【中國機(jī)床商務(wù)網(wǎng)】導(dǎo)讀：目前，復(fù)合材料已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域的重要材料，航空工業(yè)的復(fù)合材料時(shí)代已經(jīng)來臨。以波音和空客為代表的大型客機(jī)波音787和空客A350，復(fù)合材料應(yīng)用比例分別已達(dá)到和超過了50%，整個(gè)機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)幾乎全部采用了碳纖維復(fù)合材料（圖1），取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。這些大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件，均采用了自動化制造技術(shù)，機(jī)身采用自動鋪絲技術(shù)，機(jī)翼采用自動鋪帶技術(shù)。自動鋪帶技術(shù)在加工翼面類小曲率復(fù)合材料構(gòu)件和某些梁、長桁等復(fù)合材料構(gòu)件方面具有很強(qiáng)優(yōu)勢。

　　
　　自動鋪帶技術(shù)
　　
　　自動鋪帶技術(shù)是將一定寬度的預(yù)浸帶，通過鋪帶機(jī)的送進(jìn)、裁剪、輥壓功能，將材料鋪疊在模具上，完成復(fù)合材料鋪層的自動化鋪疊。該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，可以有效地提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度。鋪帶程序一旦固定，將重復(fù)操作，有利于提高制件的質(zhì)量一致性，是一種低成本的復(fù)合材料自動化制造技術(shù)。自動鋪帶技術(shù)集成了自動鋪帶設(shè)備、自動鋪帶材料、自動鋪帶工藝等多項(xiàng)內(nèi)容，是一項(xiàng)綜合的復(fù)合材料自動化制造技術(shù)。
　　
　　自動鋪帶設(shè)備
　　
　　自動鋪帶設(shè)備是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、軟件技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的結(jié)合。與金屬加工機(jī)床類似，將金屬切削功能變換為鋪帶功能。其核心是多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的自動鋪帶頭。在鋪帶頭上集成了多個(gè)系統(tǒng)，包括材料的放卷和收卷系統(tǒng)、送進(jìn)系統(tǒng)、缺陷檢測系統(tǒng)、超聲切割系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、輥壓系統(tǒng)等。材料的放卷和收卷實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料的收放和背襯紙的回收。通常采用力矩電機(jī)執(zhí)行，系統(tǒng)根據(jù)卷軸的半徑和速度大小，實(shí)時(shí)輸出變化扭矩，保持材料張力的恒定。送進(jìn)系統(tǒng)主要包括材料的壓緊、送進(jìn)，同時(shí)要與鋪疊進(jìn)給速度匹配，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料帶的送進(jìn)與鋪疊的同步控制。檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料的缺陷檢測，通常采用紅外攝像裝置，通過設(shè)定圖像的對比度，檢測襯紙撕裂等缺陷。超聲切割系統(tǒng)，由超聲發(fā)生器和超聲刀組成，超聲刀安裝在旋轉(zhuǎn)軸上實(shí)現(xiàn)不同角度的切割。切割過程剛好切斷預(yù)浸料而不切斷襯紙，因此要有精密的切深調(diào)節(jié)裝置。切身調(diào)節(jié)時(shí)將刀尖抵住測量平臺，測量裝置將切刀的深度測量值實(shí)時(shí)顯示，通過調(diào)節(jié)機(jī)械旋鈕，實(shí)現(xiàn)切割深度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為微米級。加熱系統(tǒng)對于自動鋪帶機(jī)并不是必須的，取決于材料的粘性和工藝的實(shí)施方案，在某些特定的場合可以對材料加熱，可以采用熱風(fēng)系統(tǒng)或紅外加熱裝置。輥壓系統(tǒng)將預(yù)浸料壓實(shí)在模具上，為了保證壓實(shí)的均勻性，在壓輥的控制上要具有一定的柔性。首先壓輥的選擇通常是具有一定壓縮特性的橡膠或者硅膠材料制成，壓輥的支撐結(jié)構(gòu)可采用浮動氣缸結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓輥上下運(yùn)動的自適應(yīng)性。并在壓輥的兩端加裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)檢測壓輥兩端的壓力，調(diào)節(jié)擺角機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓力的均勻性。正是由于以上多系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，增加了自動鋪帶設(shè)備的研制難度，因此國內(nèi)在自動鋪帶設(shè)備的研制方面起步較晚，且一直處于跟蹤模仿階段。
　　
　　目前，工程化應(yīng)用的自動鋪帶設(shè)備有臥式結(jié)構(gòu)和立式結(jié)構(gòu)。臥式結(jié)構(gòu)適合鋪疊回轉(zhuǎn)體零件，在航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域應(yīng)用較少，在航天領(lǐng)域有所報(bào)道，例如火箭筒段的鋪帶，該類設(shè)備與纏繞類似，可被纏繞和鋪絲技術(shù)取代。目前，廣泛應(yīng)用于航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域的是立式結(jié)構(gòu)的鋪帶設(shè)備（圖2），此類設(shè)備適合鋪疊開敞式復(fù)合材料壁板的自動化鋪疊。

