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          高端自動鋪帶機/鋪絲機(ATL/AFP)的最新發展

          發布日期:2022-03-15 00:00:00   瀏覽量 :265
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          自動鋪帶機/自動鋪絲機ATL/AFP的發展 

                 具有高強度低密度特性的復合材料(Composites,下文簡稱復材)取代傳統鋁合金材在現代大型飛機結構件設計制造中得到了廣泛應用,并已漸成為現代大型飛機的主結構用材。如波音787“夢想” 大型客機和空客A350 XWB寬體客機復材用材重量比都已超過了 50%。這種趨勢仍在持續發展,據預測到 2015-2020 年將達 70%-80%。一些具有創新性的全復材或準全復材機身構件的無人機、直升機和商務機已研制成功,釆用復材作為主結構件的飛機時代已經來臨。

                 在現代大型飛機批量生產中,用於復材整體構件制造的自動鋪帶機ATL/自動鋪絲機AFP則成為關鍵設備。20 世紀 90 年代末本世紀初(2001 年)前,基本上僅有美國Cincinnati機床公司和Ingersoll公司能向航空飛機制造業提供大型ATL/AFP機床,美國ADC(Automated Dynamics Corp.)公司能夠提供AFP機床。最近 10 多年來,航空飛機制造業對自動化復材構件制造技術的迫切需求推動了ATL/AFP機床得到長足發展和更廣泛工業應用。但是和金切數控機床相比,能向航空飛機制造業提供ATL/AFP機床的制造商仍然極為有限。 

          最近 3~5 年,一些復材構件鋪放設備制造商推出了一些具有創新性的ATL/AFP機床,提出了一些新技術概念,推動著ATL/AFP機床持續發展與進步。ATL/AFP機床這種發展新趨勢在技術層面上看,主要表現為:高速/高生產率鋪放機床;多鋪放頭集成復合鋪放機床;熱塑性纖維鋪放機床;商用機器人平臺鋪放機床;ATL-AFP混合鋪放機床;多機鋪放生產環境。 

                 目前,對 ATL/AFP 機床技術發展最主要的目標是提高鋪放生產率和降低設備費用,且主要呈現在兩個不同發展方向以適應兩種不同復材構件鋪放應用領域需求: 

            (1)用於航空飛機制造業的大型復雜復材整體構件鋪放的高端 ATL/AFP 機床,進一步向大型化、高速化、自動化和集成復合化方向發展,以提供高生產率、高自動化、高性能和寬鋪放應用范圍的 ATL/AFP 機床。本文將對此做詳細介紹與討論。 

            (2)面向具體應用的中小型復材整體構件鋪放機床朝著模塊化、自動化、恰好規模和柔性化方向發展,以提供高生產率、高自動化、低費用和有限鋪放應用范圍的 ATL/AFP 機床。有關這種低費用適應型 ATL/AFP 機床本文不作討論。 

          高端ATL/AFP機床趨向大型化與高效化 

                 現代大型飛機主結構件設計制造已越來越多釆用復材整體構件已是明顯發展趨勢,并已從大型機翼長梁、蒙皮壁板等相對簡單復材構件發展到大型飛機整體筒殼機身段及中小型飛機整體筒殼機身等復材構件,且構件尺寸越來越大,整體結構越來越復雜。 

                 為適應航空飛機制造業這種實際發展需求,諸如 Cincinnati、Ingersoll 和 Forest-line 公司等一些大型數控機床制造商借助其在大型數控機床結構設計技術的優勢,最近幾年都紛紛推出其配有高鋪放進給率鋪放頭的新一代大型高端(High level)ATL/AFP 機床,其結構尺寸越來越趨向大型化。 

