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自動(dòng)鋪絲，以取代新型中型商用客機(jī)上復(fù)合材料后梁的膠帶鋪放/褶皺形成工藝。
圖1. 空客A350 XWB的內(nèi)部后梁演示器。翼梁在根部的高度接近2m/6.5英尺，在翼尖處逐漸變細(xì)至約0.25m/10英寸。
圖2. 吉?jiǎng)P恩的一臺(tái)AFP機(jī)器正在進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。
吉?jiǎng)P恩（GKN）公司的航空航天部門(mén)總部位于英國(guó)伍斯特郡Redditch，在很大程度上依靠其在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)方面的專業(yè)知識(shí)，繼續(xù)保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)。即使是不專注于復(fù)合材料的50%的業(yè)務(wù)，也主要基于材料技術(shù)，如復(fù)雜的鈦航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件和具有真空沉積表面以增強(qiáng)隱身性能的座艙罩。這并不令人驚訝，因?yàn)榧獎(jiǎng)P恩首次利用材料技術(shù)獲得市場(chǎng)份額是在19世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)吉?jiǎng)P恩是英國(guó)第一家采用成本效益高的Bessemer工藝生產(chǎn)鋼鐵的公司，主導(dǎo)了鐵路供應(yīng)業(yè)務(wù)。截至1871年，該公司每年的鋼鐵產(chǎn)量超過(guò)5600萬(wàn)磅（25400公噸）。
隨著吉?jiǎng)P恩航空的業(yè)務(wù)擴(kuò)張，吉?jiǎng)P恩航空收購(gòu)了英國(guó)以外的公司。截至2008年底，吉?jiǎng)P恩一半以上的業(yè)務(wù)在美國(guó)開(kāi)展。2009年，吉?jiǎng)P恩以1.36億英鎊/2.1億美元的價(jià)格收購(gòu)了位于英國(guó)菲爾頓的空客制造業(yè)務(wù)，從而恢復(fù)了歐洲和美國(guó)業(yè)務(wù)之間的平衡。吉?jiǎng)P恩不滿足于這一大規(guī)模收購(gòu)，承諾額外投資1.25億英鎊/19.2億美元，將菲爾頓發(fā)展成為復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)的全球卓越中心。這一決定是吉?jiǎng)P恩被選為空客A350 XWB項(xiàng)目參與者的結(jié)果。
A350后翼梁項(xiàng)目
吉?jiǎng)P恩獲得了一份合同，根據(jù)該合同，吉?jiǎng)P恩將為A350提供完全組裝的后梁。吉?jiǎng)P恩副總裁兼總工程師克里斯·吉爾（Chris Gear）解釋說(shuō)，該公司的職責(zé)是成為預(yù)裝有所有后緣組件的后梁的設(shè)計(jì)師、集成商和供應(yīng)商。吉?jiǎng)P恩全權(quán)負(fù)責(zé)交付組件，但空中客車公司已選定了許多組件的供應(yīng)商。例如，通用電氣航空系統(tǒng)公司（GE Aviation Systems）將在其位于英國(guó)漢普郡漢布爾（Hamble）的工廠制造后緣的許多組件。
使用Advanced Composites Group（ACG，Heanor，Derbyshire，英國(guó)）的可熱固化MTM 44-1預(yù)浸料系統(tǒng)，將在熱壓罐外工藝中制造大量的牽引邊緣板，這是該技術(shù)首次用于主要生產(chǎn)應(yīng)用。吉?jiǎng)P恩將負(fù)責(zé)將30m/97英尺長(zhǎng)的翼梁分為三段，然后將所有框、肋柱、起落架連接接頭和其他附件連接到每段翼梁上。
圖1顯示了后梁。翼梁在根部的高度接近2m/6.5英尺，在翼尖處逐漸變細(xì)至約0.25m/10英寸。
