自動鋪帶技術(shù)在復(fù)合材料機翼蒙皮的應(yīng)用

（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都610092）

自動鋪帶機是小曲率、翼面結(jié)構(gòu)的典型制造裝備。自動鋪帶技術(shù)是復(fù)合材料行業(yè)從手工鋪疊加工向自動化加工發(fā)展的一個里程碑，它在歐美國家取得了工程化應(yīng)用，在國內(nèi)也逐漸應(yīng)用于復(fù)合材料鋪疊[1-4]，以此推動復(fù)合材料行業(yè)向自動化、數(shù)字化、信息化數(shù)控加工技術(shù)方向發(fā)展，解決了手工鋪疊大尺寸、小曲率帶來的零件鋪疊質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低等問題。

自動鋪帶技術(shù)的裁剪、加熱、定位、鋪疊、輥壓均采用數(shù)控技術(shù)自動完成，它涉及自動鋪帶復(fù)合材料鋪層設(shè)計、鋪帶工裝設(shè)計、預(yù)浸料裁剪技術(shù)、鋪放CAD/CAM技術(shù)、自動鋪放工藝技術(shù)、鋪放監(jiān)控、成本分析等多個研究方向[5-7]。本文主要以自動鋪放工藝技術(shù)應(yīng)用為研究方向，采用西班牙M.Torres公司制造的龍門式十一軸自動鋪帶機，將預(yù)浸料在鋪帶頭中完成特定形狀的切割，加熱后在壓輥的作用下鋪貼到模具表面，完成預(yù)浸料的裁剪、加熱、定位、鋪疊、輥壓等工藝流程。

在機翼蒙皮的制造當中，預(yù)浸料的黏性、加熱溫度、背襯紙厚度及強度、鋪放速度、壓輥壓力、鋪帶工藝參數(shù)的設(shè)置,以及鋪帶方式的處理技巧，這對能否成功應(yīng)用自動鋪帶技術(shù)制造出高質(zhì)量的零件有直接影響。

本文通過對某型機復(fù)合材料機翼蒙皮的結(jié)構(gòu)和材料進行分析和試驗，制定了某型機機翼蒙皮的鋪帶制造工藝方案,采用自動鋪放、激光投影與自動下料技術(shù)，制造出某型機機翼蒙皮。經(jīng)多件產(chǎn)品鋪帶制造驗證，機翼蒙皮無損檢測內(nèi)部質(zhì)量合格，鋪帶間隙和表面質(zhì)量滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了自動鋪帶技術(shù)在某型機機翼蒙皮自動鋪帶應(yīng)用，為鋪帶機技術(shù)在復(fù)合材料鋪帶的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 某型機機翼蒙皮結(jié)構(gòu)特點及制造方案

該蒙皮選用T700/LT-03 A高強碳纖維/中溫固化環(huán)氧樹脂干法預(yù)浸料，材料幅寬為150mm。該產(chǎn)品尺寸較大，縱向最長9.6m，最寬位置0.95m，應(yīng)用自動鋪帶技術(shù)完成該蒙皮零件的鋪帶，需要根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點，做相應(yīng)的鋪帶程序設(shè)計，完成零件的鋪帶，如圖1所示。

根據(jù)機翼蒙皮的特點，采取的工藝流程為：自動鋪帶+手工鋪疊，結(jié)合自動下料和激光投影技術(shù)，完成此次零件鋪帶，流程圖如圖2所示。

圖2 機翼蒙皮自動鋪帶流程圖Fig.2 Flow chart of automatic tape laying of wing skin

2 自動鋪帶技術(shù)的應(yīng)用和關(guān)鍵控制點分析

在應(yīng)用自動鋪帶技術(shù)鋪帶機翼蒙皮零件過程中，須控制好影響到鋪帶質(zhì)量的以下幾點關(guān)鍵因素。

2.1 預(yù)浸料的選擇

自動鋪帶技術(shù)所鋪放的復(fù)合材料稱為預(yù)浸料，它作為復(fù)合材料制造過程中的中間產(chǎn)品，直接影響到復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量。預(yù)浸料主要由樹脂與碳纖維構(gòu)成，纏繞成卷，因初始有一定的黏性，為防止保存時相鄰的預(yù)浸料帶相互粘結(jié)，預(yù)浸料背后有一層背襯紙，背襯紙起著傳遞預(yù)浸料帶的作用。預(yù)浸料帶的技術(shù)指標主要包括黏性、鋪覆性、樹脂含量、單位面積纖維質(zhì)量、存儲期等，其中黏性與鋪覆性對鋪帶機鋪放成功與否至關(guān)重要。

預(yù)浸料帶黏性是指預(yù)浸料帶與模具或其他預(yù)浸料帶之間形成粘結(jié)的能力，預(yù)浸料帶黏性必須適中。黏性過小，相鄰料帶之間無法順利貼合，料帶將無法精確鋪放；黏性過大，鋪帶出現(xiàn)失誤后，修改困難。

