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新一代芳綸紙蜂窩制造技術(shù)研究
2016-04-01 中國航空報
芳綸蜂窩是采用聚間苯二甲酰間苯二胺纖維紙制成的仿生型蜂窩芯材，具有比強度、比剛度高，突出的耐腐蝕性和自熄性，優(yōu)良的耐環(huán)境性和絕緣性，獨特的回彈性和吸震性，良好的透電磁波性和高溫穩(wěn)定性，優(yōu)異的工藝性和外場修復(fù)性等眾多優(yōu)良特性。芳綸蜂窩是高端裝備輕量化的重要材料，大量應(yīng)用于飛機、艦船、高速列車等領(lǐng)域，如在波音787結(jié)構(gòu)件上芳綸蜂窩用量達機體結(jié)構(gòu)重量的25%，且所有的內(nèi)飾件均應(yīng)用了芳綸紙蜂窩；在空客A380上的地板等部位也采用芳綸紙蜂窩。
蜂窩塊制造中的問題及先進制造理念
芳綸紙蜂窩的制造技術(shù)決定了蜂窩的品質(zhì)。市場上品質(zhì)良莠不齊，產(chǎn)品中普遍存在的問題是：質(zhì)量不穩(wěn)定：固化度不一致、蜂窩芯材變形大、格型不規(guī)整、產(chǎn)品密度偏差大；生產(chǎn)效率低以及產(chǎn)品合格率低，成本偏高；生產(chǎn)工序中樹脂和溶劑的流失影響職業(yè)衛(wèi)生，造成對環(huán)境的污染。不符合現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。針對上述問題，提出蜂窩孔格單元制造的先進理念，采用了數(shù)字化制造技術(shù)對制造過程各工序進行全物理場控制，采用先進的尾氣焚燒技術(shù)，將各設(shè)備的尾氣收集，集中焚燒排放，達到環(huán)保要求。
為了提高材料的利用率和設(shè)備的產(chǎn)能，蜂窩塊設(shè)計采用2620mm長×1350mm寬×914mm高。
1.蜂窩孔格單元制造的先進理念
在蜂窩孔定型、浸膠、凈化、烘干及固化工序中，一般的工藝方法的對象是整個蜂窩塊，而對它的內(nèi)涵未做深入研究，帶來了諸多的問題。與傳統(tǒng)的方法不同，應(yīng)采用以蜂窩孔格為單元成形工藝原理，確保蜂窩孔格所需的工藝條件，使各個蜂窩孔格在各工序中享有同等的物理環(huán)境。在做好蜂窩塊與上述工序流動模型的接口，將蜂窩塊兩端頭接入空氣和液體循環(huán)系統(tǒng)中，讓循環(huán)介質(zhì)流過每一個蜂窩孔格，以確保各蜂窩孔格浸漬、凈化、受熱的均勻一致性，確保上述各道工序加工的一致性。為解決固化度一致性、密度均勻性、孔格規(guī)整性及減少蜂窩塊的變形奠定理論基礎(chǔ)。
2.全物理場表征與控制先進技術(shù)
根據(jù)以蜂窩孔格為單元的制造理念，對工藝過程中蜂窩塊經(jīng)過的空間區(qū)域的物理場（粘度場、風(fēng)場、溫度場、張力場等）進行表征與控制。
（1）粘度場
通過循環(huán)系統(tǒng)對樹脂的粘度均勻化處理，采用在線粘度、液面監(jiān)測，實現(xiàn)對膠液粘度及液面控制，確保涂膠或蜂窩浸漬工藝過程中樹脂的粘度及膠槽液面穩(wěn)定，保證每個蜂窩孔格浸漬或轉(zhuǎn)印的每根膠條的膠液粘度一致。
（2）風(fēng)場
在蜂窩的凈化、定型、烘干、固化中都涉及到以氣流為載體的風(fēng)場，風(fēng)場的均勻性直接影響成形工藝中所涉及的溶劑揮發(fā)、加熱和冷卻的效果，需重點解決蜂窩如何接入風(fēng)場的方法以及風(fēng)場風(fēng)速的均勻性及穩(wěn)定性的控制技術(shù)，滿足了凈化、定型、烘干、固化過程中每個蜂窩孔格工藝環(huán)境一致的要求。
（3）溫度場
