【復(fù)材技術(shù)】飛機(jī)復(fù)材構(gòu)件制造裝備應(yīng)用現(xiàn)狀

【復(fù)材技術(shù)】飛機(jī)復(fù)材構(gòu)件制造裝備應(yīng)用現(xiàn)狀新一代飛行器為了提高性能，降低成本，延長(zhǎng)壽命，其零件與結(jié)構(gòu)向大型化、整體化方向發(fā)展。輕質(zhì)、高強(qiáng)的復(fù)合材料大型零件和整體構(gòu)件成為了設(shè)計(jì)師的首選，復(fù)合材料的應(yīng)用已從最初的次承力結(jié)構(gòu)大幅擴(kuò)展到機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量和由此帶來(lái)的減重效果已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，是世界強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的核心技術(shù)。國(guó)際上兩大飛機(jī)制造巨頭——空客和波音在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)激烈，其技術(shù)對(duì)決的主要關(guān)鍵點(diǎn)是先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用，如波音787復(fù)合材料用量達(dá)到50%，而空客將A350復(fù)合材料用量提高到52%，為達(dá)到這一用量，必須在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾等結(jié)構(gòu)上大量采用復(fù)合材料。隨著復(fù)合材料的大量應(yīng)用，大型整體構(gòu)件數(shù)量和尺寸的不斷增加，尤其是結(jié)構(gòu)實(shí)體設(shè)計(jì)軟件的普及和用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)/制造專用軟件的開發(fā)，以及各種專用裝備的研制成功，數(shù)字化、自動(dòng)化制造技術(shù)在航空工業(yè)得到了普遍應(yīng)用。本文結(jié)合航空復(fù)材構(gòu)件中常用的預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝，主要對(duì)國(guó)內(nèi)外飛機(jī)復(fù)材構(gòu)件制造中所用的裝備進(jìn)行整理匯總，以期為國(guó)內(nèi)復(fù)合材料構(gòu)件的研制提供借鑒。預(yù)浸料設(shè)備預(yù)浸料是用樹脂基體在嚴(yán)格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物，制成樹脂基體與增強(qiáng)體的組合物，是制造復(fù)合材料的中間材料。預(yù)浸料的制備方法主要有溶液浸漬法（即濕法制備）和熱熔法（干法制備）兩種。熱熔法制備預(yù)浸料的過(guò)程通常分為兩個(gè)步驟：先制備膠膜，然后將膠膜和增強(qiáng)材料均勻復(fù)合在一起。與濕法預(yù)浸料相比，干法預(yù)浸料外觀好，樹脂含量的控制精度高，采用干法預(yù)浸料成型的復(fù)合材料，具有孔隙率低、纖維取向性好等優(yōu)點(diǎn)。目前，應(yīng)用最廣的碳纖維預(yù)浸設(shè)備主要有溶液法預(yù)浸設(shè)備、樹脂膜機(jī)、熱熔法預(yù)浸機(jī)、樹脂膜和預(yù)浸組合機(jī)。雖然溶液浸漬法在技術(shù)先進(jìn)性和產(chǎn)品性能方面趕不上熱熔法工藝，但也有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)材料容易被樹脂浸透，特別是織物搭接處易于浸濕；既可以制備超薄預(yù)浸料也可以制備厚預(yù)浸料；工藝技術(shù)相對(duì)要求較低；設(shè)備造價(jià)也不太高，對(duì)操作人員要求也比較低。近年來(lái)，航空復(fù)材構(gòu)件已經(jīng)日趨大型化和整體化，但由此也帶來(lái)了麻煩，部件越大，其在熱壓罐內(nèi)固化過(guò)程中的溫度控制就越難保證均勻持續(xù)，如還采用傳統(tǒng)的保溫再加壓的固化工藝，則難以保證預(yù)浸料加壓帶的要求，從而導(dǎo)致制件制造質(zhì)量的下降和固化成型時(shí)間的增加。