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发表于 2010-7-16 13:41:14
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来自： 中国广东佛山
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3.MTORRES公司AFP机床 7 M7 C7 z3 W! e9 J; [
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波音787客机的43段机身由日本川崎重工（KHI：Kawasaki Heavy Industries）制造，使用西班牙MTORRES公司的新一代AFP机床，见图7。
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在西班牙的马德里复合材料研究中心也安装有一台同样的新一代AFP机床。MTORRES公司的新一代AFP机床使用32束任选3.2/6.4/12.7mm宽纤维束的铺丝头，铺丝头由铝合金材制成，尺寸小，惯量小，铺放速度可达61m/min，机床线性轴加速度达3g，最高铺放生产率达45-50kg/hr。 / J6 B/ H' R# D# v& g
$ U+ `1 Y A. c' lATL/AFP机床的优点
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1 w/ H; V9 p9 m" [2 j2 L前面在介绍工业应用中的ATL/AFP机床时，对应用自动复材铺放设备的益处已有所涉及，本节将对此作一专门介绍与讨论。 2 J* }% y- M4 f' y; h3 B6 L3 A
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工业实践已表明，应用现代先进ATL/AFP机床层铺生产复材整体构件，和传统人工/半自动人工层铺复材构件工艺相比具有许多显着优点。 5 e! D# c7 ~( a3 ]/ ?6 s1 e
0 E7 m9 X, r2 n. W2 B s1.提高铺放生产率 9 K; ?% S8 g+ j( p
5 p! s0 |8 b7 {3 @: ~% h使用ATL/AFP机床自动层铺技术，自动化水平大大提高，尽管仍然需要少许人工层铺操作，但和传统人工层铺工艺相比可减少传统人工层铺劳动量（人时）40%-90%，从而保证高铺放生产率。 9 d2 }/ B% ~; G- @
: Z( k' r! z. c& k. I目前，作为测量ATL/AFP机床铺放生产率的高低是以每小时铺放复材公斤数来评测的。ATL机床铺放生产率和被铺放的零件大小有关，大型平板类复材构件可使用宽规格带料，层铺路径长，铺放生产率较高。 1 i4 a* v4 q1 p$ F' I
1 t; x: d3 d6 {$ c一般来说，人工铺放生产率平均0.5-1.2kg/hr。目前，ATL机床铺放生产率平均达10-20kg/hr，CTLM机床最高可达20-30kg/hr，FTLM机床最高可达30-40kg/hr；AFP机床铺放生产率平均可达10-30kg/hr，比人工铺放提高5-20倍。 4 a& D E! {* \8 W) P
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2. 减少材料浪费，降低成本 0 w. l6 G+ s5 S
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人工层铺带料复材浪费率超过25%-30%，使用ATL复材浪费率仅3%-10%，平均约5%左右，材料利用率高。人工铺放纤维束浪费率相当高，可达30%-50%。AFP机床由於纤维束可独立铺放控制，能根据零件轮廓形状自动适应，几乎不产生废料，复材浪费率仅2%-7%。
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采用自动化层铺技术一般可降低生产成本30%-50%以上。这主要从减少劳动力费用和减少材料浪费两方面来取得。 $ k, {) U' b0 Z3 O2 c
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一是减少劳动力费用：以GKN宇航公司制造A400M军用运输机23m长复材机翼梁为例，采用树脂膜渗透成型（RFI：Resin Film Infusion）工艺，采用碳纤维带料，使用人工层铺费时180hr，劳动力费用40美元/hr，後来使用ATL自动层铺费时1.5hr，劳动力费用150美元/hr，减少了劳动力费用95%以上，不仅有效减少生产成本，更重要的是生产效率提高了约120倍，制造周期显着缩短。
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二是减少材料浪费：从前面讨论可看出，人工层铺复材浪费率平均要高达30%-35%。一架A380飞机可能用碳纤维35t左右，仅翼盒复材用料就达5.3t，正常批量生产後，年耗量需要1000t。一架波音787客机可能用碳纤维25t左右，以年产60架计，则年耗量1500t。碳纤维环氧树脂预浸料复材价格大约为120-180美元/kg。显然，由於复材材料的节约将使得生产成本有相当可观的减少。
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7 y4 F8 L' N( M% x; h7 h3. 制造精度高，质量稳定
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+ |# Y4 G) Y; d3 v- E5 t使用ATL/AFP自动层铺技术可提高制造精度。目前，使用ATL/AFP基础铺放精度一般可达1.2-1.5mm之内，最佳精度可达0.76mm以内，人工铺放一般为±3mm。
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% v2 ?" Y+ t; a* W- T使用ATL/AFP自动层铺技术，铺放、滚压等制造工艺过程都是由程序自动控制，重复性与一致性好，质量稳定，不仅可避免人工铺放可能发生的错误，同时在相同结构与同等强度下，和人工铺放相比构件通常可减轻重量10%-20%。
