（航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110850）

相較金屬材料，復(fù)合材料有較好的比剛度、比強(qiáng)度、耐疲勞、抗沖擊、耐腐蝕性能。整體成型的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是飛機(jī)減重的重要措施,也是降低成本的一種方法?，F(xiàn)代飛機(jī)大型整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用部位已經(jīng)由次承力結(jié)構(gòu)過渡到大型主承力結(jié)構(gòu)。作為主承力的復(fù)合材料壁板零件，要求結(jié)構(gòu)的鋪層位置、角度精準(zhǔn)，組成元件的尺寸和位置度準(zhǔn)確，只有這樣才能有效地承載和傳遞載荷。

傳統(tǒng)的手工成型工藝加工大尺寸壁板類零件，經(jīng)常會出現(xiàn)零件內(nèi)部質(zhì)量問題，組合元件形位尺寸偏差、零件質(zhì)量穩(wěn)定性差等狀況。

飛機(jī)的復(fù)合材料部件，從設(shè)計(jì)方法到制造技術(shù)與金屬材料部件相比都有它的獨(dú)特性和復(fù)雜性。先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)能夠滿足現(xiàn)代飛機(jī)對大型復(fù)合材料部件的應(yīng)用要求。在并行協(xié)同數(shù)字化研制過程中，設(shè)計(jì)定義與制造技術(shù)密切結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、材料、工藝的高度一體化，包括從方案設(shè)計(jì)、材料選擇、鋪層安排、實(shí)體建模、鋪層展開、可制造性分析和文檔自動生成等一系列過程[1]。

本文以某民機(jī)中央翼盒復(fù)合材料壁板為研究對象，解析設(shè)計(jì)制造一體化的先進(jìn)技術(shù)。

壁板介紹

1 壁板規(guī)格

某民機(jī)中央翼盒壁板有11根長桁。按等強(qiáng)度原則，蒙皮斜坡式漸變厚度設(shè)計(jì)，最大厚度14.803mm，鋪層數(shù)103，最小厚度5.95mm，鋪層數(shù)33，面板3360mm×2850mm。T型長桁為等厚度設(shè)計(jì)，沿航向各長桁厚度相應(yīng)減少，最大長桁厚度5.134mm，鋪層數(shù)28，最小長桁厚度2.544mm，鋪層數(shù)14。

2 材料選用

壁板材料選用碳纖維預(yù)浸料Cycom 977-2-35-IM7-145。預(yù)防電化學(xué)腐蝕，蒙皮內(nèi)、外表面與金屬零件貼合處鋪玻璃布 HEXCEL 8552/42/120/G。

3 工藝分析

將壁板按結(jié)構(gòu)拆分為蒙皮和長桁，分別鋪貼和預(yù)成型，組合后共固化制造。工藝流程如圖1[2-3]所示。

圖1 壁板制造工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of the panel

蒙皮成型

1 蒙皮仿真設(shè)計(jì)

減重需要，蒙皮為變厚度設(shè)計(jì)。選用FiberSim軟件進(jìn)行制造仿真設(shè)計(jì)，生成制造工程信息、驅(qū)動鋪層激光投影定位系統(tǒng)、自動下料設(shè)備和纖維鋪放設(shè)備的數(shù)據(jù)[2，4]。

具有高效率、高質(zhì)量和低成本優(yōu)點(diǎn)的自動鋪帶技術(shù)能夠避免人工鋪放產(chǎn)生的質(zhì)量重復(fù)性差、質(zhì)量分散性大的問題。由于壁板蒙皮有外型面要求，要直接在固化工裝上鋪貼。蒙皮是大尺寸且中等曲率零件，適于曲面式自動鋪帶機(jī)的應(yīng)用[5]，采用窄帶150mm寬料卷。

2 自動鋪帶（ATL）鋪貼

2.1 ATL工作原理及與工裝校準(zhǔn)

用于自動鋪帶工藝的預(yù)浸料卷放置在鋪帶機(jī)的工作頭上。自動鋪帶工藝專用的預(yù)浸料是單面帶襯紙的，在鋪疊工作時(shí)，原材料從預(yù)浸料卷出來，在壓實(shí)軸處鋪疊在工裝表面，其襯紙會被襯紙回收卷收回。切刀控制鋪層的大小和形狀，滾輪控制襯紙與預(yù)浸料的分離（圖2）。

設(shè)備校準(zhǔn)包括：放置蒙皮固化工裝,工裝由與碳纖維熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)囊箐摬牧现圃?，其模胎面為零件外型面；按模胎面上的靶?biāo)點(diǎn)通過ATL機(jī)模具坐標(biāo)系校準(zhǔn)系統(tǒng)確定工裝與ATL設(shè)備的位置[4]，如圖3所示[6]。

