【編者按】目前鸥层，復(fù)合材料已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域的重要材料沧仿，航空工業(yè)的復(fù)合材料時代已經(jīng)來臨箍秧。以波音和空客為代表的大型客機波音787和空客A350，復(fù)合材料應(yīng)用比例分別已達到和超過了50%馁筐，整個機身涂召、機翼結(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)濟效益敏沉。這些大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件果正，均采用了自動化制造技術(shù)，機身采用自動鋪絲技術(shù)盟迟，機翼采用自動鋪帶技術(shù)秋泳。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)件方面具有很強優(yōu)勢攒菠。

　　自動鋪帶技術(shù)

　　自動鋪帶技術(shù)是將一定寬度的預(yù)浸帶迫皱，通過鋪帶機的送進、裁剪辖众、輥壓功能卓起，將材料鋪疊在模具上，完成復(fù)合材料鋪層的自動化鋪疊凹炸。該技術(shù)易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)戏阅，可以有效地提高生產(chǎn)效率肚乓，降低勞動強度。鋪帶程序一旦固定做法，將重復(fù)操作案帆，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)反饲。自動鋪帶技術(shù)集成了自動鋪帶設(shè)備捎梢、自動鋪帶材料、自動鋪帶工藝等多項內(nèi)容拱屈，是一項綜合的復(fù)合材料自動化制造技術(shù)妖啸。

　　自動鋪帶設(shè)備

　　自動鋪帶設(shè)備是計算機控制技術(shù)、軟件技術(shù)鸦贩、機械設(shè)計與制造技術(shù)的結(jié)合高坚。與金屬加工機床類似，將金屬切削功能變換為鋪帶功能垄怯。其核心是多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的自動鋪帶頭水水。在鋪帶頭上集成了多個系統(tǒng)，包括材料的放卷和收卷系統(tǒng)迂卢、送進系統(tǒng)某弦、缺陷檢測系統(tǒng)、超聲切割系統(tǒng)而克、加熱系統(tǒng)靶壮、輥壓系統(tǒng)等。材料的放卷和收卷實現(xiàn)預(yù)浸料的收放和背襯紙的回收员萍。通常采用力矩電機執(zhí)行腾降，系統(tǒng)根據(jù)卷軸的半徑和速度大小，實時輸出變化扭矩碎绎，保持材料張力的恒定螃壤。送進系統(tǒng)主要包括材料的壓緊、送進筋帖，同時要與鋪疊進給速度匹配奸晴，實現(xiàn)預(yù)浸料帶的送進與鋪疊的同步控制。檢測系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)浸料的缺陷檢測日麸，通常采用紅外攝像裝置寄啼，通過設(shè)定圖像的對比度，檢測襯紙撕裂等缺陷代箭。超聲切割系統(tǒng)泵李，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)浸料而不切斷襯紙虑夕，因此要有精密的切深調(diào)節(jié)裝置。切身調(diào)節(jié)時將刀尖抵住測量平臺羽折，測量裝置將切刀的深度測量值實時顯示沼改，通過調(diào)節(jié)機械旋鈕，實現(xiàn)切割深度的調(diào)節(jié)巍樟，調(diào)節(jié)精度為微米級经翻。加熱系統(tǒng)對于自動鋪帶機并不是必須的，取決于材料的粘性和工藝的實施方案捍幽，在某些特定的場合可以對材料加熱竹砾，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)浸料壓實在模具上衩缘，為了保證壓實的均勻性吊违，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延都，壓輥的支撐結(jié)構(gòu)可采用浮動氣缸結(jié)構(gòu)雷猪，實現(xiàn)壓輥上下運動的自適應(yīng)性。并在壓輥的兩端加裝壓力傳感器晰房，實時檢測壓輥兩端的壓力求摇，調(diào)節(jié)擺角機構(gòu)，實現(xiàn)壓力的均勻性殊者。正是由于以上多系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制与境，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猖吴，且一直處于跟蹤模仿階段摔刁。

　　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)距误。臥式結(jié)構(gòu)適合鋪疊回轉(zhuǎn)體零件簸搞，在航空復(fù)合材料制造領(lǐng)域應(yīng)用較少，在航天領(lǐng)域有所報道准潭，例如火箭筒段的鋪帶趁俊，該類設(shè)備與纏繞類似，可被纏繞和鋪絲技術(shù)取代完骑。目前剩跛，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谢佩。

