自動鋪帶機是小曲率、翼面結構的典型制造裝備。自動鋪帶技術是復合材料行業從手工鋪疊加工向自動化加工發展的一個里程碑，它在歐美國家取得了工程化應用，在國內也逐漸應用于復合材料鋪疊，以此推動復合材料行業向自動化、數字化、信息化數控加工技術方向發展，解決了手工鋪疊大尺寸、小曲率帶來的零件鋪疊質量不穩定、效率低等問題。
?
自動鋪帶技術的裁剪、加熱、定位、鋪疊、輥壓均采用數控技術自動完成，它涉及自動鋪帶復合材料鋪層設計、鋪帶工裝設計、預浸料裁剪技術、鋪放CAD/CAM 技術、自動鋪放工藝技術、鋪放監控、成本分析等多個研究方向。
?
本文主要以自動鋪放工藝技術應用為研究方向，采用西班牙M.Torres 公司制造的龍門式十一軸自動鋪帶機，將預浸料在鋪帶頭中完成特定形狀的切割，加熱后在壓輥的作用下鋪貼到模具表面，完成預浸料的裁剪、加熱、定位、鋪疊、輥壓等工藝流程。
?
在機翼蒙皮的制造當中，預浸料的黏性、加熱溫度、背襯紙厚度及強度、鋪放速度、壓輥壓力、鋪帶工藝參數的設置， 以及鋪帶方式的處理技巧，這對能否成功應用自動鋪帶技術制造出高質量的零件有直接影響。
?
本文通過對某型機復合材料機翼蒙皮的結構和材料進行分析和試驗，制定了某型機機翼蒙皮的鋪帶制造工藝方案, 采用自動鋪放、激光投影與自動下料技術，制造出某型機機翼蒙皮。經多件產品鋪帶制造驗證，機翼蒙皮無損檢測內部質量合格，鋪帶間隙和表面質量滿足設計要求，實現了自動鋪帶技術在某型機機翼蒙皮自動鋪帶應用，為鋪帶機技術在復合材料鋪帶的應用奠定了堅實的基礎。
某型機機翼蒙皮結構特點及制造方案
該蒙皮選用T700/LT-03 A 高強碳纖維/ 中溫固化環氧樹脂干法預浸料，材料幅寬為150mm。該產品尺寸較大，縱向最長9.6m，最寬位置0.95m，應用自動鋪帶技術完成該蒙皮零件的鋪帶，需要根據零件結構特點，做相應的鋪帶程序設計，完成零件的鋪帶，如圖1 所示。
?
根據機翼蒙皮的特點，采取的工藝流程為：自動鋪帶+ 手工鋪疊，結合自動下料和激光投影技術，完成此次零件鋪帶，流程圖如圖2 所示。
?
?自動鋪帶技術的應用和關鍵控制點分析
在應用自動鋪帶技術鋪帶機翼蒙皮零件過程中，須控制好影響到鋪帶質量的以下幾點關鍵因素。
?
自動鋪帶技術所鋪放的復合材料稱為預浸料，它作為復合材料制造過程中的中間產品，直接影響到復合材料構件的質量。預浸料主要由樹脂與碳纖維構成，纏繞成卷，因初始有一定的黏性，為防止保存時相鄰的預浸料帶相互粘結，預浸料背后有一層背襯紙，背襯紙起著傳遞預浸料帶的作用。預浸料帶的技術指標主要包括黏性、鋪覆性、樹脂含量、單位面積纖維質量、存儲期等，其中黏性與鋪覆性對鋪帶機鋪放成功與否至關重要。
?
