A400M機翼梁

材料由氰特（Cytec）提供的 977-2 碳纖維/增韌環氧樹脂單向膠帶。制造工藝采用 ATL 鋪放單向膠帶成平板料、平板料在凸模具上用熱熱褶皺成形、成形件放入凹模具在熱壓罐中進行固化。

A350機翼梁

材料由赫氏（Hexcel）提供的 M21E/IMA 增韌無捻紗帶（slite tape）。由 AFP 在旋轉芯軸上一步鋪放完成的、熱壓罐中固化后同時產生兩個無余量的零件（左機翼梁和右機翼梁）。

商飛Long Range Wide-Body（長航程寬體）機翼梁：將用哪家的材料？用哪種工藝制造？

A350 翼梁是通過在旋轉心軸上自動放置纖維一步鋪放而成的，同時產生兩個無余量零件—左側和右側翼梁。

A350 和 A400M 翼梁相隔五年設計，反映了一些顯著的差異。A350 翼梁（上圖）更為復雜，采用了優化設計，減輕了重量。由三個部分而不是 A400M 的兩個部分制成，并并在A400M 翼梁筆直的地方彎曲（下一張照片）。然而，A350 翼梁需要更少的時間和更少的制造步驟

與最近的 A350 翼梁不同，A400M 翼梁是直的。然而，A350 翼梁需要更少的時間和更少的制造步驟

A400M 翼梁鋪設在由 MTorres（西班牙納瓦拉 Torres de Elorz）提供的 TORRESLAYUP 自動鋪帶機（ATL）上的平面工具上

A350 的中翼梁和外翼梁部分比內翼梁更薄，配件更輕，是在像這樣的機器人站為緊固件鉆孔的，每個翼組總共鉆 16000 個孔

A400M 翼梁的單向材料疊層扁平包裝是在這種巨大的熱褶皺成型機器上通過公工具成型的。

吉凱恩航空航天（英國菲爾頓）位于英國西部通道的工廠致力于翼梁制造。它為空客A400M軍用貨物運輸生產前梁和后梁，為空客 A350 生產后梁。HPC于2006年在吉凱恩位于懷特島的工廠生產A400M翼梁，英國自那時起，A400M翼梁的生產已轉移到western Approach的新專用翼梁設施利用與 A350 翼梁運營的協同效應，并受益于靠近菲爾頓的空客機翼設計中心。隨著今年A350的首飛臨近，HPC參觀了該工廠，以了解吉凱恩 A350翼梁的最新工藝。

A400M和A350翼梁:設計不同

翼梁可以被認為是構成翼盒前部和后部的簡單錐形C形通道。但這過于簡單化了，因為它忽略了機翼設計中隱藏的復雜性。首先，機翼的形狀由空氣動力學、結構和離地間隙要求決定。對A350翼梁的仔細檢查表明，內部翼梁具有非常顯著的曲率。這是因為A350的內翼形成了彎曲的海鷗翼形狀。相比之下， A400M的機翼幾乎是直的，這使得翼梁的制造形狀更簡單。

由于在沿翼梁長度的各個點處出現非常高的載荷輸入，結構問題進一步增加了翼梁疊置的復雜性。發動機、主起落架（僅在A350 上，因為A400M有一個安裝在機身上的主起落架）、襟翼和其他控制表面的連接點需要在連接點局部增加層壓板厚度。在其他連接區域，在連接點下方添加犧牲編織碳，或者，如果連接的部件是鋁，則添加一層編織玻璃。

A350翼梁的長度為34m/111.5英尺，比A400M翼梁長得多，后者僅為 19m/62.3英尺。此外，A400M翼梁由兩段制成，但A350翼梁由三段制成。

每個翼梁的制造策略也各不相同，原因如下：

• 兩個項目的啟動間隔了五年；在此期間，通過自動纖維放置（AFP）實現預浸料疊層的自動化取得了重大進展。
• 客戶將材料規格從傳統的增韌環氧樹脂改為最新一代夾層增韌環氧樹脂。
• A350 翼梁的形狀要復雜得多。
• A350 翼梁需要更優化的設計；在節省燃料變得越來越重要的時期，商業應用中的重量節省現在是更重要的。

