切下料。鋼板、扁鋼用龍門剪床剪切下料，角鋼用沖剪機(jī)剪切下料。3.1.2用剪床下料時，剪刃必須鋒利，并應(yīng)根據(jù)下料板厚調(diào)整好剪刃間隙，其值見下表鋼板厚度mm45678910剪刃間隙mm50.30.350.40.45鋼板厚度mm11121314151620剪刃間隙mm0.50.550.60.650.70.750.8剪切最后剩下的料頭必須保證剪床的壓料板能壓牢。3.1.4下料時應(yīng)先將不規(guī)則的端頭切掉。3.1.5切口斷面不得有撕裂、裂紋、棱邊。3.1.6龍門剪床上的剪切工藝首先清理工件并劃出剪切線，將鋼板放至剪床的工作臺面上，使鋼板的一端放在剪床臺面上以提高它的穩(wěn)定性，然后調(diào)整鋼板，使剪切線的兩端對準(zhǔn)下刀口，控制操作機(jī)構(gòu)將剪床的壓緊機(jī)構(gòu)先將鋼板壓牢，接著進(jìn)行剪切。剪切狹料時，在壓料架不能壓住板料的情況下可加墊板和壓板，選擇厚度相同的板料作為墊板。剪切尺寸相同而數(shù)量又較多的鋼板、型材時，利用擋板（前擋、后擋板和角擋板）定位，免去劃線工序。利用擋板進(jìn)行剪切時，必須先進(jìn)行試剪，并檢驗被剪尺寸是否正確，然后才能成批剪切。3.2氣割下料3.2.13.2.2切割前，將工件分段墊平（不能用磚和石塊），將工件與地面留出一定的間隙利于氧化鐵渣吹出。3.2.3將氧氣調(diào)節(jié)到所需的壓力。對于射吸式割炬是否有射吸能力，如果割炬不正常時，應(yīng)檢查修理，否則禁止使用。3.2.4預(yù)熱火焰的長度應(yīng)根據(jù)板材的厚度不同加以調(diào)整，火焰性質(zhì)均應(yīng)采用中性火焰，即打開切割氧時火焰不出現(xiàn)碳化焰。3.2.5氣割不同厚度的鋼板時，要調(diào)節(jié)切割氧的壓力，而同一把割炬的幾個不同號碼嘴頭應(yīng)盡量不經(jīng)常調(diào)換。氣割選擇見表板材厚度（mm）割炬氣體壓力（kg/cm2）型號割嘴號碼氧氣乙炔（煤氣）3.0以下G01-301～23～40.01～1.23.0～12G01-301～24～512～30G01-30～1002～45～730～50G01-1003～55～70.01～1.250～1005～66～8100～150G01-30078～12150～200810～14200～250910～143.2.6切割速度應(yīng)適當(dāng)。速度適當(dāng)時，熔渣和火花垂直向而去；速度太快時，產(chǎn)生較大的后拖量，不易切透，火花向后面，造成鐵渣往上面，容易產(chǎn)生回火現(xiàn)象。3.2.7割嘴與工件的距離鋼板的氣割，割嘴與工件的距離大致等于焰芯長度加上2-4毫米左右。氣割4-25毫米厚的鋼板時，割嘴向后傾斜20°-30°角，即向切割前進(jìn)的反方向。氣割4毫米以下的鋼板時，割嘴向后傾斜25°-45°角，即向切割前進(jìn)的反方向。割嘴與工件表面的距離為10～15毫米，切割速度應(yīng)盡可能快。3.2.8氣割順序氣割一般是從右向左方向進(jìn)行，在正常工作停止時，應(yīng)先關(guān)切割氧，再關(guān)乙炔（煤氣）和預(yù)熱氧閥門。切割臨近終點，嘴頭應(yīng)向切割前進(jìn)反方向傾斜一些，以利于鋼板的下部提前割透，使收尾的割縫整齊。3.2.9坡口的氣割先按坡口的角度尺寸劃線，然后將割嘴按坡口角度找好，往后拖或向前操作切割，同時坡口的氣割與分離切割相比，割嘴稍慢，預(yù)熱火焰能率應(yīng)適當(dāng)減少，而切割氧的壓力應(yīng)稍大。切割坡口時，可采用角度靠具和角度可調(diào)的滾輪架上調(diào)節(jié)使用。3.2.10法蘭及圓盤氣割用頂規(guī)將圓十字中心樣沖眼定頂。鋼板進(jìn)行預(yù)熱，割嘴垂直于鋼板至鋼板達(dá)到切割溫度時（暗紅），將割嘴傾斜一些便于氧化鐵渣吹出，此時打開切割氧。開始切割時切割氧不要開太大，隨著往后拖割炬和逐漸相反的方向飛出，這時將嘴頭與鋼板垂直。割法蘭一般先割外圓，后割內(nèi)圓。3.2.11氣割表面質(zhì)量對重要件的氣割表面應(yīng)修正、打磨。氣割面垂直度偏差不大于零件厚度的5%且不得大于2mm；仿形及半自動切割的切割面粗糙度Ra不大于（割紋深度）110-188um；手工切割面粗糙度Ra不大于400-500um。氣割下料允許的尺寸偏差見表3。工作厚度mm尺寸范圍（mm）35-315＞315-1000＞1000-2000＞2000-4000＞4000-6000仿形切割半自動切割3＜δ≤12±1.0±1.5±2.0±3.012＜δ≤50±0.5±1.0±1.5±2.050＜δ≤100±1.0±2.0±2.5±3.0手工切割3＜δ≤12±2.0±3.5±4.0±4.5±512＜δ≤50±1.5±2.