加工轻质结构材料的柔性生产系统

Heinar Lang

(MAG－IAS公司，德国格平根 D－73033)

加工轻质结构材料的柔性生产系统

Heinar Lang

(MAG－IAS公司，德国格平根 D－73033)

轻量化在汽车制造、船舶制造和飞机制造领域具有重要意义。在分析飞机制造对复合材料生产能力需求的基础上，提出基于机器人系统的新型碳纤维复合材料生产系统。继而在讨论钛合金加工的特点后，介绍用于钛合金加工的制造装备。最后列举了轻质结构材料的柔性生产系统和装备在风电、航空工业中的应用案例。

轻质结构材料;复合材料;柔性生产系统

轻量化虽不是大潮流，却是一种技术和经济上解决资源短缺和能源环保的有效方法。特别是在汽车制造、船舶制造和飞机制造领域，轻量化具有重要的意义。现在已有许多不同轻质结构材料可以使用:在金属轻质材料方面有铝、镁、钛等;在非金属轻质材料领域有碳纤维、玻璃纤维复合材料和其他传统轻质材料。为了使生产系统能适应新材料的推广应用以及轻结构产品的产业化，需要解决制造模式和加工方法的转变。

1 航空领域中的轻质材料和复合材料

1.1 复合材料和钛合金材料的应用

在航空工业中，飞机质量是其经济性和环境污染方面必须考虑的重要因素。机身是由桁条、翼梁和蒙皮构建的。在碳纤维增强塑料(CFK)的推广应用过程中，首先聚焦机翼蒙皮的质量减少。近年来，CFK组件在飞机中的比例已经增加到飞机总质量的一半。由于CFK比例增加，铝材料比例降低，造成铝和CFK连接处因电化学的电位差导致腐蚀。飞机的支承结构(如舱壁)与CFK蒙皮直接联接，铝和CFK连接处因电化学的电位差等效腐蚀以及铝与CFK的热膨胀系数不同的问题，使飞机越来越多地由钛合金制造。基于上述原因，当前和未来飞机中的钛合金用量将会有很大的增长，如空客A350－XWB新型飞机即其一例，如图1所示。在同样强度的条件下，5m长的舱壁用钛合金比用铝合金能显著减少质量。

图1 飞机的复合材料和钛合金组件的使用

除了已经提到的舱壁和翼梁外，机翼、机壳、机尾和机侧身都有很多的复合材料和钛合金的应用案例。

1.2 对飞机生产系统的能力需求

两大飞机制造商最新的长期预测认为，未来若干年飞机需求量将有很大的增长。空客公司(欧洲航空防务和航天集团的子公司)预测，到2030年飞机的需求量大约为28 000架［1］，波音公司认为，最近20年飞机的需求量为34 000架［2］。例如，新型近程(支线)飞机的“碟状翼盒”(如图2所示)需求量旺盛。

如果每年生产480架类似飞机，每月就有160个翼盒，翼盒每件重1 300kg，这就意味着每月的需求量为208 000kg。生产厂家为了达到这一目标，每月需要21天16小时开工，而且需具有620kg/h的生产能力，但就目前的技术而言，仅能达到12kg/h～55kg/h。从经济性角度看，生产系统合理的生产能力为100～150kg/h。因此，需要开发轻质材料加工处理的新型生产系统，以确保生产效率能够满足要求。

图2 近程飞机的“碟状翼盒”

2 纤维铺放系统和铺带过程

2.1 复杂几何形状的处理/技术现状

目前，市场上现有的纤维铺放系统可平行铺放32条窄道复合材料(预浸带)，为了生产复杂形状的构件，需将32条窄道分开单独控制，使所有的处理步骤如萃取、启动/停止、路径设置等都可以单独完成。如图3所示。

图3 纤维铺放系统的案例

MAG VIPER系列铺放机的目标是随着时代的发展，可以实现生产力的要求，VIPER系列铺放机的数据见表1(以VIPER 3000和VIPER 6000为例)。

表1 VIPER系列铺放机的数据

2.2 纤维铺放的协调和仿真

MAG公司已经运用最新的技术手段，将当前可能与未来所需铺放效率之间的差异最小化。通过自动和相互协调的铺放平台，可在铺放过程的同时进行柔性控制。图4(a)描述了碟形翼盒量产的概念，图4(b)是MAG公司与德国宇航中心合作的CFK生产基地。

