加工輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)

Heinar Lang

(MAG－IAS公司，德國格平根 D－73033)

加工輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)

Heinar Lang

(MAG－IAS公司，德國格平根 D－73033)

輕量化在汽車制造、船舶制造和飛機制造領(lǐng)域具有重要意義。在分析飛機制造對復(fù)合材料生產(chǎn)能力需求的基礎(chǔ)上，提出基于機器人系統(tǒng)的新型碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)系統(tǒng)。繼而在討論鈦合金加工的特點后，介紹用于鈦合金加工的制造裝備。最后列舉了輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)和裝備在風(fēng)電、航空工業(yè)中的應(yīng)用案例。

輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料;復(fù)合材料;柔性生產(chǎn)系統(tǒng)

輕量化雖不是大潮流，卻是一種技術(shù)和經(jīng)濟上解決資源短缺和能源環(huán)保的有效方法。特別是在汽車制造、船舶制造和飛機制造領(lǐng)域，輕量化具有重要的意義。現(xiàn)在已有許多不同輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料可以使用:在金屬輕質(zhì)材料方面有鋁、鎂、鈦等;在非金屬輕質(zhì)材料領(lǐng)域有碳纖維、玻璃纖維復(fù)合材料和其他傳統(tǒng)輕質(zhì)材料。為了使生產(chǎn)系統(tǒng)能適應(yīng)新材料的推廣應(yīng)用以及輕結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，需要解決制造模式和加工方法的轉(zhuǎn)變。

1 航空領(lǐng)域中的輕質(zhì)材料和復(fù)合材料

1.1 復(fù)合材料和鈦合金材料的應(yīng)用

在航空工業(yè)中，飛機質(zhì)量是其經(jīng)濟性和環(huán)境污染方面必須考慮的重要因素。機身是由桁條、翼梁和蒙皮構(gòu)建的。在碳纖維增強塑料(CFK)的推廣應(yīng)用過程中，首先聚焦機翼蒙皮的質(zhì)量減少。近年來，CFK組件在飛機中的比例已經(jīng)增加到飛機總質(zhì)量的一半。由于CFK比例增加，鋁材料比例降低，造成鋁和CFK連接處因電化學(xué)的電位差導(dǎo)致腐蝕。飛機的支承結(jié)構(gòu)(如艙壁)與CFK蒙皮直接聯(lián)接，鋁和CFK連接處因電化學(xué)的電位差等效腐蝕以及鋁與CFK的熱膨脹系數(shù)不同的問題，使飛機越來越多地由鈦合金制造。基于上述原因，當(dāng)前和未來飛機中的鈦合金用量將會有很大的增長，如空客A350－XWB新型飛機即其一例，如圖1所示。在同樣強度的條件下，5m長的艙壁用鈦合金比用鋁合金能顯著減少質(zhì)量。

圖1 飛機的復(fù)合材料和鈦合金組件的使用

除了已經(jīng)提到的艙壁和翼梁外，機翼、機殼、機尾和機側(cè)身都有很多的復(fù)合材料和鈦合金的應(yīng)用案例。

1.2 對飛機生產(chǎn)系統(tǒng)的能力需求

兩大飛機制造商最新的長期預(yù)測認為，未來若干年飛機需求量將有很大的增長?？湛凸?歐洲航空防務(wù)和航天集團的子公司)預(yù)測，到2030年飛機的需求量大約為28 000架［1］，波音公司認為，最近20年飛機的需求量為34 000架［2］。例如，新型近程(支線)飛機的“碟狀翼盒”(如圖2所示)需求量旺盛。

如果每年生產(chǎn)480架類似飛機，每月就有160個翼盒，翼盒每件重1 300kg，這就意味著每月的需求量為208 000kg。生產(chǎn)廠家為了達到這一目標(biāo)，每月需要21天16小時開工，而且需具有620kg/h的生產(chǎn)能力，但就目前的技術(shù)而言，僅能達到12kg/h～55kg/h。從經(jīng)濟性角度看，生產(chǎn)系統(tǒng)合理的生產(chǎn)能力為100～150kg/h。因此，需要開發(fā)輕質(zhì)材料加工處理的新型生產(chǎn)系統(tǒng)，以確保生產(chǎn)效率能夠滿足要求。

