自動鋪帶技術在復合材料小尺寸低曲率制件批量化制造上的應用

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)集團有限責任公司，南昌 330024）

20世紀60年代美國率先研發(fā)出復合材料自動鋪帶技術，并應用于軍用飛機復合材料結構件自動化生產[1–2]。復合材料自動鋪帶技術具有高效、高質量、高精度的特點，已廣泛應用于大型民用飛機、運載火箭等航空航天飛行器，成為發(fā)達國家航空航天領域中大型復合材料構件的成熟制造工藝[3–5]。自動鋪帶技術運用數(shù)控技術實現(xiàn)預浸帶鋪疊的連續(xù)自動化生產，其生產效率為傳統(tǒng)手工鋪疊的10倍以上[6–8]，適用于制造翼面類等大尺寸、低曲率壁板構件，如美國F–22 戰(zhàn)斗機機翼、C–17運輸機的水平安定面蒙皮和 波音787 客機機翼；歐洲

A340客機水平安定面蒙皮、尾翼蒙皮，A380客機的安定面蒙皮和中央翼盒等均采用自動鋪帶技術制造[9–12]。自動鋪帶機主要適用于大型制件、大批量、規(guī)?；淖詣踊圃?，但目前國內航空復合材料制造還是多以小批量、多品種的生產模式，大多制件因為產品結構復雜、尺寸較小，很難適應自動鋪帶制造要求。這種模式的存在限制了自動化制造的需求，這也是國內自動鋪帶機應用不足的一個重要原因。為解決自動鋪帶機的利用率問題，解決產品自動化制造的需求，采取將復合材料零件三維鋪層展開為二維結構，再重新將零散結構片層進行整體化設計，以滿足自動鋪帶要求。FiberSim鋪層展開為二維結構，是一種成熟的技術，傳統(tǒng)的下料裁切就是通過FiberSim下料機接口模塊將鋪層展開為二維結構后導入下料機設備進行自動裁剪，隨后手工鋪貼[13–15]。通過CATIA模塊進行零件排版優(yōu)化，自動鋪帶編程技術優(yōu)化設計，實現(xiàn)多零件組合鋪層編程設計，實現(xiàn)了小尺寸結構翼面類蒙皮的批量化、自動化制造，大大提高制造質量及制造效率，探索出了一條小尺寸、低曲率結構零件批量化自動鋪帶制造技術路徑。

1 產品及設備信息

選取一個典型小尺寸結構復合材料翼面制件，長度約1500mm，寬約500mm，曲率較小，內部結構有多層加強梯層，梯層間距最小的只有2.5mm，且加強層有圓弧過渡特征（圖1），手工鋪貼時較難切割準確。自動鋪帶機可以將加強層直接裁切鋪貼到位，準確性很高。測試采用自動鋪帶機進行編程和鋪貼。鋪帶材料選用成熟XX104/XX300環(huán)氧樹脂預浸料，材料與設備適應性較好，適宜自動鋪放要求。

2 再設計及優(yōu)化

首先將零件三維FiberSim鋪層信息展開為二維結構，通過CATIA進行零件鋪層再設計工作，完成零件鋪層二維化排版及優(yōu)化。隨后通過鋪帶機自帶編程軟件進行編程及優(yōu)化工作。零件鋪帶編程完成2個零件、4個零件自動化編程及優(yōu)化工作，如圖2所示。本測試選取了2塊蒙皮進行組合編程及優(yōu)化。按照設備行程，可同時完成約60個零件的組合鋪放，鑒于制造成本，本文測試同時鋪貼2塊蒙皮。

3 自動鋪帶制造

選取2個零件同時制造，如圖3（a）所示，設備自動化鋪貼零件整層及加強層，完成所有鋪貼及裁切，無需人工干預，最終完成2個零件一次性鋪貼，形成一塊包含兩個零件的層合板預制體，如圖3（b）所示。通過自動鋪帶機超聲裁切刀根據(jù)零件結構尺寸進行裁切（圖3（c）），得到零件二維平板預浸料（圖3（d）），因為鋪貼按照零件的展開數(shù)模進行鋪貼，裁切完成的單件預制體就是零件毛坯預制體，各個整層及加強層尺寸即為零件要求尺寸。鋪貼零件越多，產生廢料越少，材料利用率越高，同時鋪貼效率也越高，有利于大批量的生產。

圖1 零件結構示意圖（經處理）Fig.1 Schematic diagram of part structure (processed)

4 零件固化及檢測

裁切好的零件平板預制體移至成型模上，根據(jù)零件邊線進行定位，從圖4（a）可以看出由于零件本身3D結構屬性，平板預制體不能很好地貼合模具，通過抽真空預壓實，零件表面有輕微褶皺。將零件進熱壓罐固化成型，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層間隙，質量良好。為了進一步確認預壓實褶皺是否會影響纖維的走向，進行了剖切測試，選取零件完整截面不同處進行剖切取樣，并通過顯微鏡觀察，如圖4（d）～（f）零件內部纖維平順，未發(fā)現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，證明零件在固化時沒有出現(xiàn)內部褶皺現(xiàn)象。隨后采用超聲CTS–9008設備進行手工無損檢測，制件內部質量合格，無空隙、氣泡、分層等缺陷，滿足質量要求。

圖2 多零件排版示意圖（經處理）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 結論

通過對三維結構復合材料零件鋪層二維化展開，再利用CATIA進行零件重新排版、鋪層設計，鋪帶編程技術進行編程設計，可以完成零件大批量的同時排版設計及制造，從而實現(xiàn)小尺寸、低曲率結構零件的批量化制造，為小尺寸、低曲率結構復合材料制件批量自動化制造提供了一種技術途徑，同時也為復合材料自動鋪帶技術提供了一個很好的應用場景，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量及效率，提高了材料利用率，降低制造成本。