預浸料帶黏性是指預浸料帶與模具或其他預浸料帶之間形成粘結的能力，預浸料帶黏性必須適中。黏性過小，相鄰料帶之間無法順利貼合，料帶將無法精確鋪放；黏性過大，鋪帶出現失誤后，修改困難。
預浸料帶的鋪覆性是指預浸料帶與不同曲率的模具表面之間的適應性，其中纖維和背襯紙是影響鋪覆性的主要因素，若預浸料帶鋪覆性較差，料帶則易斷裂，或形成架橋、褶皺，導致自動鋪帶受阻，不易形成生產力。此次蒙皮鋪帶的預浸料為T700/LT-03 A 高強碳纖維/ 中溫固化環氧樹脂干法預浸料，鋪帶溫度的設置會影響預浸料的黏性和鋪覆性。
一方面，在鋪帶加熱溫度范圍內，隨著溫度升高，樹脂粘度下降而流動性上升。隨著樹脂流動性上升，樹脂對預浸料界面的浸潤能力提高，這樣可以提高預浸料之間或者預浸料與模具之間的貼合能力，有利于鋪放過程順利進行。但另一方面，隨著溫度的上升，預浸料變“軟”，這樣在鋪放過程中增大預浸料在復雜模具表面形成架橋的機會，溫度越高，預浸料越容易老化。
因此，在機翼蒙皮自動鋪帶中，加熱溫度的選取傾向于防止褶皺、架橋的產生和預浸料老化，一般設置在40℃ ~60℃。
將鋪層的每一片料帶精確鋪貼到位，針對自動鋪帶做控制設計，這是自動鋪帶技術應用的基礎。精確鋪放控制需要做好以下幾點工作，方能保證蒙皮按設計數模精確鋪帶出來，并達到工藝要求。
?
1）鋪帶模具涂刷微量樹脂
首先用丙酮浸潤料帶，將稀釋出的微量樹脂混合丙酮均勻涂刷于模具上，保證模具有一定黏性，目的是將第一層按程序精確鋪帶至模具上。第一層料帶是否精確鋪帶，直接影響后續鋪層的精確鋪帶、準確定位和間隙控制。
2）超聲切割刀調整
?
調整好超聲切割刀B1、B2 的切割深度，防止過切導致料帶斷裂。調整的方法應根據現場切割情況再做適應性調整，切割刀見圖3。
3）最小切割角度設置
機翼蒙皮在切割形狀時，最小切割角度的設計是否精準，將直接影響程序生成后置加工代碼，零件鋪層能否鋪放成功。
通過選取材料T700/LT03A，分別進行1°、2°、3°、4°、5° 切割角料帶切割試驗，其中鋪放溫度50℃，重復5 次記錄切割及鋪放成功次數如表1 所示。
由表1 分析得出，復雜形狀切割鋪放時，最小切割角度越小，切割及鋪放成功率越低， T700/LT03A 最小切割角度至少應大于等于3°。
為保證鋪帶效率和成功率，該蒙皮選用T700/LT-03A 高強碳纖維/ 中溫固化環氧樹脂干法預浸料，在程序設置的切割角度為4°。
?4）Z軸零點的調整，U軸、K軸張力的調整
?
在Fanuc 30i 宏變量（MACRO）面板中調整宏變量#518（U 軸施加的張力）、#519（K 軸施加的張力）的數值，以及Z 軸絕對坐標值, 以防止料帶背襯紙斷裂和鋪疊面與工裝擬合不夠。宏變量功能如表2 所示，設置如圖4。
5）鋪帶程序設計
鋪帶機由150mm 幅寬的預浸料帶逐塊鋪滿一個鋪層，每一塊的初始鋪放和準確定位直接關系到了該條料片能否成功鋪帶，否則褶皺、搭接、間隙超差、定位不準，將導致料片裁剪變短或作廢，并需重新再次鋪疊。因此在程序設計時，采取如下措施：
● 對于鋪帶足夠長（目前經驗參數約為200mm 以上）或者料片有一端在零件余量線上的，加長SHOE 的工作長度，以加大料片與工裝或上一鋪層的接觸面積；
●?鋪帶尾端為直角，且長度較短（約400mm 以下）的可以不使用ROLLER 的，不進行ROLLER 切換，改為SHOE 鋪放后根據實際情況，單獨進行二次壓實；
●?對于長度短于200mm 的復雜圖形或特殊圖形，鋪疊難度較大，改用手鋪或加長鋪層長度。
6）鋪帶速度的設置
鋪帶速度與層間剪切強度成反比, 在壓輥壓力作用下，樹脂與纖維之間充分浸潤是需要一定時間的，速度越小，樹脂與纖維之間的浸潤越充分，層間剪切強度越高；反之，鋪放速度越快，層間剪切強度越低，鋪帶成功率也隨之降低，但生產效率高。因此，為了保證生產效率和鋪帶的質量，一般設20~40m/min（鋪帶機最大鋪帶機速度為50m/min）。
?
