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自动铺带机在大型飞机制造中的应用 |
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作者：北京航空制造工程研究所研究员 林胜 来源：CMJ 中国机械与金属 |
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复材构件飞机时代业已来临
从20世纪20年代铝合金被作为减轻飞机结构重量的首选用材开始，至今已有70多年的历史了，而如何减轻飞机结构重量，一直是飞机设计制造的永恒话题。
信息技术、材料技术和制造技术的快速发展推动现代飞机设计制造技术发生了重大变化，特别是高强度低密度的复合材料（Composites，下文简称“复材”）的出现，以及其在飞机结构件设计制造上广泛、成功的应用，不断改写着铝合金材作为现代大型飞机主结构用材的历史，复材已逐渐取代铝合金成为现代大型飞机的主结构用材。
现代大型飞机设计制造中对复材的广泛采用趋势是如此明显，可以看到，复材作为飞机主结构用材的时代已经来临。复材出现於20世纪60年代，由於其具有高比强度、高比模量、良好抗疲劳性、抗腐蚀性和隐身性能等一系列优点，得到了航宇工业界普遍认可，成为既能明显减轻航宇飞行器重量、又能提高性能的理想结构用材。其在现代军民用飞机设计制造上的应用日趋广泛，从图1可综观这一发展历程。
图1 复材构件在飞机上应用之发展历史
用於飞机复材构件制造的主要有树脂基、金属基和陶瓷基三类复材。目前应用最为广泛的是碳纤维增强型树脂基复材（CFRP：Carbon-Fiber Reinforced-Plastic），占80%以上。飞机复材构件最早在B-1/B-2轰炸机和F-16战斗机上得到应用，但其所占重量比都不超过2%-3%，後来的F/A-18E/F飞机复材构件数量已超过结构件的50%以上，而F22/A和F35则超过结构件的75%，所占重量比达24%和35%-40%，大型军用运输机A400M达35%。
20世纪80年代末，复材构件的应用日臻成熟且发展迅速，其在军机上的应用开始从非主承力构件快速延伸到主承力构件，出现了全复材机身构件，同时其应用范畴亦扩展到商用客机。从图1所示的三条应用趋势曲线可以一眼看出：商用客机广泛应用复材构件大约比军用飞机晚了10-15年时间。
发展至21世纪初，商用客机构件的设计发生了重大变化，铝合金用材重量比已从占60%的较大幅度下降到20%，复材用量也从不足10%迅速攀升至50%以上，跃升为现代大型商用客机的主结构件用材。
与此同时，高强度低密度的钛合金承力结构件获得更多采用，如图2所示。空客A380客机中复材构件所占重量比只是25%，而空客A350XWB宽体客机的这一数值已达52%，总计实现减重约7,983kg。又比如，波音777客机中复材构件所占的重量比不到15%，而波音787“梦想”则已超过50%。据预测，到2015-2020年，现代商用客机复材构件用量所占重量比将达70%-80%。
图2 现代商用飞机用材趋势
事实上，目前一些具有创新性的全复材或准全复材构件的无人机、直升机和商务飞机已经研制成功，复材构件的飞机时代已经来临。
制造复材构件的机床应运而生
复材构件在现代先进飞机上的大量应用，使得复材构件的设计制造成为现代大型飞机批量生产的瓶颈，实现高生产率自动化复材构件的制造越来越受到航空飞机制造业的关注。目前，飞机复材整体构件的制造生产主要通过以下四种铺放制造技术来达成：半自动人工铺放、自动纤维缠绕、自动带料层铺和自动纤维铺放。
半自动人工铺放：应用复材构件设计制造软件，生成复材构件各铺层2D轮廓数据，不需要制造铺层样板而是直接通过数字自动剪裁机剪裁铺层片料，而後再借助激光定位系统进行人工层铺。
自动纤维缠绕机床（AFW：Automated Filament Winding）：简称自动缠绕机，使用低材料费用的长纤维带，按照预定轨迹连续反复地在一个回转芯模上逐层缠绕贴铺。层间可交叉角度缠绕贴铺，但不能沿回转芯模轴向纵向（0°方位）缠绕贴铺以及局部增厚或加筋。
