西北工業(yè)大學(xué)陜西省數(shù)字化制造工程技術(shù)研究中心 王永軍 何俊杰 元振毅

中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司 王浩軍 楊紹昌 蘇 霞

在航空領(lǐng)域，復(fù)合材料的應(yīng)用從最初的次承力結(jié)構(gòu)大幅擴(kuò)展到機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)，其用量和減重效果已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，因此，先進(jìn)復(fù)合材料制造技術(shù)成為世界強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的核心技術(shù)。國(guó)外先進(jìn)復(fù)合材料在大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)50%，如波音787 復(fù)合材料用量為50%，其機(jī)身和機(jī)翼主要結(jié)構(gòu)幾乎全部由復(fù)合材料制成；A350 復(fù)合材料用量從最初的37%提高到52%，主要用在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾等結(jié)構(gòu)中[1]。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，各種先進(jìn)復(fù)合材料制造設(shè)備迅速發(fā)展，并在航空制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

本文重點(diǎn)介紹幾種近年來(lái)發(fā)展較快的復(fù)合材料制造設(shè)備及應(yīng)用情況。

自動(dòng)鋪放設(shè)備及應(yīng)用

為保證復(fù)合材料整體構(gòu)件的質(zhì)量穩(wěn)定性和提高制造效率，用于自動(dòng)化鋪放的自動(dòng)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)鍵設(shè)備。

1 自動(dòng)鋪帶設(shè)備及應(yīng)用

伴隨著20世紀(jì)60年代由單向帶形式開(kāi)發(fā)的先進(jìn)復(fù)合材料的出現(xiàn)，復(fù)材構(gòu)件的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法主要為手工鋪放，它具有成本高、效率低、報(bào)廢率高和可重復(fù)性差的缺點(diǎn)。

20世紀(jì)60 年代中期，針對(duì)小曲率的大型復(fù)合材料構(gòu)件，美國(guó)率先在先進(jìn)復(fù)合材料制造領(lǐng)域開(kāi)發(fā)并應(yīng)用自動(dòng)鋪帶設(shè)備，相對(duì)于手工鋪放無(wú)論在生產(chǎn)效率還是產(chǎn)品質(zhì)量上都有較大提高。

80年代以后，自動(dòng)鋪帶開(kāi)始廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的制造領(lǐng)域，如：F-22戰(zhàn)斗機(jī)（機(jī)翼）、波音777民用飛機(jī)（全復(fù)合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮）和軍用C-17運(yùn)輸機(jī)（水平安定面蒙皮）、V-22（旋翼蒙皮）等。歐洲復(fù)合材料鋪帶成型的產(chǎn)品有機(jī)翼蒙皮、尾翼、翼梁、增強(qiáng)肋等，主要包括空客A330/A340（水平安定面蒙皮）、A340-500/600（尾翼蒙皮）和A380（安定面蒙皮、中央翼盒）等[2-4]。

自動(dòng)鋪帶機(jī)分為平板式自動(dòng)鋪帶機(jī)（TLM）和曲面自動(dòng)鋪帶機(jī)（TCLM）2種。TLM有4個(gè)聯(lián)動(dòng)軸，主要適用于平板或小曲率機(jī)翼壁板的制造；CTLM有5個(gè)聯(lián)動(dòng)軸，適用于單曲面中等曲率壁板（如大尺寸機(jī)身）的制造。自動(dòng)鋪帶機(jī)由臺(tái)架系統(tǒng)（平行軌道、橫梁及立桿）和鋪帶頭組成，分為單架式和雙架式。其中鋪帶頭作為自動(dòng)鋪帶設(shè)備的核心部件，集兩套3軸切割系統(tǒng)、預(yù)浸帶輸送控制系統(tǒng)、預(yù)浸料加熱系統(tǒng)、預(yù)浸料成型壓力控制系統(tǒng)、帶料調(diào)整（間隙控制）系統(tǒng)、鋪帶頭安全防撞系統(tǒng)等子控制系統(tǒng)于一體，實(shí)現(xiàn)了預(yù)浸帶切割、輸送和鋪放等運(yùn)動(dòng)功能，以及鋪帶頭運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)功能和預(yù)浸帶質(zhì)量檢測(cè)功能。

