宽体客机复材机翼装配工艺

A400M军用运输机机翼，是空客研制的第一个复合材料 机翼。A400M为空客A350机翼的发展和未来的计划指明了道路。它单侧机翼长19米、宽4米。机翼装配型架采用垂直形式，即机翼在型架中是垂直固定的。A350是空客第二个用复合材料制造的机翼。它单侧机翼长32米、宽6米。因6米宽，装配型架采用水平形式。即机翼在型架中是水平固定的。（注：现空客A220、俄罗斯MC-21复合材料机翼装配型架，均采用垂直形式。）

在西班牙塞维利亚的空中客车军用A400M总装线（FAL）上，飞机编号为MSN8、MSN9和MSN7，机翼已完成。HPC应邀参观了组装这些机翼的英国工厂Filton。

A400M机翼装配设施的俯视图。组装开始于六个夹具中的一个（右），其中机翼垂直定位，用于集成复合材料前缘和后缘翼梁、铝肋和复合材料机翼蒙皮（见下图）。机翼随后被移动到预装备 1（前景左），在那里它们被水平定位，并开始安装紧固件、电线、燃油管和其他设备。在预装备 1 之后，机翼移动到预装备 2（背景左）和最终装备（背景右），在那里组装完成，机翼在运往西班牙之前进行测试。

空中客车公司的一名工作人员正在检查机翼，机翼在型架中垂直定位，以便将翼梁、肋骨和蒙皮整合在一起。装配从前缘翼梁开始（在这张照片中有橙色的盖子），铝翼肋（绿色和白色）连接在前缘翼梁上。每个机翼都经过钻孔，以容纳组装翼梁、翼肋和机翼蒙皮所需的12000个紧固件。资料来源：空中客车公司

A400M复合材料机翼蒙皮由空中客车公司在德国斯塔德和西班牙伊利斯卡斯制造，工人准备将蒙皮壁板装入机翼装配型架中。

一名工人正在检查组装好的机翼内部。机翼蒙皮上的燃料检修孔（照片顶部）允许工人进入机翼内部执行多项任务，包括为用于将机翼蒙皮连接到翼梁和翼肋的螺栓提供扭矩。

每个A400M机翼上大约 95%的钻孔是由自动钻孔系统加工的，但其余是手工钻孔。目前钻孔只需要八天多一点的时间。蒙皮在适当的位置钻孔，去除，去毛刺，然后用包括密封剂的螺栓连接，以防止燃油泄漏。

HPC上发表的许多文章都集中在单个复合材料部件或结构的制造上。通常，这些组件会成为更大产品的一部分——飞机、航天器、赛车或其他高性能应用中的复杂结构。但很少有人向 HPC提供更多的机械、工艺和技术，用于组装和集成这些组件以及许多其他组件到这些更大的结构中。

因此，2012年10月，HPC编辑收到了这一罕见的邀请，并参观了位于英国南格洛斯特郡布里斯托尔北部菲尔顿的空客军用 A400M阿特拉斯军用客机机翼组装设施。

正是在这个设施中，空客完成了将翼梁、机翼蒙皮和各种其他大型碳纤维复合材料结构集成到A400M的大型机翼中的复杂任务，然后为该结构配备一系列复杂的系统，包括“燃料、电气、气动和液压”。此外，该工厂安装了所有固定和可移动结构，包括后缘装置（例如副翼和襟翼）、前缘和翼尖。这项组装工作是世界上最大的此类作业之一，生产的机翼重量仅为 6500公斤/14330磅，但可以容纳和携带多达25000公斤/555116 磅的燃料。

菲尔顿公司的工程师们必须解决的组装难题之一是如何管理碳纤维复合材料，这对机翼的结构和减重成功至关重要。“对我们来说，”A400M精益顾问兼HPC导游Paul Evans 说，“掌握碳纤维是我们最大的挑战。我们在飞机结构中使用碳纤维已经很多年了，但这是我们第一次在如此大的结构中如此广泛地使用碳纤维。”

A400M 背景

A400M Atlas是世界上最新、最先进的军用空运 机，旨在运送部队、设备、车辆、物资、燃料和其他物资，以支持军事行动。Atlas计划于2013年第二季度交付，长45.1 米（148英尺），翼展42.4米（139英尺），高14.7米（48.25英尺），由四台 Europrop TP400-D6涡轮螺旋桨发动机提供动力，每台发动机配备八个复合材料螺旋桨叶片。它的最大有效载荷为 37000公斤/81600磅，最大有效载荷下的航程为 3298公里/2049英里，巡航速度为780公里/小时/485英里/小时，服务上限为11300 米/37073英尺。截至2012年10 月，空中客车军事公司（西班牙马德里）已为这款新型重型飞机交付174 份订单。

