自動(dòng)鋪絲技術(shù)在大尺寸復(fù)合材料壁板上的應(yīng)用研究

何大亮，唐珊珊，劉琦，閆恩瑋，薛凱，薛柯

(中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089)

復(fù)合材料具比強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)點(diǎn)，可有效減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)可靠性，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。隨著原材料制造技術(shù)和自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍日趨廣泛，用量逐漸增大，應(yīng)用部位由副翼、整流罩、擾流板等次承力件逐漸過(guò)渡至機(jī)翼、機(jī)身等主承力件[1-2]。復(fù)合材料手工鋪放成型的方法通常采用自動(dòng)下料、投影、手工鋪放的工藝流程完成零件的鋪貼賦型，適合制造小尺寸、形狀復(fù)雜的零件。對(duì)于一些大尺寸、大厚度的主承力復(fù)材構(gòu)件，手工鋪放難以保證質(zhì)量的穩(wěn)定性，且零件寬度過(guò)大，人工操作難以執(zhí)行，需采用自動(dòng)鋪放工藝來(lái)進(jìn)行零件的制造。大型飛機(jī)B787翼面采用自動(dòng)鋪帶，機(jī)身所有構(gòu)件均采用自動(dòng)鋪絲[3]。自動(dòng)鋪絲技術(shù)相比于自動(dòng)鋪帶技術(shù)有更好的零件適應(yīng)性，更高的材料利用率，伴隨著分切技術(shù)、自動(dòng)換頭技術(shù)的日趨成熟，其制造效率可優(yōu)于自動(dòng)鋪帶技術(shù)，由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，A350翼面采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)進(jìn)行蒙皮的鋪放制造[4-7]。

目前國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院校、單位關(guān)于復(fù)合材料壁板自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究。趙安安等[8]以翼梢小翼蒙皮為研究對(duì)象，分析了復(fù)雜曲面上的自動(dòng)鋪放路徑規(guī)劃方法，針對(duì)復(fù)雜曲面鋪放質(zhì)量差的問(wèn)題，建立了一種復(fù)雜路徑軌跡規(guī)劃方法；唐珊珊等[9]針對(duì)自動(dòng)鋪帶技術(shù)在壁板上的應(yīng)用開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)了壁板的自動(dòng)鋪帶成型；尹書(shū)云[10]針對(duì)自由曲面自動(dòng)鋪絲路徑規(guī)劃方法進(jìn)行了分析與完善，提出了基于多約束模型的鋪絲軌跡規(guī)劃方法；黃新杰等[11]基于響應(yīng)曲面法，制定鋪放外觀評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)X850自動(dòng)鋪絲預(yù)浸料進(jìn)行了鋪絲工藝參數(shù)的摸索。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)自動(dòng)鋪絲技術(shù)在復(fù)合材料壁板上的研究尚處于軌跡規(guī)劃算法原理、原材料性質(zhì)摸索階段，工程化應(yīng)用案例較少。

筆者以大尺寸壁板(長(zhǎng)度大于10 m)的鋪絲制造為研究對(duì)象，首先開(kāi)展國(guó)產(chǎn)T800鋪絲單向帶工藝性能研究，基于最大黏接力的評(píng)價(jià)方法，使用響應(yīng)曲面法獲得了該材料的最佳鋪絲工藝參數(shù)窗口，然后進(jìn)行了平面轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗(yàn)，獲得了該材料的最小鋪絲轉(zhuǎn)彎半徑，再次基于該材料、零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)零件進(jìn)行鋪絲路徑規(guī)劃，使用M.TORRES龍門(mén)鋪絲機(jī)進(jìn)行鋪絲路徑的鋪放驗(yàn)證，最后完成了零件的合格交付。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料工藝性應(yīng)用驗(yàn)證

自動(dòng)鋪絲成形質(zhì)量?jī)?yōu)劣影響了零件性能，在鋪絲過(guò)程中，絲束并未固化，呈現(xiàn)出黏彈性狀態(tài)，預(yù)浸絲束的鋪放質(zhì)量取決于貼合過(guò)程與絲束的變形過(guò)程[12]，為提高鋪放質(zhì)量，從改善貼合過(guò)程與絲束變形過(guò)程兩方面進(jìn)行優(yōu)化。筆者通過(guò)響應(yīng)曲面法，設(shè)計(jì)鋪放試驗(yàn)，得到基于最大黏接力的鋪絲工藝參數(shù)組合，基于該工藝參數(shù)組合，進(jìn)行平面轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗(yàn)，獲得材料最小轉(zhuǎn)彎半徑，提高設(shè)計(jì)靈活性[13]。