自动复材料带层铺机床（ATL：Automated Tape Layer）：简称自动铺带机，主要用於平面型或低曲率的曲面型、或者说准平面型复材构件的层铺制造。
自动纤维铺放机床（AFP：Automated Fiber Placement）：简称自动铺丝机，主要用於复杂曲面型复材构件的铺放制造。
早期飞机复材构件的制造大部分采用手工铺放，劳动强度大，材料浪费严重，生产率低下，产品质量难於保证。完全人工铺放及半自动人工铺放工艺，显然难以应对复材整体构件在现代大型飞机上日渐广泛的应用，急需解决的问题便是应用自动化铺放设备。这能有效提高生产效率、增加产量、改善制造过程的可控制性，同时减少材料浪费，降低成本并提高产品质量，从而进一步推动飞机复材构件制造设备的重大发展与创新，自动铺带机（ATL）和自动铺丝机（AFP）由此应运而生。
ATL/AFP铺放设备根据复材整体构件铺层的设计要求，通常采用将碳纤维预浸料带或预浸料纤维束逐层铺叠在模具表面、并进行在线或离线热压固化的方式。因此，复材整体构件制造技术是制造装备技术、应用软件技术和制造工艺技术的融合集成。应用CFRP进行复材整体构件制造，不仅需要研究解决共固化、共胶接和二次胶接等若干基本的复材成形工艺技术，还需要研究解决用於制造复材整体构件的下料剪裁、铺放、铣钻削修整以及无损检测等相关的关键制造装备及其应用软件。
目前，用於自动化制造复材整体构件的ATL/ AFP机床已成为现代大型飞机生产的关键制造设备之一。为此，世界一些着名数控加工机床制造商和专业复材构件加工设备制造商都纷纷推出自家设计制造的ATL/AFP机床。
自动铺带机（ATL）
1. ATL机床基本结构
早在20世纪60年代初，航空制造业就开始应用碳纤维预浸料单向带、采用手工铺放工艺制造军用飞机结构件。发展到20世纪60年代中期，在飞机制造业要求实现复材带料层铺工艺自动化的推动下，自动铺带机研制成功。
第一台ATL机床由美国Vought（沃特）公司在20世纪60年代中研制成功，用於制造F-16战斗机复材机翼，使用了75mm宽带料。到20世纪70年代末，一些着名机床制造商开始推出商品化的ATL机床，包括平面型（FTLM：Flat Tape Laying Machine）和曲面型（CTLM：Contour Tape Laying machine）两种类型，使用的复材带料宽度分为25/75/150/300mm几种。通常，CTLM使用宽25/75/150mm带料，FTLM使用宽75/150/300mm带料。一般地说，零件轮廓越复杂，越趋於使用窄带料。但是为了提高ATL机床层铺加工生产率，CTLM多使用150mm宽带料，而FTLM多用300mm宽带料。
ATL机床多采用开放式高架龙门移动式结构设计，其整体结构非常类似於金属切削加工应用的开放式高架龙门移动结构五坐标数控铣床。
不同的是，数控铣床上常见的用於切削零件的刀具主轴及驱动装置将由ATL机床最关键的功能部件——铺带头装置所替换；通常要求机床配置9-11轴以上NC控制轴。一般设计有5个数控联动轴X、Y、Z、A、C用於ATL机床坐标轴运动控制，也即，使得铺带头实现5轴联动；另外4-6个NC控制轴设计在铺带头装置上，用於实现层铺过程复材带料传送与铺放控制。
如前所述，ATL机床主要用於平面型或准平面型飞机复材构件的层铺制造，典型的包括大型飞机机翼蒙皮、垂尾蒙皮、平尾蒙皮、翼肋、翼梁、桁条、工字梁、方向舵、升降舵、发动机进气处整流片、地板和门窗口等。
2. ATL机床铺带头
ATL机床配置使用的铺带头是集复材带料输送、加热、滚压贴紧、剪切、重送等铺放功能於一体的复材带料层铺控制装置，为ATL机床最关键的功能部件。
ATL铺带头通常设计有5个数控控制轴（UVQDE），用於完成前述复材带料层铺各种工艺功能。FTLM机床和CTLM机床的铺带头结构基本上很类似，不同的是CTLM机床至少设计有一个用於层铺曲面的A摆动坐标轴，C转动坐标轴用於改变铺带前进方向。
