自動(dòng)鋪絲技術(shù)及其在A350制造過(guò)程中的應(yīng)用

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計(jì)制造一體化等優(yōu)點(diǎn)，尤其是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用，可有效減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，提高燃油效率和飛機(jī)可靠性。隨著材料技術(shù)和自動(dòng)化制造技術(shù)的日趨成熟，復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用突飛猛進(jìn)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，用量越來(lái)越大，尤其是在大型客機(jī)上的應(yīng)用，以空客A350為代表的大型雙通道寬體客機(jī)復(fù)合材料用量已經(jīng)占到機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的53%，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），航空復(fù)合材料時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨[1-3]。

復(fù)合材料用量的大幅提升離不開(kāi)自動(dòng)化制造技術(shù)的強(qiáng)力支撐，尤其是自動(dòng)鋪絲技術(shù)。自動(dòng)鋪帶技術(shù)解決了飛機(jī)小曲率機(jī)翼、尾翼等翼面類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造問(wèn)題，將飛機(jī)的復(fù)合材料用量提升到結(jié)構(gòu)重量的25%左右；而自動(dòng)鋪絲技術(shù)解決了大曲率機(jī)頭、中機(jī)身、后機(jī)身、機(jī)翼大梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造問(wèn)題，將飛機(jī)的復(fù)合材料用量提升到機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的50%左右，已經(jīng)成為復(fù)合材料工程化應(yīng)用的里程碑。自動(dòng)鋪絲技術(shù)能有效降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，有利于復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)效益顯著，已經(jīng)成為機(jī)身結(jié)構(gòu)制造的典型工藝。大型客機(jī)A350的機(jī)身結(jié)構(gòu)、機(jī)翼等（圖2）已全部采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)進(jìn)行制造[4-6]。

自動(dòng)鋪絲技術(shù)

1 自動(dòng)鋪絲技術(shù)原理

自動(dòng)鋪絲技術(shù)是指在多坐標(biāo)自動(dòng)鋪絲機(jī)的控制下，鋪絲頭將多束預(yù)浸絲束通過(guò)放卷、導(dǎo)向、傳輸、壓緊、切割、輥壓等功能在壓輥下集束成帶，并按照計(jì)算機(jī)規(guī)劃的軌跡進(jìn)行鋪層的自動(dòng)化鋪放。在鋪放過(guò)程可實(shí)現(xiàn)預(yù)浸絲束的單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)增減絲束，并可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎鋪放。因此，自動(dòng)鋪絲具有更強(qiáng)的曲面適應(yīng)能力，不僅可以鋪放凹面、凸面，還可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)口、補(bǔ)強(qiáng)等變厚鋪層，纖維角度偏差更小，生產(chǎn)效率更高。

典型鋪絲設(shè)備主要由機(jī)床主體、紗架系統(tǒng)、鋪絲頭等3部分組成（圖3）。機(jī)床主體主要實(shí)現(xiàn)鋪絲頭的快速移動(dòng)和空間坐標(biāo)的定位；紗架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)浸絲束料卷的存儲(chǔ)、放卷、薄膜回收、張力控制、傳輸和導(dǎo)向等功能；鋪絲頭主要實(shí)現(xiàn)預(yù)浸絲束的壓緊、送進(jìn)、切割、導(dǎo)向、加熱、輥壓等功能，將絲束鋪放在模具上[7-10]。

自動(dòng)鋪絲技術(shù)之所以成為大型客機(jī)復(fù)合材料自動(dòng)化制造的典型代表，主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)具高效、低成本的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖1 空客A350機(jī)體材料應(yīng)用情況Fig.1 Material application of A350 airframe structure

圖2 自動(dòng)鋪絲技術(shù)在A350中機(jī)身蒙皮上的應(yīng)用Fig.2 Application of automatic fiber placement technology in A350 middle fuselage skin

