復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲成型工藝

復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲成型工藝

先進(jìn)材料具有輕重量、高強(qiáng)度、高模量、結(jié)構(gòu)功能整合、設(shè)計(jì)與制造一體化、易形成大組件等優(yōu)點(diǎn)。這在航空航天行業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用。這是理想的結(jié)構(gòu)材料。國(guó)外軍機(jī)上復(fù)合材料的用量普遍占結(jié)構(gòu)重量的25%~50%;在民用領(lǐng)域,波音787飛機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)到50%,而空客A350復(fù)合材料用量更是達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的52%與自動(dòng)鋪帶技術(shù)相比,自動(dòng)鋪絲技術(shù)使用多組預(yù)浸紗,具備增減紗束根數(shù)的功能,可便捷地根據(jù)構(gòu)件形狀進(jìn)行自動(dòng)切紗,且各預(yù)浸紗獨(dú)立輸送,鋪放軌跡自由度高,適用于大曲率復(fù)雜構(gòu)件成型。因此該技術(shù)具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、成型適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),目前已成為大型復(fù)雜復(fù)合材料制造的典型工藝。機(jī)床主體功能典型的自動(dòng)鋪絲設(shè)備如圖1所示,主要由機(jī)床主體、紗架系統(tǒng)、鋪絲頭3部分組成。機(jī)床主體的主要功能是實(shí)現(xiàn)鋪絲頭的快速移動(dòng)和空間坐標(biāo)的定位;紗架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)浸絲束料卷的存儲(chǔ)、放卷、薄膜回收、張力控制、傳輸和導(dǎo)向等功能;鋪絲頭主要實(shí)現(xiàn)預(yù)浸絲束的壓緊、送進(jìn)、切割、導(dǎo)向、加熱、滾壓等功能,將絲束鋪放在模具上1立式自動(dòng)鋪絲機(jī)根據(jù)機(jī)床主體的不同可將自動(dòng)鋪絲設(shè)備區(qū)分為立式鋪絲機(jī)、臥式鋪絲機(jī)、龍門鋪絲機(jī)。立式與臥式的不同主要在于驅(qū)動(dòng)芯模轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的不同,若為芯模旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)則稱之為立式,若為芯模旋轉(zhuǎn)軸則稱之為臥式不同結(jié)構(gòu)與形狀的鋪絲機(jī)具有不同的特點(diǎn),自然也適用于不同類型結(jié)構(gòu)部件的制造。在空客A350的制造過(guò)程中,大型機(jī)身曲板結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪絲工作由立式自動(dòng)鋪絲機(jī)完成,通過(guò)將工件固定在固定區(qū)域,不需要旋轉(zhuǎn)工件即可實(shí)現(xiàn)機(jī)身、機(jī)翼等長(zhǎng)度較長(zhǎng)的部件的自動(dòng)鋪絲工作。而飛機(jī)的機(jī)身筒體直徑長(zhǎng)達(dá)6m,需要對(duì)該工件其進(jìn)行旋轉(zhuǎn),因此鋪絲頭在工裝的一側(cè)進(jìn)行鋪放效率更高,在這種情況下臥式自動(dòng)鋪絲機(jī)更適宜完成自動(dòng)鋪絲工作2料卷、鋪絲和長(zhǎng)傳紗型鋪絲根據(jù)絲束料卷與鋪絲頭的相對(duì)位置,可將自動(dòng)鋪絲設(shè)備分為長(zhǎng)傳紗型鋪絲機(jī)(圖4)與直傳紗型鋪絲機(jī)(圖5)。長(zhǎng)傳紗型鋪絲機(jī)為早期典型的自動(dòng)鋪絲機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。這一結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪絲設(shè)備將料卷存放與紗架中,紗架放置在鋪絲機(jī)的橫梁或附近,預(yù)浸絲束通過(guò)長(zhǎng)距離傳輸運(yùn)動(dòng)的鋪絲頭進(jìn)行鋪放。