（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都610092）

自動(dòng)鋪帶機(jī)是小曲率、翼面結(jié)構(gòu)的典型制造裝備。自動(dòng)鋪帶技術(shù)是復(fù)合材料行業(yè)從手工鋪疊加工向自動(dòng)化加工發(fā)展的一個(gè)里程碑，它在歐美國家取得了工程化應(yīng)用，在國內(nèi)也逐漸應(yīng)用于復(fù)合材料鋪疊[1-4]，以此推動(dòng)復(fù)合材料行業(yè)向自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化數(shù)控加工技術(shù)方向發(fā)展，解決了手工鋪疊大尺寸、小曲率帶來的零件鋪疊質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低等問題。

自動(dòng)鋪帶技術(shù)的裁剪、加熱、定位、鋪疊、輥壓均采用數(shù)控技術(shù)自動(dòng)完成，它涉及自動(dòng)鋪帶復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)、鋪帶工裝設(shè)計(jì)、預(yù)浸料裁剪技術(shù)、鋪放CAD/CAM技術(shù)、自動(dòng)鋪放工藝技術(shù)、鋪放監(jiān)控、成本分析等多個(gè)研究方向[5-7]。本文主要以自動(dòng)鋪放工藝技術(shù)應(yīng)用為研究方向，采用西班牙M.Torres公司制造的龍門式十一軸自動(dòng)鋪帶機(jī)，將預(yù)浸料在鋪帶頭中完成特定形狀的切割，加熱后在壓輥的作用下鋪貼到模具表面，完成預(yù)浸料的裁剪、加熱、定位、鋪疊、輥壓等工藝流程。

在機(jī)翼蒙皮的制造當(dāng)中，預(yù)浸料的黏性、加熱溫度、背襯紙厚度及強(qiáng)度、鋪放速度、壓輥壓力、鋪帶工藝參數(shù)的設(shè)置,以及鋪帶方式的處理技巧，這對(duì)能否成功應(yīng)用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造出高質(zhì)量的零件有直接影響。

本文通過對(duì)某型機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行分析和試驗(yàn)，制定了某型機(jī)機(jī)翼蒙皮的鋪帶制造工藝方案,采用自動(dòng)鋪放、激光投影與自動(dòng)下料技術(shù)，制造出某型機(jī)機(jī)翼蒙皮。經(jīng)多件產(chǎn)品鋪帶制造驗(yàn)證，機(jī)翼蒙皮無損檢測內(nèi)部質(zhì)量合格，鋪帶間隙和表面質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鋪帶技術(shù)在某型機(jī)機(jī)翼蒙皮自動(dòng)鋪帶應(yīng)用，為鋪帶機(jī)技術(shù)在復(fù)合材料鋪帶的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 某型機(jī)機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造方案

該蒙皮選用T700/LT-03 A高強(qiáng)碳纖維/中溫固化環(huán)氧樹脂干法預(yù)浸料，材料幅寬為150mm。該產(chǎn)品尺寸較大，縱向最長9.6m，最寬位置0.95m，應(yīng)用自動(dòng)鋪帶技術(shù)完成該蒙皮零件的鋪帶，需要根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，做相應(yīng)的鋪帶程序設(shè)計(jì)，完成零件的鋪帶，如圖1所示。

根據(jù)機(jī)翼蒙皮的特點(diǎn)，采取的工藝流程為：自動(dòng)鋪帶+手工鋪疊，結(jié)合自動(dòng)下料和激光投影技術(shù)，完成此次零件鋪帶，流程圖如圖2所示。

