目前看靠，復(fù)合材料已經(jīng)成為航空航天領(lǐng)域的重要材料暑礼，航空工業(yè)的復(fù)合材料時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨徒妒。以波音和空客為代表的大型客機(jī)波音787和空客A350剖坟，復(fù)合材料應(yīng)用比例分別已達(dá)到和超過(guò)了50%辆雇，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）绪桑，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益完冻。這些大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件，均采用了自動(dòng)化制造技術(shù)猴试，機(jī)身采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)鲁压，機(jī)翼采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)。自動(dòng)鋪帶技術(shù)在加工翼面類小曲率復(fù)合材料構(gòu)件和某些梁粒惜、長(zhǎng)桁等復(fù)合材料構(gòu)件方面具有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)佣棠。

　　自動(dòng)鋪帶技術(shù)

　　自動(dòng)鋪帶技術(shù)是將一定寬度的預(yù)浸帶，通過(guò)鋪帶機(jī)的送進(jìn)蜡镶、裁剪雾袱、輥壓功能，將材料鋪疊在模具上官还，完成復(fù)合材料鋪層的自動(dòng)化鋪疊芹橡。該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，可以有效地提高生產(chǎn)效率妻枕，降低勞動(dòng)強(qiáng)度僻族。鋪帶程序一旦固定，將重復(fù)操作屡谐，有利于提高制件的質(zhì)量一致性述么，是一種低成本的復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)蝌数。自動(dòng)鋪帶技術(shù)集成了自動(dòng)鋪帶設(shè)備、自動(dòng)鋪帶材料度秘、自動(dòng)鋪帶工藝等多項(xiàng)內(nèi)容顶伞，是一項(xiàng)綜合的復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)。

　　自動(dòng)鋪帶設(shè)備

　　自動(dòng)鋪帶設(shè)備是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)剑梳、軟件技術(shù)唆貌、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的結(jié)合。與金屬加工機(jī)床類似窃德，將金屬切削功能變換為鋪帶功能吕得。其核心是多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的自動(dòng)鋪帶頭。在鋪帶頭上集成了多個(gè)系統(tǒng)忆颇，包括材料的放卷和收卷系統(tǒng)浴誉、送進(jìn)系統(tǒng)、缺陷檢測(cè)系統(tǒng)卿截、超聲切割系統(tǒng)孝速、加熱系統(tǒng)、輥壓系統(tǒng)等拨蓖。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橱殉。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照旺，實(shí)時(shí)輸出變化扭矩泰啼，保持材料張力的恒定。送進(jìn)系統(tǒng)主要包括材料的壓緊角黍、送進(jìn)电爹，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)與鋪疊的同步控制料睛。檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料的缺陷檢測(cè)，通常采用紅外攝像裝置摇邦，通過(guò)設(shè)定圖像的對(duì)比度恤煞，檢測(cè)襯紙撕裂等缺陷。超聲切割系統(tǒng)施籍，由超聲發(fā)生器和超聲刀組成居扒，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(guò)程剛好切斷預(yù)浸料而不切斷襯紙丑慎，因此要有精密的切深調(diào)節(jié)裝置喜喂。切身調(diào)節(jié)時(shí)將刀尖抵住測(cè)量平臺(tái)，測(cè)量裝置將切刀的深度測(cè)量值實(shí)時(shí)顯示竿裂，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械旋鈕玉吁，實(shí)現(xiàn)切割深度的調(diào)節(jié)照弥，調(diào)節(jié)精度為微米級(jí)。加熱系統(tǒng)對(duì)于自動(dòng)鋪帶機(jī)并不是必須的进副，取決于材料的粘性和工藝的實(shí)施方案壳晨，在某些特定的場(chǎng)合可以對(duì)材料加熱，可以采用熱風(fēng)系統(tǒng)或紅外加熱裝置遣抄。輥壓系統(tǒng)將預(yù)浸料壓實(shí)在模具上意宝，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庵臼。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慎间，壓輥的支撐結(jié)構(gòu)可采用浮動(dòng)氣缸結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓輥上下運(yùn)動(dòng)的自適應(yīng)性揽邀。并在壓輥的兩端加裝壓力傳感器粗啼，實(shí)時(shí)檢測(cè)壓輥兩端的壓力，調(diào)節(jié)擺角機(jī)構(gòu)春环，實(shí)現(xiàn)壓力的均勻性耽炎。正是由于以上多系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，增加了自動(dòng)鋪帶設(shè)備的研制難度沟密，因此國(guó)內(nèi)在自動(dòng)鋪帶設(shè)備的研制方面起步較晚贱着，且一直處于跟蹤模仿階段。

