湾流航空公司对G250进行改良

　　美国湾流航空公司去年推出了新型超中型商用喷气式飞机“湾流”G250。应客户的要求，湾流航空公司的制造合作伙伴-以色列航空公司对G250进行了改良，在不增加空间需求的同时延长G250的航程（运行速度为0.80马赫的情况下航程为3400海里），提高飞行速度（最大运行速度为0.85马赫）并扩大船舱空间。

　　这一新型的G250飞机最终会取代以色列航空公司最早的银河公务机G200。2001年美国通用动力公司收购了湾流航空公司，并买下了以色列航空公司的IAI Astra（以色列阿斯特拉）和IAI Galaxy（以色列银河），并将其改名为G100（湾流100）和G200（湾流200）。湾流航空公司是美国通用动力公司（位于弗吉尼亚州福尔斯彻奇）的一个全资下属机构。在整个生产制造过程中，以色列航空工业公司负责G100、G200及G250机身在以色列的生产及安装工作，而海湾航空公司则负责G100、G200及G250飞机在美国的落成、喷漆、销售，同时还提供相关的产品支持。

　　预计湾流航空公司将在2011年完成G250飞机的交货工作。G250飞机被称为“真正的湾流 ”，获此称号的部分原因是由于G250拥有一个T型尾翼。 （请参照图片）这一一体化复合材料方向舵作为飞机尾翼结构中的关键部分对飞行起着攸关重要的作用。目前，该部件是由美国俄亥俄州东北部克利夫兰市的北海岸复合材料公司（North Coast Composites）生产制造的。北海岸复合材料公司是一家从事树脂模塑成型（RTM）及真空辅助树脂模塑成型（VARTM）工艺的专业公司，该公司在其合作伙伴-北海岸机械模具公司（North Coast Tool & Mold (NCTM)）的帮助下生产单源部件及模具产品。

　　T型尾翼

　　G250飞机的一体化方向舵（长2.8米，宽1.1米，厚25.4毫米）是一个集翼肋、翼梁、方向舵外壳及防雷击装置为一体的共同模塑的整体化结构。

　　NCTM公司向以色列航空公司发出申请，表示能为他们提供用来在以色列完成零部件生产工作的全套方向舵树脂传递模塑成型（RTM）工作站，而不是仅限于提供零部件。以色列航空公司觉得北海岸公司的混合式树脂传递模塑成型（RTM）工艺及模塑能力还不错，在六个分别来自美国和欧洲各地的公司处于领先地位，于是便选择了北海岸公司来完成工作站的工作。制造整体化方向舵这一想法最初是由以色列航空公司构想出的，经过约一年的同步工程，该设想得到进一步的发展。同步工程并非从产品的设计到建造模具再到改进工艺的标准的线性或阶段性发展的过程，它是一种同步化的策略。由于同步工程是一个密集沟通过程，因此在不同时区及不同的树脂传递成型（RTM）环境中完成同步工程就面临着很大挑战。以色列航空公司确定北海岸公司为合作伙伴后，NCTM公司董事长Rich Petrovich表示：“我们的工作人员与对方的工程师在很多场合坐在一起以问题的形式进行交流：比如‘该想法中什么是最难实现的？存在的问题是什么？我们需要对什么工作进行调配？成本是多少？采用什么原材料？等等’。”最后Petrovich表示：我们用在进行交流及收集资料上的时间大概是五个月。从那时起，NCTM公司就下定决心要建造整套的工作站！

　　规格及验证

　　只要工作团队能就大体的工艺流程达成一致，那么他们便可以设定模具设计的规格。作为此项目的领导人员，NCTM公司的Jay Evanovich在技术方面面临着许多困难。他表示：“我们很清楚，为了解决变形问题，模型在外侧可能会采用钢板，且钢板的最小厚度可能为152.4毫米；而为了减轻重量，缩短循环周期，我们认为应该采用铝作为内壁的原材料。”不过，我们的团队很快就了解到，以色列航空公司指定的树脂系统所需的固化温度及时间不允许采用铝为原材料。因此，模型的内部零部件也必须是钢制品。然而，这一改变会使芯轴的重量从181公斤增加到544公斤，从而改变预计的加热、加工及处理方案。