在作為載體的風(fēng)場的循環(huán)風(fēng)流經(jīng)各個蜂窩孔格的風(fēng)量得到控制的基礎(chǔ)上，對冷風(fēng)和熱風(fēng)匹配及混合方法進行了充分研究，使進入每個蜂窩孔格的氣流溫度一致，解決升溫和降溫過程中間溫度過沖的問題，使升溫或降溫工藝溫度曲線達到光順，確保蜂窩孔格成形工藝過程中固化度的一致性，滿足了各道工序中蜂窩孔格及蜂窩塊的形狀規(guī)整性要求。
（4）張力場
蜂窩紙在涂膠過程中運行的張力將影響紙張的開卷、膠條和節(jié)距的尺寸、紙張變形、運行速度及收卷質(zhì)量，對蜂窩孔格的形狀及生產(chǎn)效率具有重大影響。對于大型的涂膠機影響更為顯著，因此張力場的均勻性是涂膠工藝中的重大關(guān)鍵技術(shù)之一。在工藝過程中對各區(qū)域的張力進行規(guī)劃設(shè)計，對速度、張力、卷徑等參數(shù)實現(xiàn)精確控制，使運行過程中放卷張力、進料牽引張力、出料牽引張力和收卷張力均勻性達到穩(wěn)定要求。
（5）蜂窩孔格拉伸變形抗力
采用拉伸過程中蜂窩塊端頭應(yīng)力均勻化處理、蜂窩塊層間應(yīng)力均勻化處理及蜂窩孔格變形與拉伸力協(xié)調(diào)性的處理方法及相應(yīng)的工藝措施，實現(xiàn)對拉伸過程中蜂窩孔格變形抗力的控制，使每個蜂窩孔格在拉伸成形過程中受力均勻，格形尺寸精確，制造的蜂窩塊（2620mm長×1350mm寬×914mm高）外形六方體規(guī)整。
3.采用數(shù)字化先進技術(shù)
在建立蜂窩孔格為制造單元的理念和對蜂窩制造過程中的粘度場、風(fēng)場、溫度場、張力場及蜂蜂窩塊拉伸変形抗力等物理場進行研究的基礎(chǔ)上，釆用數(shù)字化先進技術(shù)對生產(chǎn)線的蜂窩涂膠、疊合、疊層板固化、蜂窩塊拉伸、定型、浸膠、凈化、烘干、固化、片切、成品除塵、稱重及測厚等工藝參數(shù)進行表征、優(yōu)化及控制，實現(xiàn)高效、精確自動控制，大幅提高產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)效率，避免人工干擾，保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性。其中蜂窩自動疊合系統(tǒng)、蜂窩浸膠及凈化系統(tǒng)更具有創(chuàng)新性。
（1）蜂窩自動疊合系統(tǒng)
蜂窩自動疊合設(shè)備（其原理如圖所示）采用數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)已涂膠芳綸紙的張力控制、送進、切割、光學(xué)識別、疊合定位等全過程的工藝參數(shù)設(shè)置、顯示、記錄和自動控制。
（2）蜂窩浸膠及凈化系統(tǒng)
蜂窩自動浸膠設(shè)備采用數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)蜂窩塊各工位間自動傳送、浸膠樹脂粘度均勻性、上膠量及上膠均勻性、凈化氣流均勻性等全過程的工藝參數(shù)設(shè)置、顯示、記錄和自動控制。
4.首次在國內(nèi)蜂窩生產(chǎn)線上采用先進的尾氣焚燒技術(shù)
在涂膠機各段烘箱、烘干烘箱、固化烘箱、浸膠、凈化系統(tǒng)中設(shè)計尾氣排放接口，與焚燒系統(tǒng)的輸送管道連接；確保各設(shè)備尾氣排放互不干擾，對輸送管道的排放接口應(yīng)作專業(yè)設(shè)計；控制系統(tǒng)對各工序產(chǎn)生的揮發(fā)進行實時檢測與自動排放。