圖2 機(jī)翼蒙皮自動(dòng)鋪帶流程圖Fig.2 Flow chart of automatic tape laying of wing skin

2 自動(dòng)鋪帶技術(shù)的應(yīng)用和關(guān)鍵控制點(diǎn)分析

在應(yīng)用自動(dòng)鋪帶技術(shù)鋪帶機(jī)翼蒙皮零件過程中，須控制好影響到鋪帶質(zhì)量的以下幾點(diǎn)關(guān)鍵因素。

2.1 預(yù)浸料的選擇

自動(dòng)鋪帶技術(shù)所鋪放的復(fù)合材料稱為預(yù)浸料，它作為復(fù)合材料制造過程中的中間產(chǎn)品，直接影響到復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量。預(yù)浸料主要由樹脂與碳纖維構(gòu)成，纏繞成卷，因初始有一定的黏性，為防止保存時(shí)相鄰的預(yù)浸料帶相互粘結(jié)，預(yù)浸料背后有一層背襯紙，背襯紙起著傳遞預(yù)浸料帶的作用。預(yù)浸料帶的技術(shù)指標(biāo)主要包括黏性、鋪覆性、樹脂含量、單位面積纖維質(zhì)量、存儲(chǔ)期等，其中黏性與鋪覆性對(duì)鋪帶機(jī)鋪放成功與否至關(guān)重要。

預(yù)浸料帶黏性是指預(yù)浸料帶與模具或其他預(yù)浸料帶之間形成粘結(jié)的能力，預(yù)浸料帶黏性必須適中。黏性過小，相鄰料帶之間無法順利貼合，料帶將無法精確鋪放；黏性過大，鋪帶出現(xiàn)失誤后，修改困難。

預(yù)浸料帶的鋪覆性是指預(yù)浸料帶與不同曲率的模具表面之間的適應(yīng)性，其中纖維和背襯紙是影響鋪覆性的主要因素，若預(yù)浸料帶鋪覆性較差，料帶則易斷裂，或形成架橋、褶皺，導(dǎo)致自動(dòng)鋪帶受阻，不易形成生產(chǎn)力。

此次蒙皮鋪帶的預(yù)浸料為T700/LT-03 A高強(qiáng)碳纖維/中溫固化環(huán)氧樹脂干法預(yù)浸料，鋪帶溫度的設(shè)置會(huì)影響預(yù)浸料的黏性和鋪覆性。

一方面，在鋪帶加熱溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，樹脂粘度下降而流動(dòng)性上升。隨著樹脂流動(dòng)性上升，樹脂對(duì)預(yù)浸料界面的浸潤能力提高，這樣可以提高預(yù)浸料之間或者預(yù)浸料與模具之間的貼合能力，有利于鋪放過程順利進(jìn)行。但另一方面，隨著溫度的上升，預(yù)浸料變“軟”，這樣在鋪放過程中增大預(yù)浸料在復(fù)雜模具表面形成架橋的機(jī)會(huì)，溫度越高，預(yù)浸料越容易老化[8-9]。

因此，在機(jī)翼蒙皮自動(dòng)鋪帶中，加熱溫度的選取傾向于防止褶皺、架橋的產(chǎn)生和預(yù)浸料老化，一般設(shè)置在40℃ ～60℃。

2.2 精確鋪放控制

將鋪層的每一片料帶精確鋪貼到位，針對(duì)自動(dòng)鋪帶做控制設(shè)計(jì)，這是自動(dòng)鋪帶技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。精確鋪放控制需要做好以下幾點(diǎn)工作，方能保證蒙皮按設(shè)計(jì)數(shù)模精確鋪帶出來，并達(dá)到工藝要求[10-11]。

2.2.1 鋪帶模具涂刷微量樹脂

首先用丙酮浸潤料帶，將稀釋出的微量樹脂混合丙酮均勻涂刷于模具上，保證模具有一定黏性，目的是將第一層按程序精確鋪帶至模具上。第一層料帶是否精確鋪帶，直接影響后續(xù)鋪層的精確鋪帶、準(zhǔn)確定位和間隙控制。

2.2.2 超聲切割刀調(diào)整

調(diào)整好超聲切割刀B1、B2的切割深度，防止過切導(dǎo)致料帶斷裂。調(diào)整的方法應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場切割情況再做適應(yīng)性調(diào)整，切割刀見圖3。