由于紗架容納體積大,料卷體積不受限制通常鋪放長(zhǎng)度可達(dá)5000m,非常適用于大型結(jié)構(gòu)部件的鋪放工作。采用長(zhǎng)距離傳輸鋪絲有一定的缺點(diǎn),比如材料的上下料時(shí)間較長(zhǎng)、出現(xiàn)斷紗的概率較高、人工維護(hù)設(shè)備的時(shí)間和成本也較高。長(zhǎng)傳紗型自動(dòng)鋪絲設(shè)備并不完美,為了減少絲束傳輸距離、降低傳輸過(guò)程中斷紗的概率,Electroimpact(EI)、M–Torres、MAG、INGERSOLL等公司先后開發(fā)了直傳紗型鋪絲機(jī)。他們通過(guò)設(shè)計(jì)將料卷與鋪絲頭結(jié)合在一起,如此就達(dá)到了避免因傳輸距離長(zhǎng)而出現(xiàn)絲束接頭斷開的風(fēng)險(xiǎn)。直傳紗型鋪絲機(jī)由于料卷與鋪絲頭一體,因此料卷體積受到限制,大尺寸料卷較難安裝在鋪絲頭上,料卷鋪放長(zhǎng)度減少,通常僅有1500~2000m。為了解決因料卷長(zhǎng)度減少而帶來(lái)的頻繁上下料的問(wèn)題,EI公司同時(shí)開發(fā)了可更換鋪絲頭技術(shù)。當(dāng)筒料卷用完即可更換新鋪絲頭繼續(xù)鋪放工作,因此鋪放工作效率大幅提高3模塊化自動(dòng)鋪放設(shè)備鋪絲頭是自動(dòng)鋪放設(shè)備的核心部件,目前世界上已開發(fā)出如圖7所示多種結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪絲頭。典型的自動(dòng)鋪絲設(shè)備鋪絲頭一般包括送進(jìn)、夾緊、剪切、重送、加熱、滾壓等裝置,以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪絲設(shè)備的各項(xiàng)鋪放工作。(1)剪切裝置:該裝置能夠在纖維鋪放過(guò)程中,對(duì)任意纖維束進(jìn)行切斷、調(diào)用,因此允許通過(guò)增加或減少纖維束的數(shù)目來(lái)改變鋪放纖維束帶的寬度和構(gòu)成形式。通過(guò)對(duì)纖維束帶寬度的調(diào)整可控制相鄰帶間裂縫或相互交疊覆蓋區(qū)的大小。(2)夾緊裝置:由于纖維束具有張力,對(duì)某一纖維束進(jìn)行剪切時(shí)需要夾住后面的纖維束,以防其被回收導(dǎo)致不受控制。當(dāng)要求剪切纖維束前執(zhí)行夾緊動(dòng)作,要求重送纖維束時(shí),斷開夾緊方式。(3)重送裝置:當(dāng)需要被切斷的纖維束重新鋪放到工件模具表面時(shí),可通過(guò)執(zhí)行重送裝置實(shí)現(xiàn)。(4)滾壓裝置:纖維束需要通過(guò)滾壓輥壓實(shí)以保證纖維束可緊貼在工件表面,這一工作就由滾壓裝置實(shí)現(xiàn)。其中,壓緊壓力可通過(guò)編程控制。(5)加熱裝置:此裝置用于控制纖維束的黏度,以保證滾壓裝置能夠有效壓緊纖維束并擠走層間空氣。典型自動(dòng)鋪放設(shè)備的加熱裝置可控制纖維束升溫(27~32℃)產(chǎn)生必要的黏度,并由滾壓輥壓緊在工件表面。在此之前纖維束溫度需保證不高于21℃,才能使纖維束保持在低黏度或無(wú)黏度狀態(tài),從而能夠無(wú)障礙地從紗架系統(tǒng)中抽出并傳送至鋪絲頭典型的鋪絲頭主要由上述裝置構(gòu)成,但出于降低成本、提高效率的目的,大多數(shù)自動(dòng)鋪絲設(shè)備采用了將不同寬度規(guī)格的鋪絲頭集成在一臺(tái)鋪絲設(shè)備上,一次實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的鋪絲加工。這在一定程度上解決了工件復(fù)雜度與高鋪絲效率之間的矛盾。但是由于使用的纖維束寬度與數(shù)量不同,導(dǎo)致其復(fù)合材料工件制造復(fù)雜度與鋪放生產(chǎn)率難以兼顧。美國(guó)的EI公司在2003年開發(fā)了一種新概念模塊化鋪絲頭(圖9),并通過(guò)設(shè)計(jì)可交換的模塊化鋪絲頭的自動(dòng)鋪絲設(shè)備解決上述問(wèn)題。這種設(shè)備將所有鋪絲中所需要的纖維束料放置在模塊化鋪絲頭上,取消了傳統(tǒng)鋪絲機(jī)中的紗架系統(tǒng)。同時(shí),這個(gè)模塊化鋪絲頭與控制它的鋪放平臺(tái)是分離的,可通過(guò)更換鋪絲頭實(shí)現(xiàn)提高效率的目的除此之外,EI公司通過(guò)對(duì)鋪絲頭進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步減少纖維束傳送時(shí)間、提高鋪放效率的目的。