A400M超过30%的飞机结构由复合材料组成，这种材料是空中客车公司努力减轻飞机重量、提高燃油效率和扩大服务范围的重要组成部分。飞机上最大的单一复合材料部件是一体式机翼蒙皮，每个机翼蒙皮长 19 米（62 英尺），厚 12 至 14 毫米（0.47 至 0.55 英寸）。当构思和实施时，它代表了复合材料行业最大的设计、工程和组装挑战之一。Paul Evans 指出，事实上，空客在 A400M 上使用碳纤维复合材料的经验为该公司在 A350 XWB 上更容易地使用碳纤维材料奠定了基础。Paul Evans 说：“这为空客设计和制造更先进的 A350 奠定了基础。”

事实是，空客在A400M上开发的几乎每一种与复合材料相关的组装工艺都是该公司的第一次，在某些情况下，也是复合材料的第一次。菲尔顿团队依靠空客在德国、西班牙和法国工厂的复合材料经验教训，开发创新高效的技术解决方案。Paul Evans 说，翼梁和机翼蒙皮代表了空客首次在翼盒应用中使用碳纤维复合材料。

第 1 阶段

A400M 装配设施分为三个阶段，呈倒“U”形，第一阶段位于左腿，第二阶段沿拱形，第三阶段位于右腿。第一阶段涉及主翼盒结构装配。第二阶段包括预装备1和2，包括在系统准备和测试中增加紧固件和小型结构工程、布线和其他部件。第三阶段包括在运往西班牙塞维利亚的空客A400M总装线（FAL）之前，增加电气线束、更多的布线和管道，以及全功能测试。

最密集的复合材料工作发生在第 1 阶段。就在这里，空客公司收到了吉凯恩（GKN）航空航天公司在其附近的英国布里斯托尔工厂制造的复合前后翼梁。在第 1 阶段还集成了复合材料的上翼和下翼蒙皮。这些是由空中客车公司在其位于德国斯塔德的工厂通过自动纤维和胶带放置制造的。HPC 访问当天，第一阶段组装中的机翼用于 13 号 A400M 飞机。

第一阶段的第一步是翼梁组装。spar平台分两部分交付，并与吉凯恩航空航天公司（英国布里斯托尔）制造的定制碳纤维连接板连接。前 spar 平台在六个固定装置中的一个固定装置内水平定向，翼肋和蒙皮以垂直方向连接和组装，spar平台作为底座。

在连接翼梁之后，在沿着翼梁的模制连接点处连接24个铝肋。（Evans 表示，空客评估了碳纤维复合材料在肋骨制造中的使用情况，但考虑到该飞机预计约有600个订单，复合材料的模具被认为过于昂贵。）

在所有的翼肋连接好后，机翼蒙皮在翼肋上移动到位，空中客车公司开始了机翼组装中要求最高的工作：在翼组上钻12000个孔。这是通过空中客车公司所称的 CAWDE（复合材料自动机翼钻孔设备）实现的，该公司在第一阶段组装过程中使用了两种设备。经过多年的开发，每个 CAWDE 工作站都包含一套专门为该应用程序设计和设计的工具。机械侧是一个巨大的、（20 英尺）6米高、10英尺3m宽、10英尺/3米深、轨道安装的 6 轴钻孔系统，由 Electroimpact 股份有限公司（华盛顿州穆基尔托）设计和制造。它可以在每个固定翼的夹具周围移动，钻取每个翼所需6000个孔的90%至95%。它使用由 Precorp（犹他州西班牙叉）提供的金刚石尖端切削工具，Precorp 部分归瑞典山特维肯机床供应商山特维克可乐满所有。Evans说，该工具是定制设计的，可以钻穿碳纤维和铝的堆叠，在一个工作站中提供先导、钻孔、扩孔和扩孔操作。在钻完所有孔后，如有必要，将机翼蒙皮移除、检查并去除毛刺。“我们有8天的时间钻12000个孔，”Evans 报道说。

去毛刺后，将机翼蒙皮重新定位在肋骨和翼梁上，并开始实际固定蒙皮的过程。用于连接机翼蒙皮的螺栓必须从机翼外部和内部接近。为此，技术人员通过蒙皮上预先切割好的油箱检修孔爬进机翼。从内部，当技术人员从外部插入螺栓时，它们分别提供定位和拧紧螺栓所需的引导和扭矩。

因为机翼必须装有燃料，每个螺栓都涂有密封剂以防止泄漏，埃文斯说：“我们不能有任何燃料泄漏。”“因此，我们的公差非常严格。”