將零件連接到翼梁各段后，完成三段分之間的連接，以創(chuàng)建整個(gè)后翼梁子組件。然后，為了便于運(yùn)輸?shù)轿挥谕柺?英格蘭邊境的布勞頓的最終機(jī)翼裝配線，該組件三段，每個(gè)段約10米/32英尺長(zhǎng)。
設(shè)計(jì)責(zé)任沿著供應(yīng)鏈向下流動(dòng)。吉?jiǎng)P恩使用空中客車公司的方法和設(shè)計(jì)工具來(lái)計(jì)算后梁和后緣組件中的應(yīng)力和應(yīng)變。然后，空中客車公司負(fù)責(zé)將吉?jiǎng)P恩和其他制造商的組件集成到機(jī)翼中。翼梁中的主要載荷來(lái)自機(jī)翼蒙皮。這些載荷來(lái)源于空客機(jī)翼的全球有限元模型。此外，還有來(lái)自連接到翼梁的起落架附件的著陸載荷以及燃料載荷，這些載荷包括燃料本身的重量和當(dāng)燃料箱部分空時(shí)的晃動(dòng)載荷。GKN在設(shè)計(jì)復(fù)合材料翼梁時(shí)必須分析所有這些載荷類型。
空中客車公司要求翼梁制造方法包括使用自動(dòng)纖維放置（AFP）機(jī)器。吉?jiǎng)P恩將使用MTorres（西班牙納瓦拉Torres de Elorz）提供的AFP設(shè)備。
吉?jiǎng)P恩已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種翼梁的生產(chǎn)方法，用于為空中客車軍用公司（西班牙馬德里）的A400M運(yùn)輸機(jī)鋪設(shè)翼梁。然而，這種方法對(duì)于A350翼梁來(lái)說(shuō)并不實(shí)用。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該方法包括對(duì)平坦層壓板進(jìn)行高速膠帶鋪設(shè)，然后將材料熱褶皺成形為“C形剖面”的翼梁。
乍一看，成型似乎相對(duì)簡(jiǎn)單，但仔細(xì)檢查任何一個(gè)翼梁都會(huì)發(fā)現(xiàn)許多襯墊區(qū)域，其中固定了襟翼軌道梁和肋等附件。這些堆積要求層壓板在褶皺形成過(guò)程中允許復(fù)雜的層間和層內(nèi)滑動(dòng)。使用為A400M選擇的氰特公司（Cytec亞利桑那州坦佩市）Cytec 977-2預(yù)浸料可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但使用空客為A350上的所有結(jié)構(gòu)部件選擇的更復(fù)雜的赫氏公司（Hexcel）M21E預(yù)浸料則不可能實(shí)現(xiàn)這種移動(dòng)。
相反的兩個(gè)翼梁是在安裝在AFP機(jī)器上的CFRP心軸上一次性制成的。然后，將鋪放的產(chǎn)品切成兩半（用于左舷和右舷梁），并用真空設(shè)備將其轉(zhuǎn)移到凸因瓦工具上進(jìn)行固化。然后，在Brötje Automation GmbH（德國(guó)Wiefelstede）提供的自動(dòng)化機(jī)器人單元中對(duì)梁進(jìn)行機(jī)加工。該單元鉆出所有的孔并修整翼梁邊緣。它還將翼梁凸緣的外表面加工到接近公差，因?yàn)楸砻娴奈恢脤?duì)于控制機(jī)翼的深度至關(guān)重要。
GKN的第一臺(tái)AFP機(jī)器在西班牙的MTorres制造了原型機(jī)器。從那時(shí)起，這臺(tái)機(jī)器和第二臺(tái)機(jī)器已經(jīng)安裝在吉?jiǎng)P恩的專用梁工廠，該工廠目前正在距離菲爾頓約8英里的Weston Approach成形。所有的翼梁制造操作——起吊、固化、機(jī)加工、無(wú)損檢測(cè)和組裝——都將在這個(gè)位置進(jìn)行。最終將安裝5臺(tái)AFP機(jī)器，以滿足每月10架份配套的需求。（圖2顯示了正在進(jìn)行試驗(yàn)的GKN AFP機(jī)器。）這類工作對(duì)吉?jiǎng)P恩和空中客車都非常重要，標(biāo)志著航空結(jié)構(gòu)供應(yīng)鏈正在發(fā)生的革命。吉?jiǎng)P恩希望這份合同能提升其作為結(jié)構(gòu)集成商而非零部件制造商的地位。同時(shí)，這也是空客通過(guò)將許多以前的職責(zé)委托給新一代“超一級(jí)”供應(yīng)商來(lái)簡(jiǎn)化裝配操作的努力的一部分。
