衛(wèi)漢華

(香港理工大學(xué)工業(yè)中心，香港)

1 問(wèn)題的提出

本文中的復(fù)合材料是指由高性能樹(shù)脂基體與石墨、玻璃、芳綸等連續(xù)長(zhǎng)纖維，通過(guò)加溫、加壓固化后制成，具有高纖維含量(50%以上)和低空泡率(1%以下)的先進(jìn)復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料與一般復(fù)合材料相比，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，用于客機(jī)上能大大節(jié)約燃料和維護(hù)開(kāi)支。

復(fù)合材料部件制造的主要特征是部件的結(jié)構(gòu)成型與材料形成同時(shí)完成。由于部件的材料選擇與結(jié)構(gòu)成型工藝方法密切相關(guān)，復(fù)合材料部件的成型也演變出多種不同工藝，典型的飛機(jī)單體復(fù)合材料部件的工藝流程大致可歸納為以下5個(gè)環(huán)節(jié):

a.下料。將成卷的預(yù)浸漬纖維布或纖維帶材料剪切成需要的長(zhǎng)度和形狀。

b.鋪放。將纖維按設(shè)計(jì)要求疊放在模具上并壓實(shí)。

c.固化。利用熱壓罐、電爐、電熱毯等將復(fù)合材料中的樹(shù)脂基體加熱固化。

d.修剪。將固化后的復(fù)合材料部件從模具上取下，去除部件的毛邊和開(kāi)孔。

e.檢查。利用超聲波探傷儀等非損探傷手段，檢查纖維層的膠合效果。

在以上5個(gè)環(huán)節(jié)中，下料和修剪是最早實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造的工藝環(huán)節(jié)，下料用的激光切割機(jī)和修剪用的多軸數(shù)控鏤銑機(jī)已發(fā)展成熟，目前復(fù)合材料數(shù)字化制造的技術(shù)熱點(diǎn)是用于鋪放和探傷環(huán)節(jié)的各種裝備的自動(dòng)化。

由于復(fù)合材料的單層強(qiáng)度呈正交異性，為了盡量將纖維方向與部件的主荷載方向匹配，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)部件內(nèi)部的纖維層排列進(jìn)行優(yōu)化。由圖1可見(jiàn)，優(yōu)化后的部件往往需要多至數(shù)十層不同規(guī)格的纖維片層按 0°、90°、+45°、－45°等不同角度準(zhǔn)確交疊。

圖1 波音737客機(jī)控制面纖維材料與鋪放順序例

由于復(fù)合材料鋪貼流程非常復(fù)雜繁瑣，手工鋪放在目前的復(fù)合材料部件生產(chǎn)中仍然起著重要作用。以波音737客機(jī)平尾為例，其纖維鋪貼的勞動(dòng)工時(shí)占總工時(shí)的比例高達(dá)31%。

隨著先進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用比率擴(kuò)大，復(fù)合材料部件尺寸和形狀也進(jìn)一步向大型化和復(fù)雜化發(fā)展，如圖2所示的A380客機(jī)上使用復(fù)合材料的主結(jié)構(gòu)部件，其體積大、形狀復(fù)雜，采用手工鋪放無(wú)法滿足生產(chǎn)速度的要求。

圖2 A380客機(jī)上使用復(fù)合材料的主結(jié)構(gòu)

2 復(fù)合材料的自動(dòng)鋪放[1]

利用數(shù)控機(jī)床代替人工來(lái)鋪放纖維有以下優(yōu)點(diǎn):

a.生產(chǎn)速度由手工鋪放的 1kg/h提高至10kg/h，增加樹(shù)脂基體可操作時(shí)間內(nèi)的纖維鋪放量，有利于生產(chǎn)更大型的工件。

b.杜絕鋪放出錯(cuò)的機(jī)會(huì)，并提高纖維片層之間的定位精度，有利于設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的復(fù)合材料部件。

c.在鋪放的同時(shí)可向疊層施加緊壓力，免除鋪放多層纖維期間加入壓緊工序(De－bulking)，有利于降低成品的空泡率和減少片層錯(cuò)位。

復(fù)合材料的自動(dòng)鋪放機(jī)床主要分為纖維纏繞機(jī)床和自動(dòng)鋪放機(jī)床2種，自動(dòng)鋪放機(jī)床可再分為自動(dòng)鋪帶(Automated Tape Laying，ATL)機(jī)床和自動(dòng)纖維鋪放(Automated Fiber Placement，AFP)機(jī)床2種。2種機(jī)床的操作原理相近，在應(yīng)用上也有一定的市場(chǎng)重疊，市場(chǎng)上對(duì)兩者的發(fā)展前景還存在不同意見(jiàn)。