使用的材料為高韌性高溫固化環(huán)氧高強(qiáng)中模碳纖維單向帶預(yù)浸料，材料牌號(hào)為AC531/CCF800H，材料生產(chǎn)廠家為中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，絲束寬度6.35 mm，樹(shù)脂含量35%，纖維面密度145 g/m2。

(1) 基于最大黏接力的鋪絲工藝參數(shù)組合篩選試驗(yàn)。

預(yù)浸料之間或預(yù)浸料與模具之間的貼合實(shí)際上是樹(shù)脂黏合片生長(zhǎng)從而浸潤(rùn)鋪層界面的過(guò)程[14]，樹(shù)脂浸潤(rùn)程度及其影響因素可表達(dá)為下述表達(dá)式：

式中：H(0)為流體初始高度；H(t)為t時(shí)刻的流體高度；μ為牛頓流體黏度，該參數(shù)與溫度T成正相關(guān)；F為鋪放壓力；ν為鋪放速度；L為接觸長(zhǎng)度，對(duì)于指定的壓輥，L為固定值。

由上式可知，影響樹(shù)脂浸潤(rùn)程度的工藝參數(shù)為鋪放壓力、加熱溫度、鋪放速度。針對(duì)上述三個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)通過(guò)響應(yīng)曲面法，設(shè)計(jì)鋪放試驗(yàn)。選擇鋪放壓力：300，900，1 500 N，鋪放溫度為20，35，50 ℃，鋪放速度選擇范圍為30，90，150 mm/s。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用蘭博三思試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為L(zhǎng)D36.305。基于響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)的預(yù)浸料層間黏接力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)黏接力Ftack、速度S、壓力F、加熱溫度T進(jìn)行擬合可得到二次回歸擬合方程：

根據(jù)上述方程，可得到自動(dòng)鋪放過(guò)程中層間黏接力最大時(shí)的工藝參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 最優(yōu)工藝參數(shù)以及最大黏接力

(2) AC531最小轉(zhuǎn)彎半徑實(shí)驗(yàn)研究。

在自動(dòng)鋪放過(guò)程中，預(yù)浸料發(fā)生變形主要是纖維縱向受壓縮而產(chǎn)生的微屈曲[15]。路徑外側(cè)的纖維受拉應(yīng)力，由于預(yù)浸料中纖維的拉伸彈性模量較高，纖維的縱向拉伸變形能力有限，產(chǎn)生的變形非常小可近似為零；預(yù)浸料內(nèi)側(cè)纖維受壓應(yīng)力，由于纖維的壓縮彈性模量較小，當(dāng)壓縮應(yīng)力超過(guò)纖維所能承受的極限值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，表現(xiàn)為屈曲變形，宏觀的褶皺是由于壓縮應(yīng)變逐漸變大，并且超過(guò)了一定的極值。這個(gè)極限值就是絲束在鋪絲過(guò)程中需要保證的最小轉(zhuǎn)彎半徑R。

使用前述基于最佳黏接力的評(píng)價(jià)方式確定的鋪絲工藝參數(shù)組合，進(jìn)行不同鋪平面轉(zhuǎn)彎的絲束鋪放，評(píng)價(jià)鋪放質(zhì)量，鋪放質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考中航西飛《復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲成型工藝》表2-C要求：在任意300 mm×300 mm范圍內(nèi)不超過(guò)3處，最大12.7 mm長(zhǎng)的任意尺寸變形和皺褶是可接受的。

試驗(yàn)時(shí)以鋪絲機(jī)內(nèi)側(cè)的第3絲束為研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)依據(jù)，預(yù)浸料寬度ω為6.35 mm，鋪放半徑R以ω為選取基準(zhǔn)：

式中：ω為預(yù)浸料寬度，ε為預(yù)浸料應(yīng)變。

進(jìn)行鋪絲驗(yàn)時(shí)，將預(yù)浸料變形的最大應(yīng)變?chǔ)抛鳛殇伔虐霃絉的選取基準(zhǔn)，根據(jù)上式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 最大應(yīng)變與鋪放半徑對(duì)應(yīng)值

