当前位置&&
&&&&&&&&正文查看: 27684|回复: 39
航空航天先进制造专题:复合材料篇
在线时间 小时
对本站感兴趣的话，马上注册成为会员吧，我们将为你提供更专业的资讯和服务，欢迎您的加入！
才可以下载或查看，没有帐号？
本帖最后由 暴力英雄 于
01:48 编辑
& && & 为了更好地了解让大家了解世界各国航空航天先进制造技术的发展过程、现状和趋势，应网友要求,将先进制造技术专题按照领域单独开帖，以方便大家检索.欢迎大家集思广益，集中讨论有关航空航天制造领域的各种新技术、新工艺、新装备、新材料的成果动态和科普性文章。
文章相当给力!
在线时间 小时
本帖最后由 暴力英雄 于
01:50 编辑
先进复合材料主要制造工艺和专用设备 中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟
中国航空工业发展研究中心 陈亚莉 & && &&&先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。
复合材料在飞机上的应用
& && &&&随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点：
（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。
& && & 复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。A380上复合材料用量约30t。B787复合材料用量达到50%。而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。
（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。
& && &&&最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。
（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。
& && & 飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。
（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。
& && &&&在飞机上大量采用复合材料的最直接的效果是减重，复合材料制件采用共固化、整体成型技术，能够成型大型整体部件，明显减少零件、紧固件和模具的数量，减少零件装配，从而有效地降低制造成本。
（5）复合材料的制造手段和先进专用设备得到迅速发展和广泛应用。
& && &&&传统的复合材料制造技术自动化程度低，复合材料制件的质量不稳定，分散性大，可靠性差，生产成本居高不下，无法生产大型和复杂的复合材料制件。飞机结构尺寸的不断增加使大尺寸复合材料制件的制造工艺变得极为重要。
& && &&&近年来，出现了各种各样的自动化程度较高的制造技术，如纤维铺放、树脂膜转移成型/渗透成型、电子束固化等技术。随之研制并得以工业化应用的先进、高效、低成本专用设备也层出不穷，如三维编织机、全自动铺带设备和丝束铺放设备等。这些高效自动化设备显著提高了复合材料生产效率和制件内部质量，降低了成本，使复合材料性能最优化和低成本并存成为可能。
复合材料制造工艺及主要设备
& && &&&复合材料成型是一个比较复杂的过程。随着各种新工艺、新技术的涌现，复合材料制造工艺已成为复合材料加工制造的关键，涵盖的技术面广、技术含量高，涉及的成本份额占总成本的80%以上。
& && &根据用途、批量、市场等要求的不同，航空航天用复合材料产品的成型工艺采用了手工铺层、半自动成型、全自动成型以及液体成型等技术。下面就生产中主要涉及的工艺方法和主要设备加以重点说明。
（1）手工铺层。
& && &目前，手工铺层仍是被广泛使用的传统成型方法，甚至像B-2轰炸机以及一些通用飞机的制造也采用了大量的手工铺层工序。因为这些产品的定货量往往是一位数，而质量要求很高。手工铺贴方法的优点是可使蒙皮厚度有大的变化，进行局部加强，嵌入接头用的金属加强片，形成加强筋和蜂窝夹芯区等。