7）鋪帶間隙的控制設置
在平板工裝和雙曲工裝上，鋪疊長1m的料帶3 條，自動鋪帶程序分別設置間隙1mm、2mm 和3mm, 測量間隙值見表3和圖5。
鋪帶機間隙設定為1.0mm，間隙可控制在2mm 以內，且沒有搭接現象，滿足工藝鋪帶要求。
8）自動鋪帶輥壓壓力設置
選取平板工裝, 鋪疊厚度為2mm 的單向板, 選取橡膠輥壓實壓力分別為1、2、3… 7Bar。按JC/T773 測試層間剪切強度；按GB/T 3356 測試彎曲強度和彎曲模量；同輥壓下試驗件的性能數據見表4。
自動鋪帶輥壓測試結論：
●?自動鋪帶時，鋪放的層壓板拉伸強度、剪切強度和彎曲強度隨橡膠輥壓的變化不大；
?
●?自動鋪帶時，彎曲模量在輥壓超過3Bar 時，趨于穩定。在低于3Bar 下，由于內部壓實不理想，在受到外力時，應變產生在內部，外部應變較小，因此表現出模量成負的線性關系；
●?自動鋪帶時，彎曲強度隨輥壓增大而上升，但上升幅度有限；
●?使用T700/LT03A 自動鋪帶時，該零件選用橡膠輥壓力為7Bar，一般建議設置為4~7Bar。
將默認的交叉異向鋪帶改進為同向鋪帶，提高了設備運行的可控性和安全性。交叉異向鋪帶每鋪帶完成一個料帶，均會沿C 軸旋轉180°，持續操作設備時間較長的操作者，忽略此設備動作易造成工傷事故。而同向鋪帶正好避免了這個問題，鋪帶均朝同一方向，提高了可控性和安全性。
自動下料與激光投影技術配合使用，針對小鋪層手工鋪疊，解決了料片小、鋪帶定位難的問題，保證了零件制造的精確性。
?
采用上述的鋪帶設計和工藝方案，應用于某型無人機復合材料機翼蒙皮的制造，經過多架份的
制造驗證，機翼蒙皮的內部質量經超聲檢測合格，表面質量與隨爐件力學性能合格，滿足設計技術要求。
結論
通過自動鋪帶技術應用于某型機機翼蒙皮鋪帶，得到以下結論：
1.通過對某型機機翼蒙皮的材料和結構進行分析，可以采用自動鋪帶技術，實現自動化制造，并符合工藝制造要求，無損檢測合格，隨爐件性能合格；
?
2 .采用自動下料+ 激光投影技術，混合自動鋪帶技術，應用于復合材料小曲率大尺寸零件的制造，可以提高零件的精確制造；
3.自動鋪帶技術自有其局限性，我們需要控制好預浸料的各項技術指標，提高預浸料帶的可鋪覆性，根據零件的結構需要不斷總結調整鋪帶參數，才能夠應用自動鋪帶技術制造復合材料零件。
雖然自動鋪帶技術已成功應用于某型無人機復合材料機翼蒙皮的制造，但鋪帶工裝、零件鋪層的設計會影響自動鋪帶技術的應用，所以要想自動鋪帶技術推廣應用于各型機的鋪帶，需要與飛機設計單位協調溝通好鋪層的設計，與工裝設計單位協商好自動鋪帶機運行對工裝型面的要求。
來源：黃當明，聶海平. 自動鋪帶技術在復合材料機翼蒙皮的應用[J]. 航空制造技術, 2017, 60(4): 97-100. （文章轉載自復材邦）
原文始發于微信公眾號（艾邦復合材料網）：自動鋪帶技術在復合材料機翼蒙皮的應用