基于手工鋪貼曲面工裝的自動鋪帶軌跡設(shè)計(jì)差異性研究

（航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330024）

先進(jìn)復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、比模量，耐腐蝕性能優(yōu)越，抗疲勞性能好及結(jié)構(gòu)整體化、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，一架飛機(jī)上的復(fù)合材料用量已經(jīng)成為衡量其先進(jìn)性的重要指標(biāo)[1–5]。具有高效率、高質(zhì)量和低成本優(yōu)點(diǎn)的自動鋪帶技術(shù)則是復(fù)合材料能夠廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，其應(yīng)用大大提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的成型效率、質(zhì)量穩(wěn)定性和材料利用率[6-9]。20世紀(jì)60年代，美國Vought 公司開發(fā)出第一臺自動鋪帶機(jī)并用于F16 戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料機(jī)翼部件制造。20世紀(jì)80年代以后，隨著商用飛機(jī)的發(fā)展，自動鋪帶技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于商業(yè)飛機(jī)的制造領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展與完善，自動鋪帶設(shè)備和技術(shù)在美國和歐洲已經(jīng)相當(dāng)成熟，并大規(guī)模應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件的制造，如F22 機(jī)翼蒙皮，C17 運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮，波音777和空客 A340 機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等[6,10-12]。另外最新的民用飛機(jī)波音787 水平尾翼翼面、SC47-48 機(jī)身段長桁、SC43 機(jī)身段長桁、SC45中央翼盒和機(jī)翼翼梁，空客A350 機(jī)翼、中央翼盒、水平尾、垂直尾翼蒙皮等均采用了自動鋪帶技術(shù)。但國內(nèi)自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用仍然處于比較初級的階段，南京航空航天大學(xué)于2005年率先成功研制了第一臺原理樣機(jī)，為國內(nèi)自動鋪放技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)[6]。另外一些航空制造企業(yè)采購了國外成熟的自動鋪帶機(jī)也開展了一些前期工藝技術(shù)研究。造成自動鋪帶技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展緩慢有多方面原因，裝備技術(shù)發(fā)展落后、材料應(yīng)用開發(fā)緩慢、技術(shù)技能人員儲備不足等，除此之外，還有一個(gè)重要原因是現(xiàn)有的復(fù)合材料制造多以手工為主，在向自動化制造轉(zhuǎn)型時(shí)存在很多問題，轉(zhuǎn)型成本較高，比如現(xiàn)有的復(fù)合材料成型工裝按照手工鋪貼方式制造，不符合自動鋪帶制造的要求，在采用自動化鋪貼時(shí)，設(shè)備與工裝存在一個(gè)匹配性及鋪貼干涉問題。

本文選取一個(gè)民機(jī)試驗(yàn)件復(fù)合材料手工鋪貼工裝為研究對象，通過自動鋪帶編程技術(shù)對零件不同復(fù)合材料鋪層進(jìn)行特定的分析、模擬、優(yōu)化，最終解決現(xiàn)有手工鋪貼工裝自動鋪放適應(yīng)性問題，順利實(shí)現(xiàn)零件自動化鋪貼，也為傳統(tǒng)手工鋪貼工裝采用自動化鋪貼提供一條解決途徑，有利于促進(jìn)自動鋪帶技術(shù)在批量型號上的應(yīng)用。

1 產(chǎn)品對象及設(shè)備信息

選取一種典型的手工鋪貼工裝，其與自動鋪貼工裝主要區(qū)別見表1。

圖1為工裝零件示意圖，其中圖1（a）為零件工裝結(jié)構(gòu)，零件邊緣線外一般順型預(yù)留約30mm余量。但是，要采用自動鋪帶機(jī)鋪貼，一般工裝的零件邊緣外沿型面曲率順延約1個(gè)料帶寬的余量，一般為150～300mm，不同鋪貼料帶寬要求不一樣，以滿足鋪帶頭逼近時(shí)壓輥輥壓支撐需求（圖1（b））。圖1（c）為零件頂視圖，尺寸1936mm×1230mm，整體鋪層為16層，其中1～4層為整體鋪層，5～12層為交替插層，13～16為整體鋪層，鋪層設(shè)計(jì)方向主要有0°、45°、90°、–45°。