　　波音和空客是航空復(fù)合材料制造的佼佼者优狡，在其大型客機的制造過程中大量采用立式自動鋪帶設(shè)備制造大型機翼、尾翼等蒙皮結(jié)構(gòu)。設(shè)備主要來自歐美國家铣瞒，如西班牙m(xù)torres芯拇、美國mag集團辛辛那提、美國MAG集團Forest-Line腔资。前兩家生產(chǎn)的鋪帶機多為單工位自動鋪帶機双漫。單工位自動鋪帶機在鋪帶頭上有1~2把超聲切割刀，切刀沿直線運動淡厦，同時可以進行旋轉(zhuǎn)刑吕，與材料的送進合成角度的切割、材料的切割與鋪疊交替進行旋乙。而美國MAG集團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（圖3）端伪。自動鋪帶頭帶有兩個工位，一個工位帶有1把超聲切割刀装蓬，進行大面積鋪疊與切割著拭；另外一個工位將預(yù)浸料在access下料機上進行預(yù)切割，通過軟件和光學(xué)檢測設(shè)備矛物，對形狀各異的料帶進行在線檢測茫死，合格的料帶通過精確的制孔定位技術(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履羞，進行復(fù)雜輪廓料帶鋪疊峦萎，可以減少鋪疊過程中廢料去除時間，提高了生產(chǎn)效率忆首。

　　自動鋪帶材料

　　自動鋪帶機采用的材料是單向預(yù)浸帶爱榔，寬度有75mm、150mm和300mm 3種糙及，單面背襯紙详幽。采用何種帶寬的材料，涉及到制件的曲率大小浸锨、鋪疊效率等因素唇聘。自動鋪帶機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度私庇。按照不產(chǎn)生架橋的規(guī)則采用的估算公式如下：→（1）

　　其中匿忿，R為零件曲率半徑，L為壓輥長度舀蚕，△為壓輥變形量执鲜。

　　目前，用于自動鋪帶工藝的單項窄帶主要采用寬幅預(yù)浸料精密分切工藝厢申。一般要求材料的寬度精度達到0.5mm鲜伶，纖維連續(xù)，這樣才能更好地控制鋪疊間隙，同時要保證纖維的準(zhǔn)直度惨侍。預(yù)浸料的分切要采用專用的分切設(shè)備驳鸿，采用零背向處理工藝，保證預(yù)浸料和襯紙的有效貼合箱充。分切設(shè)備要帶有高精度糾偏機構(gòu)钉呐，保證纖維的準(zhǔn)制度，盡量避免纖維絲的切斷镶骗，全過程進行張力控制，保證分切流暢和收卷整齊躲雅、松緊度合適鼎姊，制備符合自動鋪帶要求的預(yù)浸帶料卷，如圖4所示相赁。

　　自動鋪帶工藝的實施

　　自動鋪帶工藝的實施過程主要分2個階段相寇，首先根據(jù)數(shù)模準(zhǔn)備鋪帶程序，也就是鋪帶編程（圖5）钮科；然后在鋪帶機上執(zhí)行程序進行鋪疊唤衫。鋪帶編程通常是利用鋪帶設(shè)備配套的編程軟件進行NC程序的編制，主要有以下幾個步驟：鋪帶設(shè)計绵脯、料帶展平佳励、路徑的規(guī)劃與優(yōu)化、計算和仿真模擬蛆挫。將得到的APT文件進行后置處理赃承，得到最終的NC程序。

