復合材料自動鋪帶技術研究與應用

    經過四十多年不斷的發展與完善,自動鋪帶設備和技術在美國和歐洲已經成熟,并大規模應用于航空復合材料結構件的制造,如波音777飛機尾翼、水平和垂直安定面蒙皮,波音787翼面蒙皮,A340尾翼、水平安定面蒙皮,A380的安定面蒙皮和翼盒等。自動鋪帶技術已經成為發達復合材料翼面類結構的典型制造技術之一。
    隨著我國新型飛機項目的立項啟動,復合材料用量以及大型整體構件的數量和尺寸不斷增加,國內復合材料自動鋪帶技術得到迅速發展。目前,北京航空制造工程研究所率先完成了大型復合材料構件自動鋪帶機的研制,并在此基礎上深入開展了自動鋪帶技術研究。
自動鋪帶設備概況
    北京航空制造工程研究所研制的大型復合材料自動鋪帶設備由多坐標鋪帶頭、高速移動橫梁、高架橋式定位平臺等組成,如圖1所示。除了傳統數控機床X,Y,Z 三坐標定位以外,還有繞Z 軸方向的轉動軸C 軸和繞X 軸方向擺動的A 軸,五軸聯動以滿足曲面鋪帶的基本運動要求。


● 自動鋪帶機聯動坐標及行程范圍:X :20000mm;Y:6500 mm。
● 自動鋪帶機坐標速度:X 、Y :60000 mm/min。
    整機技術水平和性能指標達到了國外同類設備水平,能夠滿足新型飛機研制中大型復合材料構件的研制需求。
CCF300/ BA9916-Ⅱ復合材料自動鋪帶工藝適應性研究
    自動鋪帶用預浸料有別于普通預浸料,對預浸料的襯紙類型、粘性等參數均有一定要求。現選取典型材料CCF300/BA9916-Ⅱ進行自動鋪帶工藝適應性研究。
    由于預浸料鋪放時需要一定的粘性,纖維靠與底層的粘附力作用從背襯紙上剝離,它只有達到足夠粘性才能鋪到模具或已經鋪好的底層上。不同樹脂體系的預浸料,其粘性隨環境溫度變化規律不同。
    為了檢驗CCF300/BA9916-Ⅱ復合材料自動鋪帶工藝適應性,在一定環境溫度下,采用大型多坐標自動鋪帶機進行了鋪帶試驗。
    通過試驗研究得出, CCF300/BA9916-Ⅱ復合材料襯紙連續性好、粘性合適、鋪放效果好,自動鋪帶工藝適應性好,而且材料的質量穩定性和一致性好,完全能夠滿足自動鋪帶的要求。
典型蒙皮鋪帶驗證
1 典型蒙皮設計
    典型蒙皮結構采用的是變厚度設計,蒙皮外形尺寸為5000mm×1000mm,在蒙皮的不同部位存在多個過渡區域,厚處是8mm,薄處是4mm,如圖2 所示。


典型蒙皮采用CCF300/BA9916-Ⅱ復合材料,在基于CATIA的復合材料模塊中進行鋪層設計,詳細鋪層信息見表1。

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2 典型蒙皮鋪帶制造
    采用CCF300/BA9916-Ⅱ復合材料,用北京航空制造工程研究所研制的大型多坐標自動鋪帶機完成零件的自動鋪帶(如圖3),然后經熱壓罐進行固化。相比于手工鋪放,自動鋪帶生產效率大大提高,廢料率降低,鋪層定位精度高,質量一致性高。


3 隨爐件力學性能測試 
    進行力學性能測試,隨爐件為自動鋪帶工藝完成,測試數據見表2。
結束語
試驗結果表明:
(1) 北京航空制造工程研究所研制的大型多坐標自動鋪帶設備穩定可靠,技術規格及各項精度等均能夠滿足工程應用要求,整機技術水平達到當今國際先進水平,滿足新型飛機的研制要求。
(2) 北京航空制造工程研究所生產的CCF300/ BA9916-Ⅱ復合材料自動鋪帶工藝適應性好,完全滿足自動鋪帶要求。
(3) 通過開展復合材料自動鋪帶技術研究,已用該設備完成大型復合材料蒙皮自動鋪帶,該設備具備了工程化生產條件,將為大量飛機復合材料構件自動鋪帶技術應用奠定裝備與工藝基礎。