　　全钢型模具采用法国达索系统集团的CATIA V5设计而成。CATIA文件采用了台湾Roundtop机械工业公司的Johnford立式加工中心型数控系统，为模具表层及零部件的内部精密数控机床提供所需的数据。变形分析表明：在喷射压力为10.8862万公斤的情况下，模具的变形度会局限在0.064毫米之内，而且模具各部分也会保持极其严格的公差要求：在一个重量为1.7237万公斤的模具中，翼肋、翼梁及基准面（水平方向上的外壳）的公差通常会维持在约0.254毫米之内，零部件壁厚的范围从0.99毫米到3.18毫米，模具的曲面面积为11.2平方米。

　　早期的流程分析引起了大家的担心，如何在如此大的曲面面积上注射以色列航空公司指定的高粘度树脂成了一个难题。为了解决这一问题，NCTM公司将其DRIV插入件专利产品与位于模具较高及较低部位的表层关键部位结合在一起，这样一来纤维增强复合材料就可以在指定的工艺窗口内实现完全浸融。DRIV插入件在防止树脂从模具中溢出的同时还能保持空气的自由流通，这样一来在减少了留下干斑的可能性同时还不会在部件的表面留下任何痕迹。经证实，这一插入方案在制造产品的第一部分时非常有效，树脂的流量与在装有虚拟模型上进行的流量分析预测到的结果完全一致。

　　当NCTM公司提出建议说：如果将安装在每个翼肋末端的L型尾部与一个单式的共同模塑的结构结合在一起，那么就会节约大量的生产时间及成本。不过，这就大大增加了制造的复杂性。根据最初的设计，翼肋是直线型的，且各部分独立成型，然后由每个翼肋的金属连接件组合在一起。

　　尽管将凸缘与翼肋共同模塑在一起增加了模具的复杂性，但由于该工艺去除了第二步的组装工作，所以节约了生产时间及成本。这一与金属相匹配的，以燃料加热的树脂传递模具包括将近70个的金属零部件，他们结合在一起构成了模具的表层，用来将翼梁及翼肋与其L型尾部共同模塑在一起。

　　花费时间是为了节省时间

　　考虑到模具的复杂性，比较复杂性零部件固化后的脱模工作就会是一个不小的问题。脱模几乎需要将机床完全拆卸开。在这一过程中，会在模具上安装大量专门设计的精确定位仪，以确保工作人员可以将每个金属零件重复准确的安装在模具上，使技术人员可以在脱模过程中拆卸机床的零部件，在不牺牲连续零部件之间的空间结构整体性的同时将其重新安装在一起。

　　另外，对所有沉重的大型模具零部件进行的安全性人体工程学处理也引起了大家的特别关注。例如：经过专门设计的铰链使几吨重的模具盖可以容易的从模具的下半部移开，使部件的连接变得非常容易。

　　Petrovich指出：采用石油加热模具是一种很经济方法。“该方法不仅具有加热机床的功能，如果将其正确的与水塔或冷却装置连接在一起对模具的冷却过程会起到促进作用，减短整个循环周期。”另外，石油加热系统还可用在其它模具中。相比之下，电力供热装置只能用在一个模具中，对冷却过程也起不到任何作用。电动加热模具需要另外一个系统来完成冷却任务。这一生产完备的机床配备有30多个脐带式管缆，包括石油供料管、通风管、树脂注射管以及一系列为确保真空完整性的密封圈。

　　Petrovich承认：“要在拥有如此多模具零部件的情况下实现高精准度对我们来说是很大的挑战。虽然同步工程的发展进程比较慢，但是通过它我们可以不断的平衡零部件设计与模具的设计及处理问题之间的关系。”他还指出：“更重要的是，我们在研发上花费的时间可以从模具的制造过程中补回来。因为加工过程中最底部的零部件消除了模具通常所需零部件的迭代拟合。”到最后，我们几乎不需要任何返工及调节，就可以将模具与大量的零部件完美的结合在一起。

