復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶控制分析

何濤

摘 要 復(fù)合材料已成為新一代飛機(jī)機(jī)身的主要結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料的低成本制造技術(shù)是目前國(guó)際上代表性的自動(dòng)鋪帶技術(shù)作為復(fù)合材料成形自動(dòng)化的典型代表，已成為飛機(jī)復(fù)合材料翼面材料技術(shù)的核心問題。大型飛機(jī)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)之一就是飛機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立，自動(dòng)帶式敷設(shè)技術(shù)必將成為改善飛機(jī)復(fù)合材料在中國(guó)使用的關(guān)鍵技術(shù)。本文對(duì)自動(dòng)鋪帶設(shè)備的基本組成和自動(dòng)鋪放技術(shù)的發(fā)展歷程，工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了全面的介紹和討論。最后，預(yù)測(cè)了中國(guó)自動(dòng)條帶技術(shù)發(fā)展的前景。

關(guān)鍵詞 復(fù)合材料 自動(dòng)鋪帶 鋪帶頭

1復(fù)合材料低成本制造技術(shù)

低成本的復(fù)合材料制造技術(shù)是目前國(guó)際復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域的核心問題之一，其中材料技術(shù)成本低，設(shè)計(jì)技術(shù)成本低，制造成本低；它涉及各種復(fù)合材料成型技術(shù)，如纏繞和疊層成型。 （膠帶，鋪布），拉擠成型，編織，縫合和樹脂傳遞模塑（RTM）。自1985年以來，降低成本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/材料/制造集成技術(shù)和成形工藝技術(shù)一直是復(fù)合材料低成本制造技術(shù)研究的重點(diǎn)，自動(dòng)化成形技術(shù)是連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料和制造的關(guān)鍵一起。橋梁不僅大大提高了復(fù)合材料部件的生產(chǎn)效率，而且降低了生產(chǎn)成本。此外，通過對(duì)成型工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)的精確控制，大大提高了復(fù)合零件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了CAD。 CAM / CAE技術(shù)在復(fù)合材料制造領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了復(fù)合材料部件制造系統(tǒng)整體優(yōu)化的基礎(chǔ)。自動(dòng)鋪帶技術(shù)是復(fù)合材料成形自動(dòng)化的典型例子。它集成了機(jī)械和電氣設(shè)備技術(shù)以及CAD / CAM軟件。該技術(shù)與材料工藝技術(shù)相結(jié)合，具有高效，高品質(zhì)，高可靠性，低成本的特點(diǎn)。它主要用于平面型或低曲率彎曲組件，或用于準(zhǔn)平面復(fù)合組件。特別適合制造大尺寸和復(fù)雜的部件，減少了組裝零件的數(shù)量，節(jié)省了制造和裝配成本，大大降低了材料的廢品率和制造工時(shí)。

2自動(dòng)鋪帶技術(shù)

復(fù)合材料自動(dòng)鋪放系統(tǒng)由預(yù)浸帶供料盤 、 自動(dòng)鋪放機(jī)（包含鋪帶頭 ） 、 構(gòu)件模具 、 數(shù)控系統(tǒng) 、 復(fù)材構(gòu)件 CAD /CAM軟 件等組成 ， 所謂自動(dòng)鋪帶 ， 就是采用自動(dòng)鋪帶機(jī) （ATL ：Auto-mated Tape Layer ） ， 通過數(shù)字化 、 自動(dòng)化的手段實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料 預(yù)浸帶的連續(xù)自動(dòng)切割和自動(dòng)鋪放。自動(dòng)鋪帶主要工作過程為 ：將復(fù)合材料預(yù)浸帶安裝在鋪 放頭中 ， 多軸機(jī)械臂對(duì)鋪帶位置進(jìn)行自動(dòng)控制 ， 預(yù)浸帶由一 組滾輪導(dǎo)出 ， 預(yù)壓輥的作用下鋪疊到工裝或上 一層已鋪好的材料上 ，切割刀將預(yù)浸帶按設(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(shí) ， 回料滾輪將背襯材料回收業(yè)實(shí)踐表明 ， 應(yīng)用自動(dòng)鋪放裝備生產(chǎn)復(fù)材構(gòu)件 ， 和傳 統(tǒng)人工 /半自動(dòng)人工層鋪復(fù)材構(gòu)件工藝相比 ， 在層鋪勞動(dòng)量 、 鋪放生產(chǎn)率 、 材料利用率 、 制造精度 、 生產(chǎn)成本等方面均具有 很大的優(yōu)勢(shì) ， 其中鋪放生產(chǎn)率可達(dá)到 10-40kg /h， 是人工層 鋪的數(shù)十倍 ， 適合于復(fù)雜復(fù)材結(jié)構(gòu)的制造。