通常，ATL铺带头能支持0°、90°、+45°和-45°四种标准角度铺带方向。铺带头一般均设计有供料卷盘、带料导向传送装置、剪切装置、滚动压紧装置和可控加热装置等基本部件。
（1）供料及回收装置
供料卷盘多设在铺带头前上方，带料经过位置检测装置、一对剪裁刀具和带料烘热装置後进入带料导向轮，继而通过导向轮下部後穿过一贴合滚压辊，而後经过压紧辅助装置到达位於铺带头後部的背带回收盘滚轴。通过控制供料滚轴和背带回收滚轴驱动电机从而可控制复材带料层铺送料。Cincinnati将用於复材带料这种送料运动的整个装置定义为U轴。
（2）剪切装置
铺放过程中带料可被切断或剪切成所需角度，这是通过设计有两个剪裁小刀的剪切装置实现的。两剪裁小刀V与Q直线坐标运动装置在结构上完全一样，其移动方向垂直於带料前进的方向。在V轴上设计有D轴，而在Q轴上设计有E轴， 通过VD轴与QE轴可实现将复材带料剪切成所需要的任意角度。应指出的是，剪切仅仅切断复材本身，而不切断背纸料。
（3）加热装置
铺带头上可控加热装置用以控制复材带料升温（Cincinnati机床温控范围26-43℃）产生必要的粘度。可控加热装置和滚压装置构成一个协调整体，可有效使带料层间能良好地粘贴在一起或粘贴在模具型面上（第一层时），并可挤走层间空气。
（4）压紧装置
铺带头上的滚压辊用於压实铺放的带料并有效实现层间粘连且紧贴工件型面。通常压紧直接由压辊提供，层铺贴合滚压压力，Cincinnati机床对复材带宽150mm时为27-133kgf，对带宽300mm为27-173kgf。通常，滚压力是可编程的，可通过控制台由操作人员输入。
此外，ATL机床铺带头一般均装备有光电带料缺陷检测装置，在层铺过程中一旦检测到带料缺陷则控制机床停止层铺运行。
工业应用中的ATL机床
ATL设备自20世纪60年代中诞生以来，经历数十年持续不断发展至20世纪90年代末，在机床结构、层铺工艺、铺层控制、铺带头功能化水平、编程及其使用的复材范围等方面都取得长足进展。随着ATL机床自动化水平、铺放生产率及其可靠性的进一步提高，获得飞机制造用户的普遍认可，推动了ATL机床的实际工业应用。至目前为止，已约有60多台商品化的ATL在飞机工业中应用。
现在能向用户提供商品化的先进ATL机床的制造商为数不多，主要有美国MAG Cincinnati、Ingersoll公司、西班牙MTORRES公司和法国FOREST-LINE公司等几个着名加工机床制造商，以及美国ADC（Automated Dynamics Corp.）、Entec公司等若干专业复材构件加工设备制造商。
1. 高端铺带机（HCTL）在复材构件制造中显身手
大约从上世纪80年代开始至本世纪初（2001年），波音公司就已购置了近20台ATL设备，用於制造B-1/B-2轰炸机、海军A6闯入者飞机和空军F-22战斗机的机翼蒙皮，V-22 Osprey斜旋翼蒙皮，以及C-17军用运输机机翼等复材构件。波音777飞机(1995年)全复材的尾翼蒙皮，其平尾/垂尾翼蒙皮制造也是使用Cincinnati公司CHARGER系列CTLM机床来加工的。
美国Vought航空公司Dallas（达拉斯）工厂也装备有Cincinnati公司大型双龙门双铺带头结构的CTLM，用於生产C-17大型军用运输机水平稳定翼蒙皮壁板，壁板长12.9m，厚15mm，翼根部宽3.6m，翼尖处板厚仅2.5mm，每架飞机需4块（上下各2块），可一次同时铺放2个零件，年生产量约60块。
机床制造商Cincinnati公司研制的CHARGER系列Version 5新一代CTLM，被称为高级曲面型铺带机（HCTL：High Contour Tape Layers)。该HCTL采用低导轨龙门移动结构，导轨高度可按用户实际需求设计。因此，和上文中图3所示Cincinnati的早期ATL机床相比，具有更好的开放性、快速性和结构刚度，更适合於各种平板、轮廓和变几何形状的中大型尺寸飞机中、碳纤维/环氧树脂复材构件的自动层铺加工，铺带速度可达50m/min。
