衛(wèi)漢華

(香港理工大學(xué)工業(yè)中心，香港)

1 問題的提出

本文中的復(fù)合材料是指由高性能樹脂基體與石墨、玻璃、芳綸等連續(xù)長纖維，通過加溫、加壓固化后制成，具有高纖維含量(50%以上)和低空泡率(1%以下)的先進復(fù)合材料。先進復(fù)合材料與一般復(fù)合材料相比，具有高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點，用于客機上能大大節(jié)約燃料和維護開支。

復(fù)合材料部件制造的主要特征是部件的結(jié)構(gòu)成型與材料形成同時完成。由于部件的材料選擇與結(jié)構(gòu)成型工藝方法密切相關(guān)，復(fù)合材料部件的成型也演變出多種不同工藝，典型的飛機單體復(fù)合材料部件的工藝流程大致可歸納為以下5個環(huán)節(jié):

a.下料。將成卷的預(yù)浸漬纖維布或纖維帶材料剪切成需要的長度和形狀。

b.鋪放。將纖維按設(shè)計要求疊放在模具上并壓實。

c.固化。利用熱壓罐、電爐、電熱毯等將復(fù)合材料中的樹脂基體加熱固化。

d.修剪。將固化后的復(fù)合材料部件從模具上取下，去除部件的毛邊和開孔。

e.檢查。利用超聲波探傷儀等非損探傷手段，檢查纖維層的膠合效果。

在以上5個環(huán)節(jié)中，下料和修剪是最早實現(xiàn)數(shù)字化制造的工藝環(huán)節(jié)，下料用的激光切割機和修剪用的多軸數(shù)控鏤銑機已發(fā)展成熟，目前復(fù)合材料數(shù)字化制造的技術(shù)熱點是用于鋪放和探傷環(huán)節(jié)的各種裝備的自動化。

由于復(fù)合材料的單層強度呈正交異性，為了盡量將纖維方向與部件的主荷載方向匹配，設(shè)計人員必須對部件內(nèi)部的纖維層排列進行優(yōu)化。由圖1可見，優(yōu)化后的部件往往需要多至數(shù)十層不同規(guī)格的纖維片層按 0°、90°、+45°、－45°等不同角度準(zhǔn)確交疊。

圖1 波音737客機控制面纖維材料與鋪放順序例

由于復(fù)合材料鋪貼流程非常復(fù)雜繁瑣，手工鋪放在目前的復(fù)合材料部件生產(chǎn)中仍然起著重要作用。以波音737客機平尾為例，其纖維鋪貼的勞動工時占總工時的比例高達31%。

隨著先進復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用比率擴大，復(fù)合材料部件尺寸和形狀也進一步向大型化和復(fù)雜化發(fā)展，如圖2所示的A380客機上使用復(fù)合材料的主結(jié)構(gòu)部件，其體積大、形狀復(fù)雜，采用手工鋪放無法滿足生產(chǎn)速度的要求。

圖2 A380客機上使用復(fù)合材料的主結(jié)構(gòu)

2 復(fù)合材料的自動鋪放[1]

利用數(shù)控機床代替人工來鋪放纖維有以下優(yōu)點:

a.生產(chǎn)速度由手工鋪放的 1kg/h提高至10kg/h，增加樹脂基體可操作時間內(nèi)的纖維鋪放量，有利于生產(chǎn)更大型的工件。

b.杜絕鋪放出錯的機會，并提高纖維片層之間的定位精度，有利于設(shè)計更加復(fù)雜的復(fù)合材料部件。

c.在鋪放的同時可向疊層施加緊壓力，免除鋪放多層纖維期間加入壓緊工序(De－bulking)，有利于降低成品的空泡率和減少片層錯位。

復(fù)合材料的自動鋪放機床主要分為纖維纏繞機床和自動鋪放機床2種，自動鋪放機床可再分為自動鋪帶(Automated Tape Laying，ATL)機床和自動纖維鋪放(Automated Fiber Placement，AFP)機床2種。2種機床的操作原理相近，在應(yīng)用上也有一定的市場重疊，市場上對兩者的發(fā)展前景還存在不同意見。