　　一开始，有关如何将整套的树脂传递模塑（RTM）工作站运送到以色列的问题并没有得到证实。后来Petrovich向以色列航空公司提出建议，表示制造两个模具样本。以色列航空公司通过了这一提议，并给两个工作点分派了至少10人跟踪模具样本的制造过程。这一做法可谓是明智之举，它反映出了由树脂及模具零件的实际尺寸引起的内在流程问题。NCTM公司在模具被运送到以色列之前解决了这些问题。Petrovich强调说：“基本上，我们做了所有与模具及其零部件生产相关的研发工作，因此在问题演变为生产过程中的问题之前对其进行调整并解决这方面的问题相对来说要容易的多。我们从来不忽略模塑过程中的任何细节，因为我们沿着整个制造流程走了一遍，首先是分析，后续的还有核实及证明工作。

　　模具证明生产的第一步是采用Henkel公司（位于美国密歇根州东南部的麦迪逊海茨)生产的700-NC脱模机对金属模具及零部件进行脱模。之所以选择700-NC脱模剂是因为NCTM公司认为它对树脂传动模塑成型工艺的侵害性最小，原因是700-NC脱模剂对树脂的影响非常小。与此同时，采用Carlson设计公司生产的自动化切割机及对多层碳纤维及玻璃纤维无屈曲织物（NCF）型增强材料进行切割。（step3）

　　根据层压板的每个结构对其明细表进行调制，翼肋、翼梁及外壳上每一部分都有一个独特的接口。辅助性模具则用来将成套的接头与终型预成型件结合在一起，然后将其放在树脂传递模塑成型的模具上，并通过各种金属模具零部件固定在准确的位置上。

　　用铜网做成的反雷击防护装置与机身外壳的接口结合在一起，构成了模具表层的第一层。在模塑成型的过程中会在飞机的最终外壳内安装一层用作雷击防护装置的完整的传导金属网。该铜网非常薄，需要精心处理，尤其是机翼后缘部位（半径为2毫米）。

　　采用特定的操作装置封闭模具，将分型线螺栓固定好，然后采用真空计及由德国Kaeser公司提供的 30-hp的真空泵对其进行真空校核。当模具经过几小时预热后，注入经处理的高温环氧乙稀树脂。之后，技术人员开始排气，使空气通过DRIV管从层压板中排出。然后关掉排气管，开始加压，紧接着再打开排气管进行排气。这样的程序要重复做很多次，直到将零部件中的所有空气都排出。（模塑成型过程中，排气的次数以及压力增加的数量都是实现就决定好的。）

　　在这个过程中会用到一个数据记录仪，通过数据记录仪对十个热电偶进行监督控制，记录每个部件的温度和压强。根据采用树脂的类型，整个注射周期会持续13到16个小时，而整个模塑过程（准备阶段、浸融、注射、固化以及脱模）大约需要4个工作日。

　　加工过程结束之后，模具仍处于很热的状态，为了适应调整后为6.4毫米的模具热膨胀系数，机械部件被结合在一起，这样一来1.7237万公斤的模具就不会挤破1毫米厚的零部件。接下来，模具要经过六小时的冷却过程，然后是零部件的脱模过程，该过程为时五小时，并由三名技术人员来负责，在该过程中，对所有的金属模具零部件进行拆卸。因为95%的零部件都具有终形成型特性，仅有三种外壳边缘需要后成型加工。

　　优化生产

　　目前，一体化方向舵已安装在飞机上，并经受检测，北海岸复合材料公司（NCC）将对生产过程的优化进行研究。据Petrovich说，“模具的验证工作是该工艺成功与否的关键因素。同步工程需要在研发可制造的模具、研发可生产的零部件或改进设计及改进工艺之间找到平衡点。尽管在很大程度上，你确实是优化了生产过程，但你不可能真正的对生产过程实现完全优化，除非你已经制造了一些零部件。”

　　值得注意的是，以色列航空公司在看到这一模具证明试验后决定不会将模具运至以色列，相反，以色列航空公司决定将首批方向舵生产任务分包给北海岸复合材料公司（NCC）。Petrovich相信暂时的调整很快就会成为长期计划。

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