因此，“零吸膠”、“常溫加壓”的先進(jìn)預(yù)浸料，已成為業(yè)內(nèi)的發(fā)展方向。自動(dòng)裁切設(shè)備復(fù)合材料構(gòu)件制造過(guò)程中，傳統(tǒng)的手工下料費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、工序繁瑣、效率低、精度差，容易造成浪費(fèi)。因此，準(zhǔn)確率高、方便快捷的自動(dòng)裁切技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工下料技術(shù)。自動(dòng)裁切技術(shù)是將構(gòu)件的三維實(shí)體數(shù)模展開，運(yùn)用CATIA軟件或Fibersim軟件生成鋪層料片的二維數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)裁切機(jī)自帶的第三方軟件生成指令自動(dòng)切割成所需形狀的料片。自動(dòng)切割的預(yù)浸料不僅代替了手工切割樣板，并且形狀準(zhǔn)確，每一層、每一形狀都標(biāo)有鋪層編號(hào)，減少了鋪放過(guò)程中的錯(cuò)誤，而且效率大大提高。目前，常用的預(yù)浸料自動(dòng)裁切設(shè)備主要有兩種，一種是固定式裁切臺(tái)，需要一次次投放材料；一種是滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)裁切臺(tái)，可使用卷材連續(xù)加工。美國(guó)格柏是全球?qū)I(yè)的復(fù)合材料自動(dòng)裁剪解決方案的提供者。新產(chǎn)品GERBERcutterZ1的特點(diǎn)是，利用滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)裁切臺(tái)，可使用卷材連續(xù)加工。而以往機(jī)型的裁切臺(tái)為固定式，需要一次次投放材料。GERBERcutterZ1的最大裁切速度為1.1m/s，裁切臺(tái)的可裁切范圍為寬1.81m、長(zhǎng)1.82m。激光定位設(shè)備激光定位技術(shù)是通過(guò)采用激光投影系統(tǒng)在模具上按1∶1的比例顯示鋪層輪廓和軸線來(lái)實(shí)現(xiàn)鋪層的準(zhǔn)確定位。在制造過(guò)程中，將設(shè)計(jì)好的數(shù)模轉(zhuǎn)換為制造生產(chǎn)所需的激光投影數(shù)據(jù)文件，輸入激光投影設(shè)備供激光定位使用。如有必要，可將多個(gè)定位投影儀連接起來(lái)，以投影更大的圖形或在同一區(qū)域投影更多的圖形。激光定位技術(shù)的運(yùn)用與傳統(tǒng)模線樣板定位技術(shù)相比減少了人力、物力的投入，降低了誤差，提高了效率。目前，激光投影設(shè)備已在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，設(shè)備類型多種多樣，但是工作原理相同，都是由控制臺(tái)（計(jì)算機(jī)）、若干個(gè)激光定位投影儀和一系列工裝定位靶標(biāo)（光敏原件）組成。LAP激光定位投影儀體積小、重量輕（約3kg），配有堅(jiān)固的底座，可繞縱軸周圍旋轉(zhuǎn)，易于安裝。對(duì)于較復(fù)雜的裝配，可以附加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊化管道系統(tǒng)。自動(dòng)鋪放設(shè)備面對(duì)新一代先進(jìn)飛機(jī)在機(jī)身、機(jī)翼等部位大面積應(yīng)用復(fù)合材料的趨勢(shì)，為保證復(fù)合材料整體構(gòu)件的質(zhì)量穩(wěn)定性和高制造效率，用于自動(dòng)化鋪放的自動(dòng)鋪帶機(jī)與絲束鋪放機(jī)得到快速發(fā)展，成為先進(jìn)大型飛機(jī)制造的關(guān)鍵裝備。1自動(dòng)鋪帶設(shè)備自動(dòng)鋪帶技術(shù)是通過(guò)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)鋪帶機(jī)將一定寬度（一般有300mm、150mm、75mm寬3種規(guī)格）的預(yù)浸料帶，按照程序設(shè)定的路徑，通過(guò)傳送、切割、壓實(shí)等功能，將預(yù)浸料帶鋪疊在模具上，制成復(fù)合材料預(yù)成型體。