ATL 與 AFP

翼梁的制造工藝反映了它們的差異。A400M 翼梁是通過在平面工具上自動鋪設碳纖維膠帶（ATL）制成的。ATL 由 MTorres（西班牙納瓦拉 Torres de Elorz）提供。然后，這種單向材料的扁平包裝在凸工裝上形成熱褶皺，形成最終形狀。然后，將成形的層壓板零件轉移到凹因瓦（Invar ）工裝上進行最終固 化。相比之下，A350 翼梁是由 AFP 在旋轉心軸上一步完成的，同時產生兩個零件（左機翼和右機翼）的凈形狀。

A400M梁由Cytec（亞利桑那州坦佩和英國雷克瑟姆）977-2 碳纖維預浸料制成，這種材料通常用于軍用飛機。A350翼梁由 Hexcel（康涅狄格州斯坦福德） M21E/IMA制成，這是一種比舊材料更堅固的預浸料系統。更大的韌性是預浸料制造技術的結果，該技術將增韌劑集中在層之間，而不是將它們均勻分布在整個基體中。值得注意的是，這種材料是A350上所有結構部件的標準預浸料。

考慮到這種新一代預浸料增加了翼梁幾何形狀的復雜性和褶皺形成的困難，吉凱恩得出結論，AFP 是風險最低的選擇。由于 AFP 鋪層率的持續提高以及AFP 通過使用比 ATL 更復雜的鋪層來優化結構的能力，這一決定變得更加容易。

A350翼梁:疊層和成型

盡管最明顯的生產改進出現在 A350 翼梁成型件的疊層和模具上，但許多新的生產工程已應用于機加工和組裝過程。

A350 的 AFP 制造的翼梁三段平均長度為 11.5 米/37.7 英尺，根部厚度為 25 毫米/0.08 英尺，在最外層的翼尖處逐漸變細至 5 毫米/0.020 英寸。它們的大小和重量很難用語言和尺寸來表達?？陀^地說，普通人可以舉起外梁的一端。

A350 翼梁鋪設在同樣由 MTorres 提供的 AFP 機器中的 CFRP 芯軸上。吉凱恩打算購置五臺機器；三個已經交付（每個 500 萬歐元/676 萬美元），還有兩個正在訂購中。如前所述，兩個翼梁同時疊置。人們可能期望在 90°和 45°下的材料連續放置在芯軸周圍，從一個翼梁到相鄰翼梁。然而，吉凱恩充分利用了機器獨立切割和重新啟動每根絲束的能力。因此，梁是單獨建造的，它們之間有一個小間隙。這消除了切割步驟，最大限度地減少了材料浪費，提供了更大的設計自由度，產生了更充分優化的簾布層布局，并減少了翼梁的重量。

空心碳纖維芯軸由 Umeco（英國德比郡 Heanor）設計和制造，材料由其供應。Umeco 現在是 Cytec Industries 的一部分，業務范圍是 Cytec Industrial Inc.，Cytec-Engineered materials 股份有限公司（亞利桑那州坦佩）旗下的一個部門 Cyteco Industrials Inc.。剛度是一個主要挑戰，要求在 150 kg/331 lb 的載荷下，變形0.5 mm/0.020 英寸或更小。與此同時，必須達到重量目標；對于內芯軸，重量為 4 公噸（8818 磅）。機器的極限為 5 公噸（11023 磅），這是由于與芯軸轉速有關的慣性問題，而芯軸的轉速取決于它是鋪設平坦區域、轉彎還是切割簾布層。為了加速和減速，機器必須克服芯軸的慣性，芯軸的慣性由重量和形狀決定——后者由機翼的設計固定。因此，重量和剛度要求推動了 CFRP 芯軸設計。

