雙曲率復合材料帽型加筋壁板自動化制造技術研究

聶偉成 王德盼 胡靜 宋智輝 侯富立 潘云輝

摘 要 具有大開口窗框、帽型長桁雙扭曲爬坡結構特征的雙曲率復合材料帽型加筋壁板是中后機身段曲率變化最大的部位。通過試驗件制造開展了原材料智能倉儲物流系統(tǒng)、自動鋪絲和鋪絲軌跡規(guī)劃、自動鋪帶和熱隔膜自動化成型帽型筋條、筋條定位、柔夾數控加工工藝性研究，文章驗證了雙曲率復合材料帽型加筋壁板的自動化制造技術的可行性。研究表明，雙曲率復合材料帽型加筋壁板自動化制造技術能滿足材料工藝要求和驗收技術條件要求。

關鍵詞 雙曲率；復合材料；自動鋪絲；自動鋪帶；熱隔膜

Research on Automatic Manufacturing Technology of

Double Curvature Composite Cap Stiffened Panel

NIE Weicheng， WANG Depan， HU Jing， SONG Zihui， HOU Fuli， PAN Yunhui

（AVIC Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Company Ltd.，Nanchang 330096）

ABSTRACT The double curvature composite stiffened panel with large opening window frame and double twisting and climbing structure of cap girder is the part with the greatest curvature change in the middle and rear fuselage section. The paper carried out the research on the technology of raw material intelligent storage logistics system， automatic wire laying and wire laying trajectory planning， automatic tape laying and hot diaphragm automatic molding of cap rid， rid positioning and flexible clamp numerical control processing through the manufacture of test pieces. The research shows that the automatic manufacturing technology of double-curvature composite cap stiffened panel can meet the requirements of material technology and acceptance technology.

KEYWORDS double curvature; composite; AFP; ATL; Thermal diaphragm

通訊作者：聶偉成，碩士，助理工程師。研究方向為先進復合材料成型工藝技術。E-mail：2112706621@qq.com

1 引言

為滿足現代大型客機對經濟性和舒適性的高要求，先進復合材料技術的應用是其核心性能提升的關鍵，其用量亦是現代大型客機綜合性能和競爭力的標志^［1-3］。波音787和空客A380、A350以及研制中的國產大飛機皆采用輕質高效結構設計，都優(yōu)先選擇了具有性能可設計、高綜合費效比、高比強度、耐腐蝕性好的復合材料作為主材料，能有效減輕20%～30%的結構重量，全壽命期成本降低30%，在極大地降低了油耗和運營成本的同時，又能進一步增加客艙的濕度和空氣壓力，提高旅客飛行舒適性^［4-7］。

民機機身部段大多采用結構承載能力更好的復合材料帽型加筋壁板，這種大型、復雜構件僅靠手工制造難以制訂標準作業(yè)規(guī)范，對工人技能水平要求較高，無法保證生產效率，且成本較高、浪費較大。自動化制造技術，如智能倉儲物流系統(tǒng)、自動鋪絲、自動鋪帶、熱隔膜成型等已成為主流發(fā)展趨勢^［8-11］。國外提前布局實施了一系列有針對性的復合材料研究計劃，為后續(xù)大型客機的研制解決了諸多飛機結構應用中的關鍵問題，儲備了厚實的技術力量和大量的專業(yè)技術人才。目前國內在復合材料大型制件的自動化制造技術方面相較國外依然相對落后，缺少技術積累，如自動鋪帶和自動鋪絲技術剛進入應用驗證階段。

本文以具有大開口窗框、帽型長桁雙扭曲爬坡結構特征的雙曲率帽型加筋壁板為研究對象，基于自動化制造的工藝思路，采用原材料智能倉儲物流系統(tǒng)、自動鋪絲、自動鋪帶、熱隔膜成型自動化成型技術、數控加工等自動化制造技術，驗證了雙曲率帽型加筋壁自動化制造技術。