（1）加工的零件尺寸沒(méi)有限制。自動(dòng)鋪絲技術(shù)對(duì)制件的尺寸大小幾乎沒(méi)有限制，無(wú)論是開(kāi)敞的曲板結(jié)構(gòu)，還是封閉的回轉(zhuǎn)體筒段，設(shè)備制造商都可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸大小和結(jié)構(gòu)形式開(kāi)發(fā)合適的專用鋪放設(shè)備。因此，自動(dòng)鋪絲技術(shù)完全滿足大型客機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造的尺寸需求。

（2）鋪放效率高。自動(dòng)鋪絲技術(shù)采用較窄的預(yù)浸絲束進(jìn)行鋪層的自動(dòng)化鋪放，鋪放過(guò)程不需要類似于自動(dòng)鋪帶過(guò)程的廢料去除的環(huán)節(jié)，在纖維絲束不出現(xiàn)斷紗或者其他故障的情況下，鋪絲機(jī)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速鋪放，鋪放效率極高。

（3）曲面適應(yīng)性強(qiáng)。由于每根獨(dú)立紗束寬度較小，受預(yù)浸帶自然路徑軌跡限制較小，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變角度鋪放，特別適合大曲率復(fù)雜構(gòu)件的鋪放。例如，機(jī)身尾段的自動(dòng)鋪放，尤其是±45°的鋪放，纖維需要根據(jù)規(guī)劃的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，以達(dá)到最理想的纖維鋪放角度。對(duì)于機(jī)翼大梁等C型結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化鋪放，±45°方向和0°方向R角處的鋪放，鋪絲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較好地纖維壓實(shí)。

（4）材料利用率高。鋪放過(guò)程采用多束預(yù)浸絲束，每根絲束根據(jù)鋪層的輪廓自由增減，尤其適合變厚結(jié)構(gòu)的鋪放，例如機(jī)身艙門的加厚區(qū)、機(jī)翼的口蓋區(qū)域等。鋪放過(guò)程產(chǎn)生的廢料極少，材料的利用率可達(dá)95%以上。

2 自動(dòng)鋪絲設(shè)備

目前應(yīng)用于A350制造過(guò)程的鋪絲機(jī)種類主要有立式鋪絲機(jī)、臥式鋪絲機(jī)和機(jī)械臂鋪絲機(jī)（圖4）。不同結(jié)構(gòu)形式的鋪絲機(jī)具有不同的特點(diǎn)，適用于不同的零件類型。立式鋪絲機(jī)適合大型機(jī)身曲板結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪絲，將工裝固定于工作區(qū)域，無(wú)需旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)身、機(jī)翼等較長(zhǎng)產(chǎn)品的自動(dòng)鋪放。臥式鋪絲機(jī)更適合大型筒段的鋪放，大型客機(jī)的機(jī)身筒體直徑接近6m，需要大型旋轉(zhuǎn)工裝，因此鋪絲頭在工裝的一側(cè)進(jìn)行鋪放效率更高，同時(shí)也有利于超大型模具工裝的進(jìn)出和轉(zhuǎn)運(yùn)。立式龍門結(jié)構(gòu)鋪絲機(jī)和臥式鋪絲機(jī)采用機(jī)床結(jié)構(gòu)，設(shè)備剛性好、精度高，已經(jīng)成為機(jī)身結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵設(shè)備。機(jī)械臂鋪絲機(jī)普遍采用成熟的工業(yè)機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)備成本較大型龍門設(shè)備低、維護(hù)成本低、故障率低，且運(yùn)動(dòng)靈活。但機(jī)械手末端承載能力有限、剛性較差，因此機(jī)械手臂式鋪絲機(jī)更適合于產(chǎn)品驗(yàn)證或尺寸較小、形狀較為復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放。