目前，手工铺层使用了许多专用设备来控制和保证铺层的质量，如复合材料预浸料自动剪裁下料系统和铺层激光定位系统等，即采用专门的数控切割设备来进行预浸料和辅助材料的平面切割，从而将依赖于样板的制造过程转变为可根据复合材料设计软件产生的数据文件进行全面运作的制造过程。
& && & 手工铺层的缺点是要求铺层人员有很高的技艺和施工经验，手工铺贴费工费时，因此效率低、成本高（占总成本的1/4），难以适应大批量生产和大型复杂复合材料制件的生产要求。因此，在60年代初，在手工铺层复合材料实施几年之后，就开发了自动铺带（ATL）技术。
即使在美国,人工铺带也仍然采用,这是美国 Liberty Aerospace的工人正在操作
（2）自动铺带（ATL）。
& && &自动铺带技术采用有隔离衬纸的单向预浸带，其裁剪、定位、铺叠、辊压均采用数控技术自动完成，由自动铺带机实现。多轴龙门式机械臂完成铺带位置的自动控制，铺带头上装有预浸带输送和切割系统，根据待铺放工件边界轮廓自动完成预浸带的铺放和特定形状位置的切割。预浸带在加热状态时，在压辊的压力作用下铺叠到模具表面。
& && &自动铺带机根据铺放制件的几何特征可分为平面铺带和曲面铺带两类。随着自动铺带设备、编程、计算机软件、铺带技术以及材料的进一步发展，自动铺带的效率变得更高，性能更可靠，操作性更友好。与手工相比，先进铺带技术可降低制造成本的30%～50％，可成型超大尺寸和形状复杂的复合材料制件，而且质量稳定，缩短了铺层及装配时间，工件近净成型，切削加工及原材料耗费减少。目前，最先进的第五代铺带机是带有双超声切割刀和缝隙光学探测器的十轴铺带机，铺带宽度最大可达到300mm，生产效率可达到手工铺叠的数十倍。
& && &自动铺带机要成型复杂双曲率型面，需采用窄带，工作效率会降低，而一台铺带机的价格需要3～5百万美元，成本太高。由此，Hercules率先开发了自动丝束铺放（ATP）设备。
（3）自动丝束铺放（ATP）。
& && &自动丝束铺放技术结合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，铺束头把缠绕技术所用的不同预浸纱束独立输送和铺带技术所用的压实、切割、重送功能结合在一起，由铺束头将数根预浸纱束在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带，然后铺放在芯模表面，铺放过程中加热软化预浸纱束并压实定型。
& && & 与自动铺带相比，自动铺丝束技术可以成型更复杂的结构件，材料消耗率低，是自动化制造技术的顶峰，ATP设备对复合材料的重要性相当于铣床对金属材料结构的重要性。它是介于自动缠绕与自动铺带之间的一种铺层方法，特别适于复杂构件的制造。自动铺放技术的基础是铺放机的设计与开发。
& && & 以美国辛辛那提机床公司Viper纤维铺放机系统为例。Viper纤维铺放系统将缠绕、特型铺带及计算机控制结合起来，自动生产需要大量手工铺层的复杂零件，从而缩短铺层及装配时间，由于工件近净成型，切削加工及原材料耗费减少。
沃特公司制造波音787的23%的机身，其中包括5.8m×7m的47段及4.3m×4.6m的48段，采用了来自辛辛那提公司的自动铺放机Viper6000。制造时，将东丽的3900系碳/环氧无纬带铺叠在大的筒形旋转模具上，模具由互锁的芯轴组成，筒形件铺成后放在23.2m×9.1m的、世界上体积最大的热压罐中固化。目前，自动丝束铺放机已可铺放窄带及宽带丝束。
预浸丝束/带的机器人自动铺放已成为高性能纤维增强复合材料结构的一种强力高效技术。它是机电装备技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术的综合集成，包括：自动铺放装备技术、预浸丝束/带切割技术、铺放CAD技术、铺放CAM技术、预浸丝束/带技术、自动铺放工艺技术、铺放质量控制、模具技术、成本分析及控制和一体化协同数字化设计技术等，具有高效率、高质量、高重复性和低成本等优点。Viper6000大型ATP机,代表了当今自动丝束铺放最高水平
