《AFP自动铺丝机.docVIP

AFP自动铺丝机原理结构 ? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ?图1.Entec 公司的AFW 机床如上期所介绍的，自动铺带机床（ATL）主要用於平面型或低曲率曲面的准平面型复材整体构件层铺制造，因此对於复杂高曲率轮廓复材整体构件——比如飞机的机身段/机头/机尾锥体、喷气发动机整流罩、进气道、喷管、锥形管、压气机叶片以及其他诸如椭圆形或“C” 形件等复材整体构件，使用ATL机床将无法进行铺放加工制造，此时则需要使用自动纤维铺放机床（AFP），这也将是我们这篇文章所聚焦的主题。实际上， 在20世纪70年代初，自动纤维缠绕机床（AFW）就已开始应用於高曲率轮廓复材构件的制造，如图1所示，在民用工业中得到较多应用。由於AFW机床纤维缠绕制造工艺是将一连续长纤维束带采用连续反复缠绕到回转的芯模上，通常不能实现纵向（0°方位）的纤维缠绕以及局部增厚或加筋，而ATL是利用滚压辊将确定宽度的预浸料带铺放到相对平直的模具上，且路径一般是有限的，但容易实现0°方向的铺放及局部增厚或加筋层铺。随现代大型飞机中应用的复材整体构件轮廓复杂度越来越高，尺寸也越来越大，传统AFW和ATL已无法满足航空飞机制造实际应用需求。为此，上世纪80年代末产生了将AFW机床缠绕功能和ATL机床层铺、压紧、切割和重铺等加工能力融合集成在一台设备上，此即出现了自动纤维铺放机床（AFP），也叫自动铺丝机。 图2 AFP机床基本结构 典型AFP机床基本结构如图2所示，主要包括有可实现机床铺放头正交3轴运动的机床主体装置、回转芯模支撑与驱动装置、带双转动坐标轴的铺丝头功能部件和纤维经轴架辅助装置。从功能上讲，AFP和ATL一样都是利用滚压辊将预浸料纤维“束带”精确地铺放到确定位置上。但和ATL机床相比不同的是，首先AFP可根据铺放层轮廓形状需求有目的地选择1~n个 “纤维束”来组成确定形状的束带，因而可层铺复杂的、甚至带窗口的曲面；其次，AFP机床通常设计有一个驱动芯模回转的旋转坐标轴，被称为芯模旋转轴（卧式）或芯模旋转工作台（立式）。显然，这是继承了AFW机床的结构和功能。因此，和AFW/ATL机床相比，AFP机床结构和控制功能也就更复杂些。自动铺丝机AFP机床一出现，立即在飞机复材整体构件制造中得到了广泛应用。世界一些着名的数控加工机床制造商和专业复材构件加工设备制造商针对航空飞机制造用户不同需求，都在极力快速地推出他们必威体育精装版的各种不同类型的AFP机床，以期占领更多市场份额。AFP机床铺丝头铺丝头是AFP机床最为关键的功能部件。典型AFP机床铺丝头一般包括有纤维束（Fiber Tow）牵丝分配辅助装置、送进、夹紧、剪切、重送、加热和滚压等装置构成，以实现AFP机床的各种铺放功能。这里以Cincinnati公司的AFP机床铺丝头为例，对其基本结构作一简要介绍，见图3。 图3 AFP铺放头及其结构原理图 1. 纤维束牵丝分配辅助装置纤维铺放过程中，单根预浸料纤维一般被称为“纤维束”，由纤维经轴架中被引出，通过牵丝装置引导在铺丝头处，若干并列的纤维束构成了具有特定宽度的“纤维束带”(Band/Tows)薄层。这种复材纤维束带薄层在AFP机床CNC系统控制下可被精确地铺放在工件模具表面上某一确定的位置处。目前，AFP纤维束典型的是由12K单独的长纤维（filaments）组成的，纤维束标准宽度有3.2/6.4/12.7mm三种，最常用的为3.2mm。通常，纤维束典型的是以螺旋形式绕制在一种直径7.6cm和长达28cm的中空的线轴上。对宽度3.2mm材料IM7-12K纤维束线轴，重量约为2.3kg，长度可达3350m。AFP应用中，纤维束宽度精度对控制两束间缝隙是很重要的。比如，一个被设计用来装载3.2±0.38mm宽纤维束的铺丝头，意味着纤维束将被限制在3.2mm曲面空间内。如果纤维束实际宽恰好为3.2mm，那么铺放的两纤维束间不存在有缝隙。如果实际宽度仅为2.5mm，铺放的两纤维束间存在有0.7mm缝隙，如果实际宽度为3.8mm，铺放的两纤维束间存在有0.6mm重区。目前，纤维“束带”最多可由32根纤维束组成，束带最大宽度可达102/406mm。通常每条纤维束都具有单独可编程张力控制功能和牵丝辅助装置，用以支持单独纤维束铺放并保持精确的张力。一般地说，纤维束张力不超过0.23kg，过高的张力将会导致在凹轮廓区铺放时产生桥接（bridge -over）现象。2. 剪切装置?在纤维束铺放过程中，任意纤维束可被切断和调用，从而允许通过增减纤维束数目来实现改变铺放的纤维束带宽度和构成形式。通过调整纤维束带宽度，就可以