相比于手工鋪疊，自動(dòng)鋪帶在保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本等方面具有突出的優(yōu)越性。自動(dòng)鋪帶主要適用于尺寸較大，曲率較為平緩的機(jī)翼、尾翼等翼面類結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，自動(dòng)鋪帶技術(shù)在歐美國(guó)家已經(jīng)成熟，并大規(guī)模應(yīng)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造，如波音777飛機(jī)機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮，波音787機(jī)翼蒙皮，A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的機(jī)翼蒙皮和安定面蒙皮，A350機(jī)翼蒙皮和中央翼盒，A400M機(jī)翼蒙皮等。A400M機(jī)翼大梁采用的是自動(dòng)鋪帶加熱隔膜成型工藝。圖1為A350XWB自動(dòng)鋪帶設(shè)備。目前，美國(guó)MAGCincinnati公司、美國(guó)Ingersoll機(jī)床公司、西班牙M-Torres公司以及法國(guó)Forest-line公司等機(jī)床制造商均積極推出了各具優(yōu)勢(shì)的復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶設(shè)備。西班牙M-Torres公司以通用的FANUC數(shù)控系統(tǒng)為平臺(tái)，開發(fā)最大控制軸數(shù)為11的自動(dòng)鋪帶數(shù)控系統(tǒng)Torreslayup，并采用了模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行配置。目前，M-Torres公司針對(duì)現(xiàn)有鋪帶機(jī)鋪放效率仍顯不足的現(xiàn)狀研發(fā)多帶平行鋪放鋪帶系統(tǒng)，每條料帶可單獨(dú)控制，已用于A350機(jī)翼蒙皮的制造。法國(guó)Forest-line公司以Siemens840D為平臺(tái)開發(fā)自動(dòng)鋪帶控制系統(tǒng)，針對(duì)鋪帶機(jī)切割效率低的技術(shù)壁壘，研制了雙工位鋪帶頭以及相配套設(shè)備自動(dòng)下料機(jī)。雙工位鋪帶是指其中一個(gè)工位可直接用于切割鋪放簡(jiǎn)單輪廓外形的料帶，另一個(gè)工位可用于鋪放復(fù)雜輪廓外形的料帶（線外切割），這兩個(gè)工位可根據(jù)制造構(gòu)件外形的復(fù)雜程度交替使用。由于可在線外切割，在鋪帶頭上只進(jìn)行鋪放，從而使得鋪放效率大大提高?？湛湍咸嘏渲昧?臺(tái)雙工位鋪帶機(jī)和6臺(tái)下料機(jī)。日本三菱重工（MHI）從Forest-Line公司購(gòu)置了4臺(tái)雙工位鋪帶機(jī)和2臺(tái)下料機(jī)，用于波音787機(jī)翼上下蒙皮的制造。日本富士重工（FHI）也從Forest-Line公司購(gòu)置了1臺(tái)雙工位鋪帶機(jī)和1臺(tái)下料機(jī)，用于波音787復(fù)材翼盒的制造。美國(guó)MAGCincinnati公司采用開放式數(shù)控系統(tǒng)CMl00開發(fā)自動(dòng)鋪帶設(shè)備，研制了新一代的CHARGER系列鋪帶機(jī)，可實(shí)現(xiàn)高速和精密鋪設(shè)功能，有助于加快工作流程，縮短建設(shè)時(shí)間，并降低成本。20世紀(jì)80年代，自動(dòng)鋪帶機(jī)主要用于軍用航空復(fù)合材料構(gòu)件的制造，而近年來(lái)，自動(dòng)鋪帶機(jī)越來(lái)越多地應(yīng)用于民用航空復(fù)合材料構(gòu)件的制造，今后這種趨勢(shì)還將繼續(xù)。同時(shí)，為了適應(yīng)不同種類的航空復(fù)合材料構(gòu)件的需求，在加工能力方面對(duì)自動(dòng)鋪帶設(shè)備提出了靈活性更強(qiáng)的要求。目前國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠以及航空院所只有幾臺(tái)鋪帶機(jī)，遠(yuǎn)不能滿足未來(lái)一個(gè)時(shí)期飛機(jī)復(fù)材構(gòu)件生產(chǎn)的需求。