新一代飛行器為了提高性能，降低成本，延長壽命，其零件與結(jié)構(gòu)向大型化、整體化方向發(fā)展。輕質(zhì)、高強(qiáng)的復(fù)合材料大型零件和整體構(gòu)件成為了設(shè)計師的首選，復(fù)合材料的應(yīng)用已從最初的次承力結(jié)構(gòu)大幅擴(kuò)展到機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量和由此帶來的減重效果已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，是世界強(qiáng)國競相發(fā)展的核心技術(shù)。國際上兩大飛機(jī)制造巨頭——空客和波音在市場上競爭激烈，其技術(shù)對決的主要關(guān)鍵點是先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用，如波音787復(fù)合材料用量達(dá)到50%，而空客將A350復(fù)合材料用量提高到52%，為達(dá)到這一用量，必須在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾等結(jié)構(gòu)上大量采用復(fù)合材料。

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    隨著復(fù)合材料的大量應(yīng)用，大型整體構(gòu)件數(shù)量和尺寸的不斷增加，尤其是結(jié)構(gòu)實體設(shè)計軟件的普及和用于復(fù)合材料設(shè)計/制造專用軟件的開發(fā)，以及各種專用裝備的研制成功，數(shù)字化、自動化制造技術(shù)在航空工業(yè)得到了普遍應(yīng)用。本文結(jié)合航空復(fù)材構(gòu)件中常用的預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝，主要對國內(nèi)外飛機(jī)復(fù)材構(gòu)件制造中所用的裝備進(jìn)行整理匯總，以期為國內(nèi)復(fù)合材料構(gòu)件的研制提供借鑒。

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預(yù)浸料設(shè)備 copyright 123456

    預(yù)浸料是用樹脂基體在嚴(yán)格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物，制成樹脂基體與增強(qiáng)體的組合物，是制造復(fù)合材料的中間材料。預(yù)浸料的制備方法主要有溶液浸漬法（即濕法制備）和熱熔法（干法制備）兩種。熱熔法制備預(yù)浸料的過程通常分為兩個步驟：先制備膠膜，然后將膠膜和增強(qiáng)材料均勻復(fù)合在一起。與濕法預(yù)浸料相比，干法預(yù)浸料外觀好，樹脂含量的控制精度高，采用干法預(yù)浸料成型的復(fù)合材料，具有孔隙率低、纖維取向性好等優(yōu)點。 123456

    目前，應(yīng)用最廣的碳纖維預(yù)浸設(shè)備主要有溶液法預(yù)浸設(shè)備、樹脂膜機(jī)、熱熔法預(yù)浸機(jī)、樹脂膜和預(yù)浸組合機(jī)。

    雖然溶液浸漬法在技術(shù)先進(jìn)性和產(chǎn)品性能方面趕不上熱熔法工藝，但也有其不可替代的優(yōu)點：增強(qiáng)材料容易被樹脂浸透，特別是織物搭接處易于浸濕；既可以制備超薄預(yù)浸料也可以制備厚預(yù)浸料；工藝技術(shù)相對要求較低；設(shè)備造價也不太高，對操作人員要求也比較低。 123456

    近年來，航空復(fù)材構(gòu)件已經(jīng)日趨大型化和整體化，但由此也帶來了麻煩，部件越大，其在熱壓罐內(nèi)固化過程中的溫度控制就越難保證均勻持續(xù)，如還采用傳統(tǒng)的保溫再加壓的固化工藝，則難以保證預(yù)浸料加壓帶的要求，從而導(dǎo)致制件制造質(zhì)量的下降和固化成型時間的增加。因此，“零吸膠”、“常溫加壓”的先進(jìn)預(yù)浸料，已成為業(yè)內(nèi)的發(fā)展方向。