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4. 可自由铺放制造大型复杂复材构件
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, v/ | ` T/ p) e, B+ e+ U由於AFP机床每一根纤维束都可独立地被铺放、压紧、切断和重新铺放等，即实现独立铺放工艺控制。因此，应用AFP便於铺放制造大型复杂复材构件，便於实现纤维束在最佳角度下进行交错铺放、层铺，以使得零件局部增厚或加筋层铺，获得不同壁厚的零件，以确保构件重量的最小化，并通过程序设计控制不同纤维束铺放开/关/切割，可实现诸如窗户、门、舱口等复杂开启装置构件成型制造。 ! s$ g& z% @3 T ^) B. i4 D
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而且，纤维束自动铺放将不受自然路径（Natural Path）轨迹限制，铺放自由度大，可实现连续平滑移动变化（Fiber Steer），适合於大曲率复材构件成型制造；还可生产网状结构的精边。这种方式可以优化结构集成度、降低35%的材料浪费、减少後续加工需求及手工操作。
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l2 b5 Z- b7 a$ P `: R: F另外，应用AFP既能够铺放制造大型复杂复材构件，也能够铺放制造简单平板类复材构件，起到相当於ATL机床的功能作用，并提高设备自动化来提升生产率，加强了制造过程的可控制性，因此构件制造质量容易控制，自动层铺复材构件生产流程路径通常可大为缩短，因而生产占地空间减少，并能促进数字化复材结构件设计制造技术发展与应用。 9 x! ^. D/ w5 K0 `. @
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ATL/AFP控制系统与编程 - V2 r. J7 F) t$ j- V% J5 C$ d
# l |7 ?( A7 l. \9 k+ \1. ATL/AFP需要专用的NC控制软件
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1 M; l6 t/ f9 Y) Q从前面讨论可知，典型ATL/AFP需要配置9-11轴以上的多坐标CNC数控系统，通常其中5个联动坐标轴用於产生铺带头/铺丝头的滚压辊在空间运动的自然轨迹（Natural Path），对AFP还包括对芯模转动坐标轴的联动控制。
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这种运动“轨迹”控制很类似於典型主轴头带旋转坐标的5轴联动的数控铣床控制圆柱端铣刀运动一样，不同的是，此时ATL/AFP的刀具中心为铺带头/铺丝头的滚压辊中心，且不需要设计用於驱动切削刀具的一整套主轴驱动装置。 $ N p: E* n4 B |7 C# U
# i& l- ] O6 z; d# ]% {4 L7 H同时，ATL/AFP控制系统“刀具轨迹”计算也不同於典型数控铣床的CNC系统。通常需要专用的控制软件、编程系统和後置处理，以使得ATL/AFP多轴运动的编程及控制变得简单，便於实现复杂构件的铺放制造。 ; v; B6 T- E, {6 I1 P) u* o
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ATL/AFP根据铺层设计要求，将纤维预浸料带（铺带机）或预浸料纤维束（铺丝机）逐层铺在模具表面。对於ATL机床，预浸料带一般呈硬挺状态，通常只允许在很小的范围内变形。 2 z& @; ]7 x, F0 D9 n' I
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因此，为防止铺放过程造成预浸料带屈皱或撕裂、影响铺带质量以及甚至出现废品，需确保铺复杂曲面预浸料带中心线只有沿特定的轨迹运动才能使预浸料带变形最小。这种特定的“轨迹”即被定义为自然轨迹。而对AFP机床，虽有自然轨迹、固定纤维走向轨迹（Fixed fiber orientation path）和并行轨迹（Parallel path）等多种方法实现铺放轨迹规划，但按自然轨迹规划仍然最为简便。
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2. 编程特点及典型的编程软件
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尽管ATL/AFP机床为可编程的自动化CNC控制设备，但它和典型的金切数控机床有较大的不同，目前仍难以实现或者说达到典型金切数控机床那样的高水平的人机交互操作。ATL/AFP机床的实际应用效果在很大程度上仍取决於复材构件制造设计、加工编程人员和操作人员的水平。 " @$ g- f3 Y# M0 `7 n( M
" Y% P4 A3 ~7 A a x! ?# N" i因此，在选配ATL/AFP机床时，应关注相关联的复材构件制造设计分析、编程和仿真软件配置功能，并应对相关编程人员和操作人员进行良好的技术培训。
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0 p( B" i* e0 W K1 M& r7 @目前，多数ATL/AFP机床制造商在提供机床硬件的同时，都能向用户提供用於ATL/AFP加工应用的编程系统、後置处理和铺放仿真软件。 3 s5 k! B) Q9 c9 U' w8 @. C
2 x) ] ^# y& d* w6 _% ~" k$ Z例如，Cincinnati公司可向用户提供ATL/AFP ACES编程应用系统，西班牙MTORRES公司ATL/AFP配置Siemens 840D CNC系统并可提供在CATIA运行环境下一种可视化复材构件制造智能软件包，而法国FOREST-LINE同样提供在CATIA环境下复材构件CAM软件CAAV5，作为复材构件铺层和纤维铺放的分析、仿真和编程工具软件。 4 m6 s3 z( Q' a5 V7 J