根據(jù)表3進(jìn)行轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗(yàn)，鋪絲前，為模擬真實(shí)零件制造過(guò)程，在工裝表面手工鋪貼一層玻璃纖維織物預(yù)浸料，使用單根絲束，按照預(yù)先設(shè)定鋪絲路徑進(jìn)行不同絲束轉(zhuǎn)彎半徑的鋪放，如圖1～圖2所示。圖1、圖2分別為轉(zhuǎn)彎半徑6 305～1 060 mm和910～580 mm時(shí)的鋪放效果。對(duì)比圖1和圖2可發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)彎半徑增大，褶皺數(shù)量逐漸減少，直到轉(zhuǎn)彎半徑R為3 180 mm時(shí)，褶皺完全消失。

圖1 轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗(yàn)

圖2 轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗(yàn)

為清楚觀察缺陷，從圖中選擇兩個(gè)不同轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)觀察典型的褶皺缺陷，如圖3所示，圖3中所示長(zhǎng)度范圍為300 mm。當(dāng)半徑R為1 590 mm時(shí)，在300 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)出現(xiàn)4處褶皺缺陷；當(dāng)半徑R為2 120 mm時(shí)，在300 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)出現(xiàn)3處褶皺缺陷；當(dāng)半徑R為3 180 mm時(shí)，在300 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)出現(xiàn)1處褶皺缺陷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，轉(zhuǎn)彎半徑為2 120 mm時(shí)，鋪放質(zhì)量滿足要求。鋪絲時(shí)，若鋪放時(shí)絲束轉(zhuǎn)彎半徑小于R，則絲束內(nèi)側(cè)會(huì)產(chǎn)生纖維屈曲，影響鋪絲質(zhì)量。所以，在進(jìn)行鋪絲軌跡規(guī)劃時(shí)，應(yīng)以轉(zhuǎn)彎半徑2 120 mm為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，保證所有鋪絲軌跡的轉(zhuǎn)彎半徑不小于該值。

圖3 鋪放結(jié)果

表4 轉(zhuǎn)彎半徑鋪放結(jié)果

2 自動(dòng)鋪絲路徑規(guī)劃

2.1 蒙皮的曲率連續(xù)性優(yōu)化

原始設(shè)計(jì)數(shù)模中貼膜面存在曲率不連續(xù)的部位，使用Nx Imageware軟件進(jìn)行曲面離散、創(chuàng)建點(diǎn)云截面、構(gòu)建均勻曲線、曲面放樣等操作，對(duì)貼膜面進(jìn)行重構(gòu)，使貼膜面實(shí)現(xiàn)曲率連續(xù)，便于外插延伸，提高鋪絲軌跡生成效率。

2.2 基于質(zhì)量提升的堆棧梯形邊界

材料規(guī)范中一般給出零件固化后厚度，零件進(jìn)行鋪絲軌跡規(guī)劃時(shí)，按照固化后厚度進(jìn)行鋪絲基準(zhǔn)面的生成；由于零件固化后厚度與固化前厚度存在偏差，對(duì)于層數(shù)較少(小于50層)的零件，其差距不明顯；對(duì)于層數(shù)大于100層的零件，鋪放至層數(shù)大于50層時(shí)，由于零件固化前厚度大于固化后厚度，零件實(shí)際鋪放面高于理論鋪貼面，故壓輥會(huì)對(duì)已完成鋪放的鋪層進(jìn)行擠壓，如圖4所示，導(dǎo)致已完成鋪放的鋪層層間脫黏，影響零件質(zhì)量。

圖4 鋪層受擠壓示意圖

對(duì)零件邊界進(jìn)行拓展，1～20層邊界向外延伸100 mm，22～40層邊界向外延伸90 mm，41～60層向外延伸80 mm，通過(guò)不斷地丟層，形成梯形緩坡?tīng)钸^(guò)渡區(qū)，減少壓輥對(duì)鋪層的擠壓，見(jiàn)圖5所示。

圖5 緩坡過(guò)渡示意圖

2.3 鋪絲基準(zhǔn)面的生成

鋪絲軌跡的生成使用TORFIBER軟件，進(jìn)行鋪絲軌跡規(guī)劃前，首先進(jìn)行自動(dòng)鋪絲基準(zhǔn)面生成，為提高計(jì)算效率，同時(shí)兼顧仿真和鋪放精度，每5層使用同一個(gè)參考面，設(shè)定值n=2 (計(jì)算方法為2n+1=5)。

