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1、尾夕论坛自动铺放技术在大型飞机复合 材料结构件制造中的应用南京航空航天大学肖军李勇香港科技 大学李建龙自动铺放技术是工业发达国家近年来发展和广泛应用的自动化制造技术,包括自动铺带技术和自动铺丝技术。这两项技术的共同优点是采用预浸料,并能实现自动化和数字化制造,高效高速。自动铺放技术特别适用于大型复合材料结构件制造,在各类飞行器,尤其是大型飞机的结构制造中所占比重越来越大。肖军南京航空航天大学教授博士生导师中国复合材料学会常务理事主要从事复合材料续绕、自动铺放等自动制造技术研究发表论文余篇。自动铺放技术及其优势先进复合材料具有轻质量、高强度、高模量、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成型为大型
2、构件等优点,在肮空航天工业中起着非常重要的作用。复合材料用量已经成为先进航空航天器的 重要技术指标之一,国外 先进 战 斗机 复 合材料 使用量均超过,大型飞机达到。为实现复合材料大量应用,降低成本和提高 质量已成为关键。自动铺放技术是工业发达国家近年来发展和广泛应用的自动化制造技术。包括 自动铺带技术和 自动铺丝技术,这两项技术的共同优点是采用预浸料,并能实现 自动化和数字化制造,高效高速。自动铺放技 术特别适用于大型复合材料结构件制造,在各类飞行器,尤其是大型飞机的结构制造中所占比重越来越大。自动铺带技术丫自动铺带技术采用有隔离衬纸的单 向预浸带,剪裁、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完
3、成,由自动铺带机实现。多轴 龙门式机械 臂完成铺带位置自动控制,核心部件铺带头中装有预浸带输送和预浸带切割系统,根据待铺放工件边界轮廓自动完成预浸带特定形状的切割,预浸带加热后在压辊的作用下铺叠到模具表面。按 所铺放构件的 几何特征,自动铺带机分为平面铺带和曲面铺带两 类。有个 运 动 轴,采 用和宽的预浸带,主要用于平板铺放有个运动轴,主要采用和宽的预浸带,适于小 曲率壁板的铺放,如机翼蒙皮、大尺寸机身壁板等部件。自动铺带机 由美国公司在世纪年代开 发,用干铺放一战斗机的复合材料机翼部件。随着大型运输 机、轰炸机 和商用飞机 复合材料用量的增加,专业设备制造商如、公司在国防需求和经济利益的驱
4、 动下开 始制造 自动铺带设备,此 后 自动铺带技 术日趋完善,应用范围越航空制造技术年第期、飞、。、二、。,。、。门。,大飞机关键翻造技术来越广泛。带有双超声切割刀和缝隙光学探测器的十轴铺带机已经成为典型配置,铺带宽度最大可达到,生产效率达到每周,是手工铺叠的数十倍。经过多年发 展,美国自动铺带机已经发展到第五代,其 中一个重要方向是多铺放头和针对特定构件的专用化铺带机公司采用。欧洲年代开始研制生产 自动铺带机,经过不断创新,重在实现 自动铺带机的高效和多功能化,包括双头两步法一公司采用、多带平行铺放和超声切割复合化一公司采用等等。自动铺丝技术自动铺丝技 术综合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点
5、,铺丝头把缠绕技术中不 同预浸纱独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重送功能结合在一起,由铺丝头将数根预浸纱在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带宽度变化通过程序控制预浸纱根数自动调整后铺放在芯模表面,加热软化预浸纱并压实定型。典型的自动铺丝机系统包括个运动轴和一个丝束 预浸纱或带背衬的切割预浸窄带 输送轴。与自动铺带相比,自动铺丝技术有两个突出的优点采用多组预浸纱,具有增减纱束根数的功能根据构件形状 自动切纱以适应边界,几乎没有废料,且不需要隔离纸可以完成局部加厚混杂、加筋、铺层递减和开口铺层补强等来满足多种设计要求。由于各预浸纱独立输送,不受自动铺带中自然路径轨迹限制,铺放轨迹 自由度更大,