此外，也可以根據(jù)絲束料卷和鋪絲頭的相對(duì)位置進(jìn)行分類，可以分為分離式鋪絲機(jī)和集成式鋪絲機(jī)（圖5）。分離式鋪絲機(jī)的料卷存儲(chǔ)在紗架內(nèi)，紗架位于鋪絲機(jī)的旁邊、橫梁或者后部，預(yù)浸絲束通過(guò)長(zhǎng)距離傳輸，運(yùn)動(dòng)到鋪絲頭。該結(jié)構(gòu)是早期典型鋪絲機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。采用分離式結(jié)構(gòu)的鋪絲設(shè)備，可以加大絲束料卷的單卷體積，增加單卷長(zhǎng)度，對(duì)于鋪放大型制件，可以減少換料的次數(shù)，不間斷鋪絲，具有一定的優(yōu)勢(shì)。單卷料卷絲束長(zhǎng)度最大可達(dá)5000m。但是，長(zhǎng)距離傳輸也會(huì)帶來(lái)一定的弊端，材料的上下料過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)，出現(xiàn)斷紗的幾率略高，人工維護(hù)的時(shí)間和成本也比較高。為了克服長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯?wèn)題，以EI公司為代表的鋪絲設(shè)備廠家開(kāi)發(fā)了集成式的鋪絲設(shè)備，料卷和鋪絲頭集成在一起，這樣減少了絲束的傳輸距離，降低了絲束接頭斷開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)，EI公司同時(shí)開(kāi)發(fā)了可更換鋪絲頭技術(shù)，料卷用完就可以直接更換新的鋪絲頭，減少了上料和穿料的準(zhǔn)備時(shí)間。集成式鋪絲機(jī)的料卷體積受到限制，難以安裝大尺寸料卷，單卷的長(zhǎng)度受到了一定的限制，通常為1500～2000m。但是上下料方便快捷，加上可更換鋪絲頭，效率大幅提高。目前主流鋪絲機(jī)設(shè)備供應(yīng)商都開(kāi)發(fā)了集成式鋪絲技術(shù)，例如EI、Mtorres、MAG、INGERSOLL 等公司[11]。

3 鋪絲機(jī)的結(jié)構(gòu)適用性

在自動(dòng)鋪絲工程化應(yīng)用的過(guò)程中，需要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式選擇不同結(jié)構(gòu)形式的設(shè)備，然后開(kāi)展基于鋪絲設(shè)備的結(jié)構(gòu)適用性研究，主要包括鋪絲機(jī)的曲面適用性和最短纖維等。

（1）曲面的適用性。

曲面的適用性，主要考察鋪絲設(shè)備的適應(yīng)能力，包括曲面鋪放能力、爬坡能力、有無(wú)機(jī)械干涉等。鋪絲機(jī)曲面適用性的主要決定因素是鋪絲頭的結(jié)構(gòu)形式、尺寸大小和壓輥?zhàn)冃瘟康?。?duì)于大型客機(jī)，機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件曲率不是很大，可以選擇較寬的絲束進(jìn)行多絲束鋪放，以提高生產(chǎn)效率；對(duì)于機(jī)翼大梁、起落架艙門、尾段等復(fù)合材料構(gòu)件，宜采用較窄的絲束進(jìn)行鋪放，在制件的復(fù)雜曲率區(qū)域進(jìn)行絲束的增減，以適應(yīng)制件的曲率變化。

（2）最短纖維的限制。

最短纖維是指鋪絲機(jī)能鋪放的最短的纖維絲束（圖6）。由于鋪絲頭自身結(jié)構(gòu)的限制，可鋪放的纖維的最短長(zhǎng)度是有限制的?？射伔诺淖疃汤w維的長(zhǎng)度取決于壓輥的直徑及切刀至壓輥的距離等。以法國(guó)CORIOLIS的設(shè)備為例，可鋪放的最短纖維長(zhǎng)度是90mm。對(duì)于零件的全鋪層，最短纖維幾乎沒(méi)有影響，可以將最短纖維按照居中、左對(duì)齊、右對(duì)齊，或者選擇不要等幾種方式進(jìn)行處理，但是對(duì)于子鋪層，需要進(jìn)行凈邊鋪放，出現(xiàn)多余的邊角是不允許的。所以，要從產(chǎn)品的最初設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，考慮最短纖維的問(wèn)題，將自動(dòng)鋪絲技術(shù)的邊界條件加以考慮，這樣有利于發(fā)揮自動(dòng)鋪絲技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)品的鋪放效率。