預(yù)浸料帶的鋪覆性是指預(yù)浸料帶與不同曲率的模具表面之間的適應(yīng)性，其中纖維和背襯紙是影響鋪覆性的主要因素，若預(yù)浸料帶鋪覆性較差，料帶則易斷裂，或形成架橋、褶皺，導(dǎo)致自動鋪帶受阻，不易形成生產(chǎn)力。

此次蒙皮鋪帶的預(yù)浸料為T700/LT-03 A高強碳纖維/中溫固化環(huán)氧樹脂干法預(yù)浸料，鋪帶溫度的設(shè)置會影響預(yù)浸料的黏性和鋪覆性。

一方面，在鋪帶加熱溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，樹脂粘度下降而流動性上升。隨著樹脂流動性上升，樹脂對預(yù)浸料界面的浸潤能力提高，這樣可以提高預(yù)浸料之間或者預(yù)浸料與模具之間的貼合能力，有利于鋪放過程順利進行。但另一方面，隨著溫度的上升，預(yù)浸料變“軟”，這樣在鋪放過程中增大預(yù)浸料在復(fù)雜模具表面形成架橋的機會，溫度越高，預(yù)浸料越容易老化[8-9]。

因此，在機翼蒙皮自動鋪帶中，加熱溫度的選取傾向于防止褶皺、架橋的產(chǎn)生和預(yù)浸料老化，一般設(shè)置在40℃ ～60℃。

2.2 精確鋪放控制

將鋪層的每一片料帶精確鋪貼到位，針對自動鋪帶做控制設(shè)計，這是自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。精確鋪放控制需要做好以下幾點工作，方能保證蒙皮按設(shè)計數(shù)模精確鋪帶出來，并達到工藝要求[10-11]。

2.2.1 鋪帶模具涂刷微量樹脂

首先用丙酮浸潤料帶，將稀釋出的微量樹脂混合丙酮均勻涂刷于模具上，保證模具有一定黏性，目的是將第一層按程序精確鋪帶至模具上。第一層料帶是否精確鋪帶，直接影響后續(xù)鋪層的精確鋪帶、準確定位和間隙控制。

2.2.2 超聲切割刀調(diào)整

調(diào)整好超聲切割刀B1、B2的切割深度，防止過切導(dǎo)致料帶斷裂。調(diào)整的方法應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場切割情況再做適應(yīng)性調(diào)整，切割刀見圖3。

圖3 B1、B2超聲切割刀Fig.3 B1、B2 Ultrasonic cutting tool

2.2.3 最小切割角度設(shè)置

機翼蒙皮在切割形狀時，最小切割角度的設(shè)計是否精準，將直接影響程序生成后置加工代碼，零件鋪層能否鋪放成功。

通過選取材料 T700/LT03A，分別進行 1°、2°、3°、4°、5°切割角料帶切割試驗，其中鋪放溫度50℃，重復(fù)5次記錄切割及鋪放成功次數(shù)如表1所示。

由表1分析得出，復(fù)雜形狀切割鋪放時，最小切割角度越小，切割及鋪放成功率越低， T700/LT03A最小切割角度至少應(yīng)大于等于3°。

表1 切割角度以及切割與鋪帶成功次數(shù)

為保證鋪帶效率和成功率，該蒙皮選用T700/LT-03 A高強碳纖維/中溫固化環(huán)氧樹脂干法預(yù)浸料，在程序設(shè)置的切割角度為4°。

2.2.4 Z軸零點的調(diào)整，U軸、K 軸張力的調(diào)整

在Fanuc 30i宏變量（MACRO）面板中調(diào)整宏變量#518（U軸施加的張力）、#519（K軸施加的張力）的數(shù)值，以及Z軸絕對坐標值,以防止料帶背襯紙斷裂和鋪疊面與工裝擬合不夠。宏變量功能如表2所示，設(shè)置如圖4。

表2 宏變量功能

圖4 宏變量設(shè)置Fig.4 Settings of macro-variable

2.2.5 鋪帶程序設(shè)計

鋪帶機由150mm幅寬的預(yù)浸料帶逐塊鋪滿一個鋪層，每一塊的初始鋪放和準確定位直接關(guān)系到了該條料片能否成功鋪帶，否則褶皺、搭接、間隙超差、定位不準，將導(dǎo)致料片裁剪變短或作廢，并需重新再次鋪疊。因此在程序設(shè)計時，采取如下措施：

（1）對于鋪帶足夠長（目前經(jīng)驗參數(shù)約為200mm以上）或者料片有一端在零件余量線上的，加長SHOE 的工作長度，以加大料片與工裝或上一鋪層的接觸面積；

（2）鋪帶尾端為直角，且長度較短（約400mm以下）的可以不使用ROLLER的，不進行ROLLER切換，改為SHOE鋪放后根據(jù)實際情況，單獨進行二次壓實；

