无人机电机外壳的热压罐成型工艺研究_徐竹.pdf

第52 卷第2 期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Contemporary Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：陕西省教育科学“十四五”规划课题（项目编号：SGH21Y0560）。收稿日期收稿日期：2021-08-12 作者简介作者简介：徐竹（1982-），女，副教授，硕士，研究方向：碳纤维复合材料成型技术。E-mail:。无人机电机外壳的热压罐成型工艺研究 徐 竹（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）摘 要：碳纤维复合材料应用于无人机电机外壳零件中，不仅能充分发挥复合材料强度和阻尼方面的优势，而且能减少无人机的能源消耗。分析了多旋翼无人机电机外壳的结构特点，采用碳纤维环氧树脂预浸布为原材料，通过设计合理的铺层方案，在中空钢制模具内腔结构中手工铺贴预浸布整体成型，采用真空封装，热压罐设备加热加压完成无人机电机外壳零件的成型过程。无人机电机外壳零件在成型中的热压温度为 1205，成型所需的压力为 0.4 MPa，脱模后经检验和局部修补，最终制品外观无裂痕符合要求，厚度尺寸公差在要求范围内。关 键 词：无人机电机外壳；碳纤维；复合材料；铺贴成型；热压罐 中图分类号：TQ050 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0370-04 Research on Autoclave Forming Process of UAV Motor Shell XV Zhu(Xi an Aeronautical Polytechnic Institute,Xian Shaanxi 710089,China)Abstract:The application of carbon fiber composites in UAV motor shell parts can not only give full play to the advantages of composite strength and damping,but also reduce the energy consumption of UAV.In this paper,the structural characteristics of the motor housing of the multi-rotor UAV were analyzed.Carbon fiber epoxy resin prepreg cloth was used as raw material,through the design of reasonable laying scheme,the prepreg cloth was manually laid in the inner cavity structure of hollow steel mold,and the forming process of UAV motor shell parts was completed by vacuum packaging and hot pressing tank equipment.The hot pressing temperature of UAV motor shell parts during molding was 1205,and the pressure required for molding was 0.4 MPa.After demoulding,inspection and local repair,the final product appearance without cracks met the requirements,the thickness and size tolerance was in the required range.Key words:UAV motor shell;Carbon fiber;Composite material;Pasting;Autoclave 无人机行业在近年来发展迅速，而且在不断更新换代。无人机是指不需要搭载飞行员进行机上操控、能通过远程操控或者自动自主飞行的飞行器。无人机飞行灵活，具有维护成本低、无人员伤亡风险等优点，在军事上，无人机被用于低空侦察、通信中继、救援、军事打击等任务；在民用方面，用于航拍、农田施药、短途运输、资源勘探、森林监测等任务。按照无人机机体结构与运动方式无人机可以分为固定翼无人机和旋翼无人机两大类，其中多旋翼无人机体积小，飞行灵活，相比于固定翼无人机，在起飞和降落过程中对空间需求小，能适应更丰富的应用场景；而且多旋翼无人机具有垂直起降与空中悬停功能，能固定在预设的高度位置与水平位置，因此多旋翼无人机是应用场景最多的无人机1-3。作为空中飞行单位，无人机对电机的重量及输出能力要求更加严格，因此，无人机电机在设计时更加注重电机的轻量化设计和功率密度的提升。对多旋翼无人机而言，尤其是具有对称且反向旋转结构，无人机通过改变电机的转速，使无人机水平和垂直方向的力矩不相互抵消，从而实现升降、滚转、俯仰、偏航等各种运动。无人机通过电机为飞行提供动力，无人机的悬停和垂直起降由电机带动旋翼高速旋转得以实现，电机的正常运转对于旋翼无人机的动力系统、姿态变换显得尤为重要。随着无人机应用和执行的任务越来越广泛，无人机结构设计越复杂，这些都增大了无人机发生故障的概率，甚至造成严重的人员伤亡和财产损失。无人机的减重已成为热点研究内容，无人机减轻重量可以延长飞行距离和续航时间，而碳纤维复合材料的应用是解决无人机结构轻量化的重要途 径4-7。碳纤维复合材料比传统金属材料在强度、DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.020 第 52 卷第 2 期 刚度、抗疲劳能力和抗振性等方面具有显著的优势，在无人机结构树脂基复合材料已经成为是无人机设计的最关键结构材料。