2絲束鋪放設(shè)備絲束鋪放技術(shù)與自動(dòng)鋪帶技術(shù)同樣具有高效、低成本的特點(diǎn)，是專為曲率較大的雙曲面構(gòu)件的鋪疊而開發(fā)的技術(shù)。典型的絲束鋪放技術(shù)是通過(guò)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的鋪放頭將不同數(shù)量的預(yù)浸絲束（可適應(yīng)3.2~25.4mm寬的預(yù)浸絲束）在壓輥下集束成帶，通過(guò)傳送、加熱、壓實(shí)等功能，按照程序設(shè)定的路徑鋪疊在模具上。與自動(dòng)鋪帶技術(shù)相比，絲束鋪放技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要在于：每一條絲束獨(dú)立控制，可以根據(jù)構(gòu)件形狀增減絲束根數(shù)以適應(yīng)邊界，并且可以適當(dāng)控制纖維方向，對(duì)局部加厚、加筋、鋪層遞減、開口補(bǔ)強(qiáng)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，因此該技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)身、進(jìn)氣道、翼身融合體、機(jī)翼大梁等大曲率復(fù)雜復(fù)材構(gòu)件的制造，例如V-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的整體后機(jī)身，F(xiàn)-18上機(jī)身蒙皮和進(jìn)氣口蒙皮，A380的后機(jī)身蒙皮，波音787的機(jī)身段，以及A350XWB機(jī)翼前/后梁和機(jī)身段等都是采用絲束鋪放技術(shù)制造的。為適應(yīng)航空飛機(jī)制造業(yè)這種實(shí)際發(fā)展需求，國(guó)外一些大型數(shù)控機(jī)床制造商，如M-Torres、MAGCincinnati、Ingersoll和Forest-line等公司借助其在大型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，紛紛推出高鋪放進(jìn)給率的新一代大型高端絲束鋪放機(jī)，其結(jié)構(gòu)尺寸越來(lái)越趨向大型化。西班牙M-Torres公司新推出的大型絲束鋪放機(jī)床TORRESFIBERLAYUP，用于A350XWB機(jī)翼前/后梁和15段機(jī)身復(fù)材整體構(gòu)件制造。美國(guó)MAGCincinnati公司生產(chǎn)了多種VIPER系列的絲束鋪放機(jī)，機(jī)型已從Viper1200、Viper3000升級(jí)到Viper6000，特別適合于高輪廓的結(jié)構(gòu)如整流罩、機(jī)身部分、風(fēng)機(jī)葉片、桅桿和“C”型梁等。波音787機(jī)身47段和48段，A350XWB機(jī)身蒙皮等都采用了VIPER6000絲束鋪放機(jī)。圖2為MAG公司“Viper”系列絲束鋪放機(jī)。Ingersoll公司改變傳統(tǒng)絲束鋪放機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，推出了一種新概念的絲束鋪放機(jī)床，取消了傳統(tǒng)絲束鋪放機(jī)旋轉(zhuǎn)芯軸驅(qū)動(dòng)芯模轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)可明顯減少傳統(tǒng)絲束鋪放機(jī)尺寸，增強(qiáng)窄腔復(fù)材構(gòu)件的鋪放加工能力，并能顯著減少設(shè)備車間占地面積。Googrich公司準(zhǔn)備應(yīng)用這種新概念機(jī)床來(lái)進(jìn)行GEnx和波音787的Trent1000發(fā)動(dòng)機(jī)短艙復(fù)材內(nèi)涵道支撐結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化生產(chǎn)。法國(guó)科里奧利開發(fā)的纖維鋪放技術(shù)依賴于標(biāo)準(zhǔn)的polyarticulated機(jī)器人的多關(guān)節(jié)機(jī)械手和一個(gè)復(fù)雜的創(chuàng)新纖維鋪放系統(tǒng)（圖3）。