復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)應(yīng)用及方案示例

1、復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)應(yīng)用及方案示例newmaker大飛機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用 國(guó)外大型軍用、民用飛機(jī)中復(fù)合材料構(gòu)件的比重迅速增加，波音787的復(fù)合材料構(gòu)件已占結(jié)構(gòu)重量的50%以上， A350復(fù)合材料構(gòu)件將占結(jié)構(gòu)重量的52%，俄羅斯開(kāi)發(fā)中的MC21，復(fù)合材料用量也將占結(jié)構(gòu)重量的40%45%，A400M軍用運(yùn)輸機(jī)上復(fù)合材料用量已達(dá)結(jié)構(gòu)重量的35%。 國(guó)內(nèi)ARJ21復(fù)合材料用量不多，大型結(jié)構(gòu)件僅在方向舵上采用了復(fù)合材料。大飛機(jī)正在研發(fā)過(guò)程中，考慮到當(dāng)前和飛機(jī)生產(chǎn)出來(lái)后（至少78年后）的國(guó)際水平，參照國(guó)外的A380、波音787、A350、A400M、MC21等大型飛機(jī)，以及國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)能力、試驗(yàn)?zāi)芰?、生產(chǎn)設(shè)備條

2、件和工藝水平等，大飛機(jī)上復(fù)合材料構(gòu)件占結(jié)構(gòu)重量至少應(yīng)不低于25%，達(dá)到舵面或機(jī)翼采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的水平。而對(duì)舵面或機(jī)翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造，當(dāng)前最有優(yōu)勢(shì)的制造方法就是自動(dòng)鋪帶技術(shù)。 自動(dòng)鋪帶技術(shù)的發(fā)展 所謂自動(dòng)鋪帶技術(shù)，就是采用數(shù)控鋪層設(shè)備，通過(guò)數(shù)字化、自動(dòng)化的手段實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料預(yù)浸布、帶的連續(xù)自動(dòng)切割和自動(dòng)鋪放。主要工作過(guò)程為：將復(fù)合材料預(yù)浸料卷安裝在鋪放頭中，預(yù)浸材料由一組滾輪導(dǎo)出，并由壓緊滾輪或可隨形機(jī)構(gòu)壓緊在工裝或上一層已鋪好的材料上，切割刀將材料按設(shè)定好的方向切斷，能保證鋪放的材料與工裝的外形相一致。鋪放的同時(shí)，回料滾輪將背襯材料回收。 自動(dòng)鋪帶作為典型的增料加工成型技術(shù)，其成型設(shè)備的

3、制造技術(shù)涉及機(jī)電裝備技術(shù)、CAD/ CAM軟件技術(shù)和材料工藝技術(shù)等多個(gè)研究領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)： （1）最大限度地利用單向預(yù)浸帶（優(yōu)于手工鋪層采用的預(yù)浸布），并可減輕結(jié)構(gòu)重量； （2）可更自由地設(shè)計(jì)鋪層，發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)力梯度和應(yīng)力異常的區(qū)域選擇性鋪放補(bǔ)強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)結(jié)構(gòu)的零剩余強(qiáng)度； （3）提高工作質(zhì)量和鋪放效率。 采用該技術(shù)，可提高復(fù)合材料裁片外形、纖維方向等幾何參數(shù)的精確度和鋪疊位置、方向、角度的準(zhǔn)確性，從而避免了人為鋪放產(chǎn)生的偏差，如產(chǎn)品出現(xiàn)缺陷的幾率大、零件制造質(zhì)量重復(fù)性差、質(zhì)量分散性大，以及尺寸精度和鋪放位置準(zhǔn)確度不能滿足大尺寸、高精度零件制造的要求等問(wèn)題。采用復(fù)合材料自動(dòng)鋪

4、帶技術(shù)可在提高質(zhì)量的同時(shí)，大幅度地節(jié)省原材料，降低制造成本。同時(shí)，由于可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的零剩余強(qiáng)度設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)重量大大減輕。 自動(dòng)鋪帶技術(shù)于20世紀(jì)70年代由Boeing、Cincinnati Milacron、Hercules等公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，已經(jīng)經(jīng)歷近40年的發(fā)展。目前，世界上復(fù)合材料制造技術(shù)較先進(jìn)的公司（如Boeing公司、AIRBUS公司、ECF公司等）在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的制造中均已廣泛采用復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶成型技術(shù)。采用該技術(shù)制造的復(fù)合材料零、部件已安裝于現(xiàn)今生產(chǎn)的許多型號(hào)飛機(jī)上。 目前，美洲、歐洲、亞洲的幾十家制造商在應(yīng)用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)?？湛头▏?guó)Nate工廠中，現(xiàn)有十幾臺(tái)鋪

