自動(dòng)鋪帶技術(shù)在大飛機(jī)中的應(yīng)用

宋興龍

【摘 要】復(fù)合材料作為現(xiàn)代航空飛行器主結(jié)構(gòu)用材時(shí)代已來(lái)臨，采用復(fù)材整體結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代大型飛機(jī)主結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)已是明顯的發(fā)展趨勢(shì)，而用于制造復(fù)材整體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪帶機(jī)（ATL）則成為現(xiàn)代大型飛機(jī)制造的關(guān)鍵設(shè)備。本文將對(duì)自動(dòng)鋪帶設(shè)備基本構(gòu)成、配套設(shè)備及工藝、應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨向進(jìn)行介紹和論述。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)鋪帶 復(fù)合材料 熱隔膜 ATL

【中圖分類(lèi)號(hào)】 E926.3【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0049-01

減重是提高飛行器經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，大型飛機(jī)每減輕1Kg重量，增加的經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)450美元（根據(jù)空客公司統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)重量每降低1%，飛機(jī)總重量可降低3%～5%，油耗可減少3%～4%）。研究表明手工鋪疊復(fù)合材料效率為3磅/h，而自動(dòng)鋪帶技術(shù)能達(dá)到15～30磅/h，手工鋪疊復(fù)合材料廢料量為15%～20%，而自動(dòng)鋪帶技術(shù)只有5%左右，還有研究表明利用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制備的復(fù)材構(gòu)件具有尺寸精度較高，內(nèi)應(yīng)力低等特點(diǎn)，是提高復(fù)合材料性能的一個(gè)重要途徑。

1 自動(dòng)鋪帶技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外大型軍用、民用飛機(jī)中復(fù)合材料構(gòu)件的比重迅速增加，空客A380用60.5噸占結(jié)構(gòu)重量25%，波音787用25噸占結(jié)構(gòu)重量50%，空客A350復(fù)合材料構(gòu)件將占結(jié)構(gòu)重量的52%。事實(shí)上，目前一些具有創(chuàng)新性的全復(fù)材或準(zhǔn)全復(fù)材的無(wú)人機(jī)、直升機(jī)和商務(wù)飛機(jī)已經(jīng)研制成功。航空材料專(zhuān)家曹春曉院士指出：飛機(jī)用材料正由鋁合金時(shí)代向復(fù)合材料時(shí)代邁進(jìn)，先進(jìn)飛機(jī)的復(fù)合材料起點(diǎn)將是50%。經(jīng)論證，我國(guó)大型客機(jī)C919基本型的復(fù)合材料設(shè)計(jì)用量2014年為15%，2016年達(dá)到23%，接近A380復(fù)合材料用量25%的水平。

目前我國(guó)復(fù)合材料生產(chǎn)線尚處于半自動(dòng)人工鋪放階段，即：應(yīng)用復(fù)材構(gòu)件設(shè)計(jì)制造軟件，生成復(fù)材構(gòu)件各鋪層2D輪廓數(shù)據(jù)，不需要制造樣板而是直接通過(guò)數(shù)字自動(dòng)剪裁機(jī)剪裁鋪層片料，而后再借助激光定位系統(tǒng)進(jìn)行人工鋪層。

2 自動(dòng)鋪帶機(jī)（ATL）結(jié)構(gòu)

自動(dòng)復(fù)材料帶層鋪機(jī)床（ATL：Automated Tape Layer）簡(jiǎn)稱(chēng)自動(dòng)鋪帶機(jī)，主要用于平面型或低曲率的曲面型或者說(shuō)準(zhǔn)平面型復(fù)材構(gòu)件的層鋪制造。

2.1 自動(dòng)鋪帶機(jī)機(jī)床

ATL機(jī)床多采用開(kāi)放式高架龍門(mén)移動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其整體結(jié)構(gòu)非常類(lèi)似於金屬切削加工應(yīng)用的開(kāi)放式高架龍門(mén)移動(dòng)結(jié)構(gòu)五坐標(biāo)數(shù)控銑床。

2.2 自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪帶頭

ATL機(jī)床配置使用的鋪帶頭是集復(fù)材帶料輸送、加熱、滾壓貼緊、剪切、等鋪放功能于一體的復(fù)材帶料鋪層控制裝置。鋪帶頭一般均設(shè)計(jì)有供料卷盤(pán)、帶料導(dǎo)向傳送裝置、剪切裝置、滾動(dòng)壓緊裝置、可控加熱裝置和激光定位裝置（選配）等基本部件。西班牙Mtorres公司制造的開(kāi)放型龍門(mén)移動(dòng)式鋪帶機(jī)，設(shè)計(jì)有11個(gè)數(shù)控軸，使用75/150/300mm 標(biāo)準(zhǔn)寬度復(fù)材帶料。機(jī)床C軸±185°，A軸±22.5°（爬坡角度），線性進(jìn)給速度15～45m/min，定位精度±0.08mm。