原文見(jiàn)，《GKN A350 spar program update 》 2011.1.1
楊超凡 2024.4.9
附：
空客A400M翼梁設(shè)計(jì)和工藝
空客A400M飛機(jī)推出了新的翼梁設(shè)計(jì)和新的制造系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)結(jié)果：
- 巨大的扭矩負(fù)載需要在發(fā)動(dòng)機(jī)連接點(diǎn)處進(jìn)行局部鋪層。
- “C型剖面”翼梁在高載荷區(qū)域具有復(fù)雜的輪廓。
- 制造系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)高速膠帶在平面上鋪設(shè)，然后形成雙隔膜的通道形梁。
無(wú)論出于何種目的，大型飛機(jī)的復(fù)合材料翼梁都是一項(xiàng)新技術(shù)，過(guò)去在著名但有限的飛機(jī)項(xiàng)目中只使用過(guò)兩次。第一個(gè)例子是霍華德·休斯的膠合板機(jī)身H-4大力神飛行艇，更為人所知的是云杉鵝（一種薄木層和塑料樹(shù)脂的復(fù)合材料），它是二戰(zhàn)期間為美軍制作的原型，飛行過(guò)一次，但從未投入生產(chǎn)。另一架是B2 Spirit隱形轟炸機(jī)，其中只有21架從1993年開(kāi)始為美國(guó)空軍建造并服役。吉?jiǎng)P恩航空公司（英國(guó)懷特島考斯）最近加入了這一選擇小組，完成了法國(guó)飛機(jī)制造商空客公司A400M軍用運(yùn)輸機(jī)18.3m/60英尺主翼梁的設(shè)計(jì)并制造了第一批復(fù)合材料組件。
A400M被認(rèn)為是歐洲老舊的C-130大力神和C-160跨大西洋軍用運(yùn)輸機(jī)隊(duì)的更大尺寸替代品。到目前為止，空客公司已經(jīng)處理了192個(gè)空運(yùn)訂單，計(jì)劃于2007年年中首航，2009年投入使用。A400M具有“軟場(chǎng)地”功能，設(shè)計(jì)用于在短跑道（小于1150米/3773英尺）上起飛和降落，飛機(jī)由西方世界最強(qiáng)大的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。每個(gè)A400M翼梁必須承受飛機(jī)的所有正常飛行載荷，以及來(lái)自兩個(gè)襟翼、副翼和四個(gè)擾流板的高度集中載荷。然而，前翼梁必須承載發(fā)動(dòng)機(jī)載荷——這是翼梁開(kāi)發(fā)的主要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素。
發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)扭矩驅(qū)動(dòng)飛機(jī)通過(guò)螺旋槳，扭矩在前翼梁上的連接點(diǎn)處產(chǎn)生反作用。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生超過(guò)7500千瓦或10000馬力（軸馬力）的功率，通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的八個(gè)復(fù)合材料螺旋槳。四組八個(gè)螺旋槳中的每一個(gè)由Ratier Figeac（法國(guó)Figeac）制造，重量約為250公斤/550磅，每架飛機(jī)1公噸。螺旋槳以850轉(zhuǎn)/分的起飛功率旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生超過(guò)8700牛米（6500磅英尺）的扭矩。該扭矩通過(guò)螺栓連接到前翼梁上的配件獲得。通常，翼梁腹板的厚度在發(fā)動(dòng)機(jī)附接點(diǎn)附近為約5毫米至6毫米（約0.2英寸），但在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)的附接點(diǎn)處，腹板和蓋的厚度都加倍至約10毫米/0.4英寸。類似的厚度增加發(fā)生在翼梁連接到翼盒的根部附近。這些局部厚度變化給A400M項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)和制造工程師帶來(lái)了重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
