大尺寸復(fù)合材料長(zhǎng)桁數(shù)字化制造技術(shù)

李林

（沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110850）

摘要：大型整體化的復(fù)合材料件會(huì)起到較好的減重效果，明顯提升飛機(jī)的整體效能，簡(jiǎn)化裝配工藝。但大尺寸長(zhǎng)桁類的復(fù)合材料制件預(yù)成型體縱向穩(wěn)定性差，傳統(tǒng)手工鋪貼鋪層結(jié)構(gòu)尺寸和直線度質(zhì)量穩(wěn)定性差，導(dǎo)致固化后零件形位尺寸有偏差。先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)對(duì)復(fù)合材料長(zhǎng)桁類零件的鋪貼及相應(yīng)工裝制造方面的應(yīng)用，很好的解決了大尺寸長(zhǎng)桁類復(fù)合材料零件制造的難題。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)鋪帶，自動(dòng)裁剪，加熱預(yù)成型

傳統(tǒng)的長(zhǎng)桁加工方法是通過下料樣板裁剪預(yù)浸料，在工裝上人工劃線定位、鋪貼，難以保證較長(zhǎng)尺寸的鋪層纖維的位置和角度精度，影響長(zhǎng)桁零件縱向力學(xué)性能，導(dǎo)致大尺寸長(zhǎng)桁類零件的設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。。先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)代替模擬量工作法，很好的解決了制造精度受限于傳統(tǒng)工具的使用精度和人工操作的準(zhǔn)確度的問題。

大型復(fù)合材料長(zhǎng)桁類零件的成型，針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及存在的主要問題，其成型的關(guān)鍵技術(shù)主要有3個(gè)方面：數(shù)字化技術(shù)、預(yù)成型技術(shù)、工裝技術(shù)。

以飛機(jī)結(jié)構(gòu)較常應(yīng)用的T型復(fù)合材料長(zhǎng)桁為研究對(duì)象，解析復(fù)合材料大尺寸長(zhǎng)桁類零件的數(shù)字化制造技術(shù)。

1 T型長(zhǎng)桁制造分析

根據(jù)長(zhǎng)桁的FiberSIM軟件仿真設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，用平板型自動(dòng)鋪帶機(jī)（ATL）在平面工作臺(tái)上直接鋪放纖維預(yù)浸料，可以選用300mm寬料卷。按各長(zhǎng)桁的厚度優(yōu)化排版布局、鋪放整體層板并由數(shù)控下料機(jī)相應(yīng)剪裁[1]，將剪裁后的層板彎折成L型，再將對(duì)應(yīng)的兩個(gè)L型片放在長(zhǎng)桁模具上由夾具組合成T型長(zhǎng)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[2]。

2 長(zhǎng)桁層板制備

加載ATL鋪放程序，按長(zhǎng)桁設(shè)計(jì)要求鋪疊不同區(qū)域厚度的整體層板，按布局方案生成的下料程序用自動(dòng)剪裁機(jī)制出各長(zhǎng)桁相應(yīng)的展開平面層板[1]。

在大尺寸狀態(tài)下，層板的自動(dòng)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(jié)構(gòu)承受載荷的傳遞。

工程數(shù)模仿真設(shè)計(jì)生成的長(zhǎng)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。

復(fù)合材料的數(shù)字化制造技術(shù)軟件平臺(tái)及數(shù)字化制造設(shè)備的應(yīng)用，構(gòu)建了復(fù)合材料數(shù)字化的生產(chǎn)線。復(fù)合材料的數(shù)字化制造有效解決了“質(zhì)量穩(wěn)定性差”、“精度差”這兩大困擾復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展的問題[3]。

3 長(zhǎng)桁層板熱預(yù)成型

3.1 加熱預(yù)成型設(shè)備

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

3.2 熱預(yù)成型

①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(zhǎng)桁層板加熱至60°C，熱壓成L型；

②制備用于填補(bǔ)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(yù)成型；

對(duì)長(zhǎng)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。

對(duì)于大型復(fù)合材料件，預(yù)成型工序是控制內(nèi)部質(zhì)量、尺寸質(zhì)量的關(guān)健。預(yù)成型工藝是通過升溫降低樹脂粘度使其具有良好的流動(dòng)性，適時(shí)加壓，可排除夾雜的氣泡、揮發(fā)份，使零件密實(shí)；利用吸膠材料吸出多余樹脂，使零件厚度達(dá)到要求；使復(fù)合材料坯料形面規(guī)整，便于后續(xù)組合加工。

4 長(zhǎng)桁預(yù)成型體對(duì)合

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

②裁剪后的層板片邊緣會(huì)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)圖紙對(duì)長(zhǎng)桁立邊有加厚要求的，在層板片對(duì)合處加填充片及對(duì)縫填充卷，見圖3.a；

③層板片對(duì)合后，在長(zhǎng)桁臥邊鋪抗剪切膠膜，用于后續(xù)長(zhǎng)桁與其他零件貼合固化時(shí)防滑，并按長(zhǎng)桁臥邊尺寸修剪膠膜；

④在臥邊預(yù)成型工裝上，按航向順序擺放對(duì)合的長(zhǎng)桁模具并真空壓實(shí)預(yù)成型長(zhǎng)桁，見圖3.b；

工裝是復(fù)合材料制件的成型基礎(chǔ)，工裝既要保證復(fù)合材料制件的形位尺寸，同時(shí)又要充分適應(yīng)復(fù)合材料制件傳熱、傳壓的成型工藝特點(diǎn)。數(shù)控加工的殷鋼材質(zhì)的各成型工裝是保證制件尺寸準(zhǔn)確性的關(guān)健。

5 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)鋪帶和裁剪及熱成型技術(shù)的應(yīng)用，不僅解決了大尺寸長(zhǎng)桁類復(fù)合材料零件縱向穩(wěn)定性差導(dǎo)致的元件形位尺寸精度差的制造難題，而且體現(xiàn)出成型自動(dòng)化、數(shù)字化相對(duì)于傳統(tǒng)成型方法的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，預(yù)示著高效率、高質(zhì)量的復(fù)合材料成型自動(dòng)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(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 黃瑩.復(fù)合材料熱隔膜預(yù)成型工藝分析.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程[J].2015年9月第44卷

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