5、帶機(jī)在生產(chǎn)線上運(yùn)行；空客德國(guó)Stade工廠有一條4臺(tái)鋪帶機(jī)組生產(chǎn)線；空客西班牙的Illescas工廠有6臺(tái)鋪帶機(jī)在運(yùn)行；日本三菱重工、富士重工等也已應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)。 雖然國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪帶技術(shù)研究起步較晚，但在技術(shù)研究和設(shè)備研究方面也已有一定的成果，國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪帶技術(shù)也不再是空白。從2004年開(kāi)始，南京航空航天大學(xué)與航空材料研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)自動(dòng)鋪帶設(shè)備，完成了小型鋪帶機(jī)的研制，并應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的研制；北京航空制造工程研究所與Forest-Line公司合作研制的大型復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶機(jī)的調(diào)試工作已接近尾聲，有望在“十二五”實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，可以滿足小曲率大型壁板類(lèi)復(fù)合材料構(gòu)件的制造；國(guó)內(nèi)開(kāi)展自動(dòng)鋪帶技術(shù)研究的

6、還有武漢理工大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等多所大學(xué)，包括鋪放機(jī)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)和人機(jī)交互等研究工作。 2007年，哈飛集團(tuán)從西班牙M.Torres公司購(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶機(jī)，并已開(kāi)展了復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶制造技術(shù)應(yīng)用研究，將在2010年初與空客公司合作，進(jìn)行A320方向舵前、后梁的生產(chǎn)。該設(shè)備采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)，主要包括帶裝夾和釋放(開(kāi)卷)系統(tǒng)、襯紙帶回卷系統(tǒng)、帶缺陷檢測(cè)傳感系統(tǒng)、帶對(duì)中和導(dǎo)向系統(tǒng)、切帶系統(tǒng)、鋪帶和壓實(shí)系統(tǒng)、工作區(qū)域安全系統(tǒng)、鋪帶監(jiān)控系統(tǒng)、帶卷裝卸系統(tǒng)、工裝定位及自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)等。 （1）該設(shè)備具有自動(dòng)切割與自動(dòng)鋪放未經(jīng)固化的樹(shù)脂基單向纖維帶功能，能夠在模具上自動(dòng)鋪放多層平面和曲面的復(fù)合材料零件

7、。 （2）該設(shè)備在鋪層時(shí)能夠?qū)︿亴勇窂竭M(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)設(shè)置，自動(dòng)功能具有最佳的鋪層路徑，每層帶可在±90°之間采取任意角度和任意方向的鋪放。 （3）能夠鋪放復(fù)雜切割路徑的鋪層和零件局部加強(qiáng)鋪層。 （4）鋪帶機(jī)構(gòu)能按零件程序順應(yīng)形面，以可控制的壓力將帶平順?shù)伔藕湍雽?shí)、無(wú)褶皺、無(wú)氣泡和具有程編規(guī)定的帶與帶間隙。 （5）所鋪帶寬規(guī)格分為75mm、150mm和300mm三種。 舵面或機(jī)翼鋪帶制造方案 1 設(shè)計(jì)制造原則 設(shè)計(jì)理念：在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中始終貫穿設(shè)計(jì)與工藝制造一體化、并行工程的設(shè)計(jì)理念，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在設(shè)計(jì)、分析、成型、裝配、檢測(cè)、使用、維護(hù)和修理等各環(huán)節(jié)找到最佳

8、的平衡點(diǎn)。 設(shè)計(jì)手段：采用數(shù)字化的設(shè)計(jì)手段，保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是唯一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件100%的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。適宜采用專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件FiberSIM、CPD、COVERS等。 制造方法：應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備（自動(dòng)鋪帶機(jī)、自動(dòng)下料機(jī)、熱成型設(shè)備、柔性復(fù)合材料專(zhuān)用切鉆設(shè)備和大型C掃查設(shè)備等）符合復(fù)合材料自動(dòng)化低成本化制造趨勢(shì)，由此可以保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并能提高產(chǎn)品性能、設(shè)計(jì)許用值和勞動(dòng)效率，減輕結(jié)構(gòu)重量。 2 選材方案 材料體系選擇是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，涉及到承載和使用功能要求、工藝性、成本、使用經(jīng)驗(yàn)和供應(yīng)渠道等多方面因素，是綜合考慮的結(jié)果，國(guó)外主要的幾種鋪帶預(yù)浸料見(jiàn)下表