針對(duì)性能和成本進(jìn)行設(shè)計(jì)
A400M計(jì)劃于2009年投入使用，將取代歐洲老化的C-130大力神和C-160跨大西洋軍用運(yùn)輸機(jī)隊(duì)。GKN的復(fù)合材料翼梁將處理所有機(jī)翼的空氣載荷以及來(lái)自西方世界最強(qiáng)大的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩過(guò)載。
任何現(xiàn)代飛機(jī)項(xiàng)目的主要標(biāo)準(zhǔn)之一都是按照嚴(yán)格的成本目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這種情況下，這意味著創(chuàng)建一個(gè)可以通過(guò)自動(dòng)化過(guò)程生產(chǎn)的翼梁設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)一個(gè)制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠制造出如此大、復(fù)雜的零件，達(dá)到如此重負(fù)載的主結(jié)構(gòu)所需的嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
吉?jiǎng)P恩（GKN Aerospace）的技術(shù)總監(jiān)兼首席技術(shù)專家菲爾·格蘭杰（Phil Grainger）解釋說(shuō)，像早期A400M翼梁那樣，手動(dòng)建造如此大的零件是緩慢的，通常鋪設(shè)速度為0.75kg/hr（1.5 lb/hr）。然而，在批量生產(chǎn)過(guò)程中，將使用自動(dòng)膠帶層（ATL）將零件鋪平，隨后熱覆蓋形成“C型剖面”。此時(shí)，可實(shí)現(xiàn)25公斤/小時(shí)（50磅/小時(shí)）的鋪放速度。格蘭杰強(qiáng)調(diào)，在實(shí)際零件上，這些是在一個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)的平均速率。
圖1，圖片來(lái)源：GKN Aerospace
為了實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的自動(dòng)化，吉?jiǎng)P恩（GKN Aerospace）投資了一個(gè)由MTorres（西班牙納瓦拉）制造的帶有20m/63英尺床的大型自動(dòng)鋪帶機(jī)(ATL,圖1）。自動(dòng)鋪帶機(jī)能夠使用氰特公司（Cytec）提供的977-2碳纖維/增韌環(huán)氧樹(shù)脂單膠帶，將復(fù)雜的預(yù)成型件從單向預(yù)浸料中鋪設(shè)成其開(kāi)發(fā)的形狀。為了形成“C型剖面”預(yù)成型件將從膠帶層移動(dòng)到設(shè)備制造商Aeroform有限公司（Poole，Dorset，英國(guó)）提供的熱褶皺成型器。
圖片來(lái)源：GKN Aerospace
為了便于抽真空，疊層將夾在由杜邦電子技術(shù)公司（俄亥俄州Circleville）提供的Kapton聚酰亞胺薄膜制成的兩個(gè)隔膜之間。薄膜之間的空間將被排空，然后從零件上方進(jìn)行紅外加熱，在一小時(shí)內(nèi)將溫度提高到60°C/140°F。這確保了即使在根部最厚部分的中心處的材料也被均勻地加熱到相同的溫度。然后，將輕輕施加壓力以形成層壓板，由兩個(gè)隔板約束在一個(gè)輕型工具上，該工具準(zhǔn)確地表示翼梁的內(nèi)表面。這種C形過(guò)程在20分鐘的時(shí)間內(nèi)非常緩慢地實(shí)現(xiàn)。（成型后，丟棄Kapton薄膜。）
