新一代飛行器為了提高性能，降低成本，延長壽命，其零件與結構向大型化、整體化方向發(fā)展。輕質(zhì)、高強的復合材料大型零件和整體構件成為了設計師的首選，復合材料的應用已從最初的次承力結構大幅擴展到機翼、機身等主承力結構。復合材料在飛機結構上的用量和由此帶來的減重效果已成為衡量飛機先進性的重要標志，是世界強國競相發(fā)展的核心技術。國際上兩大飛機制造巨頭——空客和波音在市場上競爭激烈，其技術對決的主要關鍵點是先進復合材料的應用，如波音787復合材料用量達到50%，而空客將A350復合材料用量提高到52%，為達到這一用量，必須在機翼、機身、垂尾、平尾等結構上大量采用復合材料。

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    隨著復合材料的大量應用，大型整體構件數(shù)量和尺寸的不斷增加，尤其是結構實體設計軟件的普及和用于復合材料設計/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、自動化制造技術在航空工業(yè)得到了普遍應用。本文結合航空復材構件中常用的預浸料-熱壓罐固化成型工藝，主要對國內(nèi)外飛機復材構件制造中所用的裝備進行整理匯總，以期為國內(nèi)復合材料構件的研制提供借鑒。

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預浸料設備 copyright 123456

    預浸料是用樹脂基體在嚴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體的組合物，是制造復合材料的中間材料。預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，然后將膠膜和增強材料均勻復合在一起。與濕法預浸料相比，干法預浸料外觀好，樹脂含量的控制精度高，采用干法預浸料成型的復合材料，具有孔隙率低、纖維取向性好等優(yōu)點。 123456

    目前，應用最廣的碳纖維預浸設備主要有溶液法預浸設備、樹脂膜機、熱熔法預浸機、樹脂膜和預浸組合機。

    雖然溶液浸漬法在技術先進性和產(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；既可以制備超薄預浸料也可以制備厚預浸料；工藝技術相對要求較低；設備造價也不太高，對操作人員要求也比較低。 123456

    近年來，航空復材構件已經(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，則難以保證預浸料加壓帶的要求，從而導致制件制造質(zhì)量的下降和固化成型時間的增加。因此，“零吸膠”、“常溫加壓”的先進預浸料，已成為業(yè)內(nèi)的發(fā)展方向。

自動裁切設備

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    復合材料構件制造過程中，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，準確率高、方便快捷的自動裁切技術取代了傳統(tǒng)的手工下料技術。自動裁切技術是將構件的三維實體數(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。自動切割的預浸料不僅代替了手工切割樣板，并且形狀準確，每一層、每一形狀都標有鋪層編號，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，常用的預浸料自動裁切設備主要有兩種，一種是固定式裁切臺，需要一次次投放材料；一種是滾筒轉動裁切臺，可使用卷材連續(xù)加工。美國格柏是全球專業(yè)的復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，利用滾筒轉動裁切臺，可使用卷材連續(xù)加工。而以往機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

激光定位設備 內(nèi)容來自123456

    激光定位技術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)鋪層的準確定位。在制造過程中，將設計好的數(shù)模轉換為制造生產(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。激光定位技術的運用與傳統(tǒng)模線樣板定位技術相比減少了人力、物力的投入，降低了誤差，提高了效率。目前，激光投影設備已在航空領域廣泛應用，設備類型多種多樣，但是工作原理相同，都是由控制臺（計算機）、若干個激光定位投影儀和一系列工裝定位靶標（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，易于安裝。對于較復雜的裝配，可以附加一個標準模塊化管道系統(tǒng)。 內(nèi)容來自123456

自動鋪放設備

    面對新一代先進飛機在機身、機翼等部位大面積應用復合材料的趨勢，為保證復合材料整體構件的質(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與絲束鋪放機得到快速發(fā)展，成為先進大型飛機制造的關鍵裝備。 123456

1  自動鋪帶設備 123456

    自動鋪帶技術是通過多坐標聯(lián)動的自動鋪帶機將一定寬度（一般有300mm、150mm、75mm寬3種規(guī)格）的預浸料帶，按照程序設定的路徑，通過傳送、切割、壓實等功能，將預浸料帶鋪疊在模具上，制成復合材料預成型體。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，曲率較為平緩的機翼、尾翼等翼面類結構。經(jīng)過40多年的發(fā)展，自動鋪帶技術在歐美國家已經(jīng)成熟，并大規(guī)模應用于航空復合材料結構件的制造，如波音777飛機機翼、水平和垂直安定面蒙皮，C-17運輸機的水平安定面蒙皮，波音787機翼蒙皮，A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的機翼蒙皮和安定面蒙皮，A350機翼蒙皮和中央翼盒，A400M機翼蒙皮等。A400M機翼大梁采用的是自動鋪帶加熱隔膜成型工藝。圖1為A350XWB自動鋪帶設備。 123,123