2.1 纖維纏繞機床

纖維纏繞機床是最早出現(xiàn)的自動鋪放機床，主要用于壓力容器、管道等簡單回轉(zhuǎn)體的制造。纖維纏繞機床的主要功能是將浸漬了樹脂的纖維絲束沿設(shè)計的線型軌跡纏繞到芯模表面上，達到均勻布滿芯模表面的目的。一般纏繞機床通常是以芯模軸的旋轉(zhuǎn)運動作為基準(zhǔn)運動，并控制一個或多個繞絲頭與其相協(xié)調(diào)的空間運動來實現(xiàn)纏繞功能。在纏繞過程中繞絲頭不與工件接觸，只依靠纖維絲的張力來保持纖維緊貼芯模表面，降低空泡率。圖3是典型纖維纏繞機床的外觀。

圖3 EHA公司的BSD Winder纖維纏繞機床

纖維纏繞機床具有結(jié)構(gòu)簡單、纖維鋪放速度高的優(yōu)點，但由于纏繞原理的局限，不適合用于制造外形復(fù)雜，含有負(fù)曲率的回轉(zhuǎn)體表面、曲面構(gòu)件，或具有深槽、加強筋的殼體構(gòu)件。

2.2 自動鋪帶機床

自動鋪帶機床的結(jié)構(gòu)布局與龍門式銑床相似，在相當(dāng)于切削主軸的位置裝有鋪帶頭。鋪帶頭上裝有帶隔離襯紙的單向預(yù)浸纖維帶卷，在鋪帶頭中完成預(yù)定形狀的切割、定位，加熱后，機床按照設(shè)計方向在壓輥作用下，將加熱軟化的纖維帶粘貼到曲率半徑較大且變化較緩的模具表面。圖4是典型的龍門式自動鋪帶機床的外觀。

圖4 Forest－Line自動鋪帶機床和鋪帶頭

鋪帶頭是自動鋪帶機床的核心部件，需完成纖維帶的送帶、切割、襯紙回收、加熱、壓緊等功能，而且由于纖維帶對張力和熱力十分敏感，鋪帶頭在快速粘貼運動中必須保證纖維帶的輸送速度和鋪帶頭相對模具表面的運動速度一致，還要在少于1s內(nèi)將纖維帶從儲藏溫度(22℃以下)加熱至粘軟狀態(tài)(約35℃)，具有相當(dāng)高的技術(shù)難度。

自動鋪帶機床的主要優(yōu)勢在于鋪放速度。一般自動鋪帶機采用的卷寬為200～300mm，在單位運動時間內(nèi)可以覆蓋較大面積，纖維帶卷的輸送機構(gòu)也較為簡單，上料和準(zhǔn)備時間較短，較少出現(xiàn)故障，這些因素都有利于提高自動鋪帶機床的鋪放速度。

然而，由于鋪帶機床本身固有的特點，鋪帶頭的體積較大，纖維帶的彎曲半徑也較大，其結(jié)果就是只有地板、機翼蒙皮、船帆等輕微曲率、大面積而且邊界簡單的工件適合采用自動鋪帶機床進行鋪放。

2.3 自動纖維鋪放機床

自動纖維鋪放機床是綜合了纖維纏繞和自動鋪帶技術(shù)的優(yōu)點發(fā)展起來的一種機床。纖維鋪放機床除了龍門式以外，還有如圖5所示的立柱懸臂式布局，方便在大直徑的模具和型芯的側(cè)面鋪放纖維。

圖5 MAG Viper自動纖維鋪放機床

纖維鋪放機床與自動鋪帶機床的主要差別是將多道6～25mm寬的纖維束輸送到鋪帶頭上，平行集束成纖維帶后鋪放在模具表面。利用該技術(shù)加工時，可以根據(jù)構(gòu)件表面形狀的變化，隨時增減絲束，方便加工復(fù)雜形狀構(gòu)件。由于需要輸送多道纖維束，因此纖維鋪放機床需要在機體或鋪帶頭上安裝體積較大的纖維卷庫和復(fù)雜的送絲機構(gòu)。

