何大亮，唐珊珊，劉琦，閆恩瑋，薛凱，薛柯

(中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089)

復(fù)合材料具比強度高、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)點，可有效減輕飛機結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高燃油經(jīng)濟性和結(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)和自動化制造技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在飛機上的應(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渡至機翼、機身等主承力件[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，且零件寬度過大，人工操作難以執(zhí)行，需采用自動鋪放工藝來進行零件的制造。大型飛機B787翼面采用自動鋪帶，機身所有構(gòu)件均采用自動鋪絲[3]。自動鋪絲技術(shù)相比于自動鋪帶技術(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)、自動換頭技術(shù)的日趨成熟，其制造效率可優(yōu)于自動鋪帶技術(shù)，由于其諸多優(yōu)點，A350翼面采用自動鋪絲技術(shù)進行蒙皮的鋪放制造[4-7]。

目前國內(nèi)相關(guān)科研院校、單位關(guān)于復(fù)合材料壁板自動鋪絲成型技術(shù)開展了相關(guān)研究。趙安安等[8]以翼梢小翼蒙皮為研究對象，分析了復(fù)雜曲面上的自動鋪放路徑規(guī)劃方法，針對復(fù)雜曲面鋪放質(zhì)量差的問題，建立了一種復(fù)雜路徑軌跡規(guī)劃方法；唐珊珊等[9]針對自動鋪帶技術(shù)在壁板上的應(yīng)用開展研究，實現(xiàn)了壁板的自動鋪帶成型；尹書云[10]針對自由曲面自動鋪絲路徑規(guī)劃方法進行了分析與完善，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，制定鋪放外觀評分標準，對X850自動鋪絲預(yù)浸料進行了鋪絲工藝參數(shù)的摸索。目前國內(nèi)針對自動鋪絲技術(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(長度大于10 m)的鋪絲制造為研究對象，首先開展國產(chǎn)T800鋪絲單向帶工藝性能研究，基于最大黏接力的評價方法，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，然后進行了平面轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗，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，對零件進行鋪絲路徑規(guī)劃，使用M.TORRES龍門鋪絲機進行鋪絲路徑的鋪放驗證，最后完成了零件的合格交付。

1 實驗部分

1.1 原材料工藝性應(yīng)用驗證

自動鋪絲成形質(zhì)量優(yōu)劣影響了零件性能，在鋪絲過程中，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)量取決于貼合過程與絲束的變形過程[12]，為提高鋪放質(zhì)量，從改善貼合過程與絲束變形過程兩方面進行優(yōu)化。筆者通過響應(yīng)曲面法，設(shè)計鋪放試驗，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，進行平面轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗，獲得材料最小轉(zhuǎn)彎半徑，提高設(shè)計靈活性[13]。

使用的材料為高韌性高溫固化環(huán)氧高強中模碳纖維單向帶預(yù)浸料，材料牌號為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。

預(yù)浸料之間或預(yù)浸料與模具之間的貼合實際上是樹脂黏合片生長從而浸潤鋪層界面的過程[14]，樹脂浸潤程度及其影響因素可表達為下述表達式：

式中：H(0)為流體初始高度；H(t)為t時刻的流體高度；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為接觸長度，對于指定的壓輥，L為固定值。

由上式可知，影響樹脂浸潤程度的工藝參數(shù)為鋪放壓力、加熱溫度、鋪放速度。針對上述三個參數(shù)設(shè)計通過響應(yīng)曲面法，設(shè)計鋪放試驗。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。

實驗設(shè)備使用蘭博三思試驗機，型號為LD36.305?；陧憫?yīng)曲面法設(shè)計的預(yù)浸料層間黏接力的實驗結(jié)果見表1。

表1 試驗結(jié)果

對黏接力Ftack、速度S、壓力F、加熱溫度T進行擬合可得到二次回歸擬合方程：

根據(jù)上述方程，可得到自動鋪放過程中層間黏接力最大時的工藝參數(shù)，見表2。

表2 最優(yōu)工藝參數(shù)以及最大黏接力

(2) AC531最小轉(zhuǎn)彎半徑實驗研究。

在自動鋪放過程中，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，當壓縮應(yīng)力超過纖維所能承受的極限值時，就會產(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，并且超過了一定的極值。這個極限值就是絲束在鋪絲過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價方式確定的鋪絲工藝參數(shù)組合，進行不同鋪平面轉(zhuǎn)彎的絲束鋪放，評價鋪放質(zhì)量，鋪放質(zhì)量評價標準參考中航西飛《復(fù)合材料自動鋪絲成型工藝》表2-C要求：在任意300 mm×300 mm范圍內(nèi)不超過3處，最大12.7 mm長的任意尺寸變形和皺褶是可接受的。

試驗時以鋪絲機內(nèi)側(cè)的第3絲束為研究對象來進行試驗依據(jù)，預(yù)浸料寬度ω為6.35 mm，鋪放半徑R以ω為選取基準：

式中：ω為預(yù)浸料寬度，ε為預(yù)浸料應(yīng)變。

進行鋪絲驗時，將預(yù)浸料變形的最大應(yīng)變ε作為鋪放半徑R的選取基準，根據(jù)上式進行計算，結(jié)果見表3。

表3 最大應(yīng)變與鋪放半徑對應(yīng)值

根據(jù)表3進行轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗，鋪絲前，為模擬真實零件制造過程，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時的鋪放效果。對比圖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，褶皺完全消失。