圖2 近程飛機的“碟狀翼盒”

2 纖維鋪放系統(tǒng)和鋪帶過程

2.1 復(fù)雜幾何形狀的處理/技術(shù)現(xiàn)狀

目前，市場上現(xiàn)有的纖維鋪放系統(tǒng)可平行鋪放32條窄道復(fù)合材料(預(yù)浸帶)，為了生產(chǎn)復(fù)雜形狀的構(gòu)件，需將32條窄道分開單獨控制，使所有的處理步驟如萃取、啟動/停止、路徑設(shè)置等都可以單獨完成。如圖3所示。

圖3 纖維鋪放系統(tǒng)的案例

MAG VIPER系列鋪放機的目標(biāo)是隨著時代的發(fā)展，可以實現(xiàn)生產(chǎn)力的要求，VIPER系列鋪放機的數(shù)據(jù)見表1(以VIPER 3000和VIPER 6000為例)。

表1 VIPER系列鋪放機的數(shù)據(jù)

2.2 纖維鋪放的協(xié)調(diào)和仿真

MAG公司已經(jīng)運用最新的技術(shù)手段，將當(dāng)前可能與未來所需鋪放效率之間的差異最小化。通過自動和相互協(xié)調(diào)的鋪放平臺，可在鋪放過程的同時進行柔性控制。圖4(a)描述了碟形翼盒量產(chǎn)的概念，圖4(b)是MAG公司與德國宇航中心合作的CFK生產(chǎn)基地。

借助機器人系統(tǒng)構(gòu)建一個自主管理的自動化機器人平臺，用以進行碳纖維復(fù)合材料的自動化鋪放。在此平臺上，各種技術(shù)皆可加以使用，特別是鋪帶和纖維鋪放技術(shù)，多年來MAG公司在這方面是全球市場的引領(lǐng)者。面臨的挑戰(zhàn)是，如何將帶鋪放和纖維鋪放設(shè)備的質(zhì)量和生產(chǎn)率，與采用機器人輔助系統(tǒng)所產(chǎn)生的成本及柔性優(yōu)勢相統(tǒng)一。這些可通過最新的檢測技術(shù)、智能化管理及材料處理手段來加以實現(xiàn)。

圖4 量產(chǎn)碟形翼盒的工廠

幾十年來，MAG公司通過先進軟件的使用，包括大量的編程、模擬和過程控制軟件的使用，使得計算機輔助技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。通過碟形CFK翼盒生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)的不斷深入，使得機器人平臺能夠與相應(yīng)的機器人運動學(xué)以及具有多種任務(wù)與設(shè)計功能的數(shù)控系統(tǒng)相融合，并且能提供最高的生產(chǎn)效率。除了考慮生產(chǎn)率的要求外，機器人平臺還要實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計和架構(gòu)的不斷發(fā)展，特別是安全的要求，包括動態(tài)碰撞檢測和控制功能。

使用自主管理的纖維鋪放裝置需要與纖維沉積相協(xié)調(diào)，因此采用不同的離線編程及仿真工具來模擬各種對應(yīng)數(shù)控程序的生成(例如，參數(shù)優(yōu)化、覆蓋范圍和程序生成器)，以便驗證纖維鋪放設(shè)計理念與對應(yīng)的自主管理是否協(xié)調(diào)，確認其在生產(chǎn)中的可行性。該生產(chǎn)系統(tǒng)及其框架如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)系統(tǒng)及其框架

3 復(fù)合材料和鈦合金的生產(chǎn)裝備與工藝

3.1 機床的典型部件和相關(guān)技術(shù)

