復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用及方案示例

復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用及方案示例單位：中航工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

作者：徐福泉高大偉等

發(fā)布時間：2009-12-1010:27:17大飛機(jī)復(fù)合材料的應(yīng)用國外大型軍用、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)過程中，考慮到當(dāng)前和飛機(jī)生產(chǎn)出來后（至少7～8年后）的國際水平，參照國外的A380、波音787、A350、A400M、MC21等大型飛機(jī)，以及國內(nèi)設(shè)計能力、試驗(yàn)?zāi)芰?、生產(chǎn)設(shè)備條件和工藝水平等，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)勢的制造方法就是自動鋪帶技術(shù)。自動鋪帶技術(shù)的發(fā)展所謂自動鋪帶技術(shù)，就是采用數(shù)控鋪層設(shè)備，通過數(shù)字化、自動化的手段實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料預(yù)浸布、帶的連續(xù)自動切割和自動鋪放。主要工作過程為：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，回料滾輪將背襯材料回收。

自動鋪帶作為典型的增料加工成型技術(shù)，其成型設(shè)備的制造技術(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)計鋪層，發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計性優(yōu)勢，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題。采用復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)可在提高質(zhì)量的同時，大幅度地節(jié)省原材料，降低制造成本。同時，由于可以實(shí)現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的零剩余強(qiáng)度設(shè)計，結(jié)構(gòu)重量大大減輕。

自動鋪帶技術(shù)于20世紀(jì)70年代由Boeing、CincinnatiMilacron、Hercules等公司聯(lián)合開發(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)用自動鋪帶技術(shù)制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)?？湛头▏鳱ate工廠中，現(xiàn)有十幾臺鋪帶機(jī)在生產(chǎn)線上運(yùn)行；空客德國Stade工廠有一條4臺鋪帶機(jī)組生產(chǎn)線；空客西班牙的Illescas工廠有6臺鋪帶機(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)。雖然國內(nèi)自動鋪帶技術(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，國內(nèi)自動鋪帶技術(shù)也不再是空白。從2004年開始，南京航空航天大學(xué)與航空材料研究院聯(lián)合開發(fā)自動鋪帶設(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復(fù)合材料構(gòu)件的制造；國內(nèi)開展自動鋪帶技術(shù)研究的還有武漢理工大學(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公司購買了一臺復(fù)合材料自動鋪帶機(jī)，并已開展了復(fù)合材料自動鋪帶制造技術(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)備采用龍門式結(jié)構(gòu)，主要包括帶裝夾和釋放(開卷)系統(tǒng)、襯紙帶回卷系統(tǒng)、帶缺陷檢測傳感系統(tǒng)、帶對中和導(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)、工裝定位及自動補(bǔ)償系統(tǒng)等。

（1）該設(shè)備具有自動切割與自動鋪放未經(jīng)固化的樹脂基單向纖維帶功能，能夠在模具上自動鋪放多層平面和曲面的復(fù)合材料零件。

（2）該設(shè)備在鋪層時能夠?qū)︿亴勇窂竭M(jìn)行手動和自動設(shè)置，自動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鋪放和碾實(shí)、無褶皺、無氣泡和具有程編規(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)計制造原則

設(shè)計理念：在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整個設(shè)計過程中始終貫穿設(shè)計與工藝制造一體化、并行工程的設(shè)計理念，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在設(shè)計、分析、成型、裝配、檢測、使用、維護(hù)和修理等各環(huán)節(jié)找到最佳的平衡點(diǎn)。

設(shè)計手段：采用數(shù)字化的設(shè)計手段，保證設(shè)計數(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%的計算機(jī)輔助設(shè)計。適宜采用專用設(shè)計軟件FiberSIM、CPD、COVERS等。

制造方法：應(yīng)用先進(jìn)的自動化設(shè)備（自動鋪帶機(jī)、自動下料機(jī)、熱成型設(shè)備、柔性復(fù)合材料專用切鉆設(shè)備和大型C掃查設(shè)備等）符合復(fù)合材料自動化低成本化制造趨勢，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)計許用值和勞動效率，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，國外主要的幾種鋪帶預(yù)浸料見下表。國產(chǎn)的CCF-1碳纖維，樹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)氧或雙馬樹脂，可供選用的樹脂按固化溫度分類，有中溫固化（125℃）和高溫固化（180℃）兩大類。3機(jī)翼翼盒典型設(shè)計結(jié)構(gòu)

為了便于采用復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)，在設(shè)計上最好避免使用蜂窩結(jié)構(gòu)。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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)筋類結(jié)構(gòu)來提高結(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)計方案主要包括上整體壁板，帶有開口的下整體壁板、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。各主要零部件均可采用復(fù)合材料設(shè)計。整體壁板采用鋪帶的蒙皮與預(yù)固化的長桁共膠接成型技術(shù)。目前有2種方案可供選擇：格柵式整體壁板和長桁加筋式整體壁板。在滿足設(shè)計要求的情況下，前者成型難度較大，但用在油箱區(qū)密封性較好；后者成型相對簡單，但與肋連接時蒙皮表面會有很多連接件，進(jìn)而降低了油箱密封的可靠性。4制造方案

制造技術(shù)主要采用自動鋪帶技術(shù)、自動剪裁技術(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)合材料專用銑床及柔性裝夾技術(shù)。

工裝類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用切鉆夾持工裝或采用柔性夾具，而梁、肋不適宜采用柔性夾具夾持，最好設(shè)計制造專用夾持工裝。

上述的設(shè)計方案可最大限度地采用復(fù)合材料自動鋪帶技術(shù)。無論是蒙皮、加強(qiáng)筋，還是前后梁、肋等復(fù)合材料設(shè)計的零件，材料鋪放都可以用鋪帶機(jī)來完成。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，而對于加強(qiáng)筋、梁、肋等零件，一般截面為T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)無法在T形或U形上模具上直接鋪放。因此，對于蒙皮類零件和梁、肋等零件，在造型過程上有些不同，蒙皮類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完成。

上下壁板制造過程一般包括長桁造型、蒙皮鋪放、蒙皮長桁組裝、固化、切鉆、外形尺寸檢測、無損檢測等。上下壁板的成型過程分3步進(jìn)行：

第一步，制作長桁?？捎么笮屯ㄓ闷脚_，在平臺上鋪帶，形成具有一定厚度的平板鋪層，用自動裁床按長桁尺寸剪裁，一次可剪裁多條長桁，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，可直接采用自動鋪帶機(jī)鋪放在成型工裝上；

第三步，蒙皮長桁組合成壁板。長桁定位放置在蒙皮壁板的共固化或共膠接成型工裝上，無論格柵式整體壁板還是長桁加筋式整體壁板都可通過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，需去除無用的產(chǎn)品余量，一般采用五軸銑床和柔性夾具系統(tǒng)（或硬夾持工裝）切邊和鉆孔。然后進(jìn)行外形、尺寸的無損檢測；合格后，即可進(jìn)行下一步的裝配。經(jīng)過這一個復(fù)雜的過程，即完成了自動鋪帶復(fù)合材料壁板的制造。結(jié)束語自動鋪帶技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅體現(xiàn)復(fù)合材料成型自動化相對于傳統(tǒng)成型