不同廠家的自動(dòng)鋪帶頭的結(jié)構(gòu)和功能略有差異。圖1為歐美各國(guó)主要自動(dòng)鋪帶機(jī)制造商研制的自動(dòng)鋪帶頭。其中，圖1（a）為西班牙 M-Torres 公司自動(dòng)鋪帶機(jī)Torreslayup的鋪帶頭，其新型鋪帶頭不但具有多帶平行鋪放的功能，而且其在傳動(dòng)鏈軸后面安裝超聲波切割裝置，該設(shè)備可以當(dāng)成三維切割系統(tǒng)來(lái)使用，可用于固體層壓材料的三維切割[5]；圖1 （b）為美國(guó) Cincinnati公司自動(dòng)鋪帶機(jī)CHARGERTM Tape Layers 的鋪帶頭；圖1（c）為法國(guó)Forest-line公司自動(dòng)鋪帶機(jī)Daul-Phase Tape Laying雙工位鋪帶頭，其上配備了一個(gè)單工序鋪帶頭和一個(gè)雙工序鋪帶頭[6]。

圖1 歐美各種自動(dòng)鋪帶機(jī)鋪帶頭

自動(dòng)鋪帶系統(tǒng)按預(yù)浸帶的切割和鋪疊實(shí)施方式可分為“一步法”和“兩步法”兩種工作方式。兩者在同一鋪帶頭上完成即為“一步法”，預(yù)浸帶的切割和鋪疊分開(kāi)實(shí)施，即不在同一頭上完成則為“兩步法”。這兩種方法都能滿足一般產(chǎn)品的加工要求，在復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶成型過(guò)程中，“一步法”自動(dòng)鋪帶仍占主導(dǎo)地位；對(duì)于復(fù)雜形狀鋪層，“兩步法”比“一步法”更容易實(shí)施，且鋪放效率較高，但“兩步法”較“一步法”的設(shè)備價(jià)格較高。

經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和完善，自動(dòng)鋪帶設(shè)備在美國(guó)和歐洲已經(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。

目前，日本三菱公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)的主翼蒙皮用的Linear Atlas鋪帶機(jī)是全世界最大的鋪帶機(jī)，尺寸達(dá)40m×8m， 鋪設(shè)速度為60m/min。西班牙M-Torres公司研制出11軸自動(dòng)鋪帶機(jī)，法國(guó)Forest-Line公司研制出帶有雙向鋪帶頭的自動(dòng)鋪帶機(jī)。目前鋪帶寬度最大可達(dá)到300mm，鋪帶速度達(dá)1.3～20.4kg/h，生產(chǎn)效率可達(dá)到手工鋪疊的數(shù)十倍。圖 2為M-Torres公司的自動(dòng)鋪帶設(shè)備對(duì)A350機(jī)翼蒙皮進(jìn)行鋪帶的過(guò)程。

馬格·辛辛那提公司提供的Charger 型機(jī)可以鋪75mm、150mm或300mm無(wú)緯預(yù)浸帶。Charger型面鋪帶機(jī)可以鋪達(dá)25°銳角的特型鋪層，它應(yīng)用的是CNC 10軸龍門(mén)型系統(tǒng)，可自動(dòng)下料、壓實(shí)預(yù)浸帶。該系統(tǒng)應(yīng)用了獨(dú)特的側(cè)面加載頭，可提供快速、簡(jiǎn)單更換300mm 寬、Φ650mm直徑鋪放壓輥功能，用于生產(chǎn)A320/A330/A340/A380及A400M 的機(jī)翼桁條、梁、蒙皮及升降舵、尾翼蒙皮、平尾、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、機(jī)身蒙皮及機(jī)腹整流罩等。除了通用的鋪帶機(jī)外，馬格·辛辛那提還開(kāi)發(fā)出形狀相同或相似的大批量生產(chǎn)的專用鋪帶機(jī)，如為沃特飛機(jī)公司開(kāi)發(fā)了平面鋪帶機(jī)，用于制造長(zhǎng)的平面構(gòu)件；后續(xù)該公司還開(kāi)發(fā)了小型平面鋪帶機(jī)（SFTL），用于生產(chǎn)長(zhǎng)、窄、平面構(gòu)件，多件鋪層板，隔膜成型蒙皮等，典型用途為制造大梁、桁條、梁、剪切帶、框、襟翼及蒙皮。

2 纖維絲束鋪放設(shè)備及應(yīng)用

纖維絲束鋪放技術(shù)是20 世紀(jì)70年代由美國(guó) Boeing、Hercules 等公司在纖維纏繞和自動(dòng)鋪帶技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[7-8]，用于復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)制造。20 世紀(jì)80 年代后期，專業(yè)數(shù)控加工設(shè)備制造商對(duì)該技術(shù)和設(shè)備作了進(jìn)一步完善，1989年Cincinnati Machine公司設(shè)計(jì)出其第一臺(tái)纖維絲束鋪放機(jī)并隨后投入使用；1995年Ingersoll 公司研制出其第一臺(tái)纖維絲束鋪放設(shè)備[9]。