2.2 纖維鋪放

（1）加載激光投影程序,投影第一層玻璃布的位置標(biāo)記，按標(biāo)記手工鋪放一層玻璃布膠帶條,并壓實(shí)（壓實(shí)后，揭去表面保護(hù)層）。

（2）加載碳纖維ATL鋪放指令；為防差錯和測試設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，每次鋪放角度和料卷更換，ATL都要先在模具試鋪放區(qū)試鋪放一段預(yù)浸料，檢查鋪放情況再進(jìn)行工件鋪貼（圖4）。

（3）直到鋪完最后一層碳纖維，并按工裝標(biāo)記線修剪到鋪層設(shè)計(jì)邊界線處。

（4）用激光投影儀定位蒙皮內(nèi)表面玻璃布位置，人工鋪放玻璃布，完成蒙皮鋪貼。真空吸膠、預(yù)成型[7]。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、鋪層等特點(diǎn)，不適用于自動鋪放設(shè)備的，仍由手工鋪貼完成。傳統(tǒng)手工鋪貼采用測量和劃線方式來確定鋪層邊界，定位誤差較大。將零件制造數(shù)模中的鋪層輪廓信息轉(zhuǎn)化為激光投影定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可提高定位精度。自動鋪貼技術(shù)能夠提高鋪層的位置準(zhǔn)確度，滿足設(shè)計(jì)要求的鋪層過渡比例。通過吸膠、預(yù)成型工藝可排除夾雜的氣泡、多余的樹脂，使零件結(jié)構(gòu)密實(shí)，保證制件厚度，工件形面規(guī)整，便于后續(xù)組合。

圖2 ATL機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 ATL sketch map

圖3 蒙皮工裝上的標(biāo)記點(diǎn)Fig.3 Marks on the tooling

T型長桁制造

傳統(tǒng)的長桁加工方法通過下料樣板裁剪預(yù)浸料，人工劃線定位、鋪貼。零件的制造精度受限于設(shè)備的使用精度和人工操作的準(zhǔn)確度，已不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)對大型壁板類零件的精度要求。數(shù)字化技術(shù)代替模擬量工作法將很好地解決這些問題。

根據(jù)長桁的仿真設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，用平板型自動鋪帶機(jī)在平面工作臺上直接鋪放，可以選用300mm寬料卷。按各長桁的厚度鋪放整體層板并由數(shù)控下料機(jī)相應(yīng)剪裁[5]，將剪裁后的層板彎折成L型，再將對應(yīng)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(chǎn)品質(zhì)量得不到保障，可運(yùn)用熱隔膜預(yù)成型工藝加工層板片[6,8-9]。

1 加熱預(yù)成型設(shè)備

加熱燈預(yù)熱氣囊中空氣達(dá)到要求后框架向下移動，熱氣囊逐步下壓、包覆置于成型工裝上的層板，在一定時(shí)間的熱壓下，層板貼覆于成型工裝上。

2 長桁層板制備、預(yù)成型

（1）加載ATL鋪放程序，按長桁設(shè)計(jì)要求鋪疊不同區(qū)域厚度的整體層板，用自動剪裁機(jī)制出各長桁相應(yīng)層板[3,7]；

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

（3）制備用于填補(bǔ)元件間及元件與模具間隙的碳纖維卷，放置模具中并加熱預(yù)成型。

工程數(shù)模仿真設(shè)計(jì)生成的長桁展開數(shù)據(jù)，可根據(jù)材料幅寬、層板鋪放尺寸優(yōu)化排版，數(shù)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(shí)間。對長桁層板的預(yù)成型，可提高層板外型的穩(wěn)定性和外觀質(zhì)量，便于后續(xù)操作。

圖4 蒙皮ATL鋪放Fig.4 Skin ATL

圖5 長桁預(yù)成型Fig.5 Stringer pre-molding

3 長桁預(yù)成型

（1）加熱預(yù)成型后的層板片會有回彈，將從加熱預(yù)成型工裝上脫模后的左、右L型層板片扣在殷鋼固化模具上，真空壓實(shí)、吸膠20min，使其貼模; 將壓實(shí)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(cè)有豎直擋塊用于模具定位; 在模具兩端層板片外側(cè)加密封膠條以防固化時(shí)樹脂溢出，見圖5（a）；

（2）修剪后的層板片邊緣會有“書邊”現(xiàn)象,用碳纖維卷填充層板邊緣與模具間隙；設(shè)計(jì)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5（b）；

（3）對合后，在長桁臥邊鋪用于與蒙皮防滑的抗剪切膠膜，并按長桁臥邊尺寸修剪，見圖5（c）；

（4）在臥邊預(yù)成型工裝上，按航向順序擺放對合的長桁模具并真空壓實(shí)預(yù)成型，見圖5（d）；

對長桁層板及合模的預(yù)成型，可以保證長桁厚度和外型尺寸的準(zhǔn)確，有助于后續(xù)組合操作及固化成型。

4 長桁定位

長桁在蒙皮上定位通常采用定位卡塊或定位軟模等方式，工裝零件制造及組裝通過模擬量工作法。大尺寸零件在工裝上裝配時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)干涉或超差現(xiàn)象。固化時(shí)較大的壓力下，較小的定位卡塊或質(zhì)軟的軟模也不足以約束長桁偏移、變形。