　　目前痹换，工程化應(yīng)用的自動(dòng)鋪帶設(shè)備有臥式結(jié)構(gòu)和立式結(jié)構(gòu)征字。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)用較少娇豫，在航天領(lǐng)域有所報(bào)道匙姜，例如火箭筒段的鋪帶，該類設(shè)備與纏繞類似冯痢，可被纏繞和鋪絲技術(shù)取代氮昧。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）浦楣，此類設(shè)備適合鋪疊開敞式復(fù)合材料壁板的自動(dòng)化鋪疊袖肥。

　　波音和空客是航空復(fù)合材料制造的佼佼者，在其大型客機(jī)的制造過(guò)程中大量采用立式自動(dòng)鋪帶設(shè)備制造大型機(jī)翼振劳、尾翼等蒙皮結(jié)構(gòu)椎组。設(shè)備主要來(lái)自歐美國(guó)家，如西班牙m(xù)torres历恐、美國(guó)mag集團(tuán)辛辛那提寸癌、美國(guó)MAG集團(tuán)Forest-Line。前兩家生產(chǎn)的鋪帶機(jī)多為單工位自動(dòng)鋪帶機(jī)弱贼。單工位自動(dòng)鋪帶機(jī)在鋪帶頭上有1~2把超聲切割刀兰捣，切刀沿直線運(yùn)動(dòng)槐骂，同時(shí)可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，與材料的送進(jìn)合成角度的切割俘巡、材料的切割與鋪疊交替進(jìn)行聊树。而美國(guó)MAG集團(tuán)Forest-Line開發(fā)了離線切割與自動(dòng)鋪帶相結(jié)合的雙工位自動(dòng)鋪帶機(jī)（圖3）。自動(dòng)鋪帶頭帶有兩個(gè)工位变抛，一個(gè)工位帶有1把超聲切割刀峦筏，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)切割涡拾，通過(guò)軟件和光學(xué)檢測(cè)設(shè)備蒂鹏，對(duì)形狀各異的料帶進(jìn)行在線檢測(cè)，合格的料帶通過(guò)精確的制孔定位技術(shù)按照鋪放序列覆膜收卷胆褪，然后將卷盤裝在雙工位鋪帶頭上艳禁，進(jìn)行復(fù)雜輪廓料帶鋪疊，可以減少鋪疊過(guò)程中廢料去除時(shí)間狰绪，提高了生產(chǎn)效率叮廉。

　　自動(dòng)鋪帶材料

　　自動(dòng)鋪帶機(jī)采用的材料是單向預(yù)浸帶，寬度有75mm棍鳖、150mm和300mm 3種炮叶，單面背襯紙。采用何種帶寬的材料渡处，涉及到制件的曲率大小镜悉、鋪疊效率等因素。自動(dòng)鋪帶機(jī)主要是利用壓輥的變形量來(lái)適應(yīng)曲面的曲率医瘫，保證材料鋪疊過(guò)程的壓實(shí)度侣肄。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為零件曲率半徑醇份，L為壓輥長(zhǎng)度稼锅，△為壓輥?zhàn)冃瘟俊?

　　目前，用于自動(dòng)鋪帶工藝的單項(xiàng)窄帶主要采用寬幅預(yù)浸料精密分切工藝僚纷。一般要求材料的寬度精度達(dá)到0.5mm缰贝，纖維連續(xù)，這樣才能更好地控制鋪疊間隙畔濒，同時(shí)要保證纖維的準(zhǔn)直度。預(yù)浸料的分切要采用專用的分切設(shè)備锣咒，采用零背向處理工藝恬皆，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)仆洞，保證纖維的準(zhǔn)制度众附，盡量避免纖維絲的切斷沉南，全過(guò)程進(jìn)行張力控制，保證分切流暢和收卷整齊刮跟、松緊度合適劣晾，制備符合自動(dòng)鋪帶要求的預(yù)浸帶料卷，如圖4所示唬垦。

　　自動(dòng)鋪帶工藝的實(shí)施

　　自動(dòng)鋪帶工藝的實(shí)施過(guò)程主要分2個(gè)階段莫诺，首先根據(jù)數(shù)模準(zhǔn)備鋪帶程序，也就是鋪帶編程（圖5）些吨；然后在鋪帶機(jī)上執(zhí)行程序進(jìn)行鋪疊畸玲。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)林葬、料帶展平揭胶、路徑的規(guī)劃與優(yōu)化、計(jì)算和仿真模擬鞍爱。將得到的APT文件進(jìn)行后置處理鹃觉，得到最終的NC程序。

