小型无人机中机身复合材料成型技术

2022-03-26王稚翔

家园·电力与科技 2022年2期

王稚翔

摘要：复合材料因其独特的性能而广泛应用于各国的飞机制造中，并且从最初的次结构逐渐发展到现在的主承力复杂结构。针对无人机特有的低风险（无人）、低成本（较大飞机而言）及总体尺寸较小等特点，利用复合材料的优良性能和各种工艺成型技术，不仅可以减轻质量、降低成本，而且也使得复合材料在无人机结构中的应用比重日益提高。

关键词：无人机，机身复合;材料成型技术

一、中机身的结构

中机身用于连接前后设备舱机翼，主要为翼身融合型前端封闭的薄壁管状结构，由碳纤维全复合材料构成（总体长度约0.6m，管状直径不到200mm，最大截面宽度约360mm），如图1所示。

由图1可知：前端管状体封闭端面为中机身的1框，作为与前舱体的安装配合面，设计有电池安装位置和8个定位凹槽;1框后为本身舱体安装空间，舱体两端为与机翼连接的整流部分。

二、成型工艺分析及材料使用

2.1成型工艺分析

（1）分块设计：在考虑舱体内组件的安装时，需对中机身进行分块设计，分离后的结构如图2所示。分块设计时需确定工装分离面、模具组合方式以及连接处的下陷（胶接面）设计。

（2）工装分离面的确定：在保证产品气动外形的前提下，基于零件的安全脱模和胶接装配的便利性来确定工装分离面。其中，中机身下板件的工装分离面确定在机翼整流前缘处，便于气动外形的保护和与上板件的胶接装配;同时，由于其后方较大的开敞性，也保证了零件成型过程中的加压和固化后的安全脱模。

（3）模具的组合方式：根据中机身下板件的特点，采用组合金属模具，主要分为前端框板成型凸模、机身下板件主体上/下凹模，模具组合后进行整体铺贴、固化（中机身上板件则采用传统金属凹模成型;在设计组合模具时，注意正、负尺寸公差控制）。

（4）工艺设计：为保证产品质量，在具体制造过程中除使用凹模保证产品外形外，还要进行真空袋加压成型;与其他成型方式相比，真空袋加压成型方式不仅成熟稳定，而且质量可控。

2.2材料使用

成型所用的主要材料为中温固化型EP（环氧树脂）碳布预浸料和EP结构胶，如表1所示。

三、成型工艺研究

3.1成型工艺流程

中机身成型采用碳纤维/EP预浸料，经热压罐加热后加压成型。成型过程中按照典型工艺规范要求，严格控制预浸料铺贴和热压罐固化工艺过程[如下料及铺层角度、预压实、工艺组合和固化条件（温度、时间和压力）等的控制。

3.2中机身上下板件成型

中机身上下板件具体成型的工艺流程均为“生产准备→铺贴→工艺组合→固化→脱模→外形加工→检验”，上板件由金属板件模单独成型。

（1）生产准备分为：①模具准备，将模具表面清理干净，然后按规范要求在模具工作面上涂抹脱模剂、晾干，再按工艺要求进行模具组合（即将前端框板成型金属凸模、中机身下板件主体成型上/下金属凹模进行组合）;②预浸料剪裁，提前将密封完好的预浸料从冷库中取出，置于操作间，直至预浸料密封袋上无可见冷凝水，再按工艺要求进行预浸料的裁剪，并及时进行标记。

（2）手工铺贴：按工艺要求在组合模具上铺贴预浸料，并进行预压实。铺贴首层及后续每铺贴1～3层预浸料需预压实1次，即在操作环境温度条件下通过真空密闭系统将毛坯铺贴时带入的空气排出。

（3）工艺组合：在毛坯件上分别铺放隔离材料、透气材料和塑料薄膜，并预先放置抽气嘴和热电偶，再通过密封胶带使塑料薄膜与模具形成真空系统。

（4）固化：采用热压罐设备对带毛坯件的模具进行加热、加压。

（5）脱模：炉内温度降至出炉温度以下时，将带有毛坯件的模具出炉，清理毛坯件上的辅助材料，使用辅助工具将毛坯件脱离模具。

（6）外形加工：沿毛坯件上的产品轮廓线外缘进行外形加工，并对切口进行光滑处理。

（7）检验：根据产品验收规范进行内部质量、外部质量及外形尺寸的检验。

3.3中机身板件成型

在合拢工装上按照“预装配→表面处理→胶接装配”的流程，将中机身上、下板件在装配工装上用EP结构胶进行胶接装配。

（1）预装配：产品制造或损坏修复的粘接部位，在表面处理和粘接之前先预装，检查配合的尺寸、间隙以及所用的夹具是否合适。在预装配中发现潜在的问题，可保证正式胶接顺利进行。

（2）复合材料表面处理：对胶接面进行洁净处理，在不伤及复合材料纤维的前提下通过“清洗→砂磨→清洗”方法去除胶接面上的杂质，提高膠接质量和耐久性等性能。

（3）胶接装配：按照装配关系在合拢工装上进行板件间的胶接，胶粘剂的配制、涂覆及固化均按规范要求进行。待胶粘剂固化及检验合格时，可得到最终中机身复合材料产品。

四、结语