自動(dòng)絲束鋪放是在模具上鋪放預(yù)浸絲束，在自動(dòng)鋪帶的基礎(chǔ)之上，鋪絲頭的壓輥將數(shù)根預(yù)浸絲束壓在模具的表面，并集成為一條寬度可變的預(yù)浸帶，然后再加熱軟化并進(jìn)行壓實(shí)定型，寬度的變化由程序來(lái)控制,預(yù)浸絲束根數(shù)自動(dòng)調(diào)整。對(duì)應(yīng)不同曲率的不同需求，自動(dòng)絲束鋪放機(jī)可適應(yīng)3.2～25.4mm寬的預(yù)浸絲束。

與自動(dòng)鋪帶相比，自動(dòng)絲束鋪放的優(yōu)點(diǎn)主要在于：按構(gòu)件型面具有增減紗束根數(shù)的功能，可根據(jù)構(gòu)件形狀自動(dòng)切紗適應(yīng)邊界，廢料率很低（3%～8%），不需要隔離襯紙，可完成局部加厚、加筋、鋪層遞減、開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)等操作，鋪放軌跡自由度更大，可變角度鋪放，能適應(yīng)大曲率復(fù)雜構(gòu)件成型。

典型的自動(dòng)絲束鋪放機(jī)有7個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，以及由計(jì)算機(jī)控制的12～32個(gè)絲束輸送軸；絲束是指3mm或6mm的預(yù)浸絲束。鋪絲頭把預(yù)浸絲束獨(dú)立輸送并將其壓實(shí)、切割，每一根預(yù)浸絲束從絲束筒上抽出，通過(guò)預(yù)浸絲輸送系統(tǒng)到達(dá)鋪絲頭，在鋪絲頭集束后鋪放到模具表面。

自動(dòng)絲束鋪放機(jī)機(jī)型已從 Viper1200、Viper3000升 級(jí) 到Viper6000。Viper6000自動(dòng)絲束鋪放機(jī)能操作達(dá)86180kg 的心軸，可以鋪放并控制的纖維束由24個(gè)增到32個(gè)絲束，能對(duì)32條絲束或窄帶進(jìn)行供料、夾持、下料及鋪放，可鋪多種零件，具有高敏捷性和準(zhǔn)確性，由于采用單側(cè)紗架，還具有操作友好性。目前，沃特飛機(jī)公司用其來(lái)生產(chǎn)波音787的機(jī)身段，空客A350XWB機(jī)身的92%用Viper制造。

圖3 M-Torres公司的纖維鋪放設(shè)備

圖4 A350XWB翼梁自動(dòng)鋪絲檢查

圖3為M-Torres公司的纖維鋪放設(shè)備；圖4為A350XWB翼梁自動(dòng)鋪絲過(guò)程的檢查。

3 國(guó)內(nèi)自動(dòng)鋪放設(shè)備

國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，其中南京航空航天大學(xué)2004年起與北京航空材料研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)自動(dòng)鋪帶設(shè)備，并于2005年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)自動(dòng)鋪帶原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鋪帶的基本功能[10-11]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在原有的6軸纏繞機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)自動(dòng)鋪絲技術(shù)進(jìn)行改造，研制了一種7軸纖維鋪放頭。

2006年，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所與Forest-Line 公司合作，采用引進(jìn)自動(dòng)鋪帶頭關(guān)鍵部件集成的技術(shù)路線研制翼面大型自動(dòng)鋪帶機(jī)，在國(guó)內(nèi)首次采用“兩步法”自動(dòng)鋪帶技術(shù)成功研制出大尺寸壁板蒙皮[12]。

2010年4月，由南京航空航天大學(xué)與齊齊哈爾二機(jī)床聯(lián)合研制出SKPC250/2000型大型筒段鋪纏一體機(jī)（圖5）在第六屆中國(guó)數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)上展出。

圖5 國(guó)產(chǎn)大型筒段鋪纏一體機(jī)

