大尺寸復合材料長桁數字化制造技術

李林

（沈陽飛機工業（集團）有限公司 遼寧沈陽 110850）

摘要：大型整體化的復合材料件會起到較好的減重效果，明顯提升飛機的整體效能，簡化裝配工藝。但大尺寸長桁類的復合材料制件預成型體縱向穩定性差，傳統手工鋪貼鋪層結構尺寸和直線度質量穩定性差，導致固化后零件形位尺寸有偏差。先進數字化制造技術對復合材料長桁類零件的鋪貼及相應工裝制造方面的應用，很好的解決了大尺寸長桁類復合材料零件制造的難題。

關鍵詞：自動鋪帶，自動裁剪，加熱預成型

傳統的長桁加工方法是通過下料樣板裁剪預浸料，在工裝上人工劃線定位、鋪貼，難以保證較長尺寸的鋪層纖維的位置和角度精度，影響長桁零件縱向力學性能，導致大尺寸長桁類零件的設計難以實現。。先進數字化制造技術代替模擬量工作法，很好的解決了制造精度受限于傳統工具的使用精度和人工操作的準確度的問題。

大型復合材料長桁類零件的成型，針對其結構特點及存在的主要問題，其成型的關鍵技術主要有3個方面：數字化技術、預成型技術、工裝技術。

以飛機結構較常應用的T型復合材料長桁為研究對象，解析復合材料大尺寸長桁類零件的數字化制造技術。

1 T型長桁制造分析

根據長桁的FiberSIM軟件仿真設計轉化數據，用平板型自動鋪帶機（ATL）在平面工作臺上直接鋪放纖維預浸料，可以選用300mm寬料卷。按各長桁的厚度優化排版布局、鋪放整體層板并由數控下料機相應剪裁[1]，將剪裁后的層板彎折成L型，再將對應的兩個L型片放在長桁模具上由夾具組合成T型長桁。由于裁剪后的平面層板是大厚度大尺寸，手工折彎操作容易造成R角纖維褶皺屈曲，產品質量得不到保障，可運用熱隔膜預成型工藝加工層板片[2]。

2 長桁層板制備

加載ATL鋪放程序，按長桁設計要求鋪疊不同區域厚度的整體層板，按布局方案生成的下料程序用自動剪裁機制出各長桁相應的展開平面層板[1]。

在大尺寸狀態下，層板的自動化鋪貼，相較手工操作纖維形位尺寸精度更高，纖維層間更緊密，利于結構承受載荷的傳遞。

工程數模仿真設計生成的長桁展開數據，可根據材料幅寬、層板鋪放尺寸優化排版，數控剪裁切割，可提高材料利用率，省去了下料、定位樣板，減少工人操作時間。

復合材料的數字化制造技術軟件平臺及數字化制造設備的應用，構建了復合材料數字化的生產線。復合材料的數字化制造有效解決了“質量穩定性差”、“精度差”這兩大困擾復合材料應用發展的問題[3]。

3 長桁層板熱預成型

3.1 加熱預成型設備

加熱燈預熱氣囊中空氣，達到溫度要求后操縱設備框架向下移動，熱氣囊逐步下壓、包覆置于成型模具上的層板，在一定時間的熱壓下，層板貼覆于成型模上。

3.2 熱預成型

①裁剪后的平板，不能翻轉（層板最外層是45？），直接放置在加熱預成型模具上；放置蓋板，連接熱電偶；加熱預成型機將長桁層板加熱至60°C，熱壓成L型；

②制備用于填補元件間及元件與固化模具間隙的碳纖維卷，放置成型模具中并加熱預成型；

對長桁層板的預成型，可提高層板外型的穩定性和外觀質量。

對于大型復合材料件，預成型工序是控制內部質量、尺寸質量的關健。預成型工藝是通過升溫降低樹脂粘度使其具有良好的流動性，適時加壓，可排除夾雜的氣泡、揮發份，使零件密實；利用吸膠材料吸出多余樹脂，使零件厚度達到要求；使復合材料坯料形面規整，便于后續組合加工。

4 長桁預成型體對合

①加熱預成型后的層板片會有回彈，將從加熱預成型模具上脫模的左、右L型層板片扣在數控機床加工的殷鋼材質的固化模具上，真空壓實、吸膠20分鐘，使層板片貼模；將壓實后的左、右L型層板片連模具整體分別放置在長桁對合夾具上，在夾具一側有豎直擋塊用于模具縱向定位； 在模具兩端層板片外側加密封膠條以防固化時層板片樹脂溢出；

②裁剪后的層板片邊緣會有“書邊”現象，用碳纖維卷填充層板邊緣與模具間隙；設計圖紙對長桁立邊有加厚要求的，在層板片對合處加填充片及對縫填充卷，見圖3.a；

③層板片對合后，在長桁臥邊鋪抗剪切膠膜，用于后續長桁與其他零件貼合固化時防滑，并按長桁臥邊尺寸修剪膠膜；

④在臥邊預成型工裝上，按航向順序擺放對合的長桁模具并真空壓實預成型長桁，見圖3.b；

工裝是復合材料制件的成型基礎，工裝既要保證復合材料制件的形位尺寸，同時又要充分適應復合材料制件傳熱、傳壓的成型工藝特點。數控加工的殷鋼材質的各成型工裝是保證制件尺寸準確性的關健。

5 結束語

自動鋪帶和裁剪及熱成型技術的應用，不僅解決了大尺寸長桁類復合材料零件縱向穩定性差導致的元件形位尺寸精度差的制造難題，而且體現出成型自動化、數字化相對于傳統成型方法的絕對優勢，預示著高效率、高質量的復合材料成型自動化、數字化是未來幾十年復合材料制造技術發展的必然趨勢。

參考文獻：

[1] 陳際偉，趙艷文，翟全勝. 復合材料壁板的數字化成型研究[J]. 高科技纖維與應用.2015（6）第40卷 第3期

[2] 黃瑩.復合材料熱隔膜預成型工藝分析.機械設計與制造工程[J].2015年9月第44卷

[3] 梁祿忠， 李延征. 大型復合材料壁板成型技術[J]. 航空制造技術.2012第23/24期endprint