圖3 B1、B2超聲切割刀Fig.3 B1、B2 Ultrasonic cutting tool

2.2.3 最小切割角度設(shè)置

機(jī)翼蒙皮在切割形狀時(shí)，最小切割角度的設(shè)計(jì)是否精準(zhǔn)，將直接影響程序生成后置加工代碼，零件鋪層能否鋪放成功。

通過選取材料 T700/LT03A，分別進(jìn)行 1°、2°、3°、4°、5°切割角料帶切割試驗(yàn)，其中鋪放溫度50℃，重復(fù)5次記錄切割及鋪放成功次數(shù)如表1所示。

由表1分析得出，復(fù)雜形狀切割鋪放時(shí)，最小切割角度越小，切割及鋪放成功率越低， T700/LT03A最小切割角度至少應(yīng)大于等于3°。

表1 切割角度以及切割與鋪帶成功次數(shù)

為保證鋪帶效率和成功率，該蒙皮選用T700/LT-03 A高強(qiáng)碳纖維/中溫固化環(huán)氧樹脂干法預(yù)浸料，在程序設(shè)置的切割角度為4°。

2.2.4 Z軸零點(diǎn)的調(diào)整，U軸、K 軸張力的調(diào)整

在Fanuc 30i宏變量（MACRO）面板中調(diào)整宏變量#518（U軸施加的張力）、#519（K軸施加的張力）的數(shù)值，以及Z軸絕對(duì)坐標(biāo)值,以防止料帶背襯紙斷裂和鋪疊面與工裝擬合不夠。宏變量功能如表2所示，設(shè)置如圖4。

表2 宏變量功能

圖4 宏變量設(shè)置Fig.4 Settings of macro-variable

2.2.5 鋪帶程序設(shè)計(jì)

鋪帶機(jī)由150mm幅寬的預(yù)浸料帶逐塊鋪滿一個(gè)鋪層，每一塊的初始鋪放和準(zhǔn)確定位直接關(guān)系到了該條料片能否成功鋪帶，否則褶皺、搭接、間隙超差、定位不準(zhǔn)，將導(dǎo)致料片裁剪變短或作廢，并需重新再次鋪疊。因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)，采取如下措施：

（1）對(duì)于鋪帶足夠長（目前經(jīng)驗(yàn)參數(shù)約為200mm以上）或者料片有一端在零件余量線上的，加長SHOE 的工作長度，以加大料片與工裝或上一鋪層的接觸面積；

（2）鋪帶尾端為直角，且長度較短（約400mm以下）的可以不使用ROLLER的，不進(jìn)行ROLLER切換，改為SHOE鋪放后根據(jù)實(shí)際情況，單獨(dú)進(jìn)行二次壓實(shí)；

（3）對(duì)于長度短于200mm的復(fù)雜圖形或特殊圖形，鋪疊難度較大，改用手鋪或加長鋪層長度。

2.2.6 鋪帶速度的設(shè)置

鋪帶速度與層間剪切強(qiáng)度成反比,在壓輥壓力作用下，樹脂與纖維之間充分浸潤是需要一定時(shí)間的，速度越小，樹脂與纖維之間的浸潤越充分，層間剪切強(qiáng)度越高；反之，鋪放速度越快，層間剪切強(qiáng)度越低，鋪帶成功率也隨之降低，但生產(chǎn)效率高。因此，為了保證生產(chǎn)效率和鋪帶的質(zhì)量，一般設(shè)置20～40m/min（鋪帶機(jī)最大鋪帶機(jī)速度為50m/min）。