激光定位組合夾具是將激光測量技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字化制造的裝配組合工裝上。工裝夾具可根據(jù)需要上下移動及繞定軸翻轉(zhuǎn)。工裝3個卡板工作型面為相應(yīng)位置的T型長桁臥邊內(nèi)型面，此型面確定長桁縱向位置（Z向），見圖6（a）；T型長桁立邊嵌入卡板凹槽中并被凹槽一側(cè)擋塊及鎖緊塊確定航向位置（X向），見圖6（b）；最外側(cè)卡板凹槽外側(cè)有可拆卸擋塊，此擋塊確定各長桁展向位置（Y向），見圖6（c）。長桁放置后，在各卡板凹槽處，連接激光定位儀光電感應(yīng)元件組，測量長桁設(shè)計(jì)測量點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)，查驗(yàn)長桁位置是否符合要求，見圖6（d）。長桁模具對接端面是互相重合的斜面，利于向下加壓及防側(cè)滑，見圖6（e）。

通過這套工裝可使各長桁合為一個整體，確保相互之間的位置關(guān)系。在同一坐標(biāo)系下，利用產(chǎn)品數(shù)模轉(zhuǎn)化的工裝制造數(shù)據(jù)技術(shù)和零件激光測量定位數(shù)據(jù)技術(shù)可以大大提高元件定位的準(zhǔn)確度，提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動效率。

圖6 工裝原理及長桁定位Fig.6 Tooling principle and the stringer position

圖7 長桁、蒙皮組合Fig.7 Stringer and the skin combination

蒙皮、長桁組合及固化準(zhǔn)備

傳統(tǒng)的工裝組合定位采用模擬量工作法通過劃線、定位孔和定位塊等方式，存在較大的人為和系統(tǒng)誤差，尺寸和位置精度差。

應(yīng)用設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)，蒙皮、長桁工裝在同一坐標(biāo)系下利用零件數(shù)模進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)，并應(yīng)用數(shù)控加工制造。工裝組合時(shí)，在同一坐標(biāo)系下通過激光定位儀確保工裝配合型面的參照點(diǎn)相互吻合來定位長桁組模具在蒙皮上的位置。長桁組合定位后，對長桁模具鋪放加壓蓋板，防止固化時(shí)長桁翹曲變形[10]。操作流程為：

（1）長桁定位后，抗剪切膠膜間加碳纖維卷，防固化時(shí)樹脂流淌及防翼盒使用時(shí)燃油浸入長桁臥邊，見圖7（a）；

（2）在長桁組的空白區(qū)域鋪硅膠墊，以填平長桁組與蒙皮的間隙及方便固化后脫模，見圖7（b）；

（3）按工裝定位儀孔，利用激光定位儀確定長桁組與蒙皮對合，釋放長桁組合夾具，見圖7（c）；

（4）用碳纖維卷及密封膠密封蒙皮與固化工裝間縫隙，安裝固化工裝加壓帶板，連熱電偶，作共固化準(zhǔn)備，見圖7（d）。

傳遞外翼彎曲和剪流載荷的復(fù)合材料翼盒壁板，要求組成元件制造尺寸精度和鋪放位置準(zhǔn)確度高，只有通過數(shù)字化技術(shù)設(shè)計(jì)、制造才能保證飛機(jī)設(shè)計(jì)的精確要求。

結(jié)束語

隨著復(fù)合材料在飛機(jī)上的大量使用，先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用水平已成為現(xiàn)代飛機(jī)產(chǎn)品先進(jìn)性的一個十分重要的標(biāo)志。目前國內(nèi)在大尺寸復(fù)合材料壁板數(shù)字化制造方面基本處于工藝試驗(yàn)和驗(yàn)證階段。長桁的制造及與蒙皮的組合技術(shù)還處于傳統(tǒng)工藝與數(shù)字化相結(jié)合的階段。國外飛機(jī)制造商生產(chǎn)的波音787和空客A380飛機(jī)大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，分別應(yīng)用纖維鋪放、共固化和大型壁板整體成型技術(shù)，成為飛機(jī)制造行業(yè)的先驅(qū)者。

自動鋪帶及激光定位組合技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅解決了大尺寸、組合元件形位精度高的復(fù)合材料件的制造難題，而且體現(xiàn)出成型自動化、數(shù)字化相對于傳統(tǒng)成型方法的絕對優(yōu)勢。同時(shí)預(yù)示著高效率、高質(zhì)量的復(fù)合材料成型自動化、數(shù)字化是未來幾十年復(fù)合材料制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

參 考 文 獻(xiàn)

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