2 壁板結構及其主要自動化制造技術

復合材料雙曲率帽型加筋壁板主要由雙曲率壁板、帽型筋條等組成，具有全尺寸機身雙曲率壁板相同的大開口窗框、帽型長桁雙扭曲爬坡結構特征，壁板存在不同厚度分區(qū)，在保證結構剛度的前提下盡量減重，其結構如圖1所示。主材料使用碳纖維增強高溫環(huán)氧樹脂單向帶預浸料，外表面貼一層金屬網表面膜。采用自動下料、激光定位投影輔助手工制造帽型長桁均壓板，采用自動鋪帶、熱隔膜成型制造帽型筋條，壁板蒙皮采用自動鋪絲技術，壁板蒙皮與帽型筋條共膠接成型，采用工裝卡板定位和激光跟蹤儀復檢的方式保證筋條位置精度，采用柔夾數控加工技術完成雙曲率帽型加筋壁板制造，如圖2所示。

2.1 帽型長桁均壓板制造

均壓板的選型在帽型長桁成型中起著重要作用，即要有較好的賦形能力，以使罐壓能均勻傳遞給預浸料坯，又要剛柔適中，保證帽型R角處成型質量，兼顧其使用壽命，降低零件制造成本。為此設計了多種不同的均壓板制造方案，通過衡量使用不同均壓板成型的帽型長桁的表面質量、內部質量和厚度判斷出下述制造方案為最佳。在均壓板成型模上鋪貼整層EW100玻璃纖維預浸料，R角區(qū)的玻璃纖維需斷開，然后鋪貼Airpad橡膠，增加均壓板的賦形能力，再鋪貼整層玻璃纖維增加均壓板的剛度。鋪貼完成后使用熱壓罐法成型，脫模后加工修整備用。

為保證手工鋪貼的準確性和鋪層取向誤差，通過對自動下料機、激光投影儀綜合應用，將零件數模鋪層展開成二維圖形，經排版后輸入自動下料機完成預浸料裁剪，然后借助激光投影儀將零件輪廓邊緣和梯層區(qū)域投射在工裝上，不但降低了工人的勞動強度，且降低了技能水平和操作經驗的要求，同時提高了生產效率。帽型長桁均壓板如圖3所示。

2.2 帽型長桁制造

使用自動鋪帶機將預浸料鋪貼成平面毛坯，調用超聲裁切刀，按設定程序裁切出帽型筋條平面展開尺寸，邊緣預留工藝余量，如圖4所示。利用預成型工裝上零件刻線定位料坯，放置在熱隔膜機定制位置上，實現了自動鋪帶機到熱隔膜機之間的零件基準轉移，保證零件纖維角度偏轉滿足要求，如圖5所示。在熱隔膜成型過程中，料坯受熱變軟，利用真空壓力使各鋪層間產生相對滑移從而避免纖維發(fā)生褶皺、屈曲等缺陷，同時保證了鋪層角度偏差小于1°，在真空壓力下貼合預成型模，制成帽型筋條預成型體，再使用熱壓罐法完成帽型筋條固化。筋條取模后，對其表面質量、內部質量、厚度及貼膜度進行檢測，檢測合格后進行加工修整，側邊加工倒角以改善共膠接時真空袋在長桁側邊架橋問題，同時能保證帽型筋條側邊加壓充足，可緩解變形量。對帽型筋條膠接區(qū)域進行打磨，不可傷及纖維，清洗干凈后備用。

2.3 壁板蒙皮制造

采用自動鋪絲技術鋪疊雙曲率壁板蒙皮，其克服了纖維纏繞技術“周期性、穩(wěn)定性和不架橋”和自動鋪帶技術“自然路徑”的限制，可實現連續(xù)變角度鋪放和變寬度鋪放，適用于各種復雜型面復合材料關鍵的制造。