6、可以实现连续变角度铺放技术,适合大曲率复杂构件成型。自动铺丝技术由美国航空制造界在世纪年代开发,用于复合材料 机身结构制造,主要针对缠绕技术的 不足进 行 创新,其技术核心是铺放头的设计研制和相应材料体系与设计制造工艺开发。研制出“铺放头”,解决 了预浸纱、切断与重送和集束压实的问题,年完成 了第一台原理样机法国宇航公司年研制出欧洲第一台六轴六丝束 自动铺丝机,德国公司年研制 出七轴三丝束热塑性窄带铺丝试验机。世纪年代 后 期,专业数控加工设 备 制造 商 积极 介入进一步研发自动铺丝机,公 司年设计出其第一台 自动铺丝 系统并投入使用,该系统 申请注册 的专利多达余项。其在硬件方面也不断进步
7、机型从原来的、升级到,数控系统从模拟量控制 的升级到全数字控制的,开发 了专用的软件系统。公司年研制出其第一台 自动铺丝机,该自动铺丝机采用数控系统和自行开发的软件,其铺丝头结构独特、特性好,适于大型产品生产,尤其是该公司最新开发的大型立式龙门铺丝机,效率之高可以与自动铺带机相媲美,适于大面积、大 曲率构件成型,为制造飞翼飞机复合材料构件提供了成型手段。美国的其他公司,包括设备制造商、飞机部件制造商和研究机构也不断开发自动铺丝技术,包括双向铺丝技术、丝束重定 向控制、预浸纱整型、铺放、柔性压辊、热塑性 自动铺丝、超声固结成型等技术。最新进展包括预浸纱 气浮轴承传输、多头铺放、可换纱箱与垂直铺放
8、、丝一带混合铺放等等。世纪年代 由专业 软件制造商 在 高 端环境、进一步开发软 件如美国的,将 自动铺放技术与其他年第期航空制造技术谁爹论坛复合材料成型技 术集成。尤其是公司开发的自动铺带软件,直接与集成,大大提高了效率。自动铺放技术的发展自动铺放技术已经成为发达 国家航空复合材料构件的标准先进制造工艺自动铺带用于机翼和 大型飞机机身壁板,效率极高自动铺丝用于大 曲率机身和复杂 曲面成型,如双 曲翼身融合体、形进气道等。复合材料 自动铺带技术是装备技术、软件技术和材料工艺技术的综合技术集成,包括自动铺放装备技术精密机械设 计 与制 造,专用开 放式数控系统,成形温度与压 力在线测控,自动铺放
9、头,柔性压辊。预浸带丝切割技术 超声切割技术,两步法铺带数控切割。铺放技术铺放轨迹生成,覆盖性分析与边界处理技术,基干的结构优化,铺层仿真技术。铺放技术干涉检验与避碰,后置处理与铺层代码合成,加工仿真。预浸带纱技术专用预浸带丝制备与质量控制,专用材料系统及其粘一温特性设计与控制,预浸带丝可变形性及其控制。自动铺放工艺技术铺放间隙容差设计,材料体系铺放参数及其控制,铺放工艺规范。一铺放 质 量测控铺放 间隙测控,预 浸 带丝 质量控制。模具技 术模具结 构设计,模具 浮 动 定 位 技 术,基于自动铺放的模具优化。成本分析工艺 效率优 化,自动铺放成本分析与优化。一体化协同设 计技术应用数字化技
10、术实现结构设计、材料、工艺与工装模具的协 同设计,实现最优化。装备技术是工艺技术研究的先决条件,软 件技术 是基 础,材料工艺技术则是应用的关键。自动铺放技术在飞机扭合 材料结构件制造中的应用世 纪年代美国航空制造商大量应用自动铺带技术,生产、轰炸机的大型复合材料结构,一战斗机机翼,波音飞机机翼、水平和垂直安定面蒙皮,一运输机的水平安定面蒙皮,全球鹰一大展 弦 比机翼,机翼等。欧洲生产的复合材料结构件包括和水平安定面蒙皮,尾 翼蒙皮,的安定面蒙皮和中央翼盒等等。自动铺丝技术在第四代战斗机的典型应用包括形进气 道 和中部机身翼身融合体蒙皮。波音直升机公司率先应用自动铺丝技术研制一倾转旋翼飞机的整
11、体后机身。原有后机身由块手工铺叠的壁板装配构成,改为整体铺放后,减少 了的固定件、的工时,废品率降低了。公司率先在商用飞机机身的研制中应用自动铺丝技术,包括和霍克商务机的机身。机身采用整体成型蜂窝夹层结构,取消了框架和加强筋、没有铆钉和蒙皮接点。前机身从雷达罩壁板一直延伸到后压力仓壁板长,包括行李舱、座舱和驾驶舱后机身从后压力壁板延伸到机尾长采用整体复合材料结构的机身比铝合金机身减重。自动铺丝技术在的成功应用为其在大型飞机上应用奠定 了坚实的基础。自动铺丝技术最早在大型飞 机 上 的应 用包括及客机的发动机进气道整流罩试验件,该整流罩试验件在制造过程中采用自动铺放与固化分立技术。自动铺放技术在
