復(fù)合材料自動鋪絲成型工藝

復(fù)合材料自動鋪絲成型工藝

先進(jìn)材料具有輕重量、高強度、高模量、結(jié)構(gòu)功能整合、設(shè)計與制造一體化、易形成大組件等優(yōu)點。這在航空航天行業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用。這是理想的結(jié)構(gòu)材料。國外軍機上復(fù)合材料的用量普遍占結(jié)構(gòu)重量的25%~50%;在民用領(lǐng)域,波音787飛機的復(fù)合材料用量達(dá)到50%,而空客A350復(fù)合材料用量更是達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的52%與自動鋪帶技術(shù)相比,自動鋪絲技術(shù)使用多組預(yù)浸紗,具備增減紗束根數(shù)的功能,可便捷地根據(jù)構(gòu)件形狀進(jìn)行自動切紗,且各預(yù)浸紗獨立輸送,鋪放軌跡自由度高,適用于大曲率復(fù)雜構(gòu)件成型。因此該技術(shù)具有生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、成型適應(yīng)性強等優(yōu)勢,目前已成為大型復(fù)雜復(fù)合材料制造的典型工藝。機床主體功能典型的自動鋪絲設(shè)備如圖1所示,主要由機床主體、紗架系統(tǒng)、鋪絲頭3部分組成。機床主體的主要功能是實現(xiàn)鋪絲頭的快速移動和空間坐標(biāo)的定位;紗架系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)浸絲束料卷的存儲、放卷、薄膜回收、張力控制、傳輸和導(dǎo)向等功能;鋪絲頭主要實現(xiàn)預(yù)浸絲束的壓緊、送進(jìn)、切割、導(dǎo)向、加熱、滾壓等功能,將絲束鋪放在模具上1立式自動鋪絲機根據(jù)機床主體的不同可將自動鋪絲設(shè)備區(qū)分為立式鋪絲機、臥式鋪絲機、龍門鋪絲機。立式與臥式的不同主要在于驅(qū)動芯模轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的不同,若為芯模旋轉(zhuǎn)工作臺則稱之為立式,若為芯模旋轉(zhuǎn)軸則稱之為臥式不同結(jié)構(gòu)與形狀的鋪絲機具有不同的特點,自然也適用于不同類型結(jié)構(gòu)部件的制造。在空客A350的制造過程中,大型機身曲板結(jié)構(gòu)的自動鋪絲工作由立式自動鋪絲機完成,通過將工件固定在固定區(qū)域,不需要旋轉(zhuǎn)工件即可實現(xiàn)機身、機翼等長度較長的部件的自動鋪絲工作。而飛機的機身筒體直徑長達(dá)6m,需要對該工件其進(jìn)行旋轉(zhuǎn),因此鋪絲頭在工裝的一側(cè)進(jìn)行鋪放效率更高,在這種情況下臥式自動鋪絲機更適宜完成自動鋪絲工作2料卷、鋪絲和長傳紗型鋪絲根據(jù)絲束料卷與鋪絲頭的相對位置,可將自動鋪絲設(shè)備分為長傳紗型鋪絲機(圖4)與直傳紗型鋪絲機(圖5)。長傳紗型鋪絲機為早期典型的自動鋪絲機的結(jié)構(gòu)形式。這一結(jié)構(gòu)的自動鋪絲設(shè)備將料卷存放與紗架中,紗架放置在鋪絲機的橫梁或附近,預(yù)浸絲束通過長距離傳輸運動的鋪絲頭進(jìn)行鋪放。由于紗架容納體積大,料卷體積不受限制通常鋪放長度可達(dá)5000m,非常適用于大型結(jié)構(gòu)部件的鋪放工作。采用長距離傳輸鋪絲有一定的缺點,比如材料的上下料時間較長、出現(xiàn)斷紗的概率較高、人工維護設(shè)備的時間和成本也較高。長傳紗型自動鋪絲設(shè)備并不完美,為了減少絲束傳輸距離、降低傳輸過程中斷紗的概率,Electroimpact(EI)、M–Torres、MAG、INGERSOLL等公司先后開發(fā)了直傳紗型鋪絲機。他們通過設(shè)計將料卷與鋪絲頭結(jié)合在一起,如此就達(dá)到了避免因傳輸距離長而出現(xiàn)絲束接頭斷開的風(fēng)險。直傳紗型鋪絲機由于料卷與鋪絲頭一體,因此料卷體積受到限制,大尺寸料卷較難安裝在鋪絲頭上,料卷鋪放長度減少,通常僅有1500~2000m。為了解決因料卷長度減少而帶來的頻繁上下料的問題,EI公司同時開發(fā)了可更換鋪絲頭技術(shù)。當(dāng)筒料卷用完即可更換新鋪絲頭繼續(xù)鋪放工作,因此鋪放工作效率大幅提高3模塊化自動鋪放設(shè)備鋪絲頭是自動鋪放設(shè)備的核心部件,目前世界上已開發(fā)出如圖7所示多種結(jié)構(gòu)的自動鋪絲頭。