 

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   目前，美國MAG Cincinnati公司、美國Ingersoll機床公司、西班牙M-Torres公司以及法國Forest-line公司等機床制造商均積極推出了各具優(yōu)勢的復合材料自動鋪帶設備。 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，并采用了模塊化設計技術，可根據(jù)用戶需求進行配置。目前，M-Torres公司針對現(xiàn)有鋪帶機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)，針對鋪帶機切割效率低的技術壁壘，研制了雙工位鋪帶頭以及相配套設備自動下料機。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雜輪廓外形的料帶（線外切割），這兩個工位可根據(jù)制造構件外形的復雜程度交替使用。由于可在線外切割，在鋪帶頭上只進行鋪放，從而使得鋪放效率大大提高。

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

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

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

    目前國內(nèi)各大主機廠以及航空院所只有幾臺鋪帶機，遠不能滿足未來一個時期飛機復材構件生產(chǎn)的需求。

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2  絲束鋪放設備

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

    為適應航空飛機制造業(yè)這種實際發(fā)展需求，國外一些大型數(shù)控機床制造商，如M-Torres、MAG Cincinnati、Ingersoll和Forest-line等公司借助其在大型數(shù)控機床結構設計技術方面的優(yōu)勢，紛紛推出高鋪放進給率的新一代大型高端絲束鋪放機，其結構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床TORRESFIBERLAYUP，用于A350 XWB機翼前/后梁和15段機身復材整體構件制造。 123456

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

 

    Ingersoll公司改變傳統(tǒng)絲束鋪放機床結構設計，推出了一種新概念的絲束鋪放機床，取消了傳統(tǒng)絲束鋪放機旋轉芯軸驅動芯模轉動的設計，這種結構可明顯減少傳統(tǒng)絲束鋪放機尺寸，增強窄腔復材構件的鋪放加工能力，并能顯著減少設備車間占地面積。Googrich公司準備應用這種新概念機床來進行GEnx和波音787的Trent 1000發(fā)動機短艙復材內(nèi)涵道支撐結構件的自動化生產(chǎn)。 內(nèi)容來自123456

    法國科里奧利開發(fā)的纖維鋪放技術依賴于標準的polyarticulated機器人的多關節(jié)機械手和一個復雜的創(chuàng)新纖維鋪放系統(tǒng)（圖3）。工業(yè)機器人的柔性特點為絲束鋪放設備同時適應復雜構件生產(chǎn)環(huán)境和研發(fā)環(huán)境鋪放制造應用提供了有力支撐。 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床FP ATLAS，主要用于大型飛機機身段復材構件和類似零件鋪放制造。為兼顧高鋪放生產(chǎn)率與制造構件復雜度，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床，將鋪帶頭和絲束鋪放頭集成在同一臺機床上，形成一種自動鋪帶-絲束鋪放混合鋪放機床，這種混合鋪放機床特別適用于復材構件研究開發(fā)、試制、試驗和技術培訓應用，同時也可用于實際復材構件鋪放制造。

    由于復合材料構件品種多、結構復雜，其加工既需要通用自動化設備，也需要根據(jù)構件的形狀和批量化要求進行定制專用設備。

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

熱壓罐設備

    預浸料-熱壓罐固化成型工藝是利用熱壓罐設備，通過升溫、真空以及壓力等工藝措施，使復合材料毛胚密實、固化形成復合材料制件的一種工藝方法。隨著復材構件尺寸的不斷增加，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的熱壓罐空氣循環(huán)系統(tǒng)，可有效降低大尺寸復合材料構件成型過程中的溫度差，降低單位重量復合材料構件的能耗，且有利于保證復合材料構件的成型質(zhì)量。

    Ashida Mfg. Co. Ltd和Hiroshima Ryoju Engineering Co. Ltd設計研發(fā)出全球最大的先進空氣循環(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長的復材構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)復合材料機翼，滿足了波音787的增產(chǎn)需求。

無損檢測設備

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

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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)，在飛機復合材料結構件中檢測近表面缺陷。相比傳統(tǒng)超聲探傷，對于形狀稍復雜的零件，激光超聲探傷系統(tǒng)則突顯優(yōu)勢。 123456

結束語

    復合材料作為現(xiàn)代先進飛機主結構用材已是明顯的發(fā)展趨勢，復材整體構件已成為現(xiàn)代先進飛機的最主要特征。因此，采用數(shù)字化、自動化生產(chǎn)工藝和裝備，是促進復合材料產(chǎn)品降低成本，并使其得到更廣泛應用的必由之路。 123,123

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