自動鋪帶技術(shù)在航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域的應(yīng)用

周英 趙青華 賈敏 梅龍

摘要：先進復(fù)合材料已經(jīng)成為航空航天器主要結(jié)構(gòu)材料，各類飛機的復(fù)合材料用量近年來迅速增加。飛機復(fù)合材料主承力構(gòu)件主要采用預(yù)浸料成形技術(shù)制造，而自動鋪放成形是替代人工鋪疊、提高質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵，在制造大型復(fù)合材料構(gòu)件時優(yōu)勢極為突出。以大型飛機為例，從A380到B787，A350，其復(fù)合材料用量大幅度增加，正是由于自動鋪放技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用。為此，在接下來的文章中，將圍繞自動鋪帶技術(shù)在航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域的應(yīng)用方面展開詳細分析，希望能夠給相關(guān)人士提供重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：自動鋪帶技術(shù);航空;復(fù)合材料

引言：具有高效率、高質(zhì)量和低成本優(yōu)點的自動鋪帶鋪放技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)達國家航空復(fù)合材料構(gòu)件的成熟制造技術(shù)，這一制造技術(shù)在國內(nèi)的引進和發(fā)展，也必將在國產(chǎn)大飛機的研制和生產(chǎn)中占有重要的地位，為國產(chǎn)大飛機的順利升空提供強有力的技術(shù)支撐。

1. 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，可實現(xiàn)：第一，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;第二，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)域選擇性鋪放補強，實現(xiàn)了整個結(jié)構(gòu)的零剩余強度;第三，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，由于可以實現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)的零剩余強度設(shè)計，結(jié)構(gòu)重量大大減輕。

2.自動鋪帶技術(shù)在航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域的應(yīng)用

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-03A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。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。第一，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。第二，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。第三，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℃。經(jīng)過實驗可知，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°[1]。第四，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：其一，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;其二，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;其三，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。

2.3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，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。

結(jié)論：

簡而言之，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[2]。

參考文獻：

[1]左龍彥，肖軍，李勇，等.MFC環(huán)境下基于OpenGL的開孔圓筒的自動鋪帶建模與仿真[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2018，29（3）：24-26.

[2]張建寶，文立偉，肖軍，等.自動鋪帶機送帶控制技術(shù)[J].南京航空航天大學學報，2018，41（6）：772-776