熱隔膜成型設(shè)備及應(yīng)用

熱隔膜成型技術(shù)與自動(dòng)化鋪放技術(shù)相結(jié)合，在大型復(fù)合材料構(gòu)件成型方面得到越來(lái)越多的應(yīng)用。熱隔膜成型技術(shù)已在B777 長(zhǎng)桁、V-22長(zhǎng)桁和A400M機(jī)翼前梁等大型構(gòu)件中得到成功應(yīng)用。目前國(guó)外供給熱隔膜成型的設(shè)備（圖6）已經(jīng)比較多，康泰公司（美國(guó)）作為供應(yīng)熱成型機(jī)相對(duì)較大的公司，其設(shè)備已提供給全球70多個(gè)國(guó)家地區(qū)，早在20世紀(jì)80年代就為英國(guó)BAE公司鷂式戰(zhàn)斗機(jī)的生產(chǎn)提供此類設(shè)備，此后為SAAB公司的 Gripen 戰(zhàn)斗機(jī)，后來(lái)又為直升機(jī)和鷂式維修工廠和歐洲戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目，以及波音787提供了類似設(shè)備[13]。

圖6 熱隔膜成型設(shè)備

這些設(shè)備除了具有一般熱壓機(jī)的特點(diǎn)外，還具備抽真空裝置。另外，由于熱隔膜成型件的尺寸往往都比較較大，所以一般的熱壓機(jī)往往難以符合生產(chǎn)要求。A400M 機(jī)翼大梁用的熱壓機(jī)長(zhǎng)20多米，就是美國(guó)Aeroform. Ltd公司專門(mén)為其設(shè)計(jì)制造的。

復(fù)合材料縫合設(shè)備及應(yīng)用

縫合技術(shù)是針對(duì)傳統(tǒng)工藝方法的不足而開(kāi)發(fā)出的一種全新的技術(shù)。其原理是通過(guò)縫合手段使復(fù)合材料在垂直于鋪層平面的方向得到增強(qiáng)。盡管縫合易引起一定程度的面內(nèi)纖維的損傷，但克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、易分層的缺點(diǎn)，由于減少鉚接、螺接等機(jī)械連接數(shù)量，從而更有利于減重和提高復(fù)合材料層間損傷容限。

國(guó)內(nèi)外在縫合設(shè)備的研制和開(kāi)發(fā)方面投入了大量的人力和物力，從最初的工業(yè)縫合機(jī)發(fā)展到了采用計(jì)算機(jī)控制的大型縫合設(shè)備，無(wú)論是縫合速度、縫合規(guī)模還是縫合質(zhì)量都得到了大幅度提高，不但能夠?qū)崿F(xiàn)單曲面預(yù)成形體的縫合，而且可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜曲面預(yù)制體的縫合。

圖7 德國(guó)KSL公司的復(fù)材縫合機(jī)器人

德國(guó)KSL公司使用機(jī)器人作為自動(dòng)縫合設(shè)備，為了保證縫針垂直于零件表面，采用六自由度的機(jī)器人移動(dòng)，可進(jìn)行鎖式縫合、改進(jìn)的鎖式縫合和鏈?zhǔn)娇p合3種不同的縫合方式（圖7中右上和右下兩圖分別為該設(shè)備縫針的照片和雙針單邊縫合原理圖），其雙針單邊縫合步長(zhǎng)可在2～10mm的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，最大材料縫合厚度可達(dá)20mm，縫合速度達(dá)500針/mm。相比傳統(tǒng)的工業(yè)縫合機(jī)，該設(shè)備在縫合速度、縫合規(guī)模以及縫合質(zhì)量上都得到了大幅度提高?？湛凸具\(yùn)用這種3D縫合機(jī)器人，縫合了A380尾部壓力倉(cāng)壁，該組件僅重250kg。

另外，美國(guó)NASA聯(lián)合波音公司開(kāi)發(fā)了一種28m長(zhǎng)的縫合機(jī)，用于制造復(fù)合材料機(jī)翼壁板，獲得了25%的減重效果，較鋁合金壁板降低成本20%。

結(jié)論

采用先進(jìn)的自動(dòng)化鋪放設(shè)備進(jìn)行飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的制備，并采用自動(dòng)縫合方法提高其損傷容限，是現(xiàn)代飛機(jī)復(fù)合材料制造技術(shù)發(fā)展的重要方向。因此，我國(guó)企業(yè)急需通過(guò)引進(jìn)和研制先進(jìn)的自動(dòng)化鋪帶、鋪絲設(shè)備以及熱隔膜成型、縫合設(shè)備，大幅提高我國(guó)復(fù)合材料自動(dòng)化制造設(shè)備水平，為軍民用飛機(jī)的型號(hào)研制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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