自動裁切設(shè)備

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    復(fù)合材料構(gòu)件制造過程中，傳統(tǒng)的手工下料費時、費力、工序繁瑣、效率低、精度差，容易造成浪費。因此，準(zhǔn)確率高、方便快捷的自動裁切技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工下料技術(shù)。自動裁切技術(shù)是將構(gòu)件的三維實體數(shù)模展開，運用CATIA軟件或Fibersim軟件生成鋪層料片的二維數(shù)據(jù)，經(jīng)過裁切機(jī)自帶的第三方軟件生成指令自動切割成所需形狀的料片。自動切割的預(yù)浸料不僅代替了手工切割樣板，并且形狀準(zhǔn)確，每一層、每一形狀都標(biāo)有鋪層編號，減少了鋪放過程中的錯誤，而且效率大大提高。

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    目前，常用的預(yù)浸料自動裁切設(shè)備主要有兩種，一種是固定式裁切臺，需要一次次投放材料；一種是滾筒轉(zhuǎn)動裁切臺，可使用卷材連續(xù)加工。美國格柏是全球?qū)I(yè)的復(fù)合材料自動裁剪解決方案的提供者。新產(chǎn)品GERBERcutter Z1的特點是，利用滾筒轉(zhuǎn)動裁切臺，可使用卷材連續(xù)加工。而以往機(jī)型的裁切臺為固定式，需要一次次投放材料。GERBERcutter Z1的最大裁切速度為1.1m/s，裁切臺的可裁切范圍為寬1.81m、長1.82m。 123456

激光定位設(shè)備 內(nèi)容來自123456

    激光定位技術(shù)是通過采用激光投影系統(tǒng)在模具上按1∶1的比例顯示鋪層輪廓和軸線來實現(xiàn)鋪層的準(zhǔn)確定位。在制造過程中，將設(shè)計好的數(shù)模轉(zhuǎn)換為制造生產(chǎn)所需的激光投影數(shù)據(jù)文件，輸入激光投影設(shè)備供激光定位使用。如有必要，可將多個定位投影儀連接起來，以投影更大的圖形或在同一區(qū)域投影更多的圖形。激光定位技術(shù)的運用與傳統(tǒng)模線樣板定位技術(shù)相比減少了人力、物力的投入，降低了誤差，提高了效率。目前，激光投影設(shè)備已在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，設(shè)備類型多種多樣，但是工作原理相同，都是由控制臺（計算機(jī)）、若干個激光定位投影儀和一系列工裝定位靶標(biāo)（光敏原件）組成。

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    LAP激光定位投影儀體積小、重量輕（約3kg），配有堅固的底座，可繞縱軸周圍旋轉(zhuǎn)，易于安裝。對于較復(fù)雜的裝配，可以附加一個標(biāo)準(zhǔn)模塊化管道系統(tǒng)。 內(nèi)容來自123456

自動鋪放設(shè)備

    面對新一代先進(jìn)飛機(jī)在機(jī)身、機(jī)翼等部位大面積應(yīng)用復(fù)合材料的趨勢，為保證復(fù)合材料整體構(gòu)件的質(zhì)量穩(wěn)定性和高制造效率，用于自動化鋪放的自動鋪帶機(jī)與絲束鋪放機(jī)得到快速發(fā)展，成為先進(jìn)大型飛機(jī)制造的關(guān)鍵裝備。 123456

1  自動鋪帶設(shè)備 123456

    自動鋪帶技術(shù)是通過多坐標(biāo)聯(lián)動的自動鋪帶機(jī)將一定寬度（一般有300mm、150mm、75mm寬3種規(guī)格）的預(yù)浸料帶，按照程序設(shè)定的路徑，通過傳送、切割、壓實等功能，將預(yù)浸料帶鋪疊在模具上，制成復(fù)合材料預(yù)成型體。相比于手工鋪疊，自動鋪帶在保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本等方面具有突出的優(yōu)越性。

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    自動鋪帶主要適用于尺寸較大，曲率較為平緩的機(jī)翼、尾翼等翼面類結(jié)構(gòu)。經(jīng)過40多年的發(fā)展，自動鋪帶技術(shù)在歐美國家已經(jīng)成熟，并大規(guī)模應(yīng)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造，如波音777飛機(jī)機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17運輸機(jī)的水平安定面蒙皮，波音787機(jī)翼蒙皮，A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的機(jī)翼蒙皮和安定面蒙皮，A350機(jī)翼蒙皮和中央翼盒，A400M機(jī)翼蒙皮等。A400M機(jī)翼大梁采用的是自動鋪帶加熱隔膜成型工藝。圖1為A350XWB自動鋪帶設(shè)備。 123,123