2.1 纖維纏繞機(jī)床

纖維纏繞機(jī)床是最早出現(xiàn)的自動(dòng)鋪放機(jī)床，主要用于壓力容器、管道等簡(jiǎn)單回轉(zhuǎn)體的制造。纖維纏繞機(jī)床的主要功能是將浸漬了樹(shù)脂的纖維絲束沿設(shè)計(jì)的線型軌跡纏繞到芯模表面上，達(dá)到均勻布滿芯模表面的目的。一般纏繞機(jī)床通常是以芯模軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作為基準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)，并控制一個(gè)或多個(gè)繞絲頭與其相協(xié)調(diào)的空間運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)纏繞功能。在纏繞過(guò)程中繞絲頭不與工件接觸，只依靠纖維絲的張力來(lái)保持纖維緊貼芯模表面，降低空泡率。圖3是典型纖維纏繞機(jī)床的外觀。

圖3 EHA公司的BSD Winder纖維纏繞機(jī)床

纖維纏繞機(jī)床具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、纖維鋪放速度高的優(yōu)點(diǎn)，但由于纏繞原理的局限，不適合用于制造外形復(fù)雜，含有負(fù)曲率的回轉(zhuǎn)體表面、曲面構(gòu)件，或具有深槽、加強(qiáng)筋的殼體構(gòu)件。

2.2 自動(dòng)鋪帶機(jī)床

自動(dòng)鋪帶機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局與龍門式銑床相似，在相當(dāng)于切削主軸的位置裝有鋪帶頭。鋪帶頭上裝有帶隔離襯紙的單向預(yù)浸纖維帶卷，在鋪帶頭中完成預(yù)定形狀的切割、定位，加熱后，機(jī)床按照設(shè)計(jì)方向在壓輥?zhàn)饔孟?，將加熱軟化的纖維帶粘貼到曲率半徑較大且變化較緩的模具表面。圖4是典型的龍門式自動(dòng)鋪帶機(jī)床的外觀。

圖4 Forest－Line自動(dòng)鋪帶機(jī)床和鋪帶頭

鋪帶頭是自動(dòng)鋪帶機(jī)床的核心部件，需完成纖維帶的送帶、切割、襯紙回收、加熱、壓緊等功能，而且由于纖維帶對(duì)張力和熱力十分敏感，鋪帶頭在快速粘貼運(yùn)動(dòng)中必須保證纖維帶的輸送速度和鋪帶頭相對(duì)模具表面的運(yùn)動(dòng)速度一致，還要在少于1s內(nèi)將纖維帶從儲(chǔ)藏溫度(22℃以下)加熱至粘軟狀態(tài)(約35℃)，具有相當(dāng)高的技術(shù)難度。

自動(dòng)鋪帶機(jī)床的主要優(yōu)勢(shì)在于鋪放速度。一般自動(dòng)鋪帶機(jī)采用的卷寬為200～300mm，在單位運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)可以覆蓋較大面積，纖維帶卷的輸送機(jī)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，上料和準(zhǔn)備時(shí)間較短，較少出現(xiàn)故障，這些因素都有利于提高自動(dòng)鋪帶機(jī)床的鋪放速度。

然而，由于鋪帶機(jī)床本身固有的特點(diǎn)，鋪帶頭的體積較大，纖維帶的彎曲半徑也較大，其結(jié)果就是只有地板、機(jī)翼蒙皮、船帆等輕微曲率、大面積而且邊界簡(jiǎn)單的工件適合采用自動(dòng)鋪帶機(jī)床進(jìn)行鋪放。

2.3 自動(dòng)纖維鋪放機(jī)床

自動(dòng)纖維鋪放機(jī)床是綜合了纖維纏繞和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)床。纖維鋪放機(jī)床除了龍門式以外，還有如圖5所示的立柱懸臂式布局，方便在大直徑的模具和型芯的側(cè)面鋪放纖維。