4 自動(dòng)鋪絲材料

4.1 材料的制備

圖3 典型自動(dòng)鋪絲設(shè)備原理Fig.3 Diagram of typical fiber placement machine

圖4 鋪絲機(jī)類型Fig.4 Fiber placement machine type

圖5 分離式和集成式鋪絲機(jī)Fig.5 Separate fiber placement machine and integrated fiber placement machine

圖6 最短纖維的鋪放Fig.6 Laying of short fiber

目前A350采用的自動(dòng)鋪絲材料是6.35mm、12.7mm等寬度不等的預(yù)浸絲束，絲束的寬度精度達(dá)到±0.125mm。國(guó)外普遍采用分切寬幅預(yù)浸帶進(jìn)行預(yù)浸窄帶材料的制備。分切過(guò)程可分為兩次進(jìn)行，先將寬幅預(yù)浸料進(jìn)行第一次分切，并通過(guò)盤式收卷的方式，得到較窄的預(yù)浸帶，這與自動(dòng)鋪帶材料的預(yù)浸帶制備并無(wú)差別；然后將一次分切后的預(yù)浸帶進(jìn)行二次精密分切，將預(yù)浸帶切成預(yù)浸絲（圖7）。預(yù)浸絲的收卷方式為平行卷繞，中間斷開(kāi)的預(yù)浸絲束采用熱壓的方式進(jìn)行搭接連接，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)預(yù)浸絲的制備。預(yù)浸料的分切要采用專用的分切設(shè)備，一次分切要保證預(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)保證纖維的準(zhǔn)直度，盡量避免纖維絲的切斷，全過(guò)程進(jìn)行張力控制，保證分切流暢和收卷整齊、松緊度合適。二次分切過(guò)程同樣需要有邊緣校正系統(tǒng)，以保證預(yù)浸絲束的邊緣完整性，降低纖維損傷率。

4.2 材料的工藝適用性

預(yù)浸絲束的工藝適用性是影響鋪絲效率的關(guān)鍵因素，主要考察材料的寬度、表面粘性、接頭質(zhì)量、邊緣損傷、轉(zhuǎn)彎半徑等。

材料的寬度主要影響預(yù)浸絲束在傳輸過(guò)程的流暢性和鋪放間隙。自動(dòng)鋪絲過(guò)程，絲束的傳輸在鋪絲頭中被機(jī)械結(jié)構(gòu)限制在固定的凹槽中，材料的邊緣會(huì)與凹槽產(chǎn)生一定的摩擦，如果材料的寬度過(guò)大，會(huì)加大傳輸過(guò)程中的阻力，導(dǎo)致摩擦加重，絲束邊緣容易產(chǎn)生毛團(tuán)堆積在鋪絲頭中，材料的通過(guò)性差。同時(shí)，寬度偏差還會(huì)影響鋪絲間隙。一個(gè)是帶與帶之間的間隙，一個(gè)是絲與絲之間的間隙。如果材料的寬度精度達(dá)不到要求，將引起絲與絲之間的搭接或者間隙，影響制件的表面鋪放質(zhì)量。因此，要求預(yù)浸絲的寬度在設(shè)備的匹配范圍之內(nèi)。

材料的表面粘性。鋪絲材料的表面粘性是對(duì)材料工藝性評(píng)價(jià)的重要因素,粘性太大容易出現(xiàn)樹(shù)脂粘接造成鋪絲頭送絲出現(xiàn)故障；粘性太低則在鋪放過(guò)程中層間或貼模面無(wú)法有效貼合。因此需要一個(gè)適中的表面粘性，既不會(huì)造成鋪絲頭送絲故障也不會(huì)造成層間不粘合現(xiàn)象。