12、飞机上的应用以自动铺带为主,用于生产垂尾、平尾和中央翼盒等,并开始在尾段采用自动铺丝技术。举世瞩目的复合材 料使用量达到,这在很大程度上得益于 自动铺放技术所有翼面蒙皮均采用 自动铺带技术制造,全部机身采用自动铺丝技术整体制造,首先分别由不同承包商分段制造,然后在西雅图工厂组装。航空制造技术年第期吻、。咖加,。、灿、。八一,大飞机关键翻造技术国内自动铺放技术研究现状目前国内高性能复合材料结构以手工铺层成型为主,尽管几家飞机公司和研究所引进的数控剪裁、激光投影辅助铺叠设备提高了下料 自动化程度和铺叠精度,但是手工铺叠的环节仍不能完全消除。手工铺叠成型的复合材料不仅制造成本高、生产效率低,而且大型
13、构件铺叠难度大,这直接影响了复合材料在武器装备中的大规模应用。自动铺放成型技术国内研究较晚,南京航空航天大学“九五”期 间开始着手调研,在学校 贷款、航空支撑预研、国家科技 部项目资助下,完成了八丝束铺放试验系统、铺丝用精密低张力测控系统、铺丝开放式数控系统的研制和溶剂法专用预浸纱研究开发 了基于的自动铺丝运动模拟设计与仿真软件和基于的自动铺丝软件原型,形成了自动铺丝及装备技 术储备。目前正在开展自动铺丝工程样机的研究工作,为开展自动铺丝技术应用研究奠定了基础。年起南京航空航天大学与中国一航材料院联 合开发自动铺带技 术,完成 了小型铺带机试制、专用预浸带技术研究和基于的初级软件开发,并着手研
14、制中型自动铺带工程样机,为研制具有 自主知识产权 的自动铺带技术 奠定 基 础。“十一 五”期间,中国一航制造所、成都飞机工业公司和南京航空航天大学合作开展大型工业自动铺带机研制工作,通过引进铺带头关键技术,将在“十一五”末期研制出大型工业化 自动铺带机,用于新一代飞机和大型飞机的机翼及壁板类复合材料构件研制。大型飞机复合材料结构件 自动铺放技术的未来现在 自动铺带技术已经成为翼面、中央翼盒及壁板类构件制造技术之首选,目前欧洲在研的飞机采用以铺带技术为主的自动铺放技术,公司研制的龙门式垂直自动铺丝机也将用于机翼制造,可望制造更加复杂的翼面结构,如翼身融合构件、飞 翼飞机大型复合材料结构件等等。
15、在机身制造技术方面,公司全力推进 自动铺丝技术并在飞机上获得巨大成功,开 创 了整体机 身制造 的先河在小型飞机支线客机上开展自动铺丝制造机身研制工作已经 多方应用尝试超宽体客机复合材料用量将超过,为此欧洲已经启动复合材料机身技术专项研究,最终用现有机身技术还是用自动铺丝整体制造技术或者更先进的设计制造技术还有待时间的证实,但采用自动铺丝技术整体制造复合材料机身,无论从机身整体性能还是从材料制造技术层面来看均具有突出的优势,可能成为复合材料机身技术的一种标准。我国大飞机工程已经立项,并明确 分 为大型客机和大型运输机,复合材料规划用量初期要达到,后期将随着材料与设计制造技 术的成熟逐步扩大,最
16、终的上限可能接近甚至超过现有飞机的复合材料用量水平,自动铺放技术作为关键技术之一应予以高度重视。自动铺带技术研究应用条件正在逐渐成熟,哈尔滨飞机工业公司 已经 引进西班牙一自动铺带机,中国一航制造所等单位联合研制的的自动铺带机将在近年试制成功。对于现阶段复合材料用量巧的目标,翼面 壁 板 类构件将成为主导,目前的首要工作是积极开展材料与工艺制造技术和软件技术研究。对于年研制周期的大型飞机计划,进一步提高飞机性能加大复合材料用量势在必行,复合材料机身技术将成为后期的关键技术。因此,采用自动铺丝 整体制 造技 术研究应当及早启动,从试验件、小型飞机机身逐步发展到大型飞机机身。面对自动铺丝机进口管制瓶颈,应 当加大 自动铺丝技术 自主研制的力度,开展自动铺丝软件以及预浸纱材料和 自动铺丝工艺技术的研究,形成丰厚的技术储备,为大型飞机复合材料机身技术奠定基础。责编立十年第期航空制造技术