（1）供料及回收裝置

通過(guò)控制供料滾軸和背帶回收滾軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)從而可控制復(fù)材帶料層鋪送料，并控制帶料的張緊力。

（2）剪切裝置

鋪放過(guò)程中帶料可被切斷或剪切層所需角度，兩把剪裁刀具通過(guò)B軸和V軸進(jìn)行控制，可以切割出復(fù)雜形狀。各種切割類(lèi)型見(jiàn)圖1。

鋪帶頭上的滾壓輥用于壓實(shí)鋪放的帶料。通常，滾壓力是可編程的。

（5）激光投影裝置

Mtorres在鋪帶頭上帶有激光定位裝置，可以用于小塊帶料手工鋪貼定位或制件表面玻璃布預(yù)浸料鋪貼定位。

3 熱隔膜輔助成形

熱隔膜成型（Hot Drape forming）是采用加熱和抽真空加壓的方法使用工裝（模具）將板料彎曲成需要的形狀，是目前自動(dòng)鋪帶工藝最主要的輔助成型工藝。目前熱隔膜成型的主流方法為正向法，即熱隔膜從上而下將材料壓向模具。隔膜多采用硅橡膠隔膜，硅橡膠隔膜具有耐高溫、延展性好、可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。

自動(dòng)鋪帶機(jī)適用于平板和較小曲度的零件，復(fù)合材料壁板上的長(zhǎng)桁（通常為T(mén)型、工型和帽型）、角片、框、梁、肋等C形或L形復(fù)材零件由于形狀限制不能直接使用ATL成型，可行的方法是先將預(yù)浸料通過(guò)自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪成層壓件，再通過(guò)熱隔膜機(jī)成型，然后熱壓罐固化。

3.1 熱隔膜機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

熱隔膜機(jī)主要由主體框架、可移動(dòng)結(jié)構(gòu)、抽真空工作平臺(tái)、加熱裝置、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)6部分組成。熱隔膜機(jī)結(jié)構(gòu)及成形方式見(jiàn)圖2。

①可移動(dòng)結(jié)構(gòu)②加熱結(jié)構(gòu)③加熱燈④橡膠軟模⑤密封裝置⑥真空平臺(tái)⑦零件⑧工裝圖2 熱隔膜機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)

3.2 熱隔膜機(jī)工作參數(shù)和工藝步驟

具體工藝參數(shù)應(yīng)隨不同材料而設(shè)定，以預(yù)成型溫度為60±10℃的碳纖維預(yù)浸料為例，操作步驟如下：

（1）以1.5℃的升溫速率進(jìn)行升溫，并在52℃下保溫10分鐘。

（2）將熱隔膜機(jī)可移動(dòng)結(jié)構(gòu)下降合模，當(dāng)零件溫度達(dá)到50～70℃時(shí)保溫10到37分鐘。然后以1.5 mmHg/min的速率抽真空到-76mm/Hg，然后以200 mm-Hg/min的速率抽真空到-600mm/Hg。

（3）全部熱電偶達(dá)到溫度并保持13～40分鐘后，開(kāi)始降溫，降溫速度3. 0°C/分，并保持真空，直到溫度達(dá)到或低于29℃。

（4）卸掉真空，取出零件。

結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)鋪帶成型是復(fù)合材料自動(dòng)化成型的典型代表，其具有高效、高質(zhì)量、高可靠性、低成本的特點(diǎn)，特別適合于大尺寸和復(fù)雜構(gòu)件的制造，減少拼裝零件的數(shù)量，節(jié)約了制造和裝配成本，并極大地降低了材料的廢品率和制造工時(shí)。復(fù)合材料成型自動(dòng)化是未來(lái)復(fù)合材料制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，我國(guó)復(fù)合材料自動(dòng)化剛剛起步，ATL技術(shù)和熱隔膜成形技術(shù)還處于研發(fā)階段，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，仍存有較大差距。以我國(guó)正在啟動(dòng)實(shí)施大飛機(jī)重大項(xiàng)目為契機(jī)，借鑒國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成型設(shè)備，開(kāi)發(fā)出完整生產(chǎn)成形工藝，是科研工作者的緊要任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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