接頭質(zhì)量是影響鋪絲效率的另一個(gè)關(guān)鍵因素。預(yù)浸絲束接頭要能承受一定的張力，有利于鋪絲效率的提高。鋪放過(guò)程，絲束需要通過(guò)放卷、導(dǎo)向輪傳輸、壓緊、裁切、導(dǎo)向槽導(dǎo)向，最后在壓輥下集束成帶，全過(guò)程實(shí)現(xiàn)張力的控制，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)接頭的質(zhì)量是一個(gè)考驗(yàn)。如果接頭的搭接質(zhì)量不好，很容易出現(xiàn)斷紗現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)斷紗，就需要操作人員進(jìn)行維護(hù)，重新接入，大大降低了鋪放效率。此外，也要對(duì)接頭在制件中的分布加以約束，波音和空客對(duì)于接頭的鋪放均有工藝規(guī)范進(jìn)行約束。

材料邊緣的損傷也是一個(gè)重要的因素。自動(dòng)鋪絲材料是從手工鋪放材料經(jīng)過(guò)分切得到的，兩者相同點(diǎn)很多。鋪放材料的固化單層厚度、揮發(fā)成分含量、單位面積的纖維質(zhì)量等物理參數(shù)在預(yù)浸料制備階段已經(jīng)確定，兩者并無(wú)差別，但是與手工鋪放工藝不同的是，鋪絲材料在分切制備過(guò)程是沿著纖維方向進(jìn)行的細(xì)分過(guò)程，分切的過(guò)程會(huì)切斷一定的纖維，造成一定的纖維損傷。因此，要在分切過(guò)程中控制切刀與母帶的纖維方向一致，減小材料的橫向浮動(dòng)，降低纖維的損傷率。

預(yù)浸絲束轉(zhuǎn)彎半徑主要是考察其在復(fù)雜曲面的可鋪性。材料的轉(zhuǎn)彎特性取決于材料的寬度、厚度、粘性等，而起主導(dǎo)作用的就是材料的寬度，越窄的材料轉(zhuǎn)彎半徑越小。因此，對(duì)于復(fù)雜曲面的鋪放，宜采用較窄的料帶。圖8是某6.35mm寬鋪絲材料的轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)效果。

圖7 預(yù)浸絲束的制備Fig.7 Process of slit tape preparation

圖8 2m、2.5m、3m轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Steering experiment with radius of 2m,2.5m,3m

5 自動(dòng)鋪絲關(guān)鍵工藝參數(shù)

自動(dòng)鋪絲過(guò)程的工藝參數(shù)較多，關(guān)鍵工藝參數(shù)主要有軌跡規(guī)劃策略的選擇，鋪放間隙的控制，絲束重疊程度的選擇，鋪放壓力、鋪放速度和鋪放溫度的優(yōu)化等，最終的目標(biāo)是通過(guò)獲取最優(yōu)的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高質(zhì)量高效率鋪放，纖維角度變化小、間隙均勻無(wú)明顯搭接、制件厚度均勻、切表面無(wú)明顯鼓包或者凹陷、內(nèi)部質(zhì)量和孔隙率均需達(dá)到制造技術(shù)要求。

軌跡規(guī)劃策略的選擇，主要有與參考線成固定角算法、測(cè)地線算法、平行線算法、變角度算法等，其中與參考線成固定角算法是目前最為常用的軌跡規(guī)劃算法。進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)，需事先確定參考方向，所有角度軌跡均按一定的規(guī)則與該方向成固定的角度。好的軌跡規(guī)劃需要同時(shí)考慮角度偏差的大小、引起的鋪放間隙的變化情況、鋪層的鋪覆性、纖維的變形能力等。鋪放間隙的大小一般由設(shè)計(jì)或者制造規(guī)范給出，盡量避免鋪放過(guò)程的搭接。絲束兩端的重疊是指同一角度下的不同分區(qū)間的絲束起始端和末端與相鄰區(qū)域的重疊情況，重疊程度將影響局部的厚度，給裝配帶來(lái)一定影響，需要與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通確定參數(shù)。

