2.1帶鋪放成型的研究現(xiàn)狀
歐美發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)70年代開始研究帶鋪放成型技術(shù),并取得了很大進(jìn)展,已開發(fā)出復(fù)合材料帶鋪放成型設(shè)備,如美國Vought飛機(jī)公司的大型CTLM鋪放機(jī),該系統(tǒng)有2個鋪放頭,可同時鋪放2個不同部位,Vought公司目前正使用此系統(tǒng)生產(chǎn)軍用C-17運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是歐洲最早使用平面自動鋪帶機(jī)和曲面自動鋪帶機(jī)生產(chǎn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的公司,與手工鋪貼相比,CASA自動鋪帶機(jī)具有很高的生產(chǎn)效率,一般是手工鋪貼的10倍。當(dāng)用150mm寬預(yù)浸膠布帶作平面鋪放時,生產(chǎn)效率是手工鋪貼的22倍以上。波音公司在自動鋪帶技術(shù)方面投入大量資金和人力,發(fā)展自動鋪帶技術(shù)生產(chǎn)B2轟炸機(jī)大型復(fù)合材料構(gòu)件。近年來,波音公司也將自動鋪帶技術(shù)應(yīng)用于其他項目,主要包括Navy A6轟炸機(jī)(復(fù)合材料機(jī)翼)、F-22戰(zhàn)斗機(jī)(機(jī)翼)和波音777民用飛機(jī)。波音777民用飛機(jī)的全復(fù)合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自動鋪帶技術(shù)制造。
目前,帶鋪放成型技術(shù)在我國尚處于起步階段,國內(nèi)復(fù)雜的鋪放制品基本上以手工鋪層為主,其生產(chǎn)效率低、鋪層質(zhì)量不穩(wěn)定、材料利用率低、制造周期長、費(fèi)用高,難以實現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,制約了我國航空航天制造技術(shù)的發(fā)展和水平的提高。由于復(fù)合材料帶鋪放成型技術(shù)對軍工事業(yè)和國防事業(yè)有著重大意義,歐美發(fā)達(dá)國家對我國嚴(yán)密封鎖,并限制高檔、精密和敏感復(fù)合材料成型工藝裝備對我國的出口,使我國無法走“引進(jìn)、消化、吸收”的捷徑。國內(nèi)科研院所和企業(yè)一直致力于帶鋪放成型技術(shù)的研究,以打破發(fā)達(dá)國家對我國的技術(shù)壟斷,促進(jìn)國防、航空航天事業(yè)的發(fā)展。
2.2 帶鋪放成型的應(yīng)用
美國航空制造商大量應(yīng)用帶鋪放成型技術(shù)生產(chǎn)B1、B2轟炸機(jī)的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼、波音777飛機(jī)機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮等。歐洲生產(chǎn)的復(fù)合材料構(gòu)件包括:A330和A340水平安定面蒙皮,A340尾翼蒙皮,A380的安定面蒙皮和中央翼盒等。
我國大飛機(jī)工程已經(jīng)立項,復(fù)合材料規(guī)劃用量初期要達(dá)到15%,后期將隨著材料與設(shè)計制造技術(shù)的成熟逐步擴(kuò)大,最終的上限可能接近甚至超過現(xiàn)有波音787的復(fù)合材料用量水平[10],帶鋪放成型技術(shù)是保證大飛機(jī)項目順利實施的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于現(xiàn)階段復(fù)合材料用量15% 的目標(biāo),翼面壁板類構(gòu)件將成為主導(dǎo)。對于20年研制周期的大飛機(jī)計劃,為進(jìn)一步提高飛機(jī)性能,加大復(fù)合材料用量勢在必行,復(fù)合材料機(jī)身鋪放技術(shù)將成為后期的關(guān)鍵技術(shù)。
帶纏繞、帶鋪放成型技術(shù)的發(fā)展趨勢
隨著復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,帶纏繞、鋪放成型技術(shù)呈現(xiàn)出多工藝復(fù)合化、成型設(shè)備精密化、CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用日益增多、成型設(shè)備與機(jī)器人結(jié)合化、熱塑性樹脂基復(fù)合材料逐漸增多及新型固化技術(shù)不斷應(yīng)用的發(fā)展趨勢。
(1)將帶纏繞成型與拉擠、鋪放、編織、壓縮模塑等工藝相結(jié)合,提高帶纏繞成型的工藝適應(yīng)性。