借助机器人系统构建一个自主管理的自动化机器人平台，用以进行碳纤维复合材料的自动化铺放。在此平台上，各种技术皆可加以使用，特别是铺带和纤维铺放技术，多年来MAG公司在这方面是全球市场的引领者。面临的挑战是，如何将带铺放和纤维铺放设备的质量和生产率，与采用机器人辅助系统所产生的成本及柔性优势相统一。这些可通过最新的检测技术、智能化管理及材料处理手段来加以实现。

图4 量产碟形翼盒的工厂

几十年来，MAG公司通过先进软件的使用，包括大量的编程、模拟和过程控制软件的使用，使得计算机辅助技术发挥了重要的作用。通过碟形CFK翼盒生产系统开发的不断深入，使得机器人平台能够与相应的机器人运动学以及具有多种任务与设计功能的数控系统相融合，并且能提供最高的生产效率。除了考虑生产率的要求外，机器人平台还要实现生产系统设计和架构的不断发展，特别是安全的要求，包括动态碰撞检测和控制功能。

使用自主管理的纤维铺放装置需要与纤维沉积相协调，因此采用不同的离线编程及仿真工具来模拟各种对应数控程序的生成(例如，参数优化、覆盖范围和程序生成器)，以便验证纤维铺放设计理念与对应的自主管理是否协调，确认其在生产中的可行性。该生产系统及其框架如图5所示。

图5 生产系统及其框架

3 复合材料和钛合金的生产装备与工艺

3.1 机床的典型部件和相关技术

为了确保难加工的钛合金材料能获得最佳处理，在机械加工过程中需要创建一些先决条件。这些措施包括:

a.主轴功率和扭矩达到最佳匹配，以确保粗、精加工过程的金属切除率最高。

b.X/Y轴采用线性直接驱动，快速移动/进给速度和进给力大，以及良好的动态过程控制。

c.机床总体结构采用力闭环设计，使力线封闭，保证机床刚度和阻尼最高。

d.所有主要轴线皆采用双直接测量系统，保证精度最高，以满足最后精加工的需要。

e.用液氮冷却优化加工过程，提高钛加工性能。

为了获得主轴功率与扭矩的最佳匹配，必须使用带电主轴的A/C轴摆叉铣头。使用力矩电机，而非齿轮，以保证刚性驱动及高品质控制和动力学性能，更多的技术参数见表2。

表2 A/C轴摆叉铣头的电主轴技术参数

应该指出，表2中的扭矩在很大速度范围内是可用的。为了实现令人满意的钛合金加工，主轴刀具接口应具有鲁棒性并且尺寸足够大，以保证加工时的刚度和稳定性高。除了通过主轴进行高压冷却润滑外，也可选用低温液氮冷却。采用A/C轴摆叉铣头可进行5轴联动加工，为钛加工创造了多轴加工最优的前提条件(如图6所示)。

图6 带电主轴的A/C轴摆叉铣头

通过直线电机技术的使用，除了减少弹性变形、换向背隙和摩擦的影响外，还能采用主动补偿与主动阻尼抑制切削过程的振动。这种出色的动态激励，使得加工过程优化控制成为可能，且有助于降低加工时间、辅助时间和加工成本。因此，在钛合金5轴加工中，大进给力与X，Y，Z轴大速度可调范围，确保了最佳切削条件和高金属切除率。

为了对应钛合金加工时的大切削力，机床设计中采用“闭环”结构(如图7所示)。所有部件通过有限元分析计算和优化，确保最高刚性和阻尼。分析表明，这个闭环结构设计是可行的，甚至不需要地基。大尺寸的框架组件采用焊接结构。除了基础部件与移动工作台是模块化设计外，还应用了非液压机械的、电子机械配重平衡装置。为了避免热载荷的影响，主轴和工件水平配置，下方有深槽，以便热的切屑迅速排出。