该机床设计有10个NC控制轴，其中5个（XYZAC）用於机床坐标轴联动运动控制，5个用於铺带头带料层铺控制，机床配置新一代CNC控制系统CM-100。X轴基本行程为3.6m，可倍增加长，同时每3.6m处可增长300mm以增加X轴方向运动的柔性；龙门宽度可调，标准机型为5m，Z轴节拍可根据实际需要调整，A轴位於铺带头部，可实现曲面层铺，横梁导轨高度根据实际需要设定。
HCTL铺带头重配安装与操作容易，允许快速简单地从侧面装载宽300mm直径达650mm带料盘，铺带头硬件设计使得150mm或300mm宽带料盘更换快速。铺带头还设计有一个20kHz超声波切刀选件，切厚达15mm）。因此，该选件使用户可直接在ATL机床上对复材工件进行切割，实现剪切和铺带工序在同一台机床上操作，不需要在专门复材切割机床上进行切割工序操作，避免了可能的转序等待以及在复材切割机上加工时的重新装夹定位，从而可缩短复材构件生产周期。
应指出的是，当进行零件切割时需要暂时停止铺带运行，从而导致铺带生产率有所降低。但如前所述，由於不需要转工序进行切割操作，因而复材构件制造的生产率仍可被提高。
至今，MAG Cincinnati公司已为航空工业提供了各种规格的ATL机床达40多台。波音公司在其复材制造中心内已先後安装了8台ATL机床（其中2台为Cincinnati公司HTLM，并对原有2台Cincinnati的CTLM进行了更新改造），用於波音777和787客机中央翼盒、机翼蒙皮等复材整体构件的层铺生产。Cincinnati公司的ATL设备也供给空客公司，用於空客A320、A330、A340-500/600、A380和A400M军用运输机等机翼复材结构件的生产。
2. ATL机床制造机翼梁复材构件
现代大型军用运输机A400M由4台功率7500kW涡轮螺旋桨发动机驱动，每台通过减速装置驱动重约250kg的8个螺旋桨叶（复合材料制造），额定转速850r/min，总共产生超过8,700Nm扭矩力作用在采用CFRP全复材设计的机翼梁构件上。该机翼梁构件由GKN宇航公司制造，使用英国Cytec工程材料公司的碳纤维/环氧树脂增强型预浸料997-2，翼梁长19m，前翼梁分为12m/7m两段，後翼梁分为14m/5m两段，两段间通过复合材料制造的C形夹连接，最长的单段翼梁为14m，宽1.5m。
这些翼梁是应用20m长床身的西班牙MTORRES公司ATL机床生产的，使用复材带料厚0.25mm，采用层铺方式，最厚处达21mm，每层间以不同的纤维向交错铺放以取得最佳的构件强度和硬度，铺放生产率平均为25kg/hr，最高可达36kg/hr，而采用人工铺放仅为0.75kg/hr。据了解，GKN宇航公司原来人工铺放14m长翼梁需要7-8天，采用ATL机床後仅需24hr即可完成；人工铺放最短5m翼梁需180 hr，使用ATL的耗时仅仅为90min。
GKN宇航公司认为，采用ATL机床自动铺放同时结合应用双隔膜成形工艺DDF（Double Diaphragm Forming）制造一个复材构件零件，比采用人工层铺要快25-50倍。
西班牙MTORRES公司制造的开放型低轨高速龙门移动式TORRESLAYUP铺带机，设计有11个数控轴，并采用了模块化设计技术，可根据用户需求进行配置；使用75/150/300mm标准宽度复材带料。机床X/Y/Z轴行程3000-5000/1000-6000mm/300-1500mm，C轴±185°，A轴±22.5°；线性轴进给速度15-45m/min，定位精度±0.08mm，配有两个小型超声波切刀用於带料切割。MTORRES铺带头能提供最大的压紧能力，不需频繁使用抽真空方法来取得最佳压紧效果。此外，铺带头上设计有内装式带料缺陷检测系统，并设计有用於构件轮廓检查的激光光幕装置等选件。
3.“双工序”ATL机床制造机翼蒙皮壁板复材构件