2.2.7 鋪帶間隙的控制設(shè)置

在平板工裝和雙曲工裝上，鋪疊長1m的料帶3條，自動(dòng)鋪帶程序分別設(shè)置間隙1mm、2mm和3mm,測量間隙值見表3和圖5。

表3 間隙值

圖5 鋪帶間隙Fig.5 Tape laying gap

鋪帶機(jī)間隙設(shè)定為1.0mm，間隙可控制在2mm以內(nèi)，且沒有搭接現(xiàn)象，滿足工藝鋪帶要求。

2.2.8 自動(dòng)鋪帶輥壓壓力設(shè)置

選取平板工裝,鋪疊厚度為2mm的單向板,選取橡膠輥壓實(shí)壓力分別為1、2、3…7Bar。按JC/T773測試層間剪切強(qiáng)度；按GB/T 3356測試彎曲強(qiáng)度和彎曲模量；同輥壓下試驗(yàn)件的性能數(shù)據(jù)見表4。

表4 輥壓壓力與力學(xué)性能

自動(dòng)鋪帶輥壓測試結(jié)論：

（1）自動(dòng)鋪帶時(shí)，鋪放的層壓板拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度隨橡膠輥壓的變化不大；

（2）自動(dòng)鋪帶時(shí)，彎曲模量在輥壓超過3Bar時(shí)，趨于穩(wěn)定。在低于3Bar下，由于內(nèi)部壓實(shí)不理想，在受到外力時(shí)，應(yīng)變產(chǎn)生在內(nèi)部，外部應(yīng)變較小，因此表現(xiàn)出模量成負(fù)的線性關(guān)系；

（3）自動(dòng)鋪帶時(shí)，彎曲強(qiáng)度隨輥壓增大而上升，但上升幅度有限；

（4）使用T700/LT03A自動(dòng)鋪帶時(shí)，該零件選用橡膠輥壓力為7Bar，一般建議設(shè)置為4～7Bar。

2.3 將程序默認(rèn)的交叉異向鋪帶設(shè)計(jì)改為同向鋪帶

將默認(rèn)的交叉異向鋪帶改進(jìn)為同向鋪帶，提高了設(shè)備運(yùn)行的可控性和安全性。交叉異向鋪帶每鋪帶完成一個(gè)料帶，均會(huì)沿C軸旋轉(zhuǎn)180°，持續(xù)操作設(shè)備時(shí)間較長的操作者，忽略此設(shè)備動(dòng)作易造成工傷事故。而同向鋪帶正好避免了這個(gè)問題，鋪帶均朝同一方向，提高了可控性和安全性。

2.4 自動(dòng)鋪放與激光投影、自動(dòng)下料技術(shù)配合使用

自動(dòng)下料與激光投影技術(shù)配合使用[12-14]，針對(duì)小鋪層手工鋪疊，解決了料片小、鋪帶定位難的問題，保證了零件制造的精確性。

采用上述的鋪帶設(shè)計(jì)和工藝方案，應(yīng)用于某型無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮的制造，經(jīng)過多架份的制造驗(yàn)證，機(jī)翼蒙皮的內(nèi)部質(zhì)量經(jīng)超聲檢測合格，表面質(zhì)量與隨爐件力學(xué)性能合格，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

3 結(jié)論

通過自動(dòng)鋪帶技術(shù)應(yīng)用于某型機(jī)機(jī)翼蒙皮鋪帶，得到以下結(jié)論：

（1） 通過對(duì)某型機(jī)機(jī)翼蒙皮的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造，并符合工藝制造要求，無損檢測合格，隨爐件性能合格；

（2） 采用自動(dòng)下料+激光投影技術(shù)，混合自動(dòng)鋪帶技術(shù)，應(yīng)用于復(fù)合材料小曲率大尺寸零件的制造，可以提高零件的精確制造；

（3） 自動(dòng)鋪帶技術(shù)自有其局限性，我們需要控制好預(yù)浸料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，提高預(yù)浸料帶的可鋪覆性，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)需要不斷總結(jié)調(diào)整鋪帶參數(shù)，才能夠應(yīng)用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造復(fù)合材料零件。