 

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   目前，美國MAG Cincinnati公司、美國Ingersoll機(jī)床公司、西班牙M-Torres公司以及法國Forest-line公司等機(jī)床制造商均積極推出了各具優(yōu)勢的復(fù)合材料自動鋪帶設(shè)備。 123,123

    西班牙M-Torres公司以通用的FANUC數(shù)控系統(tǒng)為平臺，開發(fā)最大控制軸數(shù)為11的自動鋪帶數(shù)控系統(tǒng)Torreslayup，并采用了模塊化設(shè)計技術(shù)，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行配置。目前，M-Torres公司針對現(xiàn)有鋪帶機(jī)鋪放效率仍顯不足的現(xiàn)狀研發(fā)多帶平行鋪放鋪帶系統(tǒng)，每條料帶可單獨控制，已用于A350機(jī)翼蒙皮的制造。

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    法國Forest-line公司以Siemens 840D為平臺開發(fā)自動鋪帶控制系統(tǒng)，針對鋪帶機(jī)切割效率低的技術(shù)壁壘，研制了雙工位鋪帶頭以及相配套設(shè)備自動下料機(jī)。雙工位鋪帶是指其中一個工位可直接用于切割鋪放簡單輪廓外形的料帶，另一個工位可用于鋪放復(fù)雜輪廓外形的料帶（線外切割），這兩個工位可根據(jù)制造構(gòu)件外形的復(fù)雜程度交替使用。由于可在線外切割，在鋪帶頭上只進(jìn)行鋪放，從而使得鋪放效率大大提高。

    空客南特配置了9臺雙工位鋪帶機(jī)和6臺下料機(jī)。日本三菱重工（MHI）從Forest-Line公司購置了4臺雙工位鋪帶機(jī)和2臺下料機(jī)，用于波音787機(jī)翼上下蒙皮的制造。日本富士重工（FHI）也從Forest-Line公司購置了1臺雙工位鋪帶機(jī)和1臺下料機(jī)，用于波音787復(fù)材翼盒的制造。

    美國MAG Cincinnati公司采用開放式數(shù)控系統(tǒng)CMl00開發(fā)自動鋪帶設(shè)備，研制了新一代的CHARGER系列鋪帶機(jī)，可實現(xiàn)高速和精密鋪設(shè)功能，有助于加快工作流程，縮短建設(shè)時間，并降低成本。 123456

    20世紀(jì)80年代，自動鋪帶機(jī)主要用于軍用航空復(fù)合材料構(gòu)件的制造，而近年來，自動鋪帶機(jī)越來越多地應(yīng)用于民用航空復(fù)合材料構(gòu)件的制造，今后這種趨勢還將繼續(xù)。同時，為了適應(yīng)不同種類的航空復(fù)合材料構(gòu)件的需求，在加工能力方面對自動鋪帶設(shè)備提出了靈活性更強(qiáng)的要求。 copyright 123456

    目前國內(nèi)各大主機(jī)廠以及航空院所只有幾臺鋪帶機(jī)，遠(yuǎn)不能滿足未來一個時期飛機(jī)復(fù)材構(gòu)件生產(chǎn)的需求。