　　
　　波音和空客是航空復(fù)合材料制造的*，在其大型客機(jī)的制造過程中大量采用立式自動鋪帶設(shè)備制造大型機(jī)翼、尾翼等蒙皮結(jié)構(gòu)。設(shè)備主要來自歐美國家，如西班牙m(xù)torres、美國mag集團(tuán)辛辛那提、美國MAG集團(tuán)Forest-Line。前兩家生產(chǎn)的鋪帶機(jī)多為單工位自動鋪帶機(jī)。單工位自動鋪帶機(jī)在鋪帶頭上有1~2把超聲切割刀，切刀沿直線運(yùn)動，同時(shí)可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，與材料的送進(jìn)合成角度的切割、材料的切割與鋪疊交替進(jìn)行。而美國MAG集團(tuán)Forest-Line開發(fā)了離線切割與自動鋪帶相結(jié)合的雙工位自動鋪帶機(jī)（圖3）。自動鋪帶頭帶有兩個(gè)工位，一個(gè)工位帶有1把超聲切割刀，進(jìn)行大面積鋪疊與切割；另外一個(gè)工位將預(yù)浸料在access下料機(jī)上進(jìn)行預(yù)切割，通過軟件和光學(xué)檢測設(shè)備，對形狀各異的料帶進(jìn)行在線檢測，合格的料帶通過的制孔定位技術(shù)按照鋪放序列覆膜收卷，然后將卷盤裝在雙工位鋪帶頭上，進(jìn)行復(fù)雜輪廓料帶鋪疊，可以減少鋪疊過程中廢料去除時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

　　
　　自動鋪帶材料
　　
　　自動鋪帶機(jī)采用的材料是單向預(yù)浸帶，寬度有75mm、150mm和300mm3種，單面背襯紙。采用何種帶寬的材料，涉及到制件的曲率大小、鋪疊效率等因素。自動鋪帶機(jī)主要是利用壓輥的變形量來適應(yīng)曲面的曲率，保證材料鋪疊過程的壓實(shí)度。按照不產(chǎn)生架橋的規(guī)則采用的估算公式如下：→（1）
　　
　　其中，R為零件曲率半徑，L為壓輥長度，△為壓輥?zhàn)冃瘟俊?br />　　
　　目前，用于自動鋪帶工藝的單項(xiàng)窄帶主要采用寬幅預(yù)浸料精密分切工藝。一般要求材料的寬度精度達(dá)到0.5mm，纖維連續(xù)，這樣才能更好地控制鋪疊間隙，同時(shí)要保證纖維的準(zhǔn)直度。預(yù)浸料的分切要采用的分切設(shè)備，采用零背向處理工藝，保證預(yù)浸料和襯紙的有效貼合。分切設(shè)備要帶有高精度糾偏機(jī)構(gòu)，保證纖維的準(zhǔn)制度，盡量避免纖維絲的切斷，全過程進(jìn)行張力控制，保證分切流暢和收卷整齊、松緊度合適，制備符合自動鋪帶要求的預(yù)浸帶料卷，如圖4所示。

　　
　　自動鋪帶工藝的實(shí)施
　　
　　自動鋪帶工藝的實(shí)施過程主要分2個(gè)階段，首先根據(jù)數(shù)模準(zhǔn)備鋪帶程序，也就是鋪帶編程（圖5）；然后在鋪帶機(jī)上執(zhí)行程序進(jìn)行鋪疊。鋪帶編程通常是利用鋪帶設(shè)備配套的編程軟件進(jìn)行NC程序的編制，主要有以下幾個(gè)步驟：鋪帶設(shè)計(jì)、料帶展平、路徑的規(guī)劃與優(yōu)化、計(jì)算和仿真模擬。將得到的APT文件進(jìn)行后置處理，得到zui終的NC程序。