對浸膠間進行風(fēng)場仿真設(shè)計，根據(jù)設(shè)備的布局，設(shè)計送風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)，使各區(qū)域的氣體均能流動，全場無死角，對風(fēng)場的風(fēng)向與風(fēng)速全方位監(jiān)控，在關(guān)鍵點設(shè)尾氣自動報警裝罝，保證浸膠間生產(chǎn)安全。
焚燒系統(tǒng)組成:尾氣收集系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)及排放系統(tǒng)，全過程自動控制，其功能滿足對各設(shè)備排放的尾氣全部焚燒處理，焚燒后的氣體排放達到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，并對剩余的熱能進行綜合利用。通過上述尾氣焚燒技術(shù)設(shè)計，大幅改善操作環(huán)境和對周邊環(huán)境的大氣污染，實現(xiàn)綠色制造。
技術(shù)的實現(xiàn)與驗證
集成上述關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)蜂窩專用的涂膠機、自動疊合機、拉伸機、定型烘箱、浸膠系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、烘干固化烘箱、立式帶鋸、測厚測重等設(shè)備，建成具有國際先進水平的大高度蜂窩生產(chǎn)線（產(chǎn)能達到5000立方米）。
1.涂膠膠條質(zhì)量及收卷控制技術(shù)驗證
對采用上述技術(shù)自動涂膠的膠條進行測試試驗，測試不同位置膠條的寬度、節(jié)距。膠條寬度分散性1.24%，節(jié)距的平均值與理論值誤差為0.10%，分散性為0.40%，表明膠條質(zhì)量穩(wěn)定，高精度蜂窩格型品質(zhì)優(yōu)良，涂膠工藝技術(shù)達到國際先進水平。
2.自動疊合技術(shù)驗證
自主開發(fā)自動識別與定位控制技術(shù)，研制的國內(nèi)首臺蜂窩疊層板自動疊合設(shè)備，疊合精度可達±0.10mm，疊合的蜂窩塊孔格尺寸離散系數(shù)降低至0.69%，優(yōu)于傳統(tǒng)疊合方法的4.6%，節(jié)省人工，疊合效率提升5倍以上。
3.浸膠均勻性控制技術(shù)驗證
采用自行開發(fā)的在線粘度監(jiān)控、溫度及液面監(jiān)控技術(shù)，及建立的樹脂溶液均勻性控制系統(tǒng)，確保膠槽液面穩(wěn)定，樹脂的濃度精度控制達到0.1%。建立了浸膠工藝參數(shù)與單次上膠量關(guān)系模型、樹脂均勻流動模型，優(yōu)化浸膠工藝參數(shù)，蜂窩產(chǎn)品密度均勻性達到±6%，高于波音及空客公司±10%的要求。
4.蜂窩性能大尺寸蜂窩芯材物理性能、力學(xué)性能、阻燃性能技術(shù)驗證測試結(jié)果表明：批次生產(chǎn)的蜂窩尺寸穩(wěn)定，密度均勻，力學(xué)性能、抗阻燃性能完全能夠達到波音材料標(biāo)準(zhǔn)BMS 8-124AD的指標(biāo)要求。
新一代芳綸紙蜂窩自動化生產(chǎn)線自動化程度高，產(chǎn)品制造技術(shù)先進，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)水平達到國際先進水平，在產(chǎn)品均勻性控制方面處于國際領(lǐng)水平。批產(chǎn)的蜂窩孔格規(guī)整，蜂窩薄片密度均勻，性能穩(wěn)定，已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)多個航空航天型號；產(chǎn)品符合國外飛機制造公司標(biāo)準(zhǔn)要求，已通過國外航空公司的認證，打開了國際市場。