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2  絲束鋪放設(shè)備

    絲束鋪放技術(shù)與自動鋪帶技術(shù)同樣具有高效、低成本的特點，是專為曲率較大的雙曲面構(gòu)件的鋪疊而開發(fā)的技術(shù)。典型的絲束鋪放技術(shù)是通過多坐標(biāo)聯(lián)動的鋪放頭將不同數(shù)量的預(yù)浸絲束（可適應(yīng)3.2~25.4mm寬的預(yù)浸絲束）在壓輥下集束成帶，通過傳送、加熱、壓實等功能，按照程序設(shè)定的路徑鋪疊在模具上。與自動鋪帶技術(shù)相比，絲束鋪放技術(shù)的優(yōu)點主要在于：每一條絲束獨立控制，可以根據(jù)構(gòu)件形狀增減絲束根數(shù)以適應(yīng)邊界，并且可以適當(dāng)控制纖維方向，對局部加厚、加筋、鋪層遞減、開口補(bǔ)強(qiáng)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，因此該技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)身、進(jìn)氣道、翼身融合體、機(jī)翼大梁等大曲率復(fù)雜復(fù)材構(gòu)件的制造，例如V-22傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)的整體后機(jī)身， F-18上機(jī)身蒙皮和進(jìn)氣口蒙皮，A380的后機(jī)身蒙皮，波音787的機(jī)身段，以及A350 XWB機(jī)翼前/后梁和機(jī)身段等都是采用絲束鋪放技術(shù)制造的。 123456

    為適應(yīng)航空飛機(jī)制造業(yè)這種實際發(fā)展需求，國外一些大型數(shù)控機(jī)床制造商，如M-Torres、MAG Cincinnati、Ingersoll和Forest-line等公司借助其在大型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)方面的優(yōu)勢，紛紛推出高鋪放進(jìn)給率的新一代大型高端絲束鋪放機(jī)，其結(jié)構(gòu)尺寸越來越趨向大型化。

    西班牙M-Torres公司新推出的大型絲束鋪放機(jī)床TORRESFIBERLAYUP，用于A350 XWB機(jī)翼前/后梁和15段機(jī)身復(fù)材整體構(gòu)件制造。 123456

    美國MAG Cincinnati公司生產(chǎn)了多種VIPER系列的絲束鋪放機(jī)，機(jī)型已從Viper1200、Viper3000升級到Viper6000，特別適合于高輪廓的結(jié)構(gòu)如整流罩、機(jī)身部分、風(fēng)機(jī)葉片、桅桿和“C”型梁等。波音787機(jī)身47段和48段，A350 XWB機(jī)身蒙皮等都采用了VIPER 6000絲束鋪放機(jī)。圖2為MAG公司“Viper”系列絲束鋪放機(jī)。 內(nèi)容來自123456

 

    Ingersoll公司改變傳統(tǒng)絲束鋪放機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計，推出了一種新概念的絲束鋪放機(jī)床，取消了傳統(tǒng)絲束鋪放機(jī)旋轉(zhuǎn)芯軸驅(qū)動芯模轉(zhuǎn)動的設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)可明顯減少傳統(tǒng)絲束鋪放機(jī)尺寸，增強(qiáng)窄腔復(fù)材構(gòu)件的鋪放加工能力，并能顯著減少設(shè)備車間占地面積。Googrich公司準(zhǔn)備應(yīng)用這種新概念機(jī)床來進(jìn)行GEnx和波音787的Trent 1000發(fā)動機(jī)短艙復(fù)材內(nèi)涵道支撐結(jié)構(gòu)件的自動化生產(chǎn)。 內(nèi)容來自123456

    法國科里奧利開發(fā)的纖維鋪放技術(shù)依賴于標(biāo)準(zhǔn)的polyarticulated機(jī)器人的多關(guān)節(jié)機(jī)械手和一個復(fù)雜的創(chuàng)新纖維鋪放系統(tǒng)（圖3）。工業(yè)機(jī)器人的柔性特點為絲束鋪放設(shè)備同時適應(yīng)復(fù)雜構(gòu)件生產(chǎn)環(huán)境和研發(fā)環(huán)境鋪放制造應(yīng)用提供了有力支撐。 內(nèi)容來自123456