EI公司的模塊化自動(dòng)鋪絲頭除了擁有典型鋪絲頭的剪切模塊、送料模塊、夾緊模塊外,還在鋪絲頭上安裝了雙向絲束蹼,以此實(shí)現(xiàn)雙向鋪放的功能,如圖10所示。在這方面,南航也開發(fā)了如圖11所示的新型雙向鋪絲頭。蹼是一個(gè)很小的氣動(dòng)門,通過(guò)在刀具與壓輥之間加入蹼裝置,當(dāng)打開雙向鋪放時(shí),蹼可允許纖維束不受打斷的送入壓輥,關(guān)閉時(shí)則可將纖維束送到壓輥的另一側(cè)模塊化鋪絲頭的優(yōu)點(diǎn)在于,可以通過(guò)在鋪絲頭背部附加的一個(gè)刀具適應(yīng)接口將此模塊化鋪絲頭替換至另一個(gè)鋪絲頭,此時(shí)在同一個(gè)工件上不同尺寸纖維使用不同的鋪絲頭鋪放不再需要進(jìn)行額外的設(shè)置,相同的鋪絲頭也能在不同鋪絲設(shè)備間使用、替換。此外,當(dāng)模塊化鋪絲頭與刀位點(diǎn)程序相結(jié)合,當(dāng)機(jī)床具備生產(chǎn)工件所需的體積與角度范圍,則工件可在任一機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)4自動(dòng)鋪絲機(jī)隨著時(shí)代發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)的許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。多腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人在其工作半徑內(nèi)對(duì)位置控制具有較大柔性。一些自動(dòng)鋪絲設(shè)備供應(yīng)商利用多自由度(通常6自由度以上)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)為作為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)配置模塊化鋪絲頭來(lái)構(gòu)建低費(fèi)用高生產(chǎn)率的復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲設(shè)備,圖12即為EI公司開發(fā)的一款機(jī)器人用鋪絲頭。美國(guó)復(fù)合材料系統(tǒng)公司推出一種以6自由度運(yùn)動(dòng)控制的MotomanUP200機(jī)器人為平臺(tái)的自動(dòng)鋪絲設(shè)備。這臺(tái)鋪絲機(jī)器人可以安裝在滑軌裝置上,或者可以倒裝在三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制的龍門系統(tǒng)上,實(shí)現(xiàn)這種倒掛鋪放的功能是其他典型鋪絲設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的。Groppe航空公司計(jì)劃將其運(yùn)用在空心復(fù)合材料渦輪葉片的制造工作中。我國(guó)在以工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)構(gòu)建自動(dòng)鋪絲設(shè)備方面也有一定成果,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的富宏亞課題組基于catia的自動(dòng)鋪放成型技術(shù)國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究起步較晚,南京航空航天大學(xué)在“九五”期間率先開始研究自動(dòng)鋪放成型技術(shù)。武漢理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等單位也先后在自動(dòng)鋪放技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究。南京航空航天大學(xué)與上海萬(wàn)格復(fù)合材料有限公司合作完成了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)8絲束預(yù)浸紗鋪放試驗(yàn)系統(tǒng)及鋪絲用精密低張力測(cè)控系統(tǒng),開發(fā)了基于CATIA的自動(dòng)鋪絲CAD/CAM軟件原型,形成了自動(dòng)鋪絲技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)備的技術(shù)儲(chǔ)備武漢理工大學(xué)在自動(dòng)鋪放成型的數(shù)控系統(tǒng)、成型機(jī)構(gòu)等方面展開了相關(guān)研究。