纖維鋪放機床的主要優(yōu)勢在于鋪放邊界復(fù)雜多變的部件，其次纖維鋪放機床的纖維用量可以根據(jù)鋪放形狀靈活調(diào)節(jié)，因此產(chǎn)生的下腳料較自動鋪帶機床少1/2至2/3。由于高性能的單向預(yù)浸纖維帶成本高昂，材料利用率較高的纖維鋪放機床具有較佳的運作成本。然而，由于纖維鋪放機床的鋪帶頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，令機床的準(zhǔn)備時間較長和故障率較高，因此纖維鋪放機床不適用于需要大面積覆蓋的部件。

3 自動鋪放機床的技術(shù)難點[2]

雖然纖維鋪放機床在結(jié)構(gòu)和運動學(xué)方面與金切機床相似，而且機床的運動速度和動態(tài)荷載較低，但纖維束的輸送和鋪放也對機床控制系統(tǒng)帶來一系列的技術(shù)難題。

3.1 纖維束的加熱和切割

熱固樹脂預(yù)浸纖維束的工作溫度要求在22℃以下，因此鋪放機床必須做好纖維儲存庫和輸送路徑的熱管理。鋪放機床的鋪帶頭需要將絲束從12～22℃加熱至35℃融軟狀態(tài)，再粘壓在模具或纖維層上。在正常進給速度下，纖維加熱時間小于0.1s，而且熱量輸出必須隨送絲速度變化，否則在鋪帶頭拐彎和變向時纖維會因過熱而提早固化。

目前用于絲束加熱的主要元件有鹵素紅外線燈和激光器2種，鹵素?zé)綦m然成本較低，但必須裝置熱屏障和冷卻風(fēng)道，防止熱量溢出到送絲機構(gòu)。

3.2 纖維絲束的輸送

自動鋪放要求絲束的輸送速度必須與機床的進給速度保持一致，而且在鋪帶頭拐彎、轉(zhuǎn)向而令絲束輸送速度出現(xiàn)變化時，絲束張力必須保持恒定。

由于送絲路徑越長，轉(zhuǎn)向角度越大，絲束彈性和導(dǎo)輪慣性所產(chǎn)生的張力變化越難控制，因此鋪放機床需要裝置如圖6所示的數(shù)控導(dǎo)紗器，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)絲束張力傳感器的數(shù)據(jù)，在0.01s以內(nèi)控制導(dǎo)紗器對絲束進行拉伸，以維持絲束張力不變。

圖6 鋪放機床的導(dǎo)紗器及絲束張力變化控制

3.3 纖維鋪放和緊壓

纖維鋪放的工藝要求送絲機構(gòu)排出的平行絲束，在硅橡膠壓輥的壓力下，與模具或纖維層粘合。為了保證纖維層間不出現(xiàn)空隙，鋪帶頭的旋轉(zhuǎn)運動軸必須控制壓輥的施力方向與工件法向重合，如圖7(a)所示。

如根據(jù)一般金切機床的設(shè)計要求，將回轉(zhuǎn)軸設(shè)在鋪帶頭的后方，當(dāng)壓輥沿工件拐彎時，由于需要保持與工件法向重合，需要以壓輥為中心作復(fù)雜的回轉(zhuǎn)運動。為了簡化機床運動控制，部分鋪放機床采用如圖7(b)所示的以壓輥為中心的虛擬回轉(zhuǎn)軸。

4 自動鋪放機床的創(chuàng)新[3]

圖7 鋪帶壓輥的外觀與鋪帶頭回轉(zhuǎn)軸

雖然自動鋪放機床的鋪放速度遠(yuǎn)高于手工鋪放，但鋪放頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更換材料、排障等環(huán)節(jié)占總生產(chǎn)時間比率較高。桁條、翼梁等飛機部件的Π型截面要求鋪帶頭作180°回轉(zhuǎn)，給送絲機構(gòu)設(shè)計和機床運動學(xué)帶來困難，加上現(xiàn)有自動鋪帶機床體積大、價格高，與目前中、小型飛機部件的廠房和成本條件不符。為了解決以上不足，鋪放機床的生產(chǎn)商正努力推出各種技術(shù)創(chuàng)新。