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    法國Forest-line公司2007年推出的大型絲束鋪放機(jī)床FP ATLAS，主要用于大型飛機(jī)機(jī)身段復(fù)材構(gòu)件和類似零件鋪放制造。為兼顧高鋪放生產(chǎn)率與制造構(gòu)件復(fù)雜度，法國Forest-line公司在其所屬的Capdenac工廠，配置了一臺新研制的具有雙鋪放頭的鋪放機(jī)床，將鋪帶頭和絲束鋪放頭集成在同一臺機(jī)床上，形成一種自動鋪帶-絲束鋪放混合鋪放機(jī)床，這種混合鋪放機(jī)床特別適用于復(fù)材構(gòu)件研究開發(fā)、試制、試驗和技術(shù)培訓(xùn)應(yīng)用，同時也可用于實際復(fù)材構(gòu)件鋪放制造。

    由于復(fù)合材料構(gòu)件品種多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其加工既需要通用自動化設(shè)備，也需要根據(jù)構(gòu)件的形狀和批量化要求進(jìn)行定制專用設(shè)備。

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    目前，國內(nèi)在工程化應(yīng)用的絲束鋪放裝備方面還屬于空白，嚴(yán)重阻礙了航空自動化制造技術(shù)的發(fā)展。

熱壓罐設(shè)備

    預(yù)浸料-熱壓罐固化成型工藝是利用熱壓罐設(shè)備，通過升溫、真空以及壓力等工藝措施，使復(fù)合材料毛胚密實、固化形成復(fù)合材料制件的一種工藝方法。隨著復(fù)材構(gòu)件尺寸的不斷增加，對熱壓罐尺寸和溫度場均勻性的要求越來越高。國外已開發(fā)出超大尺寸的熱壓罐和先進(jìn)的熱壓罐空氣循環(huán)系統(tǒng)，可有效降低大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件成型過程中的溫度差，降低單位重量復(fù)合材料構(gòu)件的能耗，且有利于保證復(fù)合材料構(gòu)件的成型質(zhì)量。

    Ashida Mfg. Co. Ltd和Hiroshima Ryoju Engineering Co. Ltd設(shè)計研發(fā)出全球最大的先進(jìn)空氣循環(huán)系統(tǒng)熱壓罐，該熱壓罐直徑約8m，長約40m，重約700t，可直接將約30m長的復(fù)材構(gòu)件置入熱壓罐加壓加熱。三菱重工用這套熱壓罐系統(tǒng)為波音787生產(chǎn)復(fù)合材料機(jī)翼，滿足了波音787的增產(chǎn)需求。

無損檢測設(shè)備

    隨著復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用比例的不斷提高，為保障飛行安全，監(jiān)控復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)量受到越來越廣泛的關(guān)注。目前，航空復(fù)合材料無損檢測方法主要有超聲檢測、射線檢測等。大飛機(jī)復(fù)合材料檢測涉及到大面積的快速檢測和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測，因此需要配置大型C掃描設(shè)備（圖4）和X光無損檢測設(shè)備。

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    此外，美國德克薩斯州的iPhoton公司研發(fā)了一種全新的非接觸式、非破壞性的激光超聲系統(tǒng)，在飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中檢測近表面缺陷。相比傳統(tǒng)超聲探傷，對于形狀稍復(fù)雜的零件，激光超聲探傷系統(tǒng)則突顯優(yōu)勢。 123456

結(jié)束語

    復(fù)合材料作為現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)主結(jié)構(gòu)用材已是明顯的發(fā)展趨勢，復(fù)材整體構(gòu)件已成為現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)的最主要特征。因此，采用數(shù)字化、自動化生產(chǎn)工藝和裝備，是促進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品降低成本，并使其得到更廣泛應(yīng)用的必由之路。 123,123

    但國內(nèi)的現(xiàn)狀是上述復(fù)材構(gòu)件制造中所需要的數(shù)字化、自動化裝備絕大部分依賴進(jìn)口，尤其是用于大尺寸整體構(gòu)件制造的自動鋪帶和絲束鋪放設(shè)備。因此，國內(nèi)有實力的大型數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)應(yīng)關(guān)注復(fù)合材料自動鋪放技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，抓住難得歷史性發(fā)展時機(jī)，投入必要的人力和物力盡快研發(fā)國產(chǎn)大型自動鋪帶機(jī)和絲束鋪放機(jī)床，以滿足國內(nèi)航空飛機(jī)制造業(yè)的實際迫切需要。