典型的自動鋪絲設(shè)備鋪絲頭一般包括送進(jìn)、夾緊、剪切、重送、加熱、滾壓等裝置,以此實現(xiàn)自動鋪絲設(shè)備的各項鋪放工作。(1)剪切裝置:該裝置能夠在纖維鋪放過程中,對任意纖維束進(jìn)行切斷、調(diào)用,因此允許通過增加或減少纖維束的數(shù)目來改變鋪放纖維束帶的寬度和構(gòu)成形式。通過對纖維束帶寬度的調(diào)整可控制相鄰帶間裂縫或相互交疊覆蓋區(qū)的大小。(2)夾緊裝置:由于纖維束具有張力,對某一纖維束進(jìn)行剪切時需要夾住后面的纖維束,以防其被回收導(dǎo)致不受控制。當(dāng)要求剪切纖維束前執(zhí)行夾緊動作,要求重送纖維束時,斷開夾緊方式。(3)重送裝置:當(dāng)需要被切斷的纖維束重新鋪放到工件模具表面時,可通過執(zhí)行重送裝置實現(xiàn)。(4)滾壓裝置:纖維束需要通過滾壓輥壓實以保證纖維束可緊貼在工件表面,這一工作就由滾壓裝置實現(xiàn)。其中,壓緊壓力可通過編程控制。(5)加熱裝置:此裝置用于控制纖維束的黏度,以保證滾壓裝置能夠有效壓緊纖維束并擠走層間空氣。典型自動鋪放設(shè)備的加熱裝置可控制纖維束升溫(27~32℃)產(chǎn)生必要的黏度,并由滾壓輥壓緊在工件表面。在此之前纖維束溫度需保證不高于21℃,才能使纖維束保持在低黏度或無黏度狀態(tài),從而能夠無障礙地從紗架系統(tǒng)中抽出并傳送至鋪絲頭典型的鋪絲頭主要由上述裝置構(gòu)成,但出于降低成本、提高效率的目的,大多數(shù)自動鋪絲設(shè)備采用了將不同寬度規(guī)格的鋪絲頭集成在一臺鋪絲設(shè)備上,一次實現(xiàn)不同規(guī)格的鋪絲加工。這在一定程度上解決了工件復(fù)雜度與高鋪絲效率之間的矛盾。但是由于使用的纖維束寬度與數(shù)量不同,導(dǎo)致其復(fù)合材料工件制造復(fù)雜度與鋪放生產(chǎn)率難以兼顧。美國的EI公司在2003年開發(fā)了一種新概念模塊化鋪絲頭(圖9),并通過設(shè)計可交換的模塊化鋪絲頭的自動鋪絲設(shè)備解決上述問題。這種設(shè)備將所有鋪絲中所需要的纖維束料放置在模塊化鋪絲頭上,取消了傳統(tǒng)鋪絲機中的紗架系統(tǒng)。同時,這個模塊化鋪絲頭與控制它的鋪放平臺是分離的,可通過更換鋪絲頭實現(xiàn)提高效率的目的除此之外,EI公司通過對鋪絲頭進(jìn)行模塊化設(shè)計實現(xiàn)了進(jìn)一步減少纖維束傳送時間、提高鋪放效率的目的。EI公司的模塊化自動鋪絲頭除了擁有典型鋪絲頭的剪切模塊、送料模塊、夾緊模塊外,還在鋪絲頭上安裝了雙向絲束蹼,以此實現(xiàn)雙向鋪放的功能,如圖10所示。在這方面,南航也開發(fā)了如圖11所示的新型雙向鋪絲頭。蹼是一個很小的氣動門,通過在刀具與壓輥之間加入蹼裝置,當(dāng)打開雙向鋪放時,蹼可允許纖維束不受打斷的送入壓輥,關(guān)閉時則可將纖維束送到壓輥的另一側(cè)模塊化鋪絲頭的優(yōu)點在于,可以通過在鋪絲頭背部附加的一個刀具適應(yīng)接口將此模塊化鋪絲頭替換至另一個鋪絲頭,此時在同一個工件上不同尺寸纖維使用不同的鋪絲頭鋪放不再需要進(jìn)行額外的設(shè)置,相同的鋪絲頭也能在不同鋪絲設(shè)備間使用、替換。此外,當(dāng)模塊化鋪絲頭與刀位點程序相結(jié)合,當(dāng)機床具備生產(chǎn)工件所需的體積與角度范圍,則工件可在任一機床進(jìn)行生產(chǎn)4自動鋪絲機隨著時代發(fā)展,工業(yè)機器人在制造業(yè)的許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。多腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的工業(yè)機器人在其工作半徑內(nèi)對位置控制具有較大柔性。一些自動鋪絲設(shè)備供應(yīng)商利用多自由度(通常6自由度以上)工業(yè)機器人系統(tǒng)為作為運動平臺配置模塊化鋪絲頭來構(gòu)建低費用高生產(chǎn)率的復(fù)合材料自動鋪絲設(shè)備,圖12即為EI公司開發(fā)的一款機器人用鋪絲頭。美國復(fù)合材料系統(tǒng)公司推出一種以6自由度運動控制的MotomanUP200機器人為平臺的自動鋪絲設(shè)備。這臺鋪絲機器人可以安裝在滑軌裝置上,或者可以倒裝在三坐標(biāo)運動控制的龍門系統(tǒng)上,實現(xiàn)這種倒掛鋪放的功能是其他典型鋪絲設(shè)備難以實現(xiàn)的。Groppe航空公司計劃將其運用在空心復(fù)合材料渦輪葉片的制造工作中。