為了確保難加工的鈦合金材料能獲得最佳處理，在機械加工過程中需要創(chuàng)建一些先決條件。這些措施包括:

a.主軸功率和扭矩達到最佳匹配，以確保粗、精加工過程的金屬切除率最高。

b.X/Y軸采用線性直接驅(qū)動，快速移動/進給速度和進給力大，以及良好的動態(tài)過程控制。

c.機床總體結(jié)構(gòu)采用力閉環(huán)設(shè)計，使力線封閉，保證機床剛度和阻尼最高。

d.所有主要軸線皆采用雙直接測量系統(tǒng)，保證精度最高，以滿足最后精加工的需要。

e.用液氮冷卻優(yōu)化加工過程，提高鈦加工性能。

為了獲得主軸功率與扭矩的最佳匹配，必須使用帶電主軸的A/C軸擺叉銑頭。使用力矩電機，而非齒輪，以保證剛性驅(qū)動及高品質(zhì)控制和動力學(xué)性能，更多的技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 A/C軸擺叉銑頭的電主軸技術(shù)參數(shù)

應(yīng)該指出，表2中的扭矩在很大速度范圍內(nèi)是可用的。為了實現(xiàn)令人滿意的鈦合金加工，主軸刀具接口應(yīng)具有魯棒性并且尺寸足夠大，以保證加工時的剛度和穩(wěn)定性高。除了通過主軸進行高壓冷卻潤滑外，也可選用低溫液氮冷卻。采用A/C軸擺叉銑頭可進行5軸聯(lián)動加工，為鈦加工創(chuàng)造了多軸加工最優(yōu)的前提條件(如圖6所示)。

圖6 帶電主軸的A/C軸擺叉銑頭

通過直線電機技術(shù)的使用，除了減少彈性變形、換向背隙和摩擦的影響外，還能采用主動補償與主動阻尼抑制切削過程的振動。這種出色的動態(tài)激勵，使得加工過程優(yōu)化控制成為可能，且有助于降低加工時間、輔助時間和加工成本。因此，在鈦合金5軸加工中，大進給力與X，Y，Z軸大速度可調(diào)范圍，確保了最佳切削條件和高金屬切除率。

為了對應(yīng)鈦合金加工時的大切削力，機床設(shè)計中采用“閉環(huán)”結(jié)構(gòu)(如圖7所示)。所有部件通過有限元分析計算和優(yōu)化，確保最高剛性和阻尼。分析表明，這個閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的，甚至不需要地基。大尺寸的框架組件采用焊接結(jié)構(gòu)。除了基礎(chǔ)部件與移動工作臺是模塊化設(shè)計外，還應(yīng)用了非液壓機械的、電子機械配重平衡裝置。為了避免熱載荷的影響，主軸和工件水平配置，下方有深槽，以便熱的切屑迅速排出。

圖7 封閉框架中的機械結(jié)構(gòu)

為了保證加工精度，除了采用高精度成型導(dǎo)軌外，在測量系統(tǒng)方面，所有軸皆配置雙絕對線性尺。同時注意保證框架部件的加工精度以及裝配時的校整。此外，采取適當(dāng)控制相連的優(yōu)化循環(huán)消除機床主軸的熱位移，以保證所需的加工精度。通過能源監(jiān)測的使用，可進行能源需求的評定和最小化，以及待機作業(yè)時閑置能量的部分轉(zhuǎn)移，以提高機床的節(jié)能效果。

特別是在難加工的鈦合金材料領(lǐng)域，容易形成機械和熱效應(yīng)，最糟糕的情況是刀具切削刃超載，這會導(dǎo)致額外的磨損。為了達到高效切除率以提高生產(chǎn)率，除了在切削刃區(qū)域進行適當(dāng)調(diào)整外，通過液氮的使用可對鈦合金加工過程優(yōu)化。這種極其有效的切削刃冷卻效果(如圖8所示)將導(dǎo)致切削刃載荷熱量減少，磨損減少。