                 美國 MAG Cincinnati 機床公司的 CHARGER 系列 ATL 機床和 Viper1200/3000/4000/6000 系列AFP機床發展歷程可作為這種趨向大型化發展的典型實例。圖1為MAG Cincinnati公司和MTorres公司兩款高端大型 ATL 機床;圖 2 左為 Hawker Beechcraft(豪客比奇)公司應用 Cincinnati 公司Viper AFP 機床鋪放制造豪客 4000 超中型級別公務機復材機身整體構件情況,機身最大直徑已超過 2m。據報道,目前豪客 4000 公務機的訂單已超過了 100 架。MAG Cincinnati 公司最新 Viper 6000AFP 機床鋪放復材整體筒形構件直徑可達 6.3m,驅動心模重量達 86.3t。 

          圖 1 大型高端 ATL 機床 

          圖 2 MAG Viper 大型 AFP 機床 

                 法國 Forest-line 公司和西班牙 MTorres 公司新近推出的 AFP 機床可作為高端 AFP 機床大型化 的另一典型實例。 

                 圖 3 左為法國 Forest-line 公司 2007 年推出的高端大型 AFP 機床 FPH ATLAS,主要用於大型 

          飛機機身段復材構件和類似零件鋪放制造,并可適應半徑達 1m 以上的內曲面(凹模)構件的鋪放加工。據稱其特別設計的緊奏型熱固性鋪絲頭,維護方便,使用 6.35mm 束寬 32 束或 12.7mm束寬 24 束纖維束料,允許最短鋪放纖維長度僅 80mm,鋪放進給速度達 60m/min(直線電機驅動)。 

                 圖3右為西班牙MTorres公司新推出的高端大型AFP機床TORRESFIBERLAYUP,用於A350 XWB機翼前/後梁和 15 段機身復材整體構件制造,緊奏型熱固性鋪絲頭可配置使用 3.2mm、6.35mm 或12.7mm 束寬 32 束纖維束料,鋪放速度達 60 m/min,最高鋪放生產率可達 45-50kg/hr。Forest-line公司和 MTorres 公司這兩款高端大型 AFP 機床總體結構都可根據實際需求,或者說根據復材零件結構需要而設計為立柱移動式的,并可帶或不帶臥式轉臺驅動結構,或者設計為龍門橫梁移動式結構。 

          圖 3 用於大型飛機復材構件鋪放加工的 AFP 機床 

                 目前,用於航空飛機復材構件制造領域的高端 ATL/AFP 機床發展除其趨向更加大型化外,并出現如下若乾發展新趨勢: 

          (1)大型 ATL 機床多趨於釆用低軌龍門移動結構設計,以取得更佳開放性,多設計有可選擇配置不同規格(寬帶或窄帶)的鋪帶頭,以實現鋪放構件復雜度與生產率兩者得以兼顧; 

          (2)大型 AFP 機床多設計配置有緊奏型熱固性鋪絲頭,通過可選擇的“窄帶多束”或“寬帶少束”鋪絲頭配置以滿足不同用戶需求,實現鋪放生產率與制造構件復雜度兩者得以兼顧; 

          (3)大型 ATL/AFP 機床進給高速化(50~60m/min),以取得高鋪放生產率(25~50kg/hr); 

          (4)大型 AFP 機床多數設計有專用纖維束經軸架輔助裝置;大型 ATL/AFP 鋪放機床的總體結構設計,通常是考慮到被鋪放零件的實際結構類型和尺寸大小,一般為高專用性設備,盡管它仍具有一定寬的應用范圍;現代數控機床的多主軸加工、加工單元以及復合加工等技術概念被擴展應用到 ATL/AFP 機床上,以實現進一步提高其鋪放生產率。 

          在風力發電設備制造領域,用復合材料制造的大型風力發電設備螺旋槳葉片的巿場需求急速增長,且隨著發電功率的增大,所需的風機槳葉尺寸也越來越大,其長度可達 30~50m。人們對大型螺旋槳葉復材整體構件的鋪放制造需求也是促進 ATL/AFP 鋪放設備趨於大型化發展的另一個推動力。圖 4 所示為美國 Entec 公司制造的用於大型風力發電設備螺旋槳葉復材構件鋪放加工的低軌龍門結構復材鋪放機床和用戶化定制的專用復材鋪放機床。 

