自动铺带技术与大飞机复合材料结构成型

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1、自动铺带技术与大飞机复合材料结构目前，飞机上的复合材料使用量已经成为衡量其先进性的重要标准。波音787、空客A380飞机都大量采用复合材料，空客A350上复合材料的用量更超过50%。作为中国拥有完全知识产权的大型民用客机项目，为了保证其客机的市场竞争力并促进国内复合材料产业的发展，也必将大量采用先进复合材料。而自动铺带技术则是使用复合材料的关键技术之一。先进复合材料的历史先进复合材料是20世纪60年代早期以单向带的形式推出的。起初用手工铺贴，其工艺是劳动密集型的，容易引起质量问题。20世纪60年代中期，航空工业的发展极大地推动了其自动化进程。早期的设备是航空公司或加工车间在材料供应商的指导下自

2、己制造的。设备的构型涵盖了从手工辅助台式的原型机到由美国空军牵头、通用动力和Conrac公司合作研发的第一台全数控龙门式铺带机。这台设备被用来为F-16生产复合材料零件，使用的是75mm宽的带子。20世纪70年代末期至80年代初，设备制造者生产了第一台商业化的平面和曲面数控铺带机，这些设备被用在军事项目上（如B-1和B-2轰炸机）制造飞机的零件。曲面上带宽范围为75～150mm，平面可以高达300mm。20世纪80年代末期，自动铺带开始广泛的使用于商用飞机上。整个20世纪90年代，设备、编程技术、铺带技术和ATL复合材料的进一步发展使铺带工艺操作更简单、性能更可靠、界面更友好。复合材料工艺综述

3、单向碳环氧预浸带是在衬纸上成卷供应的，典型的宽度有75mm、150mm和300mm三种规格。曲面应用使用75mm和150mm带宽，平面应用使用150mm和300mm带宽。材料卷被装载在铺带的头部。铺带头在平面应用时被安放在4轴台架上，曲面应用时安放在5轴台架上。1优点碳环氧预浸带极大地减少了手工铺层。在平面装料的情况下，相对于手工铺贴，碳环氧预浸带可以减少的人工劳动时间高达70%～85%，铺层效率可以高达1000kg/周。曲面壁板的铺层效率取决于曲面的复杂性、精度要求、零件厚度和使用的带宽。平面到曲面过渡的零件也适合铺贴。零件越大，层数越多，铺层的生产性就越好。另一个优点是铺带机的铺放头可以旋

4、转±190°。因此，纤维的角度不受限制，从0°～85°角度范围内都可以铺放。对在小于全带宽度的部位，可切割单向带至所需宽度。2缺点大曲率的零件不适合铺贴，因为带子在平面过渡区趋于翘曲和桥接。此外，衬纸也可能发生损坏。小的铺层数也降低了铺带的可生产性。应用由平面层压板制造的零件的例子有波音777、空客A330/340和空客A340-500/600的尾翼结构零件（翼梁、肋、长桁、C型槽和“工”字长桁）。曲面铺层零件的例子包括波音777、空客A330/340和空客A340-500/600的水平/垂直安定面蒙皮。设备描述1铺带头一卷带子被加载在供应轴上，轴位于带头前面上方。带子在供料时相继越过带子位置

5、反馈系统、上面的带导轨以及刀具。最后穿过下面的带导轨，在压实底座段下面到达衬纸回收轴，轴位于带头的后面。复合材料带子穿过带头的运动被称为U轴。由供应轴和回收轴的马达控制着带子。V轴和Q轴这2个线性切割轴在构造上是一样的，都被安装在带头的前面，在供应轴和压实座段之间。它们在一个垂直于带子路径的方向上滑行。2个旋转切割轴D轴和E轴使触针刀具朝向带子，这2个轴在构造上类似，D轴固定于V轴，E轴固定于Q轴。V-D和Q-E轴的运动在带子上割出想要的角度。D轴和E轴通常与X和/或Y轴同时到位，在进程的一开始就准备好下一次切割。切割通过复合材料带子但不通过衬纸。压实座段是设计用来铺放复合材料带子在曲面上的，

6、如凹槽、拉伸件和全部蒙皮曲面，同时保持相当的压实力分布在底座的宽度方向上。尾部压实滚轴和带子底座相匹配。当带子的末尾为了适应单层的边缘而被对角剪成长条带的时候就需要这种滚轴。一个可编程的带子压实系统允许在铺带时带子压实压力不同。压力可以通过零件程序或者操作员的输入而改变。2控制数控系统是个多模块缓冲曲面系统，是专门为铺带应用设计的。这个系统不包含和普通目标数控相联系的转轴和加工功能（因为机器不需要），但是包含有附加的功能和弹性来适应不同的复合材料带铺层头。所有操作控制和监控，都被集成在一个位于工作区外面的控制仪表板里。作为仪表板的补充，还提供了一个手工控制的悬架按钮台以便操作员可以在工作包线内

7、控制各种机器功能。3待机程序系统设计和程序系统帮助使用者准备数控复合材料铺带机器的输入数据。编写零件程序需要特别的编程技术，因为带子必须顺着曲面模具所决定的自然路径。此外，单个的铺带过程必须到位以确保使用者的设计原则（包括空隙和纤维定位准则）被满足。使用者可以定义刀具面、铺层边界、设计参数和机器工艺参数。使用这些文件输入，一个批程序可以和图形数据、日志文件和重启文件一起生成一个自动编程工具（APT