我國在以工業(yè)機器人平臺構(gòu)建自動鋪絲設(shè)備方面也有一定成果,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的富宏亞課題組基于catia的自動鋪放成型技術(shù)國內(nèi)對自動鋪放技術(shù)的研究起步較晚,南京航空航天大學(xué)在“九五”期間率先開始研究自動鋪放成型技術(shù)。武漢理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等單位也先后在自動鋪放技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究。南京航空航天大學(xué)與上海萬格復(fù)合材料有限公司合作完成了國內(nèi)第一臺8絲束預(yù)浸紗鋪放試驗系統(tǒng)及鋪絲用精密低張力測控系統(tǒng),開發(fā)了基于CATIA的自動鋪絲CAD/CAM軟件原型,形成了自動鋪絲技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)備的技術(shù)儲備武漢理工大學(xué)在自動鋪放成型的數(shù)控系統(tǒng)、成型機構(gòu)等方面展開了相關(guān)研究。2003年,于傳浩等對鋪放頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。2005年,田會方等哈爾濱工業(yè)大學(xué)則以原有的6軸纏繞機為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)改造,設(shè)計了一種7軸纖維鋪放頭,提出了對應(yīng)的控制方案并對數(shù)控鋪放系統(tǒng)開展了研究西安交通大學(xué)段玉崗等目前中航復(fù)材公司、上海飛機制造廠、中國商飛北研中心等通過進(jìn)口的方式也擁有了自動鋪絲機,并已經(jīng)陸續(xù)開展了相應(yīng)構(gòu)件的自動鋪絲試制的研究工作。圖18即為中航復(fù)材利用自動鋪絲成型技術(shù)制備的C929全尺寸復(fù)合材料壁板工藝件?？偠灾?我國在自動鋪放設(shè)備研制、生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用方面還處于起步階段,大量基礎(chǔ)研究工作與實際應(yīng)用之間的轉(zhuǎn)化尚未完成。只有形成技術(shù)規(guī)范和完整的技術(shù)流程,才能實現(xiàn)自動鋪絲工業(yè)化應(yīng)用。其他技術(shù)的應(yīng)用復(fù)合材料日益廣泛的運用對自動鋪放設(shè)備提出了一定的要求,其中,自動鋪絲技術(shù)作為在航空航天等制造業(yè)的重要工藝,對設(shè)備提出了更高的要求。我國在這一方面尚處于起步階段,雖然有一定的成果但是相對于國外的先進(jìn)水平尚有較大差距。目前我國正在實施大飛機項目,對大型自動鋪絲設(shè)備的重視程度已有所提高。在今后發(fā)展中,以下幾點值得關(guān)注:(1)鋪放設(shè)備專門化的趨勢:產(chǎn)品的專用鋪放設(shè)備發(fā)展迅速,這不僅降低了使用成本還提高了裝備的使用效率,尤其是采用機器人為平臺的鋪放設(shè)備,能夠大幅降低裝備成本。比如Enate公司開發(fā)的用于民用風(fēng)力渦輪發(fā)電機復(fù)合材料葉片制造的自動鋪絲機床使用的是150K獨立長纖維組成的纖維束,與典型自動鋪絲設(shè)備使用的3~12K不同。(2)雙頭鋪放、多頭鋪放工藝的應(yīng)用:例如美國Dallas工廠的大型雙龍門雙鋪放頭可一次鋪放兩個零件,或者在鋪放一個零件時同時可進(jìn)行另一個鋪放零件的加載或卸載。EI公司設(shè)計的具有多個可交換模塊化鋪絲頭的自動鋪絲機床的方法,也解決了鋪放生產(chǎn)率與零件復(fù)雜度的矛盾問題,這種機床可將所有需要的不同規(guī)格的纖維絲束放置在多個模塊化鋪絲頭上,在需要交換不同規(guī)格的絲束時,可進(jìn)行類似傳統(tǒng)數(shù)控機床的“換刀”操作將需要的鋪絲頭快速交換至鋪放位置。由此可見,雙頭鋪放工藝、多頭鋪放工藝是提高生產(chǎn)率的一個研究重點。(3)雙向鋪放工藝的應(yīng)用:在鋪絲工作中盡量避免空程運行也是提高生產(chǎn)效率的一個有效方法。本文所提到的EI公司在模塊化鋪絲頭上安裝雙向絲束蹼裝置后,能夠使鋪絲頭實現(xiàn)正向、逆向的鋪放工作。(4)針對熱塑性復(fù)合材料開發(fā)的自動鋪絲設(shè)備:熱塑性復(fù)合材料具有良好的可循環(huán)性、抗沖擊