圖8 低溫液氮冷卻加工

3.2 應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機復(fù)合材料零件的加工案例，證明了低溫液氮冷卻加工在可再生能源和航空領(lǐng)域的可行性(如圖9所示)。復(fù)合材料加工中，溫度扮演了一個特別的角色。它取決于材料，不能超出70℃ ～160℃，以避免樹脂融化和材料分層。通過低溫冷卻的使用，溫度控制得以改善，高的加工速度得以實現(xiàn)，且切屑和切塵保持干燥，使回收利用管理更加方便。

圖9 風(fēng)機復(fù)合材料的加工

復(fù)合材料的液氮冷卻加工的好處是使得加工過程穩(wěn)定，通過液氮冷卻提供了一個合適的加工溫度，使得銑削和鉆削的平均速度明顯提高，從而可將年產(chǎn)量顯著提高到150件。與加工中心相比液氮冷卻加工借助6軸機器人實現(xiàn)了高柔性的解決方案，所需投資更低。除了環(huán)氧樹脂的GFK風(fēng)機零件加工外，液氮冷卻也適合于CFK零件加工的流程。同樣也保留了干切削的特征。

整體鈦合金葉輪的5軸加工的例子是在航空領(lǐng)域(如圖10所示)的應(yīng)用。鈦合金加工的特點是材料屬性的復(fù)雜度和昂貴程度。材料的韌性以及低熱導(dǎo)率和高熱容量會導(dǎo)致加工中心產(chǎn)生高溫。切削參數(shù)必須根據(jù)可接受的溫度和刀具磨損水平來調(diào)整。通過液氮冷卻的使用，刀具使用壽命和生產(chǎn)率將會得到提升。

圖10 整體鈦合金葉輪的5軸加工

復(fù)合材料低溫冷卻加工的好處是，可提高刀具的進給量30%以及增加刀具使用壽命(1～2個葉輪)。由于無需使用冷卻潤滑液，所以無需冷卻液控制中心或裝置?？蛇x的方案是低溫冷卻與微量潤滑(MQL)結(jié)合使用。

4 結(jié)束語

輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與自動化生產(chǎn)的結(jié)合會減少來自材料、設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)的沖突。使用現(xiàn)有的生產(chǎn)方案往往不夠經(jīng)濟。渦輪機制造商面臨的挑戰(zhàn)在于新的產(chǎn)品技術(shù)核心競爭力的應(yīng)用，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是可取的。必須從現(xiàn)有的工業(yè)使用中發(fā)掘需求，并且不斷地應(yīng)用新材料、新設(shè)備和新技術(shù)。為了適應(yīng)市場降低成本的需要，要運用高科技盡快結(jié)束無輕質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的時代，制定新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

［1］Airbus.Global market forcast 2012 － 2031 booklet［EB/OL］.［2013 －03 －18］.http://www.airbus.com/presscentre/corporate－information/key－documents/?eID=dam_frontend_push＆docID=25773.

［2］Boeing.Current market outlook［EB/OL］.［2013 －03 －18］.http://www.boeing.com/assets/pdf/commercial/cmo/pdf/Boeing_Current_Market_Outlook_2012.pdf.

Flexible Production Systems and Process for Lightweight Material Parts

Heinar Lang
(MAG－IAS公司，Gpingen，D－73033，Germany)

The lightweight is significance factor in automobile，shipbuilding and aircraft manufacturing.Based on market analysis of the production capacity on aircraft composite parts，it proposes new robot system based on carbon fiber composite production system.After consideration of titanium alloys characteristics，it introduces the suitable manufacturing equipment and process for machining titanium.Finally，it presents case studies of production process for lightweight parts in wind power and aviation industry.

Lightweight Structural Materials;Composites;Flexible Production System

TH166

A

2095－509X(2013)04－0001－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.001

2013－01－09

Heiner Lang，男，德國巴符州人，MAG－IAS公司首席技術(shù)官，博士，主要研究方向為機床設(shè)計與制造。