          圖 4 Entec 公司大型 AFP 機床 

          集成復合化ATL/AFP機床成為新趨勢 

                 ATL/AFP 機床高鋪放生產率對實現復材構件批量生產和提高用戶投資回報率(ROI)是至關重要的。對一個具體 ATL/AFP 鋪放機床而言,通常很難對所有復材構件的制造中使高鋪放生產率與制造復材構件復雜度兩者得到兼顧,導致用戶往往需要購置不同規格鋪放頭的 ATL/AFP 機床。 

          對用戶而言,這不僅意味著要增加很大設備費用的負擔,而且還意味著要消耗更多的能源、占用更多的車間場地和維護費用。 

                實際上,ATL/AFP 機床的鋪放制造能力在很大程度上取決於其鋪放頭的功能與性能,如何在提高 ATL/AFP 機床鋪放生產率同時又擴展制造復材構件適用范圍則是航空飛機制造業所迫切希望的。為此,復材構件鋪放設備制造商將現代數控機床的多主軸加工、加工單元以及復合加工等技術概念擴展應用到 ATL/AFP 機床上,通過集成復合化鋪放工藝技術以進一步提高復材構件鋪放生產率,并已成為大型 ATL/AFP 機床發展一種新趨勢。 

          1、多鋪帶頭 ATL 機床 

          對 ATL 機床,解決制造復材構件復雜度與鋪放生產率兼顧的一種簡單方法是:將不同規格的鋪帶頭集成在一起形成一種復合化鋪帶頭,取代傳統多臺 ATL 機床,使一臺 ATL 機床就能實現多種帶寬鋪帶工藝并可取得滿意的高鋪放生產率。FOREST-LINE 公司推出的雙鋪帶頭結構的 

          ATLAS 鋪帶機可作為這類機床一種典型實例。該公司雙鋪帶頭 ATL 機床,同時配置了一個單工序鋪帶頭和一個雙工序鋪帶頭,前者可直接用於鋪放制造構件簡單輪廓外形的區域,使用寬 300mm 帶料,後者則可用於鋪放制造構件復雜輪廓外形的區域,使用寬 150mm 帶料,實現了“雙鋪帶工藝”的集成復合化,兩個鋪帶頭可交替工作, 

          見圖 5 左半所示。 

          圖 5 復合化鋪帶頭 

          該 ATLAS 鋪帶機 XYZ 三軸驅動均釆用直線電機,X 軸行程可達 40m、Y 軸(高架龍門內寬)8m,重 25t 龍門移動速度可達到 60m/min,加速度 1.5m/s2,寬 300mm 帶料卷盤盒容量可擴展到800-900m,并具有高度復雜的切割功能以適應大型飛機復雜復材構件制造,確保飛機結構滿足設計重量要求。實際上,這種雙鋪帶頭的 ATLAS 鋪帶機,配合 FOREST-LINE 公司 ACCESS 機床(用於 150mm 帶料預先剪裁)可快速實現大型復雜形狀復材構件的快速層鋪制造。和該公司單鋪帶頭的 ATL 機床相比,用於大型機翼復材構件的層鋪制造可提高鋪放生產率 2~4 倍。 

          日本三菱重工(MHI)從 Forest-Line 公司購置了 4 臺雙鋪帶頭 ATLAS 鋪帶機,2 臺 ACCESS機床,用於波音 787 客機機翼上下翼面復材蒙皮壁板層鋪制造,壁板長 36.5m,最寬處 6.5m,為雙曲率復材整體構件。日本富士重工(FHI)也從 Forest-Line 公司購置了 1 臺雙鋪帶頭 ATLAS 鋪 