首先在雙曲率壁板型面上設計出合理的、滿足角度偏差要求的預浸料絲束路徑，使其完全覆蓋零件表面，絲束間不允許搭接，不能出現大于2.5mm以上的間隙，絲束轉彎半徑、褶皺滿足材料工藝要求。其次是鋪絲軌跡規(guī)劃路徑在自動制造過程中每根絲束都能按照設定的軌跡路徑進行可控鋪貼。

壁板蒙皮在正式鋪貼前，先進行設備調試，待試鋪的鋪放速度、壓力、溫度等相關參數滿足要求后，再進行正式壁板蒙皮的鋪貼。在鋪貼過程中，隨時觀察機器鋪貼狀態(tài)，遇到絲束漏鋪報警，需停機檢查，補鋪遺漏絲束后繼續(xù)下道軌跡鋪貼；若遇到其他異常需停機檢查，確認無誤后方可繼續(xù)鋪貼。雙曲率壁板蒙皮鋪絲如圖6所示。

2.4 帽型筋條與壁板蒙皮定位組裝

帽型筋條與壁板蒙皮之間的膠接定位難點在于確定帽型長桁確切位置的同時保證長桁軸線偏差小于1mm。本文采用卡板定位和激光跟蹤儀復檢的方法，如圖7所示。

通過筋條定位翻轉工裝實現所有筋條整體翻轉定位組合，筋條定位翻轉工裝包括減速器、筋條加持、定位結構、翻轉結構等幾部分組成。利用AGV將翻轉工裝轉運至壁板蒙皮附近，完成膠膜鋪貼、筋條定位、工裝翻轉后，將翻轉工裝與壁板蒙皮工裝相連。完成帽型筋條初定位后，將翻轉工裝移除，利用激光跟蹤儀對帽型長桁的位置進行復檢，根據檢測結果對帽型長桁進行微調，保證帽型長桁的位置精度。帽型長桁內使用管狀真空袋進行共膠接封裝，管狀真空袋比帽型長桁空腔大，盡可能使管狀真空袋在帽型長桁內與壁板蒙皮接觸的一面平整、無褶皺，以保證帽型長桁內側壁板蒙皮的表面質量。將封裝好的壁板送入熱壓罐中完成最終固化，共膠接過程如圖8所示。

2.5 智能倉儲物流系統(tǒng)

通過現場精益管理，利用AGV設施和立體存儲設備，實現對生產工序站位排產、材料配送，縮短了各工序間流轉時間和等待時間，提高了生產效率。預浸料儲存在自動化冷庫中，由電腦自動控溫。領料時按照先進先出的原則，輸入材料牌號電腦自動抓取預浸料，并對每箱材料的每一次出入庫情況進行記錄，自動核算材料的暴露時長、外置剩余時間等。下達零件制造指令后，自動化冷庫完成預浸料出庫。工裝打袋完成，采用AGV轉運工裝到熱壓罐中，放置在定制位置上，完成零件固化。

2.6 壁板自動化加工及質量檢測

采用柔夾數控加工，通過真空吸盤緊密吸附零件固定位置，在零件長度方向上制備定位孔配合零件定位，需在脫模前用轉模板在零件上制出定位孔，確保零件位置不發(fā)生偏移，以保證加工旅客觀察窗開口、壁板外形輪廓精度。完成壁板加工后，開展了表面質量檢測、超聲波無損檢測、回模貼膜度檢測、稱重，利用激光跟蹤儀進行長桁軸線檢測，各項檢測結果均滿足驗收技術條件要求。雙曲壁板柔夾加工如圖9所示。

3 結語

（1）采用自動鋪絲、自動鋪帶、熱隔膜成型、智能倉儲物流系統(tǒng)、柔夾數控加工等自動化制造技術，實現了雙曲率帽型加筋壁板自動化制造，帽型筋條軸線精度小于0.5mm，且超聲波無損合格，其他檢測結果均滿足驗收技術條件要求。

（2）研究了自動化制造中變換工裝時零件基準轉移方案、雙曲率帽型筋條R角區(qū)質量控制方案、筋條定位方案以及鋪絲軌跡規(guī)劃方案，進一步提高質量和自動化制造效率。

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