9、。 國(guó)產(chǎn)的CCF-1碳纖維，樹(shù)脂可選擇北京航空材料院或北京航空制造工程研究所生產(chǎn)的環(huán)氧或雙馬樹(shù)脂，可供選用的樹(shù)脂按固化溫度分類(lèi)，有中溫固化（125）和高溫固化（180）兩大類(lèi)。 3 機(jī)翼翼盒典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 為了便于采用復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)，在設(shè)計(jì)上最好避免使用蜂窩結(jié)構(gòu)。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用層板結(jié)構(gòu)，但層板結(jié)構(gòu)抗彎性能不好，為提高層板結(jié)構(gòu)抗彎和抗扭能力，需要采用加強(qiáng)筋類(lèi)結(jié)構(gòu)來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭能力強(qiáng)度。通常在翼盒段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案主要包括上整體壁板，帶有開(kāi)口的下整體壁板、前后梁腹板、端部密封肋、加強(qiáng)肋和普通肋。各梁腹板和肋上都可采用加筋方式以增加強(qiáng)度。各零件獨(dú)立制造后，再裝配成為整體盒段。各主

10、要零部件均可采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)。 整體壁板采用鋪帶的蒙皮與預(yù)固化的長(zhǎng)桁共膠接成型技術(shù)。目前有2種方案可供選擇：格柵式整體壁板和長(zhǎng)桁加筋式整體壁板。在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，前者成型難度較大，但用在油箱區(qū)密封性較好；后者成型相對(duì)簡(jiǎn)單，但與肋連接時(shí)蒙皮表面會(huì)有很多連接件，進(jìn)而降低了油箱密封的可靠性。 4 制造方案 制造技術(shù)主要采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)、自動(dòng)剪裁技術(shù)、熱壓實(shí)技術(shù)、共膠接或共固化技術(shù)等；而固化主要采用傳統(tǒng)的真空袋熱壓罐法；切鉆采用復(fù)合材料專(zhuān)用銑床及柔性裝夾技術(shù)。 工裝類(lèi)型主要有壁板蒙皮的鋪放成型工裝，蒙皮壁板的共固化或共膠接成型工裝，梁、肋的熱成型工裝、成型工裝。蒙皮壁板切割可采用專(zhuān)用切鉆夾持工裝

11、或采用柔性?shī)A具，而梁、肋不適宜采用柔性?shī)A具夾持，最好設(shè)計(jì)制造專(zhuān)用夾持工裝。 上述的設(shè)計(jì)方案可最大限度地采用復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)。無(wú)論是蒙皮、加強(qiáng)筋，還是前后梁、肋等復(fù)合材料設(shè)計(jì)的零件，材料鋪放都可以用鋪帶機(jī)來(lái)完成。但是由于鋪帶機(jī)結(jié)構(gòu)上的限制，只能適宜鋪放小曲率零件，而對(duì)于加強(qiáng)筋、梁、肋等零件，一般截面為T(mén)形、I型或U形，零件截面尺寸小，且存在大曲率R角，鋪帶機(jī)無(wú)法在T形或U形上模具上直接鋪放。因此，對(duì)于蒙皮類(lèi)零件和梁、肋等零件，在造型過(guò)程上有些不同，蒙皮類(lèi)零件造型可以直接鋪放完成，梁、肋等零件造型需采用其他方法間接來(lái)完成。 上下壁板制造過(guò)程一般包括長(zhǎng)桁造型、蒙皮鋪放、蒙皮長(zhǎng)桁組裝、固化、切鉆、

12、外形尺寸檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)等。上下壁板的成型過(guò)程分3步進(jìn)行： 第一步，制作長(zhǎng)桁。可用大型通用平臺(tái)，在平臺(tái)上鋪帶，形成具有一定厚度的平板鋪層，用自動(dòng)裁床按長(zhǎng)桁尺寸剪裁，一次可剪裁多條長(zhǎng)桁，再用熱成型工藝分別造型； 第二步，蒙皮鋪放。由于蒙皮曲率較小，可直接采用自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪放在成型工裝上； 第三步，蒙皮長(zhǎng)桁組合成壁板。長(zhǎng)桁定位放置在蒙皮壁板的共固化或共膠接成型工裝上，無(wú)論格柵式整體壁板還是長(zhǎng)桁加筋式整體壁板都可通過(guò)共膠接或共固化技術(shù)成型。 然后，將組合后的壁板和工裝一起送入大型熱壓罐加溫加壓固化成型。脫模之后，需去除無(wú)用的產(chǎn)品余量，一般采用五軸銑床和柔性?shī)A具系統(tǒng)（或硬夾持工裝）切邊和鉆孔。然后進(jìn)行外形、尺寸的無(wú)損檢測(cè)；合格后，即可進(jìn)行下一步的裝配。經(jīng)過(guò)這一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，即完成了自動(dòng)鋪帶復(fù)合材料壁板的制造。 結(jié)束語(yǔ) 自動(dòng)鋪帶技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅體現(xiàn)復(fù)合材料成型自動(dòng)化相對(duì)于傳統(tǒng)成型方法的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而且預(yù)