复合材料数字化制造技术在飞机壁板上的应用

黄华

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.