法国FOREST-LINE（弗雷斯特-里内）公司在20世纪80年代末（1988年）开发了开放型高架龙门移动式结构的ATL机床。2006年推出了被称为单工序的WR ATLAS（Automatic Tape Laying System）自动铺带机。铺带头可配超声波切刀选件，实现将剪切工序和铺带工序在同一台机床上操作，FOREST-LINE将之称单工序铺带系统。该公司最新开发的被称为双工序的ACCESS/ATLAS复材层铺系统，是由先进复材带料编辑/剪裁系统ACCESS（Advanced Composite Cassette Edit/Shear System）和自动铺带系统ATLAS两台设备组成的。
这是一种将复材带料剪裁工序和带料自动层铺工序分开的复材构件制造技术，故称为“双工序”或称“两步法” ATL设备。ACCESS专用於ATLAS进行带料层铺前，通过执行软件按构件不同铺层要求对原始带料进行编辑剪裁，产生复杂边界的铺层带料，能够自动去除剪裁废料，编辑剪裁好的带料被装在成品带料卷盘盒中，复材带料间设有背纸，卷盘盒装有相应的条形码以供ATLAS铺带机识别。
这样一来，通过ACCESS设备支持，ATLAS机床不仅可实现复杂轮廓形状复材构件的自动化铺带，同时提高了铺带生产率。通常，一台ACCESS设备可支持多台ATLAS铺带机运行，形成一种复材构件多机生产制造环境。ATLAS铺带机采用数控五轴联动（XYZBC）高架龙门移动式结构设计，标准X轴行程8.3m，可扩长，Y轴行程可任选4.15/5/6.5m ，Z轴行程可任选520/750/1000/1200mm，B摆动轴±30°，C旋转轴±200°。 X/Y/Z轴均采用直线电机驱动，X/Y轴速度60m/min，加速度1.5m/s2，Z轴15m/min，B轴转速16000/min，C轴转速40000/min。其铺带头专为实现层铺高生产率而设计的，供料盘直径675mm，带料可长达800-900m，允许使用50/150mm宽带料，支持0°/±45°/90°四种标准角度铺带方向。同时，设计有双超声波剪切刀和凹凸轮廓层铺自适应系统选件。
此外，为提高ATL机床生产率和铺层柔性，FOREST-LINE ATLAS机床还可组成一种可实现 “双铺带工艺”的双铺带头的ATL机床，即将前述的单工序铺带头和双工序铺带头集成设计在一个铺带头上，前者允许使用宽达300mm带料铺放制造简单轮廓的复材构件，後者则使用通过独立预先剪裁的最宽达300mm带料铺放制造复杂轮廓外形的复材构件。
日本三菱重工（MHI）和富士重工（FHI）都购置了FOREST-LINE此类ATL，用於波音787客机复材机翼上下翼面蒙皮壁板和翼盒的加工制造。FOREST-LINE的ATL机床最早在法国南特空客飞机制造厂应用於ATR飞机复材机翼构件的制造，之後又继续应用在A340-600龙骨梁、A380中央翼盒和军用运输机A400M中央翼盒等复材构件的生产。据报道，目前法国南特空客飞机制造厂已配置有6台ACCESS设备，9台ATLAS铺带机。
4. 用於复材整体构件铺放加工的ATL机床
美国Ingersoll机床公司也是ATL/AFP设备主要制造商之一，该公司制造的ATL机床使用25/75/150mm宽带料，可用於平面或简单曲面类复材整体构件铺放加工，也是采用数控五轴联动（XYZAC）高架龙门移动结构设计，X/Y轴进给速度30m/min，Z轴15m/min。A轴10r/min和C轴20r/min。
这款机床的铺带头也是特别为实现层铺高生产率而专门设计的，包括直径635mm供料盘，双向带料进给驱动和带料张力控制、背带回收卷轴、尾带剥离器、尾带压紧辅助装置、带料加热系统、激光坐标校准系统、T-轴带料校准、双超声波剪切刀具、可编程压力控制的贴合层压装置、激光靶针、电子带料跟踪、自动化电子导向系统和可实现快速带宽变化超调等功能。
在简述上述应用之後，最後应指出的是，根据实际应用对象之不同，ATL机床铺带头功能化水平和复杂程度往往是不一样的。与此同时，从前文中的讨论中也可看出，不同设备制造商生产的ATL机床铺带头虽然各有千秋，独具特色，但就其基本功能而言却是基本相同的。(end)
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(1/14/2010) |
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