复合材料自动成型工艺进展及在航空中的应用

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1、专稿FE盯怔复合材料自动成型工艺进展及在航空中的应用DevelopmentandAviationApplicationofAutomatedProcessesforComposite西北工业大学机电学院史耀耀阎龙莫蓉史耀耀西北工业大学机电学院教授、博士生导师。主要从事机电控制及自动化、专用数控工艺装备．高速高效数控加工．加工表面光整技术等方面的研究工作。主持和参加各类科研项目20余项。发表学术论文30余篇．获国家发明专利三项．获国家，省部级奖励5项．入选“2006年度中国高等学校十大科技进展”。近30年来，由

2、于大批新型飞机的出现，复合材料在飞机结构件中的应用得到了显著提高。尽管复合材料成本居高不下，仍无法阻碍其在航空领域的广泛应用⋯。飞机一旦设计定型，机身所选材26航空制造技术·2011年第17期本文就复合材料飞机结构件的自动成型工艺进行了综述。重点介绍了纤维铺放成型、带材铺叠成型的特点与发展。复合材料自动成型工艺在航空领域的广泛应用，必将大幅降低飞机结构件的制造成本。极大地促进航空工业的发展。料的不同(金属／复合材料)将直接决定飞机的性能及其制造成本。目前，减重增效已不再是使用复合材料制造飞机结构件的唯一目标，

3、如何降低生产成本使其更具价格优势逐渐受到人们的重视11-21。加工工艺自动化已在金属制造业中广泛使用，大多数飞机制造商在金属部件的加工中采用了最新的制造技术。然而，复合材料制造业中可用成型工艺较少，且与之配套的设备非常昂贵。成型工艺的局限性与设备投资的高成本，严重阻碍了航空复合材料产业的发展。尽管复合材料自动成型工艺有限，但其中几种工艺却在航空领域发挥了巨大作用。这些工艺在一定程度上提高了制品的生产效率，并降低了航空级复合材料的高成本。自动成型工艺在降低复合材料结构件制造成本方面的作用如下[3]。(1)加工制

4、造工时的减少：自动成型工艺过程将显著地减少复合材料部件的加工工时。(2)材料利用率的提高：一般地，自动成型工艺过程的材料利用率为90％～97％，相比较而言，手工成型过程的材料利用率仅有60％～80％。材料利用率的提高是自动成型工艺降低复合材料结构件制造成本的主要因素之一。(3)工艺过程人工干预程度的降低：由于预浸料的铺放通过计算机进行控制，因此无需专门的质检员对铺层质量及铺层方向进行检验。(4)制品的高质量和工艺过程的可重复性：自动成型工艺过程的实施可提高制品质量并保证工艺过程的可重复。这是降低复合材料结构件

5、制造成本的又一重要因素。本文就复合材料飞机结构件的自动成型工艺进行了综述，重点介绍了纤维铺放成型、带材铺叠成型的特点与发展。复合材料自动成型工艺在航空领域的广泛应用，必将大幅降低飞机结构件的制造成本，极大地促进航空工业的发展。复合材料自动成型工艺带材铺叠(AutomatedTapeLayers，ATP)、纤维铺放(FiberPlacement，FP)与树脂传递模塑(ResinTransferMolding，RTM)成型是加工制造飞机复合材料结构件的主要工艺方法，其中又以带材铺叠成型和纤维铺放成型最为常用[2-

6、3]o带材铺叠设备与纤维铺放设备不同于传统的工业机器人，这种以机床为基础的工艺过程能显著降低复合材料部件的加工制造成本，对大型结构件或型面复杂结构件成型效果更佳。目前，世界上约有60台带材铺叠设备和35台纤维铺放设备投入飞机制造业，广泛地用于航空级碳纤维复合材料部件的加工制造口l。表1给出了通过带材铺叠或纤维铺放成型的典型飞机结构件[3】。带材铺叠设备和纤维铺放设备是用于复合材料加工的“机床”，其在复合材料制造业中的作用类似于金属制造业中的加工中心。铺叠／铺放工艺过程可概括为“逆向机加过程”，即该过程是一个材

7、料堆积过程而非材料去除过程【4】。碳纤维预浸树脂复合材料具有黏性【5】，铺叠／铺放设备以一定的压力将其铺在芯模表面，不断使新铺层“粘附”在之前的铺层上。本质上讲，铺叠，铺放设备是具有可编程运动轴、齿轮齿条机构、直线电机轴驱动器以及铺放头的数控机床口‘4】。通过编程，铺叠／铺放设备严格按照芯模轮廓形状将预浸料铺到芯模表面。由于数控机床的发展表1通过带材铺叠或纤维铺放成型的飞机结构件襟翼操纵面副翼扰流板风扇整流蜀tif-i机舱结构件反推力装置整流罩进气罩翼粱蒙皮主翼结构件翼肋桁粱固定机翼后缘蒙皮翼梁垂直／水平尾翼

8、翼肋桁粱蒙皮机身结构件翼肋飞机尾椎已相当成熟，因此铺放头结构及控制技术就成为实现复合材料自动成型的关键。纤维铺放成型1纤维铺放的特点纤维铺放的概念最早出现于20世纪70年代末，该工艺过程与纤维缠绕(FilamentWinding，Fw)非常接近【3】。纤维铺放工艺的提出旨在克服纤维缠绕在应用过程中的局限。纤维缠绕是实现复合材料自动成型的最初工艺形式，通常用于圆柱状部件(如火箭发动机壳体)和近圆柱飞机