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一些主流的商品化CAD/CAM软件供应商也能提供复材结构件铺层和纤维铺放的分析、仿真和编程工具软件，如CATIA复材构件设计模块，包括复材构件设计CPD、制造设计CPM和工程设计CPE模块软件，设计人员/编程人员在编程前就可创建与仿真复材构件层铺过程，并可提供工艺控制软件和制造工艺数据记录包优化等选件。
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. C2 t( j. V$ n3 U3 _3. 编程系统构成与基本功能 # H# F6 r% r7 B2 M4 y2 K3 T1 L
& \6 f( S8 z, B- R+ f( a/ g先进的复材结构件铺层和纤维铺放的分析、仿真和编程工具软件通常能支持ATL/AFP应用，并适应不同类型的复材铺放应用。图8所示为典型的ATL/AFP机床离线编程系统基本组成框图。3 L/ a2 \* A( D2 `) w$ P( g2 \, }
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3D构件模型多数提供直接接收CAD系统传送来的3D构件模型数据，或完全可集成在主流的CAD/CAM系统数字化设计制造环境中应用，支持包括手糊、模塑、预浸料带铺覆及纤维铺放等技术在内的大多数复材生产工艺，实现复材构件快速设计和制造。
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构件层铺设计与优化通常包括铺层初步设计、工程详细设计和可制造设计。
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初步设计主要基於零件结构分析数据进行构件几何建模，建立构件表面模型；进行层合板、区域和铺层定义，并实现区域和过渡区域建模。
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工程详细设计是在几何建模基础上进行复材构件制造的基本单元每铺层的建模，自动生成构件区域铺层定义，一般包括复材类型、几何轮廓、铺放角度/顺序/厚度/数量和参考坐标系等，并提供对铺层的设计分析。通过自动生成层合板上表面来创建三维铺层实体模型，为构件实现数字化预装配、工装设计以及运动部件的仿真模拟分析等提供支持。 # k+ C' I7 \! g7 o4 W/ @3 M* R
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可制造设计包括铺层展开、材料余量定义、生产能力和生产率分析等若干方面。本文对此将不作更详细的介绍。 5 }# s4 O* n" }% g
1 W+ B, T. J$ Z) w复材构件制造工艺数据主要包括纤维材料、带宽、带厚、铺放方向和缝隙容限等。
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图形显示与工艺仿真由软件产生的图形数据，能够应用图像软件进行可视化显示，包括铺层展开二维平面图形、展开数据，铺层实体图形等以支持下游制造生产，以快速获得达到规范要求的理想产品与质量。同时多能提供铺层过程工艺仿真模拟。 4 M9 T+ E6 o8 O# m: L: k7 L: e
( X# r$ v% F( a. {6 r; ?& bAPT源代码自动生成是由软件产生的、能够通过APT编译器自动处理、NC数控应用处理（後置处理）以及适用於汽车工业、航宇工业和其他行业的复材结构化零件加工的APT源代码。
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制造技术文档资料自动生成是由软件产生的各种相关的制造技术文件等作为复材构件生产和装配的依据和工艺指导性文件使用。一旦设计模型有所改动，相关的文档将自动更新。
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8 |/ ]' w3 f) S: D後置处理技术和数据接口是面向具体工业应用开发的後置处理软件，能够针对具体应用将APT源代码处理成对应的加工程序，并可通过相应数据接口传送到具体制造设备中，实现了零件从3D模型（产品设计）、工艺规划到加工制造的无缝集成，提升了复材整体构件制造自动化水平，缩短了构件制造周期。
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篇尾寄语 5 [# ^$ |1 L9 Q+ }
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复合材料作为现代先进大型飞机主结构用材已是明显的发展趋势，复材整体构件已成为现代先进大型飞机的最主要特征，复合材料的飞机时代已经来临。
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4 q; \* a3 m. S7 y' U( @8 X" }作为铺放制造复材整体构件的自动铺带机（ATL）与自动铺丝机（AFP）则随之得到极为快速发展和广泛应用，成为现代先进大型飞机制造的关键设备之一，并处持续发展进步中，其应用日益完善，并开始向非航空应用领域扩展。 1 F* c' c( Z+ P9 `+ V) m% @) d
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“十一五”期我国正式启动实施了大飞机重大专项，并正加速进入实质性运作阶段，这也对ATL/AFP机床提出了迫切需要。而我国在ATL/AFP机床研制、生产和实际工业应用等基本上还仅处於起步阶段，和国际先进水平存在有较大差距。而本文对ATL/AFP机床基本构成、铺放工艺原理、关键功能部件及其在现代大型飞机制造中应用现状进行了较全面介绍与讨论，希望对推动发展我国ATL/AFP机床与工业应用技术能有所帮助。 (end) |
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