图7 封闭框架中的机械结构

为了保证加工精度，除了采用高精度成型导轨外，在测量系统方面，所有轴皆配置双绝对线性尺。同时注意保证框架部件的加工精度以及装配时的校整。此外，采取适当控制相连的优化循环消除机床主轴的热位移，以保证所需的加工精度。通过能源监测的使用，可进行能源需求的评定和最小化，以及待机作业时闲置能量的部分转移，以提高机床的节能效果。

特别是在难加工的钛合金材料领域，容易形成机械和热效应，最糟糕的情况是刀具切削刃超载，这会导致额外的磨损。为了达到高效切除率以提高生产率，除了在切削刃区域进行适当调整外，通过液氮的使用可对钛合金加工过程优化。这种极其有效的切削刃冷却效果(如图8所示)将导致切削刃载荷热量减少，磨损减少。

图8 低温液氮冷却加工

3.2 应用

风力发电机复合材料零件的加工案例，证明了低温液氮冷却加工在可再生能源和航空领域的可行性(如图9所示)。复合材料加工中，温度扮演了一个特别的角色。它取决于材料，不能超出70℃ ～160℃，以避免树脂融化和材料分层。通过低温冷却的使用，温度控制得以改善，高的加工速度得以实现，且切屑和切尘保持干燥，使回收利用管理更加方便。

图9 风机复合材料的加工

复合材料的液氮冷却加工的好处是使得加工过程稳定，通过液氮冷却提供了一个合适的加工温度，使得铣削和钻削的平均速度明显提高，从而可将年产量显著提高到150件。与加工中心相比液氮冷却加工借助6轴机器人实现了高柔性的解决方案，所需投资更低。除了环氧树脂的GFK风机零件加工外，液氮冷却也适合于CFK零件加工的流程。同样也保留了干切削的特征。

整体钛合金叶轮的5轴加工的例子是在航空领域(如图10所示)的应用。钛合金加工的特点是材料属性的复杂度和昂贵程度。材料的韧性以及低热导率和高热容量会导致加工中心产生高温。切削参数必须根据可接受的温度和刀具磨损水平来调整。通过液氮冷却的使用，刀具使用寿命和生产率将会得到提升。

图10 整体钛合金叶轮的5轴加工

复合材料低温冷却加工的好处是，可提高刀具的进给量30%以及增加刀具使用寿命(1～2个叶轮)。由于无需使用冷却润滑液，所以无需冷却液控制中心或装置。可选的方案是低温冷却与微量润滑(MQL)结合使用。

4 结束语

轻质结构与自动化生产的结合会减少来自材料、设计和生产技术的冲突。使用现有的生产方案往往不够经济。涡轮机制造商面临的挑战在于新的产品技术核心竞争力的应用，轻质结构是可取的。必须从现有的工业使用中发掘需求，并且不断地应用新材料、新设备和新技术。为了适应市场降低成本的需要，要运用高科技尽快结束无轻质结构产品的时代，制定新的工业标准。

［1］Airbus.Global market forcast 2012 － 2031 booklet［EB/OL］.［2013 －03 －18］.http://www.airbus.com/presscentre/corporate－information/key－documents/?eID=dam_frontend_push＆docID=25773.

［2］Boeing.Current market outlook［EB/OL］.［2013 －03 －18］.http://www.boeing.com/assets/pdf/commercial/cmo/pdf/Boeing_Current_Market_Outlook_2012.pdf.

Flexible Production Systems and Process for Lightweight Material Parts

Heinar Lang
(MAG－IAS公司，Gpingen，D－73033，Germany)

The lightweight is significance factor in automobile，shipbuilding and aircraft manufacturing.Based on market analysis of the production capacity on aircraft composite parts，it proposes new robot system based on carbon fiber composite production system.After consideration of titanium alloys characteristics，it introduces the suitable manufacturing equipment and process for machining titanium.Finally，it presents case studies of production process for lightweight parts in wind power and aviation industry.

Lightweight Structural Materials;Composites;Flexible Production System

TH166

A

2095－509X(2013)04－0001－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.001

2013－01－09

Heiner Lang，男，德国巴符州人，MAG－IAS公司首席技术官，博士，主要研究方向为机床设计与制造。