          帶機,1 臺 ACCESS 機床,用於波音 787 客機復材翼盒層鋪制造。北京航空制造工程研究所和法國 FOREST-LINE 公司合作正在研制這種“雙鋪帶頭”的大型 ATL 機床,用於大型復材構件開發研究,目前已基本完成調試,即將投入實際使用。西班牙 MTORRES 公司則釆用和上述不同的技術途徑來實現鋪放制造零件復雜度與高鋪放生產率兩者良好兼顧:通過將傳統大型 ATL 機床單帶結構的鋪帶頭改成釆用多帶結構的鋪帶頭(見圖 5 右),并應用於 A350 客機機翼制造。該多帶結構鋪帶頭允許裝載 4×75mm 寬帶料,其鋪放生產率和裝載單一 300mm 寬帶料鋪帶頭一樣,但由於每條帶料均可單獨控制,因此多帶鋪帶頭可鋪放制造輪廓更為復雜的復材構件。這種多帶結構鋪帶頭也可裝載 2 條 150mm 寬帶料。實際上,MTORRES 公司這種多帶結構鋪帶頭可看成是等效於配置有 4 個 75mm 寬的集成化多鋪帶頭的 ATL 機床,或者說其鋪放工藝本質上就是自動鋪絲機 AFP 鋪放工藝技術的簡單應用。

          2、多鋪絲頭AFP機床

                 從一般意義上講, AFP 機床由於釆用多束纖維鋪放工藝,在一定程度上解決了高鋪放生產 率與制造零件復雜度兩者間的兼顧。但是,由於使用的纖維束的寬度與數量之不同,高鋪放生產率與制造零件復雜度兩者難以兼顧問題仍然存在。美國 ElectroImpact 公司 2003 年開發了一種新概念的模塊化鋪絲頭(Modular Fiber Head Placement),并通過設計有可自動交換鋪絲頭的 AFP 機床以期解決此實際難題,見圖 6。 

          圖 6 ElectroImpact 公司多鋪絲頭鋪絲機 

                 這種 AFP 機床對給定的一種纖維鋪放應用需要的所有纖維束料都被放在模塊化鋪絲頭上,取消了傳統 AFP 機床上專設的纖維經軸架輔助裝置。所有纖維束鋪放操作都集中在該鋪絲頭上實現,包括纖維束供料卷軸、牽絲輔助裝置、剪切刀具、張力控制和固化加熱等裝置。同時,鋪絲頭和控制它進行鋪放運動的平臺是分離的,類似金切數控加工中心機床中自動刀具交換功能一樣,鋪放加工需要的鋪絲頭能夠實現快速被交換到“運動平臺”上。這樣一來,復材構件制造用戶只需購置一臺基礎機床(運動平臺)和多個鋪絲頭就可適應不同復雜度的復材構件鋪放加工應用,即在滿足高鋪放生產率前提下適應不同應用對象的鋪放制造。 

                 此外,ElectroImpact 公司在研制上述 AFP 機床成功基礎上還新開發了一種由 6.4mm 束寬 12 束和12.7mm 束寬 12 束的雙鋪絲頭 AFP 鋪放單元機床(Cell Machine),兩個鋪絲頭可同時對大型飛機復材整體筒客機身段構件進行鋪放,以進一步提高鋪放生產率。同時,ElectroImpact 公司還選擇了第三方公司(CGTech)的 CAM 軟件 Vericut,作為該設備的編程系統 Vericut ATL/AFP 軟件。圖 6 右面所示的即為應用 Vericut ATL/AFP 軟件仿真模擬雙鋪絲頭 AFP 鋪放單元工作場景。這種釆用獨立於 ATL/AFP 機床的復材構件加工編程軟件系統是 ATL/AFP 技術發展的一種新趨勢。 

