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1、国内外复合材料自动化成型设备的发展趋势目前，飞机复材构件的自动化成型工艺主要包括纤维缠绕、纤维 带铺放和纤维丝铺放3种类型。其中，纤维缠绕技术是最早开发并广 泛使用的加工技术，亦是最成熟的生产技术。所谓纤维缠绕成型工艺, 就是将浸过树脂的连续纤维，按照一定规律缠绕到芯模上并层滝至所 需的厚度，然后在加热或常温条件下固化、脱模，获得一定形状制品 的工艺方法。自动铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带，在铺带 头中完成预定形状的切割、定位，加热后按照一定设计方向在压馄作 用下，直接铺叠到曲率半径较大且变化较缓的模具表面。铺带机多采 用龙门式结构，其核心部件是铺带头，须完成超声切割、夹紧、衬纸 剥离和张
2、力控制等功能。铺丝技术综合了自动铺带和纤维缠绕技术 的优点，由铺丝头将数根预浸纱在压馄下集束成为一条由多根预浸纱 组成的宽度可变的预浸带后铺放在芯模表面，经过加热软化后压实定 型。铺丝技术适用于曲率半径较小的曲面产品表面制备，铺设时没有 皱褶，无须作剪裁或其他处理。铺丝可以代替铺带，相对于铺带，它 的成木较高、效率也低一些,但复杂的曲而表面必须用铺丝工艺完成。在航空制造业，纤维缠绕技术主要用于雷达罩、发动机机匣.燃 料储箱.飞机副油箱和过滤器等零部件的成型，现代大型喷气客机（如 波音747等）上众多的高压气瓶都是用玻璃纤维复合材料缠绕成型的, 它们为飞机提供了不可缺少的气动控制动力源。纤维带铺
3、放技术制造的飞机复材构件典型的有飞机机翼蒙皮、垂 /平尾蒙皮、翼肋、方向舵和升降舵等。F22战斗机机翼和波音777飞机机翼.水平和垂直安定而蒙皮、017运输机的水平安定而蒙皮、 全球鹰RQ-4B大展弦比机翼、787机翼、A330和A340水平安定而 蒙皮.A340尾翼蒙皮以及A380的安定而蒙皮和中央翼盒等，均采 用铺带工艺成型。铺丝技术的典型应用包括S形进气道、中机身翼身融合体蒙皮直 至带窗口的曲面等。首先应用自动铺放技术的是波音直升机公司，它 研制了 V-22倾转旋翼飞机的整体后机身。在第4代战斗机的典型应用包括S形进气道和机身，F35的中机身翼身融合体蒙皮。在商用飞 机方而有Premie
4、r I和霍克商务机的机身部件、大型客机波音747及波音767客机的发动机进气道整流罩试验件和波音787机身则全部采 用复合材料自动铺丝技术分段整体制造等，自动铺放技术的应用大大 简化了制造工艺，带来了航空制造技术的变革。一、纤维缠绕成型设备的发展现状20世纪40年代中期，国际上正式提出了纤维缠绕技术的概念。60年代初期，岀现第一代机械式纤维缠绕机，其控制系统是由皮带、齿轮、滑轮和链条等组成的机械系统。1973年Entec公司开发了第一 台微处理器控制的纤维缠绕机。1976年第一个商业化标准的缠绕机 型号McClean Anderson 60型投放市场。8090年代，更多的计算机技术投入到缠绕机
5、的开发当中，新一代微机控制纤维缠绕机开始研 制。英国的Pultrex有限公司采用通用数控系统成功开发了四轴联动 纤维数控缠绕机。当时，每台缠绕机的硬件部分都必须包括计算机和 运动控制卡，机床的速度控制得到了极大改善，计算机控制系统能够更精确地跟踪机床的位置和速度并对其进行实时控制。与此同时，很 多公司开始探索用计算机设计缠绕模式，即纤维缠绕CAD技术开始 岀现。用计算机辅助设计缠绕模式，大大简化了缠绕模式的设计，从 而减少了产品的开发和工艺设计周期。同时，为了提高生产效率，人 产设计开发了多转轴缠绕机，即1台缠绕机同时缠绕多个部件或1台 缠绕机上装有多个岀纱装置同时缠绕一个部件。进入21世纪，
6、缠绕机的功能更加完善，各种类型的缠绕机广泛 应用于航空航天、军工和民用工业等领域。纤维缠绕设备的开发速度 明显加快，同时提高劳动生产率已被置于首要地位，多主轴、多运动 轴联动缠绕机逐渐成为标准。为了解决异型件的缠绕成型，研制出了 计算机控制的六轴联动纤维缠绕机，解决了基本异型件的缠绕成型问 题，结束了用手糊.半手糊方式生产常用管道配件弯管和三通管的历 史。更多运动轴缠绕机的引入使得缠绕形状更为复杂的产品成为可 能，目前国际上已有七轴其至多达十一轴的计算机控制纤维缠绕机。但rti于高性能和大型的缠绕机可用于航空航天等军工部门，国外对我 国一直限制出口。对于中小型缠绕机虽然通过一些渠道可以岀口，但
7、 价格昂贵，如可缠绕l6m、长度6m压力容器的四轴联动卧式数控缠 绕机价格要在40万欧元以上。国外知名的缠绕机制造商主要有美国 的ENTEC公司.McClean Anderson公司和德国的BSD公司等。10 127mm三种。铺丝宽度调节靠裁剪纤维束的根数完成，由32根纤维丝集束组成的 丝束宽度可达300mm。铺丝张力约为13N,铺放精度可达到0.005mm o目前国际上主要的铺丝机生产商有美国Cincinnati machine Ingersoll 公司，欧洲的 Automated Dyna Micro、M. Torres等。在铺丝成型结构设计和分析方面，堪萨斯大学开发了复合材料分 析与设计
8、系统（Steered Composite Analysis and Design System,SCADS）,该系统集复合材料结构设计和分析于一体，将手工铺放和自动铺放有机结合，可根据复合材料零件实际工况优化纤维铺放路 径。SCADS的开发侧重于2个方面，一方而侧重于轨迹规划，并在 被铺放曲而上仿真纤维路径；另一方而是纤维路径与现有的复合材料 分析软件的整合。SCADS系统中的纤维铺放分析环境（FPA）具有 在丝束级别上分析纤维性能的能力，包纤维方向和曲面曲率分析, 丝束缝隙和重s的分析，以及对有限元网格节点的自动几何解析。国内对纤维铺丝技术的研究开展时间不长，起步基点较低，还没 有定型产品设备在生产中得到应用。南京航空航天大学在总装航空支 撐项目和国家863项目资助下，完成了国内第一台八丝束纤维铺放原 理样机，开发了基于CATIA的自动铺放的CAD/CAM软件原型，进 行了纤维铺放及装备的初步技术储备。武汉理工大学与北京航天工艺 研究所和西安复合材料研究所等单位合作开展自动铺放研究，对圆锥 体进行了铺放机理的研究并进行了计算机仿真。从原理上设计了一台 纤维铺放机，能够实现四路丝束铺放，每路丝束