由于帶鋪放可進(jìn)行任意角度纏繞,還可在凹形表面纏繞,克服了纏繞工藝的不足;若將其與帶纏繞工藝結(jié)合起來,可解決某些結(jié)構(gòu)類管狀構(gòu)件的纏繞成型問題。纏繞-拉擠工藝加工的薄壁管改善了制品的力學(xué)性能,已用于汽車司機(jī)駕駛室框架的制造。帶纏繞與注射模塑工藝結(jié)合制造的自潤滑多面滑動軸承具有卓越的摩擦學(xué)行為。
(2)將帶鋪放成型與電子束固化技術(shù)結(jié)合是目前研究的熱點(diǎn)[3]。
電子束固化可以大幅度地降低制造時間、材料消耗和能源,是重要的低成本制造技術(shù)。傳統(tǒng)電子束固化采用鋪疊后一次輻射固化,要求電子束的能量高(3~10MeV),不僅使加速器投資巨大,并且輻射防護(hù)的投資也隨之增加。意大利的Guasti1977年首先提出“逐層電子束固化”的思想,完成一層鋪疊后即實施電子束固化,只需0.5MeV電子束能量,并可以獲得良好的力學(xué)性能。帶鋪放成型與電子束固化技術(shù)結(jié)合的研究逐漸進(jìn)入實用階段。
(3)為帶纏繞、帶鋪放成型設(shè)備配備精密張力控制系統(tǒng),以提高制品成型精度。
在纏繞、鋪放成型過程中,張力與制品的強(qiáng)度、致密度、疲勞性以及一致性有著密切的關(guān)系,對制品性能影響極大。國內(nèi)方面,西工大、哈工大等均在精密張力控制系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量研究工作,并取得階段性成果;國外方面,法國已開發(fā)出一種用于粗紗的張力控制系統(tǒng)。
(4)CAD/CAM技術(shù)在帶纏繞、帶鋪放成型工藝及裝備中的應(yīng)用日益增多。
CAD/CAM與纏繞、鋪放成型工藝的結(jié)合,有助于縮短產(chǎn)品設(shè)計周期、減少廢品率、提高制品的質(zhì)量,提高自動化水平及生產(chǎn)柔性。國內(nèi)外均有一些實用化的軟件問世,但與傳統(tǒng)CAD/CAM技術(shù)相比,復(fù)合材料成型CAD/CAM技術(shù)的研究才剛剛起步,研究成果有限。
(5)將纏繞、鋪放成型設(shè)備與機(jī)器人相結(jié)合,增強(qiáng)成型設(shè)備的柔性及適用范圍。
機(jī)器人用于帶纏繞、帶鋪放成型,具有自由度多、運(yùn)動靈活、工藝范圍寬等優(yōu)點(diǎn),尤其適合小型復(fù)雜構(gòu)件的纏繞、鋪放成型,如不對稱構(gòu)件和雙凹面構(gòu)件等。歐美及加拿大正在研究開發(fā)機(jī)器人纏繞機(jī),如比利時Leuven天主教大學(xué)用一臺PUMA-762機(jī)器人與兩軸數(shù)控纏繞機(jī)聯(lián)接,纏繞出多種零件 ;加拿大OTTAWA大學(xué)也用機(jī)器人成功纏繞了T 形管;德國AACHEN工業(yè)大學(xué)建成了一個復(fù)合材料柔性制造單元,己成功生產(chǎn)出機(jī)床主軸、飛機(jī)機(jī)身等零件。
(6)熱固性樹脂基復(fù)合材料成型向熱塑性樹脂基復(fù)合材料成型方向發(fā)展。
據(jù)統(tǒng)計,從1994年以來,熱塑性復(fù)合材料是同期熱固性復(fù)合材料增長的2倍。該高速增長可以用熱塑性樹脂基復(fù)合材料良好的機(jī)械性能、耐溫性能、介電常數(shù)及可循環(huán)性來解釋,尤其是它的可回收、可重復(fù)利用及不污染環(huán)境的特性適應(yīng)了當(dāng)今材料環(huán)保的發(fā)展方向。國外已有杜邦、帝國化學(xué)、BASF和德國凱瑟斯路登大學(xué)等多家大公司和科研機(jī)構(gòu)對熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型工藝進(jìn)行了研究和生產(chǎn)。國內(nèi)有北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料國防科技重點(diǎn)試驗室等少數(shù)機(jī)構(gòu)對熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行了纏繞試驗,并對制品性能進(jìn)行了初步分析。目前國內(nèi)這種工藝尚處于初步開發(fā)的階段,發(fā)展空間較大。
(7)新型固化技術(shù)與在線固化監(jiān)測技術(shù)不斷出現(xiàn)。
紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術(shù)可縮短固化周期,減少殘余應(yīng)力,提高復(fù)合材料的力學(xué)及物理性能,有利于降低成本。法國航空航天公司已對固體火箭發(fā)動機(jī)纏繞殼體的電子束固化技術(shù)進(jìn)行了成功演示,其綜合性能優(yōu)于常規(guī)的加熱固化復(fù)合材料。此外,超聲技術(shù)以及光纖傳感技術(shù)等均用于在線固化監(jiān)測過程。前蘇聯(lián)在殼體纏繞成型過程中采用了磁場中纏繞及固化的工藝方法,可使制品實現(xiàn)更為良好的固化效果。