雖然自動(dòng)鋪帶技術(shù)已成功應(yīng)用于某型無人機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮的制造，但鋪帶工裝、零件鋪層的設(shè)計(jì)會(huì)影響自動(dòng)鋪帶技術(shù)的應(yīng)用，所以要想自動(dòng)鋪帶技術(shù)推廣應(yīng)用于各型機(jī)的鋪帶，需要與飛機(jī)設(shè)計(jì)單位協(xié)調(diào)溝通好鋪層的設(shè)計(jì)，與工裝設(shè)計(jì)單位協(xié)商好自動(dòng)鋪帶機(jī)運(yùn)行對(duì)工裝型面的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭金樹. 復(fù)合材料件可制造性技術(shù)[M].北京:航空工業(yè)出版社, 2009.

GUO Jinshu. Composite parts manufacturability technology[M].Beijing: Aviation Industry Press, 2009.

[2] T G古托夫斯基.先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ，2004.

TIMOTHY G Gutowski. Advanced composites manufacturing technology[M]. Beijing: Chemical Industry Press， 2004.

[3] 肖軍, 李勇, 李建龍. 自動(dòng)鋪放技術(shù)在大型飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù), 2008(1):50-53.

XIAO Jun, LI Yong, LEE Jianlong. Automatic laying technology application in large aircraft composite structures manufacturing[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2008(1):50-53.

[4] 趙稼祥.碳纖維復(fù)合材料在民用航空上的應(yīng)用[J]. 高科技纖維與應(yīng)用, 2003, 28(3):1-4.

ZHAO Jiaxiang. The application of carbon fiber composites in civil aviation [J]. Hi-Tech Fiber & Application, 2003, 28(3):1-4.

[5] 孫成.復(fù)合材料翼梁自動(dòng)鋪絲技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué), 2013.

SUN Cheng. Composite wing beam automatic wire technology research[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2013.

[6] 何東曉.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天的應(yīng)用綜述[J].高科技纖維與應(yīng)用, 2006(2):9-11,19.

HE Dongxiao. The application of advanced composite materials in aerospace were summarized[J]. Hi-Tech Fiber & Application, 2006(2):9-11,19.

[7] 杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2007(1):1-12.

DU Shanyi. Advanced composite materials and aerospace[J]. Journal of Composite Materials, 2007(1):1-12.

[8] 趙渠森.先進(jìn)復(fù)合材料手冊(cè)[M]. 北京.機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

ZHAO Qusen.Advanced composite materials handbook[M].Beijing:China Machine Press, 2003.

[9] 陳紹杰.先進(jìn)復(fù)合材料的近期發(fā)展趨勢[J].材料工程,2004(9):9-13,18.

CHEN Shaojie. Recent development trends of advanced composite materials[J]. Materials Engineering, 2004(9):9-13,18.

[10] 范玉青，梅中義，陶劍.大型飛機(jī)數(shù)字化制造工程[M]. 北京:航空工業(yè)出版社, 2011.

FAN Yuqing.MEI Zhongyi.TAO Jian.Digital manufacturing engineering of large aircraft[M]. Beijing: Aviation Industrial Press, 2011.

[11] 葉進(jìn). 自動(dòng)鋪帶CAM技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué), 2009.

YE Jin. Automatic tape-laying CAM technology research[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2009.

[12] 尤春風(fēng). CATIA V5曲面造型[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2002.

YOU Chunfeng. CATIA V5 surface modeling [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2002.

[13] 勝選禹. CATIA V5基礎(chǔ)與實(shí)例教程[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

SHENG Xuanyu. CATIA V5 Basic tutorial and examples [M]. Beijing:Chemical Industry Press, 2009.

[14] 李平建.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理教程.成都:電子科技大學(xué)出版社, 1998.

LI Jianping. Computer graphics principle tutorial. Chengdu: UEST Press, 1998.