圖1 轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗

圖2 轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗

為清楚觀察缺陷，從圖中選擇兩個不同轉(zhuǎn)彎半徑來觀察典型的褶皺缺陷，如圖3所示，圖3中所示長度范圍為300 mm。當半徑R為1 590 mm時，在300 mm長度范圍內(nèi)出現(xiàn)4處褶皺缺陷；當半徑R為2 120 mm時，在300 mm長度范圍內(nèi)出現(xiàn)3處褶皺缺陷；當半徑R為3 180 mm時，在300 mm長度范圍內(nèi)出現(xiàn)1處褶皺缺陷，實驗結(jié)果見表4，轉(zhuǎn)彎半徑為2 120 mm時，鋪放質(zhì)量滿足要求。鋪絲時，若鋪放時絲束轉(zhuǎn)彎半徑小于R，則絲束內(nèi)側(cè)會產(chǎn)生纖維屈曲，影響鋪絲質(zhì)量。所以，在進行鋪絲軌跡規(guī)劃時，應(yīng)以轉(zhuǎn)彎半徑2 120 mm為評價標準，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軟件進行曲面離散、創(chuàng)建點云截面、構(gòu)建均勻曲線、曲面放樣等操作，對貼膜面進行重構(gòu)，使貼膜面實現(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，零件進行鋪絲軌跡規(guī)劃時，按照固化后厚度進行鋪絲基準面的生成；由于零件固化后厚度與固化前厚度存在偏差，對于層數(shù)較少(小于50層)的零件，其差距不明顯；對于層數(shù)大于100層的零件，鋪放至層數(shù)大于50層時，由于零件固化前厚度大于固化后厚度，零件實際鋪放面高于理論鋪貼面，故壓輥會對已完成鋪放的鋪層進行擠壓，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

對零件邊界進行拓展，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，通過不斷地丟層，形成梯形緩坡狀過渡區(qū)，減少壓輥對鋪層的擠壓，見圖5所示。

圖5 緩坡過渡示意圖

2.3 鋪絲基準面的生成

鋪絲軌跡的生成使用TORFIBER軟件，進行鋪絲軌跡規(guī)劃前，首先進行自動鋪絲基準面生成，為提高計算效率，同時兼顧仿真和鋪放精度，每5層使用同一個參考面，設(shè)定值n=2 (計算方法為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)對象見表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為v，在Π1上與軸線方向l所成的角度α的向量有兩個，為保證解的唯一性，將l投影至面片上得到l′，對比l×v與法向量n的方向，始終保持兩者相同或相反。

對于主承力構(gòu)件，鋪層角度準確性是評價鋪絲路徑優(yōu)劣的重要指標，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確性[16]，能夠同時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，翼面影響長桁膠接、肋裝配。對于蒙皮上由于斷送紗三角區(qū)而形成的局部凹陷，通過采用軟膜壓力墊的方式來提高表面質(zhì)量，軟膜壓力墊厚度根據(jù)該區(qū)域處的長桁厚度確定，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，對其進行鋪絲轉(zhuǎn)彎半徑評價以及角度偏差評價，根據(jù)前述試驗結(jié)果，轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)定值2 120 mm，角度偏差按照驗收技術(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。

鋪絲機送絲時，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的精度，剪絲時則不受上述因素的影響，對于內(nèi)部的加強層，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) 改善最小鋪放長度鋪貼方向。

受鋪絲頭最小鋪放長度影響，(±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 最小鋪放長度鋪放方式示意圖

對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)進行邊緣輪廓銑切時去除。對于內(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，進行手工修整，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%，當邊界線方向與鋪層角度方向相差不大時，會產(chǎn)生狹長的三角區(qū)，影響絲束覆蓋率，如圖14所示。

圖14 狹長三角區(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，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，對于該形狀的加強層，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。

選擇工裝坐標系下的靶標點實測值作為工裝定位基準點，沿工裝長度方向兩側(cè)各選取4個，共計8個靶標點作為基準，選取點所在位置處的垂直于鋪貼面的法線作為定位的基準軸線。

(5) 鋪絲軌跡仿真。

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

3 零件制造

使用生成的鋪絲路徑程序進行零件的制造，所使用的設(shè)備為龍門鋪絲機，制造過程如圖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，鋪絲過程中組與組之間間隙均勻無搭接，無目視可見的褶皺、氣泡、翻折等鋪絲缺陷，固化后的零件內(nèi)部無損質(zhì)量、厚度滿足設(shè)計指標要求。

圖16 零件鋪絲制造

4 結(jié)論

通過對國產(chǎn)T800材料的基礎(chǔ)鋪絲工藝性能開展研究，使用基于最大黏接力的評價方法，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?；谠摴に噮?shù)窗口進行了平面轉(zhuǎn)彎半徑鋪放試驗，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，對零件進行鋪絲路徑規(guī)劃，使用龍門鋪絲機進行鋪絲路徑的鋪放，并完成了零件的制造，有效地推動了自動鋪絲技術(shù)在大尺寸復(fù)合材料壁板上的應(yīng)用，多項技術(shù)可在其他零件上的推廣應(yīng)用。但是，試驗過程中暴露出以下問題：

(1) 計制造一體化程度還需進一步加強。

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

（2） 原材料單卷絲束長度需加長。

國產(chǎn)碳纖維絲束每卷絲長約600米，與進口材料每卷3 000余米的長度相差較大，鋪放時需頻繁換絲，換絲導(dǎo)致設(shè)備停機時間較長，嚴重影響自動鋪絲工藝制造效率的發(fā)揮。

后續(xù)應(yīng)進一步加強設(shè)計制造一體化程度，從設(shè)計端進行鋪層優(yōu)化改進，從制造端進行制造效率和質(zhì)量提升，從材料端提高材料單卷絲束長度、分切質(zhì)量，多方協(xié)同，共同推進自動鋪絲技術(shù)深度應(yīng)用。