第 2 阶段

钻孔、螺栓连接和密封完成后，机翼的重量约为 3500 公斤/7716 磅。此时，通过真空提升设备将机翼从型架上拆下，通过起重机将其运输到两个第二阶段工作站中的第一个，即预设备 1，并在新的工作固定装置上平放，使操作员和安装人员能够方便地接近机翼的前缘和后缘。

在这个阶段，空中客车公司使用激光跟踪器和照片图像进行了一系列计量检查，以验证机翼是否符合各种关键尺寸规范。在将整个结构送至第二阶段 2 工作站（预设备 2）之前，工人们还对前缘进行了一些钻孔。

预装备2是指完成机翼组装所需的初始设备的安装。这包括线束支架（借助激光投影设备定位并粘 合）和前缘和后缘的重量支撑支架。一旦安装好，空中客车公司将首先用空气，然后用氢气/氮气进行油箱压力测试，以验证机翼燃料储存能力的完整性。

第 3 阶段

机翼通过压力测试后，进入第 3 阶段，即最终装备线，在被送往 A400M 总装配线之前处理机翼组装的最后阶段。大多数重型硬件都安装在这条线上，然后是机翼驱动和测试。

此处包括电线、放气装置、消防设备、固定前缘、副翼、扰流板和襟翼的安装。值得注意的是在机翼上安装了碳纤维复合燃料管。这些管道由 Adel Wiggins Inc.（加利福尼亚州洛杉矶）制造和供应。在这个阶段，空中客车公司还安装了另一个值得注意的碳纤维部件：一个用于襟翼驱动的传动轴，由古德里奇公司（Goodrich Corp.）旗下的 Crompton Technology Group（CTG，Banbury，Oxfordshire，U.K.）提供。这些轴长约 1m/3.3ft，直径40mm/1.57英寸，是纤维缠绕碳纤维，具有不锈钢端部配件。CTG报告称，其轴至少经过四到六个生命周期的鉴定过程，设计的最低使用寿命为20年。

在安装和连接所有部件后，机翼达到约6500公斤/约 14330磅的全重，并对所有部件进行全功能测试，以验证机翼是否正常工作。然后它就可以被送到西班牙的总装工厂。

自从A400M在10年前首次构思，并决定像空客在机翼上一样广泛使用碳纤维复合材料以来，其他以类似方式使用复合材料的飞机也进入了市场——波音787、空客 A350、庞巴迪 C 系列等。然而，在许多方面，A400M Atlas开创了这一趋势，树立了标准，在军事市场上，它仍然是积极使用复合材料的最大飞机。Evans反复向HPC强调，A400M Atlas机翼装配线上学到的复合材料经验教训已应用于整个空客组织，这些经验教训将有利于空客未来几年的设计和制造实践。Evans 说：“这是空客以前从未尝试过的结构中使用的复合材料的规模。”“走到这一步需要付出很多努力和学习，但这当然是值得的。”

注：原文见《 A400M wing assembly: Challenge of integrating composites 》2012.12.31

杨超凡 2023.7.18

补充资料：

空客 A400M CAWDE

CAWDE（复合材料自动机翼钻孔设备）是一种定制的五轴机床，其结构可实现全自动钻孔和从螺栓插入。CAWDE已用于固定复合材料和金属翼盒部件，包括钻孔和螺栓连接到复合材料翼梁组件和金属肋上的复合材料翼盖。此外，发动机吊架加强件等金属部件也由机器钻孔。

该机器的基本配置是一个带有5轴头的移动柱柱轧机。头部提供间隙闭合压力，并在钻孔和紧固循环期间将加工工具运送到工具点。机器沿机翼装配夹具的长度移动。机翼箱在夹具中加工，前翼梁和塔架位于地板附近。在完成一个表面的加工后，机器被运输到翼箱的相对表面。

CAWDE上的操作员站是一个乘车平台，以减少操作员疲劳。平台靠近工具点，以实现机器操作的良好可见性。为了最大限度地减少运输过程中的机器外壳，平台可以折叠起来。触摸屏 HMI 为操作员提供上下文敏感的控制交互，减少信息过载。

此外，相关CNC信息，如刀点位置、操作员信息和零件程序查看，显示在第二个LCD监视器上。第三个显示屏显示摄影机视图。相机系统的软件以分屏显示所有视图，或缩放以将光学重新同步相机视图放大到全屏，以获得最佳分辨率。操作员站的其他功能包括阴影盒，该阴影盒可容纳按直径更换的所有工具，以及紧固件进料滴管。可使用“保持运行”悬挂器来点动机器和启动/停止零件程序。

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