　　鋪疊過程是將合適帶寬的材料在數(shù)控系統(tǒng)的指令下悴侵，將材料按照鋪層的順序瞧剖，鋪疊在模具上。影響自動鋪帶工藝的參數(shù)主要有鋪放壓力灌滤、鋪放速度名娶、卷軸張力、鋪放溫度等誉芙。鋪放壓力影響鋪疊的壓實度和表面質(zhì)量健娄，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)鍵因素笋窍，除了受到機床極限速度的限制流肢，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。通常项凉，機床的極限速度一般能達到60m/min期位，但是實際生產(chǎn)過程中，很少能使用到這個速度，可根據(jù)具體需要綜合考慮確定剩膏。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胳瑟。鋪放過程中，如果卷軸張力過小砂豌，預(yù)浸帶會松弛厢岂，影響切割和鋪帶的尺寸穩(wěn)定性；若卷軸張力過大阳距，容易出現(xiàn)背襯紙剝離甚至撕裂現(xiàn)象塔粒，影響鋪帶機正常工作，可根據(jù)具體情況作適當(dāng)調(diào)整筐摘。鋪放溫度卒茬，目前鋪帶機可以帶有加熱系統(tǒng)，加熱裝置可以是熱風(fēng)系統(tǒng)或者紅外系統(tǒng)咖熟，對于粘性較差的預(yù)浸帶圃酵，適當(dāng)?shù)匿伔艤囟仁潜匾模^高的溫度會對材料產(chǎn)生損傷馍管，是絕對禁止的郭赐。對于粘性比較好的材料，盡量不采用加熱裝置确沸，這對材料的性能提出了更高的要求捌锭。除了有效地控制鋪疊工藝參數(shù)，壓輥要時時與鋪疊表面貼合糯锦，通常需要進行高度補償和角度補償攒陋。補償?shù)姆椒梢圆捎脵C械結(jié)構(gòu)，比如彈簧結(jié)構(gòu)或者氣缸結(jié)構(gòu)值膝，也可以通過壓力傳感器等進行電氣補償筒煌，實時控制鋪帶頭的姿態(tài)，使得鋪疊流暢欺垛、壓實均勻拱宗。

　　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行鋪疊隆鹤，完成鋪層的鋪疊后菜盒，采用熱壓罐工藝進行固化，最終得到翼面類小曲率結(jié)構(gòu)件汪请。例如波音787的機翼蒙皮酪捏、空客A350的機翼蒙皮（圖6）、中央翼蒙皮贸左、A400M機翼蒙皮等层锄；也可以通過平面鋪帶結(jié)合熱成型工藝進行梁類大型復(fù)合材料構(gòu)件的自動化制造酷麦，如A400M機翼大梁、A350的機翼長桁筋條喉恋。

　　復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)外形狹長沃饶、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難應(yīng)用自動鋪放技術(shù)轻黑，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糊肤，工程師把鋪疊過程分成兩個階段：首先通過平面鋪帶鋪疊出平板疊層，然后進行切割氓鄙，得到正確的展平形狀馆揉。平板的厚度一般在1~5mm范圍之間，然后將平板疊層轉(zhuǎn)移到熱成型機上抖拦，使其整體貼合模具把介，然后再封裝固化。熱成型技術(shù)（Hot-Diaphragm Forming）已經(jīng)應(yīng)用A400M的機翼梁生產(chǎn)蟋座，如圖7所示。A400M的每個機翼的翼梁分成兩段制造脚牍，前翼梁分成12m和7m兩段向臀，后翼梁分成14m和5m兩段，構(gòu)件的尺寸比較大碗品，如果仍然采用手工鋪疊隆文，效率太低，鋪疊率一般只有0.75kg/h芽嗓，因此在批生產(chǎn)中用鋪帶機進行鋪疊韧践，隨后用熱隔膜成型出“C”形截面梁，鋪疊效率能達到25kg/h[1]班卖。該工藝的成功不僅要歸功于自動鋪帶技術(shù)和熱隔膜成型工藝随象，還與材料性能有關(guān)，材料本身適合這種工藝呆纤，得到的制件就會滿足質(zhì)量的要求聪蔬。A350采用的材料不適合這種工藝，所以采用了自動鋪絲工藝屯片，直接鋪疊固化成型无价。可見床重，工藝方法的選擇關(guān)系到各種因素琳柱，只有綜合考慮，才能得到最佳的效益拙徽。

　　結(jié)束語

　　隨著我國大型客機的立項和復(fù)合材料制造技術(shù)的提升刨沦，自動鋪帶技術(shù)作為復(fù)合材料自動化制造技術(shù)的典型代表诗宣，將迎來難得的發(fā)展機遇。目前已卷，國內(nèi)航空企業(yè)已經(jīng)開始引進大型鋪帶機梧田，材料的制備工藝也取得了突破性的進展，但是工藝研究方面與國外先進技術(shù)還有差距侧蘸，特別是向自動化裁眯、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展讳癌，還需要借鑒國外先進的經(jīng)驗和技術(shù)穿稳。特別是要從最初的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計開始，考慮自動化帶來的效益晌坤，實施面向材料與制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念逢艘，才能加快復(fù)合材料自動化制造技術(shù)應(yīng)用，造出更輕骤菠、更快它改、更安全、更節(jié)能的大飛機刃傻。

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