          3、新ATL-AFP混合鋪放機床技術 

                 至此所介紹的多鋪放頭 ATL/AFP 機床基本上均為同一類型鋪放工藝(鋪帶或鋪絲)的鋪放頭集成復合應用,以兼顧高鋪放生產率與制造構件復雜度。法國 Forest-line 公司新近在其所屬的Capdenac 工廠復材驗證中心,配置了一臺新研制的雙鋪放頭鋪放機床,則是將 ATL 機床鋪帶頭 

          和 AFP 機床鋪絲頭集成在同一臺復材鋪放加工設備上,形成一種 ATL-AFP 混合鋪放機床,實現了 ATL 和 AFP 復合應用,見圖 7。 

          圖 7 ATL-AFP 復合機床

                 實際上,該 ATL-AFP 混合鋪放機床是基於 Forest-line 公司傳統龍門移動式 ATL 機床,在可移動運動的橫梁上再配置一可作 YZ 軸運動的立式鋪絲頭,構成了龍門移動式雙鋪放頭的鋪放機床。該 ATL-AFP 混合鋪放機床的鋪帶頭可選用 75-300mm 帶料,用於高生產率地鋪放制造簡單輪廓復材構件;鋪絲頭使用 6.35mm 束寬 32 束纖維束料,可用於鋪放復雜輪廓復材構件。這種ATL-AFP 混合鋪放機床特別適用於復材構件研究開發、試制、實驗和技術培訓應用,同時也可用於實際復材構件鋪放制造。 

          最後還應指出是,實際上模塊化多鋪放頭技術在低費用適用型 ATL/AFP 機床上也得到了極為廣泛應用。 

          新概念AFP設備 

          1、新型AFP設備 

                 用於復雜曲面,特別是復材整體筒殼構件鋪放制造的傳統自動鋪絲機(FAP)機床總體結構設計中都繼承了傳統復材構件自動纏繞機(AFW)鋪放工藝基本技術思想,在 FAP 機床前都設計有一個旋轉心軸裝置驅動芯模轉動進行零件曲面鋪放,也就是說傳統 FAP 機床結構設計中都要考慮復材構件回轉結構裝置設計/制造的技術問題。但是,這種機床總體結構存在有明顯的不足之處:旋轉心軸驅動裝置費用高,Ingersoll 公司認為鋪放復雜曲面復材構件,釆用有轉動陽模鋪放的 AFP 機床其費用要比釆用陰模鋪放的 AFP機床貴 7~10 倍;需要專用的凸芯模裝置,對復雜復材構件芯模設計制造技術難度較大,且費用高;為確保在旋轉芯模上進行纖維束鋪放的良好貼合,FAP 機床需具有較大的熱壓能力;增加設備車間占地面積和維護費用。 

                 為此,一些復材構件鋪放設備制造商推出了一種新概念的 AFP 機床,通過在現場安放簡單的凹(陰)模具,取消了傳統 AFP 機床旋轉心軸驅動凸芯(陽)模轉動裝置,從而可降低設備成本實現低費用 AFP 鋪放技術。這種沒有旋轉心軸驅動陽模轉動的機床結構設計可明顯減少傳統 AFP機床尺寸,增強窄腔復材構件鋪放加工能力,并能同時顯著減少設備車間占地面積。Ingersoll公司推出的第 2/3 代AFP機床Mongoose就是基於這種新概念設計的。圖 8 左為美國Goodrich航空構件公司配置的雙龍門雙鋪放頭的Ingersoll公司AFP機床Mongoose(第二代),使用12.7mm寬 32 束的鋪放頭,鋪放速度達 40m/min,切割速度 30m/min。Goodrich公司準備應用這種AFP機床來生產GEnx和用於波音 787 客機的Trent 1000發動機短艙復材內涵道支撐結構件自動化鋪放生產,以前該構件釆用人工鋪放。 

          圖 8 右為 Ingersoll 公司最新推出的第三代 AFP 機床 Mongoose 及其新設計的鋪放頭。該鋪放 頭由於釆用模塊化設計容易根據用戶需要而構成立式或臥式 AFP 機床,同時可適用於凸模、凹?;蚱桨迥脠龊?。當使用 6.74mm 寬 16 束復材纖維,鋪放速度達 60m/min,切割速度 50m/min,鋪放復材表面積速率達 720m2/hr,鋪放生產率 27kg/hr。 