自動(dòng)鋪絲工藝成型過(guò)程中，為了保證鋪放質(zhì)量，提高鋪放效率，還需要通過(guò)對(duì)鋪放工藝參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的鋪放。關(guān)鍵工藝參數(shù)主要有鋪放溫度、鋪放壓力、鋪放速度等。鋪放溫度參數(shù)調(diào)節(jié)可以改善鋪放過(guò)程中預(yù)浸絲束的粘性，實(shí)現(xiàn)良好粘貼；鋪放壓力可以提高預(yù)浸絲束層間的粘合程度；鋪放速度有助于提高制件生產(chǎn)效率。因此，在實(shí)際鋪放工藝實(shí)踐中，需要針對(duì)鋪放速度、鋪放壓力、鋪放溫度進(jìn)行匹配性工藝試驗(yàn)，找出最佳的鋪放工藝參數(shù)。

自動(dòng)鋪絲技術(shù)在A350上的應(yīng)用

1 機(jī)身蒙皮鋪絲

空客A350與波音787之間最大的差別在于機(jī)身的制造。波音787機(jī)身采用大型整體筒段，這種方式的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大，需要大型的旋轉(zhuǎn)工裝、大型的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備、大型熱壓罐和大型檢測(cè)加工設(shè)備。要求技術(shù)水平較高，配套設(shè)施投資較大。此外，對(duì)于大型整體工裝的設(shè)計(jì)與制造，組裝和封裝等都會(huì)帶來(lái)一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，尤其是大型回轉(zhuǎn)工裝的密封問(wèn)題，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？湛瓦x擇了分片結(jié)構(gòu)的曲板，最終裝配成機(jī)身段，只在機(jī)身曲率變化比較大的尾段采用了整體結(jié)構(gòu)。這種不太激進(jìn)的解決方案降低了風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也有一些優(yōu)勢(shì)，曲板的性能可以根據(jù)所處機(jī)身位置的不同進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)可以通過(guò)加長(zhǎng)曲板的長(zhǎng)度而達(dá)到減少裝配的目的。此外，分片曲板的其他好處有：更容易制造、可以使用更小直徑尺寸的熱壓罐、成型工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小、后期維修更加容易。在機(jī)身曲板的自動(dòng)鋪絲制造過(guò)程中，最長(zhǎng)的中機(jī)身曲板采用了龍門結(jié)構(gòu)鋪絲機(jī)；其他機(jī)身曲板或采用龍門結(jié)構(gòu)鋪絲機(jī)，或采用臥式鋪絲機(jī)；起落架艙門采用了機(jī)械手鋪絲機(jī)（圖9）。

2 機(jī)翼大梁鋪絲

空客公司采用臥式鋪絲機(jī)進(jìn)行機(jī)翼大梁的生產(chǎn)（圖10（a））。A350的前翼梁長(zhǎng)31.2m，截面尺寸從根部的1.8m過(guò)渡到梢部的0.3m，分成3段進(jìn)行鋪放，即長(zhǎng)為7m的內(nèi)側(cè)梁、長(zhǎng)為12.7m的中梁和長(zhǎng)為11.5m的外側(cè)梁。后翼梁27m，分成3段，每段長(zhǎng)近10m。材料是Hexcel的碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料M-21E，帶寬為6.35mm。設(shè)備采用了M.Torres公司臥式鋪絲設(shè)備，帶工裝旋轉(zhuǎn)軸[12-15]。由于采用了旋轉(zhuǎn)芯模，限制了大梁的成型長(zhǎng)度，所以空客必須將30m的大梁進(jìn)行分段制造。如果整體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)工裝鋪放，剛度很難保證。正是看到這種弊端，EI公司為波音公司777X項(xiàng)目定制了集成式大梁鋪絲設(shè)備，工裝固定，直接進(jìn)行鋪放（圖10（b））。該項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)在于不用再將大梁分成幾段，可以整根鋪放，減少了分段連接的裝配。在鋪放過(guò)程中，鋪絲頭進(jìn)行大角度旋轉(zhuǎn)或者擺動(dòng)，以適應(yīng)C形截面引起的角度變化。由于采用了集成式的鋪絲頭，實(shí)現(xiàn)了預(yù)浸絲束的雙向鋪放，并且減少了纖維傳輸過(guò)程的扭轉(zhuǎn)，有利于產(chǎn)品的高效鋪放并獲得較好的鋪放效果。