鋪帶設(shè)備為M.Torres 新一代自動鋪帶機(jī)，設(shè)備行程18m×7.8m×1.5m，A為±25°，C為±190°。鋪帶材料選用成熟XX531/XX800TH（150mm、75mm）環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，材料黏度適中，材料與襯紙黏性較好，卷料較為平整，適宜自動鋪放要求。

該自動鋪帶機(jī)工作原理如圖2所示，龍門結(jié)構(gòu)（X、Y、Z）運(yùn)動控制空間位置，鋪帶頭完成預(yù)浸料材料的送料、切割、收卷及檢測等功能。鋪帶頭在工件起始位置使用壓靴施壓于襯紙上，將材料鋪貼至模具表面，如圖2（b）所示。鋪貼啟動后一定距離（可設(shè)定）壓輥與壓靴進(jìn)行交換，如圖2（c）所示，采用壓輥進(jìn)行鋪貼以獲得更大的鋪貼壓實(shí)力及更好的鋪貼效果，同時(shí)將材料與襯紙分離，完成鋪貼過程，如圖2（d）所示。這種工作原理和結(jié)構(gòu)形式對于鋪貼工裝結(jié)構(gòu)形式有一定要求，工裝型面需要平緩漸變過渡，不能出現(xiàn)突變轉(zhuǎn)角等結(jié)構(gòu)，否則容易產(chǎn)生干涉。

圖1 工裝及零件示意圖Fig.1 Schematic diagram of tooling and parts

圖2 鋪帶機(jī)結(jié)構(gòu)及工作示意圖Fig.2 Structure and working diagram of automatic tape laying machine

表1 手工鋪貼工裝與自動鋪帶工裝主要設(shè)計(jì)區(qū)別Table1 Main design difference between hand-laid and automatic tape laying tooling

2 自動鋪帶編程及分析優(yōu)化

以不同鋪放角度展開分析和驗(yàn)證。

2.1 0°方向編程及優(yōu)化

通過圖3零件數(shù)模分析可知，圖3（a）零件為單曲率等直件，左右對稱，零件邊緣角度為25.938°，超過設(shè)備25°A擺角極限，采用一邊對齊方式進(jìn)行編程，會導(dǎo)致另一邊角度超程。通過調(diào)整起始點(diǎn)（Starting Point）位置，將0°料帶按照零件型面對稱分布鋪貼，如圖3（d）所示，右側(cè)鋪帶路徑軌跡中心線向上移動，左側(cè)向下移動，擺角減小，最終達(dá)到24.5°，使得兩側(cè)極限擺角均在設(shè)備鋪貼范圍之內(nèi)，完成編程及后置處理。

2.2 45°方向編程及優(yōu)化

如圖4所示，由于手工鋪貼工裝沒有預(yù)留設(shè)備鋪貼余量，45°鋪貼時(shí)，在工裝兩側(cè)開始鋪貼容易造成設(shè)備壓靴壓輥交替時(shí)壓輥空間不足，造成鋪貼干涉（圖4（a）白色虛線內(nèi)所示），為了盡量避免壓輥過度變形，程序中調(diào)整部分料帶鋪貼方向（圖4（c）白色虛線內(nèi)所示），將兩側(cè)的料帶鋪貼起始位置設(shè)置在工裝0°方向，避開工裝兩側(cè)平臺干涉區(qū)（圖4（b）白色虛線內(nèi)所示），使鋪貼更為順利、高效。由于工裝對稱，–45°與45°編程策略相同。