工業(yè)機(jī)器人的柔性特點(diǎn)為絲束鋪放設(shè)備同時(shí)適應(yīng)復(fù)雜構(gòu)件生產(chǎn)環(huán)境和研發(fā)環(huán)境鋪放制造應(yīng)用提供了有力支撐。法國(guó)Forest-line公司2007年推出的大型絲束鋪放機(jī)床FPATLAS，主要用于大型飛機(jī)機(jī)身段復(fù)材構(gòu)件和類似零件鋪放制造。為兼顧高鋪放生產(chǎn)率與制造構(gòu)件復(fù)雜度，法國(guó)Forest-line公司在其所屬的Capdenac工廠，配置了一臺(tái)新研制的具有雙鋪放頭的鋪放機(jī)床，將鋪帶頭和絲束鋪放頭集成在同一臺(tái)機(jī)床上，形成一種自動(dòng)鋪帶-絲束鋪放混合鋪放機(jī)床，這種混合鋪放機(jī)床特別適用于復(fù)材構(gòu)件研究開發(fā)、試制、試驗(yàn)和技術(shù)培訓(xùn)應(yīng)用，同時(shí)也可用于實(shí)際復(fù)材構(gòu)件鋪放制造。由于復(fù)合材料構(gòu)件品種多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其加工既需要通用自動(dòng)化設(shè)備，也需要根據(jù)構(gòu)件的形狀和批量化要求進(jìn)行定制專用設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)在工程化應(yīng)用的絲束鋪放裝備方面還屬于空白，嚴(yán)重阻礙了航空自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展。熱壓罐設(shè)備預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝是利用熱壓罐設(shè)備，通過(guò)升溫、真空以及壓力等工藝措施，使復(fù)合材料毛胚密實(shí)、固化形成復(fù)合材料制件的一種工藝方法。隨著復(fù)材構(gòu)件尺寸的不斷增加，對(duì)熱壓罐尺寸和溫度場(chǎng)均勻性的要求越來(lái)越高。國(guó)外已開發(fā)出超大尺寸的熱壓罐和先進(jìn)的熱壓罐空氣循環(huán)系統(tǒng)，可有效降低大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件成型過(guò)程中的溫度差，降低單位重量復(fù)合材料構(gòu)件的能耗，且有利于保證復(fù)合材料構(gòu)件的成型質(zhì)量。AshidaMfg.Co.Ltd和HiroshimaRyojuEngineeringCo.Ltd設(shè)計(jì)研發(fā)出全球最大的先進(jìn)空氣循環(huán)系統(tǒng)熱壓罐，該熱壓罐直徑約8m，長(zhǎng)約40m，重約700t，可直接將約30m長(zhǎng)的復(fù)材構(gòu)件置入熱壓罐加壓加熱。三菱重工用這套熱壓罐系統(tǒng)為波音787生產(chǎn)復(fù)合材料機(jī)翼，滿足了波音787的增產(chǎn)需求。無(wú)損檢測(cè)設(shè)備隨著復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用比例的不斷提高，為保障飛行安全，監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)量受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。目前，航空復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)等。大飛機(jī)復(fù)合材料檢測(cè)涉及到大面積的快速檢測(cè)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，因此需要配置大型C掃描設(shè)備（圖4）和X光無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。此外，美國(guó)德克薩斯州的iPhoton公司研發(fā)了一種全新的非接觸式、非破壞性的激光超聲系統(tǒng)，在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中檢測(cè)近表面缺陷。相比傳統(tǒng)超聲探傷，對(duì)于形狀稍復(fù)雜的零件，激光超聲探傷系統(tǒng)則突顯優(yōu)勢(shì)