圖5 MAG Viper自動(dòng)纖維鋪放機(jī)床

纖維鋪放機(jī)床與自動(dòng)鋪帶機(jī)床的主要差別是將多道6～25mm寬的纖維束輸送到鋪帶頭上，平行集束成纖維帶后鋪放在模具表面。利用該技術(shù)加工時(shí)，可以根據(jù)構(gòu)件表面形狀的變化，隨時(shí)增減絲束，方便加工復(fù)雜形狀構(gòu)件。由于需要輸送多道纖維束，因此纖維鋪放機(jī)床需要在機(jī)體或鋪帶頭上安裝體積較大的纖維卷庫(kù)和復(fù)雜的送絲機(jī)構(gòu)。

纖維鋪放機(jī)床的主要優(yōu)勢(shì)在于鋪放邊界復(fù)雜多變的部件，其次纖維鋪放機(jī)床的纖維用量可以根據(jù)鋪放形狀靈活調(diào)節(jié)，因此產(chǎn)生的下腳料較自動(dòng)鋪帶機(jī)床少1/2至2/3。由于高性能的單向預(yù)浸纖維帶成本高昂，材料利用率較高的纖維鋪放機(jī)床具有較佳的運(yùn)作成本。然而，由于纖維鋪放機(jī)床的鋪帶頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，令機(jī)床的準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)和故障率較高，因此纖維鋪放機(jī)床不適用于需要大面積覆蓋的部件。

3 自動(dòng)鋪放機(jī)床的技術(shù)難點(diǎn)[2]

雖然纖維鋪放機(jī)床在結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面與金切機(jī)床相似，而且機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)態(tài)荷載較低，但纖維束的輸送和鋪放也對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)帶來(lái)一系列的技術(shù)難題。

3.1 纖維束的加熱和切割

熱固樹(shù)脂預(yù)浸纖維束的工作溫度要求在22℃以下，因此鋪放機(jī)床必須做好纖維儲(chǔ)存庫(kù)和輸送路徑的熱管理。鋪放機(jī)床的鋪帶頭需要將絲束從12～22℃加熱至35℃融軟狀態(tài)，再粘壓在模具或纖維層上。在正常進(jìn)給速度下，纖維加熱時(shí)間小于0.1s，而且熱量輸出必須隨送絲速度變化，否則在鋪帶頭拐彎和變向時(shí)纖維會(huì)因過(guò)熱而提早固化。

目前用于絲束加熱的主要元件有鹵素紅外線燈和激光器2種，鹵素?zé)綦m然成本較低，但必須裝置熱屏障和冷卻風(fēng)道，防止熱量溢出到送絲機(jī)構(gòu)。

3.2 纖維絲束的輸送

自動(dòng)鋪放要求絲束的輸送速度必須與機(jī)床的進(jìn)給速度保持一致，而且在鋪帶頭拐彎、轉(zhuǎn)向而令絲束輸送速度出現(xiàn)變化時(shí)，絲束張力必須保持恒定。

由于送絲路徑越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向角度越大，絲束彈性和導(dǎo)輪慣性所產(chǎn)生的張力變化越難控制，因此鋪放機(jī)床需要裝置如圖6所示的數(shù)控導(dǎo)紗器，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)絲束張力傳感器的數(shù)據(jù)，在0.01s以內(nèi)控制導(dǎo)紗器對(duì)絲束進(jìn)行拉伸，以維持絲束張力不變。

圖6 鋪放機(jī)床的導(dǎo)紗器及絲束張力變化控制

3.3 纖維鋪放和緊壓

纖維鋪放的工藝要求送絲機(jī)構(gòu)排出的平行絲束，在硅橡膠壓輥的壓力下，與模具或纖維層粘合。為了保證纖維層間不出現(xiàn)空隙，鋪帶頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸必須控制壓輥的施力方向與工件法向重合，如圖7(a)所示。

如根據(jù)一般金切機(jī)床的設(shè)計(jì)要求，將回轉(zhuǎn)軸設(shè)在鋪帶頭的后方，當(dāng)壓輥沿工件拐彎時(shí)，由于需要保持與工件法向重合，需要以壓輥為中心作復(fù)雜的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了簡(jiǎn)化機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制，部分鋪放機(jī)床采用如圖7(b)所示的以壓輥為中心的虛擬回轉(zhuǎn)軸。

4 自動(dòng)鋪放機(jī)床的創(chuàng)新[3]