2.4 基于零件結(jié)構(gòu)的鋪絲路徑算法優(yōu)選

TORFIBER軟件配備的常用軌跡生成方法及其適應(yīng)對(duì)象見(jiàn)表5。

表5 路徑生成方法匯總

TORFIBER軌跡規(guī)劃軟件固定角算法原理如圖6所示：將鋪放面進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分，取一三角面片Π1，n代表該三角面片的法向量，l代表所選取的參考線軸線方向向量，若該層鋪放角度為α，則在該面片上的軌跡方向?yàn)関，在Π1上與軸線方向l所成的角度α的向量有兩個(gè)，為保證解的唯一性，將l投影至面片上得到l′，對(duì)比l×v與法向量n的方向，始終保持兩者相同或相反。

對(duì)于主承力構(gòu)件，鋪層角度準(zhǔn)確性是評(píng)價(jià)鋪絲路徑優(yōu)劣的重要指標(biāo)，由于采用固定角算法生成的鋪放路徑能夠保證鋪放角度的準(zhǔn)確性[16]，能夠同時(shí)保證鋪貼角度偏差以及鋪放工藝性，故本零件采用固定角算法進(jìn)行鋪絲路徑生成。

絲束寬度為6.35 mm，所使用的最大鋪絲數(shù)量為16根絲束，絲束角度偏差設(shè)定為(±2)°，絲束組與組之間的間隙設(shè)定為1 mm，按照該參數(shù)進(jìn)行鋪絲路徑的生成。

三角區(qū)內(nèi)邊界覆蓋率選取0%的鋪放策略，保證(±45)°的絲束不超出零件邊界，翼面影響長(zhǎng)桁膠接、肋裝配。對(duì)于蒙皮上由于斷送紗三角區(qū)而形成的局部凹陷，通過(guò)采用軟膜壓力墊的方式來(lái)提高表面質(zhì)量，軟膜壓力墊厚度根據(jù)該區(qū)域處的長(zhǎng)桁厚度確定，壓力墊如圖7所示。

圖7 絲束覆蓋率示意圖

生成的鋪絲軌跡如圖8所示，對(duì)其進(jìn)行鋪絲轉(zhuǎn)彎半徑評(píng)價(jià)以及角度偏差評(píng)價(jià)，根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)定值2 120 mm，角度偏差按照驗(yàn)收技術(shù)條件要求為(±2)°。鋪絲軌跡如圖9所示。

圖8 軟膜壓力墊示意圖

圖9 鋪絲軌跡

2.5 基于效率、質(zhì)量提升的鋪絲軌跡優(yōu)化

(1) 改善鋪絲方向。

鋪絲機(jī)送絲時(shí)，受鋪貼面形狀、壓輥壓深變形等因素影響，送絲端頭精度要低于剪絲時(shí)的精度，剪絲時(shí)則不受上述因素的影響，對(duì)于內(nèi)部的加強(qiáng)層，為保證鋪放精度，統(tǒng)一將剪絲位置設(shè)置于零件內(nèi)部，使鋪絲機(jī)從外向內(nèi)鋪放，提高了端頭鋪絲精度，如圖10～圖11所示。

圖10 優(yōu)化前鋪絲方向

圖11 優(yōu)化后鋪絲方向

(2) 改善最小鋪放長(zhǎng)度鋪貼方向。

受鋪絲頭最小鋪放長(zhǎng)度影響，(±45)°鋪層直角邊界區(qū)域處存在局部邊界超差，該區(qū)域有三種鋪貼方式，如圖12所示。

圖12 最小鋪放長(zhǎng)度鋪放方式示意圖

對(duì)于邊界在零件邊緣處的鋪層，將多余絲束延伸至零件邊緣，后續(xù)進(jìn)行邊緣輪廓銑切時(shí)去除。對(duì)于內(nèi)部邊界，后續(xù)按照已鋪放完成鋪層邊界或使用激光投影儀作為基準(zhǔn)，進(jìn)行手工修整，如圖13所示。

圖13 手工修整示意圖

(3) 內(nèi)部加強(qiáng)層軌跡生成策略調(diào)整。

使用固定角度算法生成的軌跡，由于采用的絲束覆蓋率策略為0%，當(dāng)邊界線方向與鋪層角度方向相差不大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生狹長(zhǎng)的三角區(qū)，影響絲束覆蓋率，如圖14所示。