1 无人机电机外壳零件结构分析碳纤维复合材料在无人机结构设计和制造技术的应用已经成为无人机发展的关键性技术现电机的轻量化设计质高强的树脂基复合材料材料强度和阻尼方面的优势际减振需求有重要意义极轻的自重帮助无人机实现大容载量和更长的续航能力，提高作业效率在结构设计时更加注重电机的轻量化设计和功率密度的提升。某型号多旋翼无人机电机外壳结构示意图如图1 所示，电机外壳零件要求耐温设计尺寸如图尺寸公差控制在Fig.1 Drawing of UAV motor shell partFig.2 期 抗疲劳能力和抗振性等方面具有显著的优在无人机结构设计中可达到减重的效果树脂基复合材料已经成为是无人机设计的最关键。无人机电机外壳零件结构分析碳纤维复合材料在无人机结构设计和制造技术的应用已经成为无人机发展的关键性技术现电机的轻量化设计，质高强的树脂基复合材料材料强度和阻尼方面的优势际减振需求，还可以减少能源消耗有重要意义。碳纤维复合材料制作的机体外壳能用极轻的自重帮助无人机实现大容载量和更长的续航提高作业效率。在结构设计时更加注重电机的轻量化设计和功率密。某型号多旋翼无人机电机外壳结构示意图如图电机外壳零件要求耐温设计尺寸如图 2 所示，尺寸公差控制在0.1 mm图 1 无人机电机外壳零件图Fig.1 Drawing of UAV motor shell part图 2 无人机电机外壳设计尺寸 Design dimensions of UAV motor shell 抗疲劳能力和抗振性等方面具有显著的优设计中可达到减重的效果树脂基复合材料已经成为是无人机设计的最关键无人机电机外壳零件结构分析碳纤维复合材料在无人机结构设计和制造技术的应用已经成为无人机发展的关键性技术，在无人机电机外壳中使用轻质高强的树脂基复合材料8，不仅能充分发挥复合材料强度和阻尼方面的优势，满足电机运行时的实还可以减少能源消耗，碳纤维复合材料制作的机体外壳能用极轻的自重帮助无人机实现大容载量和更长的续航。对多旋翼无人机而言在结构设计时更加注重电机的轻量化设计和功率密某型号多旋翼无人机电机外壳结构示意图如图电机外壳零件要求耐温 100，电机外壳壁厚为0.1 mm。无人机电机外壳零件图Fig.1 Drawing of UAV motor shell part无人机电机外壳设计尺寸Design dimensions of UAV motor shell 徐竹：无人机电机外壳的热压罐成型工艺研究抗疲劳能力和抗振性等方面具有显著的优设计中可达到减重的效果，因此树脂基复合材料已经成为是无人机设计的最关键无人机电机外壳零件结构分析 碳纤维复合材料在无人机结构设计和制造技术的应用已经成为无人机发展的关键性技术。为了实在无人机电机外壳中使用轻不仅能充分发挥复合满足电机运行时的实，对环境保护也碳纤维复合材料制作的机体外壳能用极轻的自重帮助无人机实现大容载量和更长的续航对多旋翼无人机而言，电机在结构设计时更加注重电机的轻量化设计和功率密某型号多旋翼无人机电机外壳结构示意图如图100，零件详细电机外壳壁厚为 0.85 mm 无人机电机外壳零件图 Fig.1 Drawing of UAV motor shell part 无人机电机外壳设计尺寸 Design dimensions of UAV motor shell 无人机电机外壳的热压罐成型工艺研究抗疲劳能力和抗振性等方面具有显著的优因此树脂基复合材料已经成为是无人机设计的最关键碳纤维复合材料在无人机结构设计和制造技术为了实在无人机电机外壳中使用轻不仅能充分发挥复合满足电机运行时的实对环境保护也碳纤维复合材料制作的机体外壳能用极轻的自重帮助无人机实现大容载量和更长的续航电机在结构设计时更加注重电机的轻量化设计和功率密某型号多旋翼无人机电机外壳结构示意图如图零件详细0.85 mm，模具整体成型铺层层数为次成型完成无人机电机外壳零件的整个制造过程制件用真空袋封装时圆角处一定要铺实该零件比较薄外壳壳体比较薄能有裂痕2 脂预浸布解冻料：Econosea l46真空袋置、意图如图1 200压力3 种设备目前热压罐成型工艺料结构成型工艺树脂基复合材料制品浸布为原材料无人机电机外壳的热压罐成型工艺研究本次试验根据电机外壳尺寸精度要求采用钢制模具整体成型，原材料选择碳纤维环氧树脂预浸布铺层层数为 5 次成型完成无人机电机外壳零件的整个制造过程制件用真空袋封装时圆角处一定要铺实该零件比较薄，脱模时需要轻拿轻拆以免损伤零件外壳壳体比较薄能有裂痕。试验材料及工具设备无人机电机外壳成型主体材料脂预浸布。卷长解冻 6 h，在解冻的过程中用干抹布擦水珠无人机电机外壳成型过程中所需要的辅助材：带孔四氟脱模布Econosea l46、压板隔离膜真空袋 WL5 400工具设备：、热压罐固化设备意图如图 3 所示1 2003 000 压力 1.2 MPa，压力精度图Fig.3 Schematic diagram of autoclave equipment3 试验过程热压罐设备是一种提供温度和压力的专用的特种设备，外形是一个大型的圆柱形金属压力容器目前热压罐成型工艺料结构、蜂窝夹芯结构及复合材料胶接结构的一种成型工艺，主要用于生产航空航天高精度高质量的树脂基复合材料制品浸布为原材料，无人机电机外壳的热压罐成型工艺研究 本次试验根据电机外壳尺寸精度要求采用钢制原材料选择碳纤维环氧树脂预浸布5 层，通过真空袋次成型完成无人机电机外壳零件的整个制造过程制件用真空袋封装时，内表层需要贴脱模布圆角处一定要铺实，不允许隔离织物贴内表层材料脱模时需要轻拿轻拆以免损伤零件外壳壳体比较薄，产品成型过程要保证产品外观不试验材料及工具设备无人机电机外壳成型主体材料卷长30 m 的碳纤维环氧树脂预浸布需在解冻的过程中用干抹布擦水珠无人机电机外壳成型过程中所需要的辅助材带孔四氟脱模布 Release A压板隔离膜、WL5 400 等。：剪刀、镊子热压罐固化设备。其中热压罐固化设备所示。热压罐的技术参数3 000，最高工作温度压力精度