3自動(dòng)鋪帶關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)鋪帶技術(shù)是設(shè)備技術(shù)，CAD / CAM軟件技術(shù)和材料技術(shù)的集成技術(shù)集成。其中，設(shè)備技術(shù)是技術(shù)研究的前提，CAD / CAM軟件技術(shù)是基礎(chǔ)，材料技術(shù)是應(yīng)用的關(guān)鍵。復(fù)合帶敷設(shè)技術(shù)可以總結(jié)如下：

3.1復(fù)合預(yù)浸帶技術(shù)

預(yù)浸帶是用于制造復(fù)合材料的中間材料，并且是復(fù)合材料性能的基礎(chǔ)。復(fù)合材料部件的工藝性能和機(jī)械性能取決于預(yù)浸帶的性能。因此，預(yù)浸料坯材料對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義

3.2自動(dòng)貼帶設(shè)備技術(shù)

自動(dòng)貼帶機(jī)是復(fù)合材料自動(dòng)貼帶的關(guān)鍵。隨著復(fù)合材料用量的增加，對(duì)鋪帶機(jī)的需求也在增加，鋪帶機(jī)的技術(shù)進(jìn)步越來越快。設(shè)備，程序，計(jì)算機(jī)控制軟件，可靠性和操作便利性都得到了很大的提高。放置和布局技術(shù)已發(fā)展到第五代?，F(xiàn)代貼片機(jī)功能強(qiáng)大，可以放置非常復(fù)雜的雙曲面。

3.3自動(dòng)剝離數(shù)控技術(shù)（CNC）

自動(dòng)鋪帶過程中預(yù)浸帶的切割，定位，鋪放和滾壓均由CNC技術(shù)自動(dòng)完成，涉及成型溫度，壓力控制技術(shù)和預(yù)浸帶精度。運(yùn)輸控制技術(shù)，自動(dòng)膠帶切割技術(shù)，貼片質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，工藝參數(shù)檢測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

4自動(dòng)鋪帶技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀與前景

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，隨著大型運(yùn)輸機(jī)，轟炸機(jī)和商用飛機(jī)用復(fù)合材料用量的增加，傳統(tǒng)專業(yè)設(shè)備制造商已開始生產(chǎn)滿足國(guó)防和經(jīng)濟(jì)利益需求的自動(dòng)帶式敷設(shè)設(shè)備，膠帶敷設(shè)技術(shù)正在逐步完善。隨著越來越多的應(yīng)用，帶有雙超聲波切割系統(tǒng)和在線檢測(cè)系統(tǒng)的10軸皮帶機(jī)已成為自動(dòng)鋪帶系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。膠帶的最大寬度為300mm，生產(chǎn)效率達(dá)到1000kg /周。帶式成型質(zhì)量顯著提高。

隨著現(xiàn)代飛機(jī)中復(fù)合材料部件的使用日益增加，航空制造業(yè)對(duì)自動(dòng)化貼裝設(shè)備的需求不斷增加，并且需求量不斷增加。緊迫的市場(chǎng)需求推動(dòng)了自動(dòng)貼片設(shè)備，高速生產(chǎn)機(jī)床，多機(jī)生產(chǎn)環(huán)境，多貼片機(jī)床，熱塑纖維貼片機(jī)和ATL / AFP混合機(jī)器的進(jìn)一步發(fā)展。目前，自動(dòng)貼片設(shè)備技術(shù)發(fā)展的最重要目標(biāo)是提高貼裝生產(chǎn)率和降低設(shè)備成本，主要表現(xiàn)在兩個(gè)不同的發(fā)展方向，以滿足兩種不同的復(fù)合材料分布應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

5結(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料單片組件在現(xiàn)代大型飛機(jī)中已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。成為現(xiàn)代大型飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料已成為一種明顯的趨勢(shì)。作為鋪設(shè)復(fù)合材料整體部件的自動(dòng)鋪帶機(jī)，它的發(fā)展非常迅速。廣泛使用，已成為現(xiàn)代大型飛機(jī)制造的關(guān)鍵設(shè)備，并不斷發(fā)展和進(jìn)步。目前，中國(guó)正在著手實(shí)施大型飛機(jī)重大項(xiàng)目，迫切需要設(shè)備的自動(dòng)布局。但自動(dòng)貼片設(shè)備在國(guó)內(nèi)的開發(fā)，生產(chǎn)和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用還處于初級(jí)階段，并且具有較大的國(guó)際先進(jìn)水平。間隙。本文全面介紹和討論了自動(dòng)鋪帶設(shè)備的基本組成，鋪設(shè)技術(shù)原理，工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，希望能夠幫助中國(guó)自動(dòng)鋪帶設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用技術(shù)。

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