任衛(wèi)安，馬 軍，王鈺淇，劉 斌

（航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330024）

20世紀(jì)60年代美國(guó)率先研發(fā)出復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)，并應(yīng)用于軍用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化生產(chǎn)[1–2]。復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)具有高效、高質(zhì)量、高精度的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于大型民用飛機(jī)、運(yùn)載火箭等航空航天飛行器，成為發(fā)達(dá)國(guó)家航空航天領(lǐng)域中大型復(fù)合材料構(gòu)件的成熟制造工藝[3–5]。自動(dòng)鋪帶技術(shù)運(yùn)用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶鋪疊的連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，其生產(chǎn)效率為傳統(tǒng)手工鋪疊的10倍以上[6–8]，適用于制造翼面類等大尺寸、低曲率壁板構(gòu)件，如美國(guó)F–22 戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼、C–17運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮和 波音787 客機(jī)機(jī)翼；歐洲

A340客機(jī)水平安定面蒙皮、尾翼蒙皮，A380客機(jī)的安定面蒙皮和中央翼盒等均采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造[9–12]。自動(dòng)鋪帶機(jī)主要適用于大型制件、大批量、規(guī)?；淖詣?dòng)化制造，但目前國(guó)內(nèi)航空復(fù)合材料制造還是多以小批量、多品種的生產(chǎn)模式，大多制件因?yàn)楫a(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較小，很難適應(yīng)自動(dòng)鋪帶制造要求。這種模式的存在限制了自動(dòng)化制造的需求，這也是國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪帶機(jī)應(yīng)用不足的一個(gè)重要原因。為解決自動(dòng)鋪帶機(jī)的利用率問題，解決產(chǎn)品自動(dòng)化制造的需求，采取將復(fù)合材料零件三維鋪層展開為二維結(jié)構(gòu)，再重新將零散結(jié)構(gòu)片層進(jìn)行整體化設(shè)計(jì)，以滿足自動(dòng)鋪帶要求。FiberSim鋪層展開為二維結(jié)構(gòu)，是一種成熟的技術(shù)，傳統(tǒng)的下料裁切就是通過FiberSim下料機(jī)接口模塊將鋪層展開為二維結(jié)構(gòu)后導(dǎo)入下料機(jī)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)裁剪，隨后手工鋪貼[13–15]。通過CATIA模塊進(jìn)行零件排版優(yōu)化，自動(dòng)鋪帶編程技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多零件組合鋪層編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小尺寸結(jié)構(gòu)翼面類蒙皮的批量化、自動(dòng)化制造，大大提高制造質(zhì)量及制造效率，探索出了一條小尺寸、低曲率結(jié)構(gòu)零件批量化自動(dòng)鋪帶制造技術(shù)路徑。

1 產(chǎn)品及設(shè)備信息

選取一個(gè)典型小尺寸結(jié)構(gòu)復(fù)合材料翼面制件，長(zhǎng)度約1500mm，寬約500mm，曲率較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有多層加強(qiáng)梯層，梯層間距最小的只有2.5mm，且加強(qiáng)層有圓弧過渡特征（圖1），手工鋪貼時(shí)較難切割準(zhǔn)確。自動(dòng)鋪帶機(jī)可以將加強(qiáng)層直接裁切鋪貼到位，準(zhǔn)確性很高。測(cè)試采用自動(dòng)鋪帶機(jī)進(jìn)行編程和鋪貼。鋪帶材料選用成熟XX104/XX300環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，材料與設(shè)備適應(yīng)性較好，適宜自動(dòng)鋪放要求。

2 再設(shè)計(jì)及優(yōu)化

首先將零件三維FiberSim鋪層信息展開為二維結(jié)構(gòu)，通過CATIA進(jìn)行零件鋪層再設(shè)計(jì)工作，完成零件鋪層二維化排版及優(yōu)化。隨后通過鋪帶機(jī)自帶編程軟件進(jìn)行編程及優(yōu)化工作。零件鋪帶編程完成2個(gè)零件、4個(gè)零件自動(dòng)化編程及優(yōu)化工作，如圖2所示。本測(cè)試選取了2塊蒙皮進(jìn)行組合編程及優(yōu)化。按照設(shè)備行程，可同時(shí)完成約60個(gè)零件的組合鋪放，鑒于制造成本，本文測(cè)試同時(shí)鋪貼2塊蒙皮。