          圖 8 Ingersoll 公司 AFP 機床 Mongoose 

          2、高生產率AFP設備 

                 提高 ATL/AFP 機床鋪放生產率是目前 ATL/AFP 機床最新發展的最基本趨勢,其釆用的技術途徑主要是通過提升自動化、高速化和鋪放工藝集成復合化水平來取得高鋪放生產率。此外,一些大型 ATL/AFP 機床制造商將大型金切數控機床雙龍門雙主軸頭并行加工思想同樣應用在ATL/AFP 機床上,向用戶提供高鋪放生產率的雙龍門雙鋪放頭 ATL/AFP 機床。在宇航和國防工業應用領域,ATL/AFP 機床取得 25~50 kg/hr 鋪放生產率應算是為高鋪放生產率了。但對完全商品化(通常指非宇航和國防工業應用領域的普通民用工業)應用領域而言,這種鋪放生產率仍然不能滿足用戶的實際需求。為此,在普通民用工業應用領域,人們釆用了另一種技術途徑:通過使用先進的更大質量的纖維束料來取得 AFP 機床高鋪放生產率。宇航和國防工業應用領域的 AFP 機床,典型多使用 12K 根獨立長纖維組成一根“纖維束”結構的復材料。而用於風力發電設備風力渦輪葉片制造的 AFP 機床,已出現趨向使用 24K 纖維束復材,以提高 AFP 機床鋪放生產率。釆用更大質量纖維束則是民用工業應用領域 ATL/AFP 機床發展的一種新趨勢。 

                 美國 Entec 公司開發的用於大型民用風力渦輪發電機復材葉片制造的 AFP 機床(圖 9),則使用 150K“纖維束”、 束寬 18mm。鋪絲頭設計為能容納 32 根纖維束,即鋪放復材束帶寬達 576mm, 且每根纖維束均可單獨實現控制,鋪放精度可達±1mm,鋪放生產率 341kg/hr。在某些鋪放應用場合中,如果 32 根纖維束始終都被使用,此時實際上是已將 AFP 機床轉變為 ATL 機床使用,則甚至可取得 680kg/hr 高鋪放生產率。這種高鋪放生產率 AFP 機床供料卷軸一次可提供長達 2200m纖維束。 

          圖 9 Entec 公司大型風輪機槳葉復材構件 AFP 機床 

          Entec 公司這種高鋪放生產率 AFP 機床,由於纖維束帶質量較大,不使用傳統的超聲波型剪切刀,改用工業激光切割技術來實現對單獨纖維束或整個纖維束帶切割,但要求預浸料纖維束背料具有吸收激光能量的能力。應指出的是,Entec 公司這種高鋪放生產率 AFP 機床實際上已是一種高專利性的鋪放設備。 

          把握時機 研發大型ATL/AFP機床 

          目前,我國正在啟動實施大飛機重大項目,并規劃要釆用一定數量的復合材料整體構件(規劃其重量比可達約 25%)。為此,對 ATL/AFP 機床提出了迫切需要。而我國在大型 ATL/AFP 機床研制、生產和實際工業應用等基本上還處於起步階段,與國際先進水平相比,仍存有較大差距。 同時,國家已將大型 ATL/AFP 機床列入數控重大專項研制設備之類。因此,國內有實力的大型數控機床制造企業應關注大型 ATL/AFP 機床技術發展和應用,抓住難得歷史性發展時機,投入必要的人力和物力盡快奮力研發自動鋪帶頭/自動鋪絲頭關鍵功能部件以及國產大型 ATL/AFP 機床,以滿足國內航空飛機制造業的實際迫切需要,并盡快趕上國際先進水平。

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