3 機(jī)翼蒙皮鋪絲

眾所周知，自動(dòng)鋪帶技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于航空復(fù)合材料自動(dòng)化制造領(lǐng)域，甚至成了翼面類結(jié)構(gòu)自動(dòng)化鋪放的專用裝備。因此，在早期A350機(jī)翼蒙皮一直采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)進(jìn)行鋪層的自動(dòng)化鋪放（圖11（a）、（b））。但是，隨著鋪絲技術(shù)的進(jìn)步和演化，自動(dòng)鋪絲的優(yōu)勢(shì)逐漸凸現(xiàn)出來(lái)，特別是邊緣輪廓復(fù)雜，并帶有口蓋、變厚鋪層的機(jī)翼蒙皮，鋪絲技術(shù)更 勝一 籌（圖 11（c）、（d））。 所以空客采用鋪絲/鋪帶一體機(jī)進(jìn)行蒙皮的自動(dòng)化鋪放，采用自動(dòng)鋪帶頭進(jìn)行表層玻璃布和銅網(wǎng)的鋪放，然后進(jìn)行鋪絲頭的自動(dòng)更換，換成12.7mm×24束鋪絲頭，鋪放中間的碳纖維鋪層。采用該種工藝的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

圖9 自動(dòng)鋪絲技術(shù)在A350機(jī)身結(jié)構(gòu)的應(yīng)用Fig.9 Application of fiber placement technology in A350 fuselage structure

（1）自動(dòng)鋪絲的效率更高。自動(dòng)鋪帶技術(shù)采用較寬的預(yù)浸帶，為了適應(yīng)零件的鋪層輪廓，鋪帶過(guò)程中需要將每一條預(yù)浸帶的起始端和末端采用超聲技術(shù)進(jìn)行端頭輪廓的切割，并且需要將不要的廢料扔進(jìn)鋪帶機(jī)的廢料箱，或者鋪放在模具的邊緣。廢料的去除過(guò)程比較頻繁，需要大量的超聲切割過(guò)程，還需要鋪帶機(jī)在制件鋪放區(qū)域和廢料區(qū)頻繁移動(dòng)扔廢料，占用了較多的鋪放時(shí)間，大幅降低了鋪放效率。而鋪絲技術(shù)采用窄帶，可以根據(jù)零件的鋪層輪廓邊界自動(dòng)增減絲束，不存在廢料取去除的過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)鋪放。此外，適當(dāng)?shù)丶訉拞胃z束的寬度和絲束的數(shù)量，集束成較寬的絲束帶，同樣能達(dá)到鋪帶技術(shù)的帶寬優(yōu)勢(shì)。M.TORRES公司和空客的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，A350機(jī)翼蒙皮采用了自動(dòng)鋪絲技術(shù)以后，單塊蒙皮的鋪放周期從5～7天降到了 1.6～3天，生產(chǎn)效率大幅提高。

（2）材料利用率大幅提高。通過(guò)下蒙皮的鋪放可以看出，機(jī)翼下蒙皮邊緣帶有較多的耳片，并且在蒙皮中間分布了大量的油箱口蓋區(qū)域。采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)鋪放的過(guò)程中，為了減少?gòu)U料的去除，提高鋪放效率，簡(jiǎn)化了鋪放邊緣輪廓，因此在蒙皮外輪廓區(qū)域浪費(fèi)了較多的原材料。在油箱口蓋區(qū)域直接鋪放了預(yù)浸帶，固化后采用機(jī)械加工進(jìn)行去除。采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)鋪放，可以按照固化蒙皮的凈尺寸進(jìn)行鋪放，尤其是邊緣耳片和口蓋區(qū)域，節(jié)省了原材料。M.TORRES公司和空客的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，單塊蒙皮的成品/原材料用量比，由之前的1.24降低到1.02。材料的利用率從81%提升到98%，幾乎沒(méi)有原材料的浪費(fèi)。