3 自動(dòng)鋪帶制造

選取2個(gè)零件同時(shí)制造，如圖3（a）所示，設(shè)備自動(dòng)化鋪貼零件整層及加強(qiáng)層，完成所有鋪貼及裁切，無需人工干預(yù)，最終完成2個(gè)零件一次性鋪貼，形成一塊包含兩個(gè)零件的層合板預(yù)制體，如圖3（b）所示。通過自動(dòng)鋪帶機(jī)超聲裁切刀根據(jù)零件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行裁切（圖3（c）），得到零件二維平板預(yù)浸料（圖3（d）），因?yàn)殇佡N按照零件的展開數(shù)模進(jìn)行鋪貼，裁切完成的單件預(yù)制體就是零件毛坯預(yù)制體，各個(gè)整層及加強(qiáng)層尺寸即為零件要求尺寸。鋪貼零件越多，產(chǎn)生廢料越少，材料利用率越高，同時(shí)鋪貼效率也越高，有利于大批量的生產(chǎn)。

圖1 零件結(jié)構(gòu)示意圖（經(jīng)處理）Fig.1 Schematic diagram of part structure (processed)

4 零件固化及檢測(cè)

裁切好的零件平板預(yù)制體移至成型模上，根據(jù)零件邊線進(jìn)行定位，從圖4（a）可以看出由于零件本身3D結(jié)構(gòu)屬性，平板預(yù)制體不能很好地貼合模具，通過抽真空預(yù)壓實(shí)，零件表面有輕微褶皺。將零件進(jìn)熱壓罐固化成型，升溫開始加外壓至0.60MPa，以≤3℃/min的升溫速率升溫至（180±5）℃，保溫保壓120min，隨后以≤2℃/min的降溫速率或自然降溫至60℃以下卸壓、出罐脫模。固化后零件表面質(zhì)量良好，從圖4（c）可以看出零件表面無褶皺出現(xiàn)，除了鋪貼本身存在的間隙及錯(cuò)層間隙，質(zhì)量良好。為了進(jìn)一步確認(rèn)預(yù)壓實(shí)褶皺是否會(huì)影響纖維的走向，進(jìn)行了剖切測(cè)試，選取零件完整截面不同處進(jìn)行剖切取樣，并通過顯微鏡觀察，如圖4（d）～（f）零件內(nèi)部纖維平順，未發(fā)現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，證明零件在固化時(shí)沒有出現(xiàn)內(nèi)部褶皺現(xiàn)象。隨后采用超聲CTS–9008設(shè)備進(jìn)行手工無損檢測(cè)，制件內(nèi)部質(zhì)量合格，無空隙、氣泡、分層等缺陷，滿足質(zhì)量要求。

圖2 多零件排版示意圖（經(jīng)處理）Fig.2 Layout diagrams of multiple parts (processed)

圖3 多零件鋪貼圖Fig.3 Tape laying diagrams of multiple parts

圖4 零件固化及剖切圖Fig.4 Curing and sectioning diagrams of part

5 結(jié)論

通過對(duì)三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料零件鋪層二維化展開，再利用CATIA進(jìn)行零件重新排版、鋪層設(shè)計(jì)，鋪帶編程技術(shù)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，可以完成零件大批量的同時(shí)排版設(shè)計(jì)及制造，從而實(shí)現(xiàn)小尺寸、低曲率結(jié)構(gòu)零件的批量化制造，為小尺寸、低曲率結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件批量自動(dòng)化制造提供了一種技術(shù)途徑，同時(shí)也為復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)提供了一個(gè)很好的應(yīng)用場(chǎng)景，解決了大量該類零件只能依靠人工鋪貼的問題，大大提高零件制造質(zhì)量及效率，提高了材料利用率，降低制造成本。