直升机复合材料桨叶厂房工艺设计浅析

【摘要】复合材料桨叶是直升机的核心动部件，本文对复合材料桨叶制造工艺、生产线工艺布局进行了分析。分析表明，复合材料桨叶制造与常规复材零件相比，具有工艺复杂、制造流程长等特点，桨叶厂房设计时通过采用原材料及零组件快捷供应、精益生产布局、节约能源等先进理念，能够有效提高生产效率、节约能源、降低成本。

【关键词】复合材料桨叶；制造工艺；工艺设计

引言

先进树脂基复合材料由于在比强度、比模量、性能可设计性、制备灵活性和易加工性等方面优越的性能，已经成为继铝、钢、钛之后，迅速发展起来的四大航空材料之一，在直升机上已经得到广泛应用，如RAH-66上复合材料占总材料重量的51%，NH-90战术运输直升机复合材料用量达95%，“虎”直升机机体复合材料占结构重量80%以上[1-5]。

直升机桨叶作为直升机升力系统核心动部件，其制造质量、疲劳性能、气动外形等对直升机载重量、飞行高度、机动性等性能指标影响较大。复合材料以其优越的性能，能够大大提高桨叶的使用寿命、降低结构重量、减少维修工作量，已经成为直升机桨叶的首选材料，全复合材料桨叶是直升机桨叶的发展趋势。

1、直升机复合材料桨叶的特点

直升机复合材料桨叶的尺寸、结构组成、性能要求等对桨叶生产工艺、生产线布局影响较大。目前国产直升机大型复合材料桨叶展长达8.5m，如图1所示。

图1 某直升机主桨叶示意图

直升机复合材料桨叶主要采用典型“C”型梁多闭腔结构形式，用硬质聚氨酯泡沫填充。桨叶主要由蒙皮、大梁带、泡沫、接头填块、配重支座、桨根堵盖、前缘包铁、后缘条等大量零组件组成（如图2所示），单片桨叶内包括近50个零组件，其中大部分为复合材料零组件。

图2 复合材料桨叶结构示意图

与常规复合材料零件相比，直升机复合材料桨叶具有如下特点：

长度尺寸大

根据直升机载重量、爬升高度等指标要求不同，桨叶尺寸差别较大，但共同特点是长度方向尺寸大，本文分析的直升机大型桨叶长达8.5m。

结构复杂度高、内部零组件数量多

复合材料桨叶结构复杂度高、零组件数量多，桨叶内大部分零组件为复合材料零件，每个零组件需单独加工制造，制造工序多、工艺复杂。

性能要求高

桨叶是直升机升力系统的核心动部件，对零组件制造精度、气动外形精度、疲劳性能等指标均要求较高，桨叶制造过程中需严格控制桨叶制造精度、性能指标。

2、直升机复合材料桨叶制造工艺分析

复合材料桨叶制造工艺可分为原材料供应、零组件制造、零组件定位装配、桨叶模压成型、桨叶加工及检测等主要工序，桨叶制造工序多达30道，工艺复杂度高、流程长。具体如下：

1）原材料供应、零组件制造工序

原材料供应、零组件制造阶段制造工艺如图3所示。

图3 原材料供应、零组件制造阶段工艺流程图

复合材料桨叶内部零组件种类、数量均较多，图3中小型复材件包括桨根堵盖、衬套、接头填块、配重盒等多种小型复合材料零组件。

2）零组件定位装配、桨叶模压成型工序

零组件定位装配、桨叶模压成型是保证桨叶成型质量的关键工序，该阶段制造工艺流程如图4所示。

图4 零组件定位装配、桨叶模压成型阶段工艺流程图

桨叶模压成型系统是桨叶成型的核心工艺设备，该系统主要由上压模、下压模、翻转机构、压力系统、热油系统、冷却系统及控制系统等组成。

3）桨叶加工及检测工序

为保证复合材料桨叶制造质量、性能指标满足要求，模压成型后需进行多次加工、检测，具体工艺流程如图6所示。

图6 桨叶加工、检测阶段工艺流程图

3、复合材料桨叶厂房典型案例分析

1）复合材料桨叶厂房设计理念

为提高厂房的生产效率、降低生产成本，在厂房设计时采用如下先进设计理念：

原材料和零组件供应快捷：复合材料桨叶制造使用的原材料、零组件种类、数量均较多，新建桨叶厂房需保证原材料和零组件方便快捷的供应，减少零件周转，提高生产效率；

精益生产工艺布局：复合材料桨叶制造工序多、工艺复杂、流程长，精益的生产工艺布局是提高生产效率的重要保证；

节约能源、降低成本：复合材料桨叶制造耗能大，新建桨叶厂房需优化工艺布局，尽量降低复合材料桨叶制造成本、节约能源。

2）新建复合材料桨叶厂房工艺分析

（1）新建复合材料桨叶厂房工艺布局分析

根据复合材料桨叶制造工艺，充分考虑桨叶厂房先进设计理念，对桨叶厂房进行规划布置，工艺布局如图7所示。

图7 新建桨叶生产线工艺区划图

新建桨叶厂房的工艺设计具有如下特点：

a.原材料、零组件供应快捷：

桨叶厂房设计时，充分考虑原材料库房、零组件库房的使用需求，紧邻下游使用工序，供应便捷，具体如下：

附楼布置有泡沫零件库、泡沫切割间、工具库靠近泡沫加工区，能够快速为五坐标铣床供应待铣泡沫零件；

零件库、模具库、废品库等房间靠近热压成型区、净化间，方便零件、模具的存取；

通过上述工艺布置，附楼内部的房间紧靠使用区域，能够快速便捷的供应下游各使用工序，节省物流周转时间，提高生产效率。

b.“S”型精益生产工艺布局

厂房生产线布置原则主要包括四种：产品原则、工艺原则、成组原则和定位原则[6]。本文分析的桨叶生产线制造的桨叶种类多、尺寸分布大，但主要工艺流程基本一致，特别适合采用工艺原则对生产线进行布置。根据复合材料桨叶生产工艺，将桨叶厂房分为泡沫加工区、热压成型区、小型复材件铺叠区、模压成型区、加工检测区、性能检测区等七个主要生产机群单元，并将各生产机群单元根据工艺流程合理布置，采用“S”型精益生产工艺布局，制造工艺流畅，有效避免了复杂制造工艺条件下的工序交叉和零件往返，提高了桨叶制造效率。

c.合理布置净化间，有效节约能源

净化间和模压成型系统工作时，耗能均较大。考虑节能，将厂房净化间分隔成7个小净化间，不同型号桨叶的模压系统布置在不同的净化间内，优化了净化间和模压成型系统布置。各机型桨叶的研制生产任务不同，需使用模压系统和净化间的时间也不相同，将净化间分隔为多个小净化间后，通过合理安排生产，能够较大程度提高净化间利用率，有效降低能耗，节约能源，降低生产成本。

结 论

本文介绍了直升机复合材料桨叶结构组成、制造工艺特点，重点分析了复合材料桨叶制造工艺及厂房工艺布局。分析表明，复合材料桨叶制造具有工艺复杂、工艺流程长等特点，复合材料桨叶厂房需充分考虑原材料和零组件便捷供应、精益生产布局、节约能源等因素，通过采用先进设计理念，能够有效提高生产效率、节约能源、降低成本。