　　
　　鋪疊過程是將合適帶寬的材料在數(shù)控系統(tǒng)的指令下，將材料按照鋪層的順序，鋪疊在模具上。影響自動鋪帶工藝的參數(shù)主要有鋪放壓力、鋪放速度、卷軸張力、鋪放溫度等。鋪放壓力影響鋪疊的壓實(shí)度和表面質(zhì)量，需要針對不同的材料寬度設(shè)定不同的鋪放壓力。鋪放速度是生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素，除了受到機(jī)床極限速度的限制，預(yù)浸料的性能和制件的曲率變化程度都會對鋪放速度產(chǎn)生影響。通常，機(jī)床的極限速度一般能達(dá)到60m/min，但是實(shí)際生產(chǎn)過程中，很少能使用到這個(gè)速度，可根據(jù)具體需要綜合考慮確定。卷軸張力包括預(yù)浸帶卷軸張力和回收背襯紙的卷軸張力。鋪放過程中，如果卷軸張力過小，預(yù)浸帶會松弛，影響切割和鋪帶的尺寸穩(wěn)定性；若卷軸張力過大，容易出現(xiàn)背襯紙剝離甚至撕裂現(xiàn)象，影響鋪帶機(jī)正常工作，可根據(jù)具體情況作適當(dāng)調(diào)整。鋪放溫度，目前鋪帶機(jī)可以帶有加熱系統(tǒng)，加熱裝置可以是熱風(fēng)系統(tǒng)或者紅外系統(tǒng)，對于粘性較差的預(yù)浸帶，適當(dāng)?shù)匿伔艤囟仁潜匾模^高的溫度會對材料產(chǎn)生損傷，是禁止的。對于粘性比較好的材料，盡量不采用加熱裝置，這對材料的性能提出了更高的要求。除了有效地控制鋪疊工藝參數(shù)，壓輥要時(shí)時(shí)與鋪疊表面貼合，通常需要進(jìn)行高度補(bǔ)償和角度補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)姆椒梢圆捎脵C(jī)械結(jié)構(gòu)，比如彈簧結(jié)構(gòu)或者氣缸結(jié)構(gòu)，也可以通過壓力傳感器等進(jìn)行電氣補(bǔ)償，實(shí)時(shí)控制鋪帶頭的姿態(tài)，使得鋪疊流暢、壓實(shí)均勻。
　　
　　國外應(yīng)用
　　
　　國外大量采用自動鋪帶技術(shù)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的自動化制造。翼面類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件可以直接在模具上進(jìn)行鋪疊，完成鋪層的鋪疊后，采用熱壓罐工藝進(jìn)行固化，zui終得到翼面類小曲率結(jié)構(gòu)件。例如波音787的機(jī)翼蒙皮、空客A350的機(jī)翼蒙皮（圖6）、中央翼蒙皮、A400M機(jī)翼蒙皮等；也可以通過平面鋪帶結(jié)合熱成型工藝進(jìn)行梁類大型復(fù)合材料構(gòu)件的自動化制造，如A400M機(jī)翼大梁、A350的機(jī)翼長桁筋條。

　　
　　復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)外形狹長、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難應(yīng)用自動鋪放技術(shù)，為了使這些大尺寸梁構(gòu)件的生產(chǎn)也能享受自動化帶來的好處，工程師把鋪疊過程分成兩個(gè)階段：首先通過平面鋪帶鋪疊出平板疊層，然后進(jìn)行切割，得到正確的展平形狀。平板的厚度一般在1~5mm范圍之間，然后將平板疊層轉(zhuǎn)移到熱成型機(jī)上，使其整體貼合模具，然后再封裝固化。熱成型技術(shù)（Hot-DiaphragmForming）已經(jīng)應(yīng)用A400M的機(jī)翼梁生產(chǎn)，如圖7所示。A400M的每個(gè)機(jī)翼的翼梁分成兩段制造，前翼梁分成12m和7m兩段，后翼梁分成14m和5m兩段，構(gòu)件的尺寸比較大，如果仍然采用手工鋪疊，效率太低，鋪疊率一般只有0.75kg/h，因此在批生產(chǎn)中用鋪帶機(jī)進(jìn)行鋪疊，隨后用熱隔膜成型出“C”形截面梁，鋪疊效率能達(dá)到25kg/h[1]。該工藝的成功不僅要?dú)w功于自動鋪帶技術(shù)和熱隔膜成型工藝，還與材料性能有關(guān)，材料本身適合這種工藝，得到的制件就會滿足質(zhì)量的要求。A350采用的材料不適合這種工藝，所以采用了自動鋪絲工藝，直接鋪疊固化成型。可見，工藝方法的選擇關(guān)系到各種因素，只有綜合考慮，才能得到*的效益。

　　
　　結(jié)束語
　　
　　隨著我國大型客機(jī)的立項(xiàng)和復(fù)合材料制造技術(shù)的提升，自動鋪帶技術(shù)作為復(fù)合材料自動化制造技術(shù)的典型代表，將迎來難得的發(fā)展機(jī)遇。目前，國內(nèi)航空企業(yè)已經(jīng)開始引進(jìn)大型鋪帶機(jī)，材料的制備工藝也取得了突破性的進(jìn)展，但是工藝研究方面與*技術(shù)還有差距，特別是向自動化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，還需要借鑒*的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。特別是要從zui初的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始，考慮自動化帶來的效益，實(shí)施面向材料與制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，才能加快復(fù)合材料自動化制造技術(shù)應(yīng)用，造出更輕、更快、更安全、更節(jié)能的大飛機(jī)。

　　（文章來源：航空制造網(wǎng)）