李林

摘 要：大尺寸復(fù)合材料蒙皮相較金屬材料會起到較好的減重效果，且明顯降低制造成本和簡化工藝過程。隨著復(fù)合材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用使飛機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕質(zhì)化、模塊化。復(fù)合材料先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)使大尺寸飛機(jī)蒙皮的設(shè)計(jì) 、生產(chǎn)成為可能。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)制造一體化，自動鋪帶（ATL），預(yù)成型

大型金屬材料蒙皮滾彎、液壓及化銑成型，成本高，材料利用率低，工藝過程繁瑣。相較金屬材料，復(fù)合材料整體鋪疊工藝過程簡化。但大尺寸的復(fù)合材料蒙皮鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的加工方法，先按下料樣板剪裁預(yù)浸料，然后畫線定位手工鋪貼、壓實(shí)，因此效率低且零件內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定性差，鋪層位置尺寸有偏差。設(shè)計(jì)制造一體化（DFM）理念的出現(xiàn)，先進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)在復(fù)合材料零件制造方面的應(yīng)用，很好的解決了大尺寸復(fù)合材料蒙皮類零件制造的難題。

以某民機(jī)中央翼盒復(fù)合材料蒙皮為研究對象，解析大尺寸復(fù)合材料蒙皮的先進(jìn)制造技術(shù)。

1 蒙皮規(guī)格

某民機(jī)中央翼盒蒙皮按等強(qiáng)度原則，蒙皮斜坡式漸變厚度設(shè)計(jì)，最大厚度14.803mm，鋪層數(shù)103，最小厚度5.95mm，鋪層數(shù)33，面板3360×2850mm。蒙皮材料選用碳纖維預(yù)浸料。為防電化學(xué)腐蝕，蒙皮內(nèi)、外表面與金屬零件貼合處鋪貼玻璃布。

2 蒙皮成型

大型復(fù)合材料蒙皮整體成型，有3方面的關(guān)鍵技術(shù)：工裝技術(shù)，數(shù)字化技術(shù)，預(yù)成型技術(shù)。

2.1 工裝技術(shù)

工裝是復(fù)合材料制件的成型基礎(chǔ)，工裝要保證制件的形位尺寸，又要適應(yīng)傳熱、傳壓的工藝特點(diǎn)。根據(jù)此蒙皮的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，選用隔板式框架殷鋼結(jié)構(gòu)工裝。

2.2 數(shù)字化技術(shù)

由于蒙皮有外型面要求，需直接在固化工裝上鋪貼。蒙皮是大尺寸且中等曲率零件，適于曲面式自動鋪帶機(jī)（ATL）的應(yīng)用，采用窄帶150mm寬料卷。

應(yīng)用FiberSim軟件對蒙皮制造仿真設(shè)計(jì)，生成制造工程信息以及驅(qū)動鋪層激光投影定位系統(tǒng)、自動下料設(shè)備和纖維鋪放設(shè)備的數(shù)據(jù)。

2.2.1 ATL工作原理及與工裝校準(zhǔn)

工作原理：用于自動鋪帶工藝的預(yù)浸料卷放置在鋪帶機(jī)的工作頭上。自動鋪帶工藝專用的預(yù)浸料是單面帶襯紙的，在鋪疊工作時，原材料從預(yù)浸料卷出來，在壓實(shí)軸處鋪疊在工裝表面，其襯紙會被襯紙回收卷收回。切刀控制鋪層的大小和形狀，滾輪控制襯紙與預(yù)浸料的分離，見圖1。

設(shè)備校準(zhǔn)：

①放置蒙皮固化工裝，工裝由與碳纖維熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)囊箐摬牧现圃欤淠Ｌッ鏋榱慵庑兔妫?/p>

②按模胎面上的靶標(biāo)點(diǎn)通過ATL機(jī)模具坐標(biāo)系校準(zhǔn)系統(tǒng)確定工裝與ATL設(shè)備的位置。

2.2.2 纖維鋪放

①加載激光投影程序，投影第一層玻璃布的位置標(biāo)記，按標(biāo)記手工鋪放一層蒙皮外表面玻璃布膠帶條，并壓實(shí)（壓實(shí)后，揭去表面保護(hù)層）；

②加載碳纖維ATL鋪放指令；為防差錯和測試設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，每次鋪放角度和料卷更換，ATL都要先在模具試鋪放區(qū)試鋪放一段預(yù)浸料，檢查鋪放情況再進(jìn)行工件鋪貼；

③直到鋪完最后一層碳纖維，并按工裝標(biāo)記線修剪到鋪層設(shè)計(jì)邊界線處，見圖2；

④ 用激光投影儀定位蒙皮內(nèi)表面玻璃布位置，人工鋪放一層玻璃布，完成蒙皮鋪貼。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、鋪層等特點(diǎn)，不適用于自動鋪放設(shè)備的，仍由手工鋪貼完成。將零件制造數(shù)模中的鋪層輪廓信息轉(zhuǎn)化為激光投影定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可提高定位精度。自動鋪貼技術(shù)能夠提高鋪層的位置準(zhǔn)確度，滿足設(shè)計(jì)要求的鋪層過渡比例。

2.2.3 預(yù)成型技術(shù)

復(fù)合材料制件要進(jìn)行預(yù)成型。將鋪貼完成的蒙皮在工裝上按相應(yīng)工藝規(guī)程鋪覆無孔膜、吸膠氈、真空袋，并抽真空加壓。吸膠、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性，適時加壓，可排除夾雜的氣泡、多余的樹脂，使零件結(jié)構(gòu)密實(shí)，保證制件厚度，工件形面規(guī)整。預(yù)成型后即可固化成型。

3 結(jié)束語

數(shù)字化制造技術(shù)改變了復(fù)合材料傳統(tǒng)的手工制造模式，實(shí)現(xiàn)了模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，制造精度顯著提高，同時縮短了制造周期，減少了人力投入。復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)是大型飛機(jī)零、部件制造的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 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. 高科技纖維與應(yīng)用.2015（6）第40卷 第3期

[3] 唐珊珊.復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)在壁板上的應(yīng)用.金屬加工-航空航天金屬加工專輯. 2010年增刊