（3）對于長度短于200mm的復(fù)雜圖形或特殊圖形，鋪疊難度較大，改用手鋪或加長鋪層長度。

2.2.6 鋪帶速度的設(shè)置

鋪帶速度與層間剪切強度成反比,在壓輥壓力作用下，樹脂與纖維之間充分浸潤是需要一定時間的，速度越小，樹脂與纖維之間的浸潤越充分，層間剪切強度越高；反之，鋪放速度越快，層間剪切強度越低，鋪帶成功率也隨之降低，但生產(chǎn)效率高。因此，為了保證生產(chǎn)效率和鋪帶的質(zhì)量，一般設(shè)置20～40m/min（鋪帶機最大鋪帶機速度為50m/min）。

2.2.7 鋪帶間隙的控制設(shè)置

在平板工裝和雙曲工裝上，鋪疊長1m的料帶3條，自動鋪帶程序分別設(shè)置間隙1mm、2mm和3mm,測量間隙值見表3和圖5。

表3 間隙值

圖5 鋪帶間隙Fig.5 Tape laying gap

鋪帶機間隙設(shè)定為1.0mm，間隙可控制在2mm以內(nèi)，且沒有搭接現(xiàn)象，滿足工藝鋪帶要求。

2.2.8 自動鋪帶輥壓壓力設(shè)置

選取平板工裝,鋪疊厚度為2mm的單向板,選取橡膠輥壓實壓力分別為1、2、3…7Bar。按JC/T773測試層間剪切強度；按GB/T 3356測試彎曲強度和彎曲模量；同輥壓下試驗件的性能數(shù)據(jù)見表4。

表4 輥壓壓力與力學性能

自動鋪帶輥壓測試結(jié)論：

（1）自動鋪帶時，鋪放的層壓板拉伸強度、剪切強度和彎曲強度隨橡膠輥壓的變化不大；

（2）自動鋪帶時，彎曲模量在輥壓超過3Bar時，趨于穩(wěn)定。在低于3Bar下，由于內(nèi)部壓實不理想，在受到外力時，應(yīng)變產(chǎn)生在內(nèi)部，外部應(yīng)變較小，因此表現(xiàn)出模量成負的線性關(guān)系；

（3）自動鋪帶時，彎曲強度隨輥壓增大而上升，但上升幅度有限；

（4）使用T700/LT03A自動鋪帶時，該零件選用橡膠輥壓力為7Bar，一般建議設(shè)置為4～7Bar。

2.3 將程序默認的交叉異向鋪帶設(shè)計改為同向鋪帶

將默認的交叉異向鋪帶改進為同向鋪帶，提高了設(shè)備運行的可控性和安全性。交叉異向鋪帶每鋪帶完成一個料帶，均會沿C軸旋轉(zhuǎn)180°，持續(xù)操作設(shè)備時間較長的操作者，忽略此設(shè)備動作易造成工傷事故。而同向鋪帶正好避免了這個問題，鋪帶均朝同一方向，提高了可控性和安全性。

2.4 自動鋪放與激光投影、自動下料技術(shù)配合使用

自動下料與激光投影技術(shù)配合使用[12-14]，針對小鋪層手工鋪疊，解決了料片小、鋪帶定位難的問題，保證了零件制造的精確性。

采用上述的鋪帶設(shè)計和工藝方案，應(yīng)用于某型無人機復(fù)合材料機翼蒙皮的制造，經(jīng)過多架份的制造驗證，機翼蒙皮的內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)超聲檢測合格，表面質(zhì)量與隨爐件力學性能合格，滿足設(shè)計技術(shù)要求。

3 結(jié)論

通過自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用于某型機機翼蒙皮鋪帶，得到以下結(jié)論：

（1） 通過對某型機機翼蒙皮的材料和結(jié)構(gòu)進行分析，可以采用自動鋪帶技術(shù)，實現(xiàn)自動化制造，并符合工藝制造要求，無損檢測合格，隨爐件性能合格；

（2） 采用自動下料+激光投影技術(shù)，混合自動鋪帶技術(shù)，應(yīng)用于復(fù)合材料小曲率大尺寸零件的制造，可以提高零件的精確制造；

（3） 自動鋪帶技術(shù)自有其局限性，我們需要控制好預(yù)浸料的各項技術(shù)指標，提高預(yù)浸料帶的可鋪覆性，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)需要不斷總結(jié)調(diào)整鋪帶參數(shù)，才能夠應(yīng)用自動鋪帶技術(shù)制造復(fù)合材料零件。

雖然自動鋪帶技術(shù)已成功應(yīng)用于某型無人機復(fù)合材料機翼蒙皮的制造，但鋪帶工裝、零件鋪層的設(shè)計會影響自動鋪帶技術(shù)的應(yīng)用，所以要想自動鋪帶技術(shù)推廣應(yīng)用于各型機的鋪帶，需要與飛機設(shè)計單位協(xié)調(diào)溝通好鋪層的設(shè)計，與工裝設(shè)計單位協(xié)商好自動鋪帶機運行對工裝型面的要求。

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