复合材料数字化制造技术在飞机壁板上的应用

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  摘 要:由于具有高强度、耐高温、耐腐蚀、重量轻等优良的性能,先进复合材料在航空器结构上的应用已经与铝合金并驾齐驱,成为当今材料技术发展最为迅速的领域。航空复合材料性能水平及其在结构中的应用水平,已经成为飞机结构先进性的一个重要标志。但是复合材料设计/制造的复杂性和独特性,使复合材料构件的成本、性能受到一定的影响,大量复合材料的应用更是对制造能力提出了巨大的挑战。
  关键词:复合材料;数字化制造技术;飞机
  一、建立分层数模
  建立复材分层数模是第一阶段,由于这一技术还未在国内大规模推广,设计下发的数模只有实体模型和一些加强层的定位线、轮廓线。要想走通这条数字化流程,就必须在设计实体模型的基础上再次建立复材分层数模。
  作为工艺人员,不能改变设计者的意图。所以在零件实体模型已经设计完成的情况下,只能在实体模型基础上,结合图纸,进行逆向建立复材工艺模型。因此,在建立模型时就不能基于区域设计,而必须逐层做出每一层铺层的轮廓线,再进行手动铺层,完成数模的建立工作。
  二、工艺方案的探索与制定
  某壁板长4m,宽1.2m,铺层为29层,材料为碳纤维单项带材料。
  与以往零件不同,该壁板不但尺寸大,而且加强层多,占到所有铺层的1/2,且每一层加强层的轮廓都不相同,还有7根长度不等的长桁,定位难度非常大。
  壁板零件制造的传统方法是工装定位长桁,铺贴样板定位加强层。但是经过试验,发现这个方法在该壁板零件的制造上不可行,不仅耗费在定位上的时间长,并且定位精度达不到设计图纸的要求。而且每层加强层的形状都不相同,如何准确下料也是需要攻克的难题之一。
  采取数字化生产能很好地解决零件精度的难题,应用数控下料机精确下料,应用激光定位铺层系统进行加强层和长桁的定位,不但可以提高零件的质量,还节约了昂贵的原材料,省去下料、定位样板,节省了工装成本,而且也大大减少工人操作的时间,提高了劳动效率。
  该壁板是采用CATIACPD软件完成复合材料零件的工艺数模设计的,使用MAGSTIC软件完成排料优化及工艺数模信息与加工设备的接口输出,生成数控下料及激光投影程序,并将数据传递到数控下料机和激光定位铺层系统,实现数字化生产。
  三、数控下料机的应用
  材料优化排料后就要进行数控下料,使用的设备为履带式下料机,它可以识别dxf文件和g-code文件。dxf文件可由排料软件直接生成,它是一种图形文件,工艺人员可以方便地检查零件料片的形状和编号,在切割时可方便挑选料片进行补切,若有未完成的任务,也可方便找出断点继续下料。而g-code文件是由数字点位组成,没有这些功能。因此我们采用dxf文件进行下料。
  零件材料是通过真空吸附的方式固定在下料机台面上的,下料机台面宽度为1800mm,上面布满了真空抽气用的小孔,通过真空吸附使材料紧紧地吸附在平台上,启动裁割程序,实现自动下料。
  四、长桁定位
  传统的长桁定位方法,是利用工装上的定位线,依照图纸尺寸,用量具量出位置,再进行铺贴。这种定位方法需要依次量取每一根长桁的位置,不仅耗费时间长,而且中间出现误差的地方很多,很容易出现按照测量的距离铺贴完成后,组合工装时出现干涉。采取激光投影定位的方法可大大提高定位的准确度,提升产品质量,而且也可减少工人反复测量和挪动工装的时间,提高劳动效率。
  五、激光投影铺层系统的应用
  采用激光投影定位技术铺层时,需要工装文件、料片数据文件以及系统配置文件3个文件,料片数据文件即为上面所做的工艺数模设计最后导出的数据文件,工装数据文件是指工装的三维空间坐标数据文件,该数据由测量机测量后导入激光投影定位仪中,系统配置文件为激光投影定位仪自身生成的文件,具备3个文件后就可以进行实际铺层了。激光投影定位仪系统由一台控制计算机、若干个激光头和一系列的工装定位头(光敏元件)组成。使用该系统时,首先将铺放工装固定在激光头下面,将工装定位头固定在工装的定位点上,作为建立工装三维空间准确位置的参考点,投影系统通过用光线扫描工装表面的定位点进行自校准。工装定位点通常要包含工装上的最高點和最低点,其他点沿着工装的边缘均匀选取。
  控制计算机根据基于构件的CAD三维设计数据生成的激光投影文件,通过特殊反光镜,控制激光束将构件铺层形状轮廓线上的点依次投影到模具表面,由于点投影的更迭移动速度极快(每秒300m以上),在操作者眼中,模具或零件表面会生成相应的边界轮廓线,操作者可根据该轮廓线进行有关的定位操作(如定位铺叠等),从而免除传统的铺叠样板。在进行激光投影定位铺层时,注意以下几点:
  (1)工装数据。
  工装表面的定位头数据必需测量准确才能得到好的校准结果。任何料片数据与工装数据之间的误差都会造成投影的不精确。料片数据和它的工装是对应的。企图将一个工装的料片数据投影到另一个工装上,将不会生成有用的图像。
  (2)定位头。
  定位头是放置在工装上已知位置的,它是带有逆向反光材料的圆柱形零件,可将激光反射回激光头,这样,系统就能检测到定位头位置。激光系统在一定区域扫描定位头,这样在校核工装过程中,操作员不需要精确定位激光的投射位置。激光找到定位头的位置后,系统控制计算机利用定位头的位置,计算出工装的空间位置。
  (3)划分投影区。
  当用多个激光头进行投影时,激光头可在2种模式下工作。一种是重叠模式,激光头将投影它所能投射到的所有区域。另一种是分区模式,激光头仅投影预先定义的区域。这个预先定义的区域叫做“剪裁区”。剪裁区可以人工定义,但如果料片文件包含法向量数据信息,投影系统可以自动生成剪裁区。采用分区模式进行投影的好处在于可以增加激光亮度和减小闪烁。TruLaser软件生成的程序已经包含数据的法相量,再进行投影时不需要再进行额外的设置。
  结语
  复合材料零件的数字化设计和制造技术,解决了高精度壁板零件在生产中的技术难题,提高了下料和定位精度,提高了产品质量和劳动生产率;节约了下料、定位样板,降低了工装成本;通过排料优化技术,提高了材料的利用率,从而降低了生产成本。
  参考文献
  [1]浦一飞,李金超.CATIAV5复合材料设计.达索论文集,2016.
  [2]陈利平,徐洪波.数字化制造技术在复合材料构件生产中的应用.航空制造技术增刊,2017:41-43.
  [3]张丽华,范玉青.复合材料在飞机上的应用评述.航空制造技术,2016(3):64-66.
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