圖10 機(jī)翼大梁自動(dòng)鋪絲Fig.10 Fiber placement of wing spar

圖11 A350機(jī)翼蒙皮鋪帶到鋪絲技術(shù)的轉(zhuǎn)變Fig.11 Change of A350 wing skin technology，ATL to AFP

圖12 中航復(fù)材自動(dòng)鋪絲機(jī)Fig.12 ACC fiber placement machine

國(guó)內(nèi)大型客機(jī)應(yīng)用研究裝備基礎(chǔ)

由于美國(guó)和歐盟對(duì)25mm以下帶寬的鋪絲設(shè)備設(shè)置了出口限制，無(wú)法引進(jìn)工程化應(yīng)用高端鋪絲設(shè)備，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)開(kāi)展鋪絲工藝工程化應(yīng)用研究受到限制。近兩年，中國(guó)航空工業(yè)、中國(guó)商飛、恒神等公司引進(jìn)法國(guó)CORIOLIS公司鋪絲設(shè)備和技術(shù)，開(kāi)展鋪絲工藝工程化應(yīng)用研究。值得一提的是，中國(guó)航空制造技術(shù)研究院、中航復(fù)材公司聯(lián)合國(guó)內(nèi)的科研力量，通過(guò)引進(jìn)Coriolis鋪絲技術(shù)，集智攻關(guān)，突破了多軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)、大跨度輕質(zhì)高剛性橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)工程化應(yīng)用級(jí)別的大型龍門自動(dòng)絲束鋪放設(shè)備（圖12）。設(shè)備X向行程30m，Y向行程6.5m，能實(shí)現(xiàn)最多32束6.35mm預(yù)浸絲束的高效鋪放。該設(shè)備是國(guó)內(nèi)目前唯一可以完成大尺寸復(fù)合材料機(jī)身壁板研制的高端專用裝備，為我國(guó)飛機(jī)研制提供了強(qiáng)力技術(shù)保障。此外,其他各大科研院所也正在開(kāi)展基于機(jī)械臂鋪絲技術(shù)的研究和工藝驗(yàn)證。相信在不久的將來(lái)，自動(dòng)鋪絲技術(shù)應(yīng)用將在國(guó)內(nèi)遍地開(kāi)花，推動(dòng)我國(guó)復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)向前發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)鋪絲技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)外大型寬體客機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)，具有更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，可以鋪放更大的復(fù)合材料構(gòu)件，在大型寬體客機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的自動(dòng)化成型制造中應(yīng)用廣泛。國(guó)內(nèi)有關(guān)自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)的研究尚處于起步階段，無(wú)論是鋪絲設(shè)備、鋪絲材料，還是成型工藝，基礎(chǔ)還比較薄弱，與國(guó)外還有較大差距。材料還依賴于國(guó)外的成熟材料，設(shè)備也只能從個(gè)別國(guó)家引進(jìn)小型設(shè)備，真正的高端裝備還未引入，阻礙了自動(dòng)鋪絲技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用研究和發(fā)展。C919已經(jīng)首飛，未來(lái)的大型客機(jī)也已經(jīng)提上日程，自動(dòng)化制造技術(shù)的需求非常緊迫。沒(méi)有先進(jìn)的大型自動(dòng)鋪絲裝備，未來(lái)的大型客機(jī)就難以大規(guī)模應(yīng)用復(fù)合材料。國(guó)內(nèi)應(yīng)加快研發(fā)進(jìn)程，加大各項(xiàng)投入，引進(jìn)高端自動(dòng)鋪絲技術(shù)和裝備，同時(shí)加大材料和工藝工程化應(yīng)用研究，早日將自動(dòng)鋪絲技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于我國(guó)大型客機(jī)。

參 考 文 獻(xiàn)

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