通過減少鋪設最內層翼梁時所需的固結循環次 數，大大縮短了處理時間。2011 年 4 月，合并需要許多周期。在每個循環過程中，使用一組大的（約 13m×1m/42.7ft×3.28ft）紅外加熱器提高芯軸和部分疊層的溫度。然后，將儲存在芯軸末端的圓柱形真空袋拉到層壓板上，并施加真空。這在當時是必要的，以提供空中客車公司要求的低空隙率。但今天，這種重復的過程已經被整個層壓板疊層后的單一室溫真空固結所取代。真空袋材料：Kapton 聚酰亞胺（polyimide）使用真空提升設備將完成的層壓板從芯軸轉移到凹因瓦（Invar ）工裝上進行固化。A350 翼梁在兩個熱壓罐中的一個中進行固化，兩個熱壓罐均為 16 米乘3.5 米（52.5 英尺乘 11.5 英尺），標準循環時間為 10小時，包括坡道。這種循環時間用于所有翼梁，因為就質量而言，翼梁之間的差異與工具的熱質量相比微不足道。兩個翼梁同時固化，內部翼梁除外，這是單獨完成的。假設在每個循環的開始和結束時加載和卸載 30 分鐘，兩臺熱壓罐可以滿足生產率的要求。

成型的翼梁采用 Flow International（Kent，Washington）提供的雙頭工具進行加工。使用噴水切割翼梁輪廓，使用傳統的加工頭（24000rpm）減少關鍵區域的厚度。例如，翼梁高度有±0.25 毫米（±0.010英寸）的公差。為了避免切割結構纖維，在單獨的手動操作中添加了工藝編織碳纖維，使用激光簾布層定位來確保準確性。然后將該區域加工至公差。工藝編織碳纖維層用彩色薄膜粘合劑粘合，這樣技術人員就可以看到結構層是否被切割。連接鋁配件的地方使用編織玻纖，而不是碳纖。（注：“工藝編織碳纖維”這部分材料是加工需要增加的材料。零件制造過程中，將逐步全部去除）

最后，使用 GE inspection Technologies LP（賓夕法尼亞州劉易斯頓）的最新相控陣超聲波機對翼梁進行無損檢測（NDI）。據報道，該設備在傳統無損檢測技術所需時間的 20%內發現了低至 6 平方毫米（0.009平方英寸）的缺陷。

鉆孔和裝配

除了制造翼梁外，吉凱恩還進行大量裝配作業。首先，在每個翼梁的內部手動安裝少量支架。這便于將翼梁安裝到夾具上，以便在自動化裝配車間周圍運輸。翼梁及其固定裝置在手動引導車輛（MGV）上移動到組裝過程的第一站。

內翼梁更厚，起落架和襟翼有沉重的金屬附件，首 先被帶到一個大型五軸加工中心，該中心在復合材料零 件和金屬配件上鉆孔。從那里，夾具和內梁被運輸到安 裝緊固件的工位。中梁和外梁更薄，配件更輕，也被帶 到機器人站，在那里鉆所有的孔。在一架飛機所需的六 根梁上，總共鉆了 16000 個孔。然后，將夾具和翼梁移 動到第二個機器人工作站，在所有配件都位于夾具中后，在該機器人工作站安裝緊固件。

三個翼梁部分仍在其固定夾具上，但其所有附件都已固定，最后使用夾具上的數據點將其連接在一起。接頭的特點是腹板外側和內側的扁平蝴蝶形 CFRP 板，以及連接凸緣內側和半徑的斜板。

然而，由于翼梁厚度的微小變化，將被螺栓連接在一起的表面沒有完全對齊，這反過來又是由于預浸料坯材料厚度和狹縫帶寬度的變化。解決方案是使用 Steinbichler Optotechnik GmbH（德國 Neubeuern）提供的攝影測量設備測量這些表面。機器人手中的光學設備收集數據，并將數據發送到HG Grimme SysTech GmbH（德國 Wiedergeltingen）提供的加工中心，該加工中心位于連接夾具附近。在加工中心，對板進行修改，以確保待連接表面的任何偏移都會在連接板的表面上產生鏡像。然后，使用定制板將翼梁的三個部分連接起來。在成功固定后，這些接頭暫時松開，以便將翼梁運輸至位于英國布勞頓的空客工廠，在那里組裝機翼。

注：原文見《 A350 & A400M wing spars: A study in contrasts》 2013.1.11