2.3 90°方向編程及優(yōu)化

90°鋪放存在問題最大，采用零件邊界進(jìn)行編程鋪貼時(shí)，壓靴與壓輥交換時(shí)壓輥壓在工裝兩側(cè)平臺上，超過壓輥可適應(yīng)變形行程，設(shè)備由于干涉停止運(yùn)行。為了順利進(jìn)行鋪貼，重新設(shè)計(jì)90°鋪層，將零件鋪貼邊緣擴(kuò)展至兩側(cè)平臺上，同時(shí)將壓靴及壓輥交換點(diǎn)遷移至平臺上（圖5），讓壓靴、壓輥順利交換，避免壓輥與工裝干涉而停機(jī)，鋪貼完成后將鋪貼余量切除。

3 零件自動鋪帶驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化程序進(jìn)行鋪貼，可以順利進(jìn)行各個(gè)角度鋪貼（圖6）。0°鋪放時(shí)A 擺最大位置沒有超過極限位置，如圖6（a）和（b）所示?！?5°鋪貼通過鋪貼方向的改變可以盡量避免在模具左右兩側(cè)起始鋪貼造成對壓輥的壓迫，如圖6（c）和（d）所示。90°鋪貼根據(jù)編程優(yōu)化策略，改變鋪貼起始位置，使壓靴和壓輥在模具兩側(cè)平臺上交換，避免曲面上交換造成的壓輥干涉，鋪貼比較順利，如圖7所示。

圖4 45°編程分析Fig.4 Programming analysis in 45°

圖5 90°編程分析Fig.5 Programming analysis in 90°

圖6 0°、45°自動鋪放圖Fig.6 Automatic laying picture in 0° and 45°

圖8展示一些典型鋪層的實(shí)際鋪貼效果，圖8（a）顯示45°鋪貼邊緣平整，端面切割誤差在0.5mm 以內(nèi)（圖8（e））；圖8（b）顯示內(nèi)部插層的鋪貼圖，鋪貼平整，輪廓清晰，無鋪貼缺陷；圖8（c）和（d）顯示，0°、90°鋪貼間隙比較均勻，在1.5mm 以內(nèi)整體鋪貼質(zhì)量良好，滿足工藝要求。

4 零件固化及無損檢測

將鋪貼后零件進(jìn)行熱壓罐固化成型處理，固化參數(shù)為80℃加壓至0.6MPa,升溫至（130±5）℃，保溫2h，再升溫至180～190℃保溫3h，最后≤3℃/min 降溫至60℃以下出罐脫模，固化后零件表面質(zhì)量良好。隨后采用汕超CTS-9008 設(shè)備進(jìn)行無損檢測，制件內(nèi)部質(zhì)量合格，無空隙、氣泡和分層等缺陷，滿足質(zhì)量要求（圖9）。

圖7 90°自動鋪放圖Fig.7 Automatic laying picture in 90°

圖8 典型鋪層鋪放效果圖Fig.8 Typical layer tape laying renderings

5 結(jié)論

圖9 固化后零件效果圖Fig.9 Cured part renderings

通過對自動鋪帶編程技術(shù)的分析及優(yōu)化，可以在手工鋪貼模具上順利實(shí)現(xiàn)某型號壁板蒙皮自動鋪帶。同時(shí)基于自動鋪帶編程技術(shù)分析總結(jié)，傳統(tǒng)手工鋪貼模具應(yīng)用自動鋪帶機(jī)鋪貼時(shí)采取相應(yīng)策略，是可以實(shí)現(xiàn)鋪放的，即自動鋪帶技術(shù)在現(xiàn)有復(fù)合材料手工鋪貼工裝上應(yīng)用具有可行性。

（1）通過鋪貼中心線調(diào)整，盡量使零件0°左右兩側(cè)極限位置對稱，如果工裝非對稱結(jié)構(gòu)，可以通過旋轉(zhuǎn)工裝抬高低側(cè)，提高設(shè)備A擺角的利用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備鋪放的可達(dá)性。

（2）通過零件的鋪貼面優(yōu)化及選擇，調(diào)整設(shè)備鋪貼區(qū)域，可以規(guī)避由于現(xiàn)有手工鋪貼工裝的鋪貼干涉。

（3）通過鋪貼路徑方向、路徑的選擇及優(yōu)化，可以規(guī)避鋪貼干涉，提高鋪貼效率。