2003年,于傳浩等對(duì)鋪放頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2005年,田會(huì)方等哈爾濱工業(yè)大學(xué)則以原有的6軸纏繞機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)改造,設(shè)計(jì)了一種7軸纖維鋪放頭,提出了對(duì)應(yīng)的控制方案并對(duì)數(shù)控鋪放系統(tǒng)開展了研究西安交通大學(xué)段玉崗等目前中航復(fù)材公司、上海飛機(jī)制造廠、中國(guó)商飛北研中心等通過(guò)進(jìn)口的方式也擁有了自動(dòng)鋪絲機(jī),并已經(jīng)陸續(xù)開展了相應(yīng)構(gòu)件的自動(dòng)鋪絲試制的研究工作。圖18即為中航復(fù)材利用自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)制備的C929全尺寸復(fù)合材料壁板工藝件?？偠灾?我國(guó)在自動(dòng)鋪放設(shè)備研制、生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用方面還處于起步階段,大量基礎(chǔ)研究工作與實(shí)際應(yīng)用之間的轉(zhuǎn)化尚未完成。只有形成技術(shù)規(guī)范和完整的技術(shù)流程,才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪絲工業(yè)化應(yīng)用。其他技術(shù)的應(yīng)用復(fù)合材料日益廣泛的運(yùn)用對(duì)自動(dòng)鋪放設(shè)備提出了一定的要求,其中,自動(dòng)鋪絲技術(shù)作為在航空航天等制造業(yè)的重要工藝,對(duì)設(shè)備提出了更高的要求。我國(guó)在這一方面尚處于起步階段,雖然有一定的成果但是相對(duì)于國(guó)外的先進(jìn)水平尚有較大差距。目前我國(guó)正在實(shí)施大飛機(jī)項(xiàng)目,對(duì)大型自動(dòng)鋪絲設(shè)備的重視程度已有所提高。在今后發(fā)展中,以下幾點(diǎn)值得關(guān)注:(1)鋪放設(shè)備專門化的趨勢(shì):產(chǎn)品的專用鋪放設(shè)備發(fā)展迅速,這不僅降低了使用成本還提高了裝備的使用效率,尤其是采用機(jī)器人為平臺(tái)的鋪放設(shè)備,能夠大幅降低裝備成本。比如Enate公司開發(fā)的用于民用風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)復(fù)合材料葉片制造的自動(dòng)鋪絲機(jī)床使用的是150K獨(dú)立長(zhǎng)纖維組成的纖維束,與典型自動(dòng)鋪絲設(shè)備使用的3~12K不同。(2)雙頭鋪放、多頭鋪放工藝的應(yīng)用:例如美國(guó)Dallas工廠的大型雙龍門雙鋪放頭可一次鋪放兩個(gè)零件,或者在鋪放一個(gè)零件時(shí)同時(shí)可進(jìn)行另一個(gè)鋪放零件的加載或卸載。EI公司設(shè)計(jì)的具有多個(gè)可交換模塊化鋪絲頭的自動(dòng)鋪絲機(jī)床的方法,也解決了鋪放生產(chǎn)率與零件復(fù)雜度的矛盾問(wèn)題,這種機(jī)床可將所有需要的不同規(guī)格的纖維絲束放置在多個(gè)模塊化鋪絲頭上,在需要交換不同規(guī)格的絲束時(shí),可進(jìn)行類似傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的“換刀”操作將需要的鋪絲頭快速交換至鋪放位置。由此可見,雙頭鋪放工藝、多頭鋪放工藝是提高生產(chǎn)率的一個(gè)研究重點(diǎn)。(3)雙向鋪放工藝的應(yīng)用:在鋪絲工作中盡量避免空程運(yùn)行也是提高生產(chǎn)效率的一個(gè)有效方法。本文所提到的EI公司在模塊化鋪絲頭上安裝雙向絲束蹼裝置后,能夠使鋪絲頭實(shí)現(xiàn)正向、逆向的鋪放工作。(4)針對(duì)熱塑性復(fù)合材料開發(fā)的自動(dòng)鋪絲設(shè)備:熱塑性復(fù)合材料具有良好的可循環(huán)性、抗沖擊