設(shè)計(jì)該工藝的挑戰(zhàn)在于，在發(fā)動(dòng)機(jī)連接加強(qiáng)件處添加的額外材料中，帽中縱向纖維的路徑長(zhǎng)度（見(jiàn)圖，右圖）大于翼梁的其余部分。在大多數(shù)工藝中，這會(huì)導(dǎo)致起皺，導(dǎo)致翼梁最關(guān)鍵部分的性能出現(xiàn)不可接受的退化。然而，格蘭杰報(bào)告稱，在該過(guò)程中獲得的溫和的加工力允許層內(nèi)滑動(dòng)，這使得具有較短路徑長(zhǎng)度的材料能夠從翼梁的端部擠出。
在蓋布成型器完成在工具上形成翼梁后，疊層將轉(zhuǎn)移到由因瓦鋼制成的第二個(gè)凸模中。當(dāng)翼梁就位時(shí)，將在幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)域手工鋪設(shè)編織材料的工藝層，其目的如下所述。然后，將在熱壓罐中常規(guī)地固化翼梁。
每個(gè)機(jī)翼的翼梁分為兩段。前翼梁分為12米/39英尺和7米/23英尺兩段，后翼梁分別為14米/45英尺和5米/16英尺。每個(gè)翼梁兩段之間使用的連接板也是復(fù)合“C形通道”，放置在接頭的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，并用緊固件固定。因?yàn)橐砹汉瓦B接板之間的配合必須精確到0.25mm/0.01英寸以內(nèi)，所以翼梁是在放置工藝層的區(qū)域中局部加工的。在通常的實(shí)踐中，這種接頭將使用金屬連接板制成，但GKN認(rèn)為，使用復(fù)合材料不僅可以節(jié)省重量，還可以降低熱應(yīng)力和腐蝕的可能性。
由于零件和由鋼制成的床身之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同，因此加工14m/45英尺長(zhǎng)的翼梁，這給設(shè)計(jì)帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。鋼的熱膨脹系數(shù)（CTE）高（12 x 10-6/°C或6.6 x10-6/°F）；碳復(fù)合材料翼梁的熱膨脹系數(shù)（CTE）接近于零。無(wú)論環(huán)境溫度如何，確保翼梁長(zhǎng)度相同的傳統(tǒng)解決方案是在空調(diào)外殼中操作機(jī)床。吉?jiǎng)P恩航空有一個(gè)更聰明的想法。吉?jiǎng)P恩與哈德斯菲爾德大學(xué)（英國(guó)哈德斯菲爾德昆斯蓋特）合作開(kāi)發(fā)了一種軟件，可以感應(yīng)機(jī)床的溫度、周圍的車間環(huán)境和部件周圍的空氣。然后，它計(jì)算軟件發(fā)送給切割頭的指令的修正值，使機(jī)器能夠在不考慮溫差的情況下實(shí)現(xiàn)零件的尺寸精度。由于該解決方案允許在不使用特殊空調(diào)設(shè)備的情況下進(jìn)行機(jī)加工，因此預(yù)計(jì)該方法不僅可以消除一部分資本投資，還可以降低項(xiàng)目壽命內(nèi)的能源成本。
吉?jiǎng)P恩表示，自動(dòng)化工藝將能夠在24小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)出14米/45英尺的翼梁，而不是傳統(tǒng)手工上籃所需的六到八天。
預(yù)浸料與樹(shù)脂膜灌注
航空航天行業(yè)的許多人對(duì)空客公司和吉?jiǎng)P恩航空航天公司決定用傳統(tǒng)預(yù)浸料制造這種翼梁感到驚訝。吉?jiǎng)P恩以其在ALCAS（歐盟復(fù)合材料開(kāi)發(fā)計(jì)劃）方面的開(kāi)創(chuàng)性工作而聞名，在此期間，它通過(guò)樹(shù)脂膜注入（RFI-resin film infusion ）工藝使用無(wú)卷曲織物（NCF）建造了翼梁。格蘭杰解釋說(shuō)，對(duì)于A400M，客戶需要一個(gè)可以在短時(shí)間內(nèi)完成的低風(fēng)險(xiǎn)計(jì)劃。然而，他并不排除在未來(lái)的翼梁中使用RFI和紡織技術(shù)，特別是在成本是主要驅(qū)動(dòng)因素的情況下。
原文見(jiàn)，《Composite wing spars carry the enormous turboprop engines 》
更新日期：2023.12.14發(fā)布日期：2006.7.6
楊超凡 2024.4.8