圖7 鋪帶壓輥的外觀與鋪帶頭回轉(zhuǎn)軸

雖然自動(dòng)鋪放機(jī)床的鋪放速度遠(yuǎn)高于手工鋪放，但鋪放頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更換材料、排障等環(huán)節(jié)占總生產(chǎn)時(shí)間比率較高。桁條、翼梁等飛機(jī)部件的Π型截面要求鋪帶頭作180°回轉(zhuǎn)，給送絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)帶來(lái)困難，加上現(xiàn)有自動(dòng)鋪帶機(jī)床體積大、價(jià)格高，與目前中、小型飛機(jī)部件的廠房和成本條件不符。為了解決以上不足，鋪放機(jī)床的生產(chǎn)商正努力推出各種技術(shù)創(chuàng)新。

4.1 模塊化鋪帶頭

為了解決鋪放頭準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，美國(guó)Electroimpact公司的自動(dòng)纖維鋪放機(jī)床采用了可換鋪放頭的方案。如圖8所示。

圖8 Electroimpact公司的自動(dòng)纖維鋪放機(jī)床

Electroimpact公司將16卷纖維束整合在圓盤形的鋪放頭上，形成一體式的鋪放頭，當(dāng)需要補(bǔ)充纖維帶或排障時(shí)，機(jī)床可以在數(shù)分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)換備用的鋪放頭繼續(xù)鋪放操作，讓操作員可以離線進(jìn)行補(bǔ)充和排障工作。

一體式的鋪放頭除了縮短停機(jī)時(shí)間外還帶來(lái)其他優(yōu)點(diǎn)。首先，纖維帶的走帶路徑可以從10～15m縮短至約2m，而且路徑長(zhǎng)度不會(huì)隨鋪放頭的轉(zhuǎn)角而變化，纖維帶的送帶速度和張力控制因而可以較易控制;其次，鋪帶頭的旋轉(zhuǎn)角度不受走帶路徑局限，可以實(shí)現(xiàn)180°以上的旋轉(zhuǎn)，令單臺(tái)纖維鋪放機(jī)床可以鋪放Π型截面的大半徑艙樑等客機(jī)組件。

4.2 纖維鋪放機(jī)器人

基于多軸加工中心構(gòu)造的纖維鋪放機(jī)床功能齊全、鋪放路徑寬、速度高。但是目前已實(shí)現(xiàn)商品化的機(jī)床體積較大、設(shè)備投資高昂，用于體積較小的部件很難達(dá)到成本效益?；?自由度機(jī)器人構(gòu)造的鋪放機(jī)床是針對(duì)小體積、造型復(fù)雜部件的解決方案?；跈C(jī)器人的鋪放機(jī)床如圖9所示，在6自由度機(jī)器人上安裝小型的鋪放頭，與芯模軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)纖維鋪放功能。

圖9 Automated Dynamics公司的鋪放機(jī)床

目前Automated Dynamics公司和Electroimpact公司均提出了鋪放機(jī)器人方案，Automated Dynamics公司方案是纖維卷固定放置在機(jī)器人后方的卷庫(kù)上，由一系列的導(dǎo)帶輪帶送至鋪放頭上。

Electroimpact公司的方案是將2卷纖維帶安裝在鋪帶頭上，由氣動(dòng)控制的浮動(dòng)剪帶、壓帶機(jī)構(gòu)鋪放在模具上。為了加快鋪放速度，Electroimpact公司設(shè)計(jì)了一個(gè)雙向走帶機(jī)構(gòu)，令機(jī)器人在鋪放短路徑列時(shí)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)均能鋪放纖維帶。如圖10所示。

圖10 Electroimpact公司纖維鋪放機(jī)器人外觀及其雙向走帶機(jī)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，機(jī)翼蒙皮、艙段等面積大、邊界簡(jiǎn)單的部件已經(jīng)出現(xiàn)了匹配的纖維鋪放機(jī)床，市場(chǎng)上正開(kāi)始關(guān)注其他較為復(fù)雜部件的自動(dòng)鋪放問(wèn)題。根據(jù)對(duì)客機(jī)復(fù)合材料部件的分析，大部分大型部件的平均鋪放路徑長(zhǎng)度僅為2m，以波音787為例，其機(jī)首艙段的鋪放路徑中只有8組跨越整個(gè)艙段，其余70組路徑由于被舷窗、天線等截?cái)啵⑶议L(zhǎng)度均較短。

展望未來(lái)，在提高鋪放速度和縮短準(zhǔn)備時(shí)間的同時(shí)，提高機(jī)床的靈活性和短路徑的鋪放效率，是纖維鋪放機(jī)床的主要研發(fā)熱點(diǎn)。

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