4.1 模塊化鋪帶頭

為了解決鋪放頭準(zhǔn)備時間長的問題，美國Electroimpact公司的自動纖維鋪放機床采用了可換鋪放頭的方案。如圖8所示。

圖8 Electroimpact公司的自動纖維鋪放機床

Electroimpact公司將16卷纖維束整合在圓盤形的鋪放頭上，形成一體式的鋪放頭，當(dāng)需要補充纖維帶或排障時，機床可以在數(shù)分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)換備用的鋪放頭繼續(xù)鋪放操作，讓操作員可以離線進行補充和排障工作。

一體式的鋪放頭除了縮短停機時間外還帶來其他優(yōu)點。首先，纖維帶的走帶路徑可以從10～15m縮短至約2m，而且路徑長度不會隨鋪放頭的轉(zhuǎn)角而變化，纖維帶的送帶速度和張力控制因而可以較易控制;其次，鋪帶頭的旋轉(zhuǎn)角度不受走帶路徑局限，可以實現(xiàn)180°以上的旋轉(zhuǎn)，令單臺纖維鋪放機床可以鋪放Π型截面的大半徑艙樑等客機組件。

4.2 纖維鋪放機器人

基于多軸加工中心構(gòu)造的纖維鋪放機床功能齊全、鋪放路徑寬、速度高。但是目前已實現(xiàn)商品化的機床體積較大、設(shè)備投資高昂，用于體積較小的部件很難達到成本效益。基于6自由度機器人構(gòu)造的鋪放機床是針對小體積、造型復(fù)雜部件的解決方案?；跈C器人的鋪放機床如圖9所示，在6自由度機器人上安裝小型的鋪放頭，與芯模軸的旋轉(zhuǎn)運動配合，實現(xiàn)纖維鋪放功能。

圖9 Automated Dynamics公司的鋪放機床

目前Automated Dynamics公司和Electroimpact公司均提出了鋪放機器人方案，Automated Dynamics公司方案是纖維卷固定放置在機器人后方的卷庫上，由一系列的導(dǎo)帶輪帶送至鋪放頭上。

Electroimpact公司的方案是將2卷纖維帶安裝在鋪帶頭上，由氣動控制的浮動剪帶、壓帶機構(gòu)鋪放在模具上。為了加快鋪放速度，Electroimpact公司設(shè)計了一個雙向走帶機構(gòu)，令機器人在鋪放短路徑列時，往復(fù)運動均能鋪放纖維帶。如圖10所示。

圖10 Electroimpact公司纖維鋪放機器人外觀及其雙向走帶機構(gòu)

5 結(jié)束語

目前，機翼蒙皮、艙段等面積大、邊界簡單的部件已經(jīng)出現(xiàn)了匹配的纖維鋪放機床，市場上正開始關(guān)注其他較為復(fù)雜部件的自動鋪放問題。根據(jù)對客機復(fù)合材料部件的分析，大部分大型部件的平均鋪放路徑長度僅為2m，以波音787為例，其機首艙段的鋪放路徑中只有8組跨越整個艙段，其余70組路徑由于被舷窗、天線等截斷，并且長度均較短。

展望未來，在提高鋪放速度和縮短準(zhǔn)備時間的同時，提高機床的靈活性和短路徑的鋪放效率，是纖維鋪放機床的主要研發(fā)熱點。

[1] GRANT C.Automated processes for composite aircraft structure[J].Ind Robot，2006，33(2):117－121.

[2] Rudberg T，F(xiàn)lynn R，Nielson J.Production implementation of multiple machine，high speed fiber placement for large structures[J].SAE International Journal of Aerospace，2010，3(1):216－223.

[3] Rudberg T，Purvis A，F(xiàn)aubion G，et al.One Piece AFP Spar Manufacture[M].Aerospace Technology Conference and Exposition.Toulouse:SAE International，2011.