圖14 狹長(zhǎng)三角區(qū)示意圖

可將軌跡重新生成，選擇“參考平行”的軌跡生成算法，使用“參考平行”的算法時(shí)，需選擇一根參考線，后續(xù)其他所有軌跡與該參考線平行。如圖15所示，對(duì)于該形狀的加強(qiáng)層，參考線選擇圖中所示的曲線，生成的鋪絲路徑以該曲線為基準(zhǔn)與其平行，可以提高絲束覆蓋率。

圖15 生成后的鋪絲軌跡

(4) 鋪絲軌跡后處理。

選擇工裝坐標(biāo)系下的靶標(biāo)點(diǎn)實(shí)測(cè)值作為工裝定位基準(zhǔn)點(diǎn)，沿工裝長(zhǎng)度方向兩側(cè)各選取4個(gè)，共計(jì)8個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)作為基準(zhǔn)，選取點(diǎn)所在位置處的垂直于鋪貼面的法線作為定位的基準(zhǔn)軸線。

(5) 鋪絲軌跡仿真。

基于CATIA V5R21 NC TOOL SIMULATION模塊創(chuàng)建仿真環(huán)境，載入機(jī)床輕量化模型，設(shè)置加工坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系與工裝的相對(duì)位置決定了仿真時(shí)工裝所處機(jī)床工作區(qū)域內(nèi)的位置，應(yīng)將工裝放置于機(jī)床仿真模型中間區(qū)域，工裝沿Z向所在位置應(yīng)與實(shí)際工裝擺放位置接近，距離相差不超過(guò)100 mm。選取鋪絲頭、模具、鋪貼面作為干涉檢查要素，設(shè)置安全距離2 mm，當(dāng)鋪絲頭與模具或鋪貼面之間的距離小于2 mm時(shí)，干涉檢查報(bào)警并記錄干涉位置。

3 零件制造

使用生成的鋪絲路徑程序進(jìn)行零件的制造，所使用的設(shè)備為龍門(mén)鋪絲機(jī)，制造過(guò)程如圖16所示，溫度、壓力、鋪放速度等鋪絲工藝參數(shù)選用前述最佳組合，鋪絲過(guò)程中組與組之間間隙均勻無(wú)搭接，無(wú)目視可見(jiàn)的褶皺、氣泡、翻折等鋪絲缺陷，固化后的零件內(nèi)部無(wú)損質(zhì)量、厚度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖16 零件鋪絲制造

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)T800材料的基礎(chǔ)鋪絲工藝性能開(kāi)展研究，使用基于最大黏接力的評(píng)價(jià)方法，使用響應(yīng)曲面法獲得了該材料的最佳鋪絲工藝參數(shù)窗口。基于該工藝參數(shù)窗口進(jìn)行了平面轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗(yàn)，獲得了該材料的最小鋪絲轉(zhuǎn)彎半徑?；谠摬牧?、零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)零件進(jìn)行鋪絲路徑規(guī)劃，使用龍門(mén)鋪絲機(jī)進(jìn)行鋪絲路徑的鋪放，并完成了零件的制造，有效地推動(dòng)了自動(dòng)鋪絲技術(shù)在大尺寸復(fù)合材料壁板上的應(yīng)用，多項(xiàng)技術(shù)可在其他零件上的推廣應(yīng)用。但是，試驗(yàn)過(guò)程中暴露出以下問(wèn)題：

(1) 計(jì)制造一體化程度還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

該零件鋪層設(shè)計(jì)之初未充分考慮自動(dòng)鋪絲工藝自身特點(diǎn)，如最小鋪放長(zhǎng)度、最小重送距離等鋪絲工藝代入的局部邊界超差問(wèn)題，該問(wèn)題可通過(guò)完善設(shè)計(jì)數(shù)模堆棧邊界的方式來(lái)可解決，提高制造效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。

（2） 原材料單卷絲束長(zhǎng)度需加長(zhǎng)。

國(guó)產(chǎn)碳纖維絲束每卷絲長(zhǎng)約600米，與進(jìn)口材料每卷3 000余米的長(zhǎng)度相差較大，鋪放時(shí)需頻繁換絲，換絲導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響自動(dòng)鋪絲工藝制造效率的發(fā)揮。

后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計(jì)制造一體化程度，從設(shè)計(jì)端進(jìn)行鋪層優(yōu)化改進(jìn)，從制造端進(jìn)行制造效率和質(zhì)量提升，從材料端提高材料單卷絲束長(zhǎng)度、分切質(zhì)量，多方協(xié)同，共同推進(jìn)自動(dòng)鋪絲技術(shù)深度應(yīng)用。