　　鋪疊過(guò)程是將合適帶寬的材料在數(shù)控系統(tǒng)的指令下睹逃，將材料按照鋪層的順序盗扇，鋪疊在模具上。影響自動(dòng)鋪帶工藝的參數(shù)主要有鋪放壓力唯卖、鋪放速度粱玲、卷軸張力、鋪放溫度等拜轨。鋪放壓力影響鋪疊的壓實(shí)度和表面質(zhì)量抽减，需要針對(duì)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)鍵因素橄碾，除了受到機(jī)床極限速度的限制卵沉，預(yù)浸料的性能和制件的曲率變化程度都會(huì)對(duì)鋪放速度產(chǎn)生影響。通常法牲，機(jī)床的極限速度一般能達(dá)到60m/min史汗，但是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，很少能使用到這個(gè)速度牡泡，可根據(jù)具體需要綜合考慮確定姥勤。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(guò)程中尔产，如果卷軸張力過(guò)小施俩，預(yù)浸帶會(huì)松弛，影響切割和鋪帶的尺寸穩(wěn)定性每此；若卷軸張力過(guò)大披蛔，容易出現(xiàn)背襯紙剝離甚至撕裂現(xiàn)象截纹，影響鋪帶機(jī)正常工作，可根據(jù)具體情況作適當(dāng)調(diào)整幻役。鋪放溫度贬屹，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)伦秀，對(duì)于粘性較差的預(yù)浸帶月锅，適當(dāng)?shù)匿伔艤囟仁潜匾模^(guò)高的溫度會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生損傷省咨，是絕對(duì)禁止的肃弟。對(duì)于粘性比較好的材料，盡量不采用加熱裝置零蓉，這對(duì)材料的性能提出了更高的要求笤受。除了有效地控制鋪疊工藝參數(shù)，壓輥要時(shí)時(shí)與鋪疊表面貼合敌蜂，通常需要進(jìn)行高度補(bǔ)償和角度補(bǔ)償箩兽。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)章喉，也可以通過(guò)壓力傳感器等進(jìn)行電氣補(bǔ)償汗贫，實(shí)時(shí)控制鋪帶頭的姿態(tài)，使得鋪疊流暢秸脱、壓實(shí)均勻落包。

　　國(guó)外應(yīng)用

　　國(guó)外大量采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)用于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)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)行鋪疊摊唇，完成鋪層的鋪疊后咐蝇，采用熱壓罐工藝進(jìn)行固化，最終得到翼面類小曲率結(jié)構(gòu)件巷查。例如波音787的機(jī)翼蒙皮法雄、空客A350的機(jī)翼蒙皮（圖6）、中央翼蒙皮神肖、A400M機(jī)翼蒙皮等白叫；也可以通過(guò)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(dòng)化制造，如A400M機(jī)翼大梁排憨、A350的機(jī)翼長(zhǎng)桁筋條队装。

　　復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)外形狹長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜翻粘，很難應(yīng)用自動(dòng)鋪放技術(shù)沛四，為了使這些大尺寸梁構(gòu)件的生產(chǎn)也能享受自動(dòng)化帶來(lái)的好處，工程師把鋪疊過(guò)程分成兩個(gè)階段：首先通過(guò)平面鋪帶鋪疊出平板疊層，然后進(jìn)行切割糊晋，得到正確的展平形狀。平板的厚度一般在1~5mm范圍之間政拾，然后將平板疊層轉(zhuǎn)移到熱成型機(jī)上际器，使其整體貼合模具，然后再封裝固化贸桶。熱成型技術(shù)（Hot-Diaphragm Forming）已經(jīng)應(yīng)用A400M的機(jī)翼梁生產(chǎn)舅逸，如圖7所示。A400M的每個(gè)機(jī)翼的翼梁分成兩段制造皇筛，前翼梁分成12m和7m兩段琉历，后翼梁分成14m和5m兩段，構(gòu)件的尺寸比較大水醋，如果仍然采用手工鋪疊旗笔，效率太低，鋪疊率一般只有0.75kg/h拄踪，因此在批生產(chǎn)中用鋪帶機(jī)進(jìn)行鋪疊蝇恶，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]惶桐。該工藝的成功不僅要?dú)w功于自動(dòng)鋪帶技術(shù)和熱隔膜成型工藝撮弧，還與材料性能有關(guān)，材料本身適合這種工藝姚糊，得到的制件就會(huì)滿足質(zhì)量的要求贿衍。A350采用的材料不適合這種工藝，所以采用了自動(dòng)鋪絲工藝婆跋，直接鋪疊固化成型冈哮。可見鹃远，工藝方法的選擇關(guān)系到各種因素讼逐，只有綜合考慮，才能得到最佳的效益嚎闹。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　隨著我國(guó)大型客機(jī)的立項(xiàng)和復(fù)合材料制造技術(shù)的提升凸翩，自動(dòng)鋪帶技術(shù)作為復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)的典型代表，將迎來(lái)難得的發(fā)展機(jī)遇暂臀。目前肪麦，國(guó)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)展帐扯，但是工藝研究方面與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還有差距孩最，特別是向自動(dòng)化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展眯找，還需要借鑒國(guó)外先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)好勤。特別是要從最初的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始，考慮自動(dòng)化帶來(lái)的效益啼染，實(shí)施面向材料與制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念宴合，才能加快復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)應(yīng)用，造出更輕迹鹅、更快卦洽、更安全、更節(jié)能的大飛機(jī)斜棚。

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