（4）热压罐固化成型。
& && & 热压罐固化成型是航空航天复合材料结构件传统的制造工艺，它有产品重复性好、纤维体积含量高、孔隙率低或无孔隙、力学性能可靠等优点。热压罐固化的缺点主要是耗能高以及运行成本高等。而目前大型复合材料构件必需在大型或超大型热压罐内固化，以保证制件的内部质量，因此热压罐的三维尺寸也在不断加大，以适应大尺寸复合材料制件的加工要求。目前，热压罐都采用先进的加热控温系统和计算机控制系统，能够有效地保证在罐内工作区域的温度分布均匀，保证复合材料制件的内部质量和批次稳定性，如准确的树脂含量、低或无空隙率和无内部其他缺陷。这也是热压罐一直沿用至今的主要原因。
（5）复合材料液体成型。
& && & 复合材料液体成型已是十分普及的工艺，它是以树脂转移成型（RTM）为主体，包括各种派生的RTM技术，大约有25～30种之多，其中，RTM、真空辅助RTM（VARTM）、真空辅助树脂注射成型（VARI）、树脂膜熔浸成型（RFI）和树脂浸渍成形（SCRIMP）被称为RTM的5大主要成型工艺，也是目前应用最多的RTM工艺。
& && & RTM的优点是成品的损伤容限高，可成型精度高、孔隙率小的复杂构件及大型整体件。RTM成型的关键是，要有适当的增强预形件以及适当黏度的树脂或树脂膜。RTM要求树脂在注射温度下的黏度值低，第一代环氧树脂的粘度要求在500cps（0.5Pa·s）以下，以前对于较大尺寸的构件要求树脂黏度低于250cps（0.25Pa·s），RTM工艺的主要设备是各种树脂注射机和整体密闭型模具。
& && & 随着新型增强材料结构的不断创新，编织技术和预成形体技术与RTM技术相结合，形成了新的工艺发展和应用方向。如采用三维编织技术将增强材料预制成3D结构，然后再与RTM工艺复合，也可将纤维织物通过缝纫或粘结的方法，直接预制成制件形状，再采用RTM工艺成型复合材料。
& && & 例如，EADS军用飞机公司为B787后机身段制造的后压力隔框，它是一个半球形的整体隔框，插在增压的机身47段及非增压的48段及尾段之间，它是用VARTM制造的，尺寸大约为4.3m×4.6m，波音787是首架具有复合材料后压力隔框的飞机。该隔框的制造得益于Cytec公司的树脂熔渗膜系统。韧化的复合材料有顶级阻燃/烟/毒性能，可以取消防火层，从而比传统的树脂熔渗法制得的结构轻。而波音787机身的大部分隔框则采用了碳纤维树脂膜熔渗RFI技术制造，复合材料隔框用碳纤维复合材料抗剪箍连接在机身蒙皮上，由于设计及成本上的原因，少数部位仍采用钛合金及铝合金隔框。
（6）隔膜成型。
& && & 隔膜成型原是一种为热塑性复合材料开发的成型工艺，后发现用于热固性复合材料具有很广泛的用途。它具有成型过程中纤维不易滑动、不易产生皱褶的特殊功效，非常适用于加工大型飞机机翼前梁的C形截面。在近年推出的A400M等大型飞机前梁C形截面中，已广泛采用了这种工艺方法。
& && & 为成型出C形截面，预形件从铺带机上卸下送到由英国Aeroform公司提供的热包膜成型机设备上成型。为便于抽真空，预形件应夹在两个由俄亥俄州的杜邦电子技术公司提供的Kapton聚酰亚胺薄膜之间。薄膜之间抽真空，然后从零件上面进行红外加热，直到1h内将温度升到60℃。这样可以保证即使在梁根部的最厚截面中心，也可均匀加热到同一温度。然后缓缓对两薄膜间层合板加压，而在轻质模具上形成梁的内表面。这个C形截面可在30min内缓慢成型之后，去掉Kapton薄膜。
在欧洲推出的ALCAS计划中，这种成型方法已成为加工飞机前梁的一种典型工艺方法。
（7）复合材料制件加工、装配及无损检测。
& && & 复合材料制件成型后，需要进行机械加工，包括外形尺寸加工、钻孔等，要求具有很高的加工质量。复合材料制件属于脆性各向异性材料，常规的加工方法不能满足复合材料加工质量要求。传统切割方式在加工纤维材料时具有以下缺点：切割速度慢、效率低；复合材料制件属于易变形材料，切割精度难以保证；在切割高韧性材料时，刀具和钻头等磨损快、损耗大；加工复合材料层合板时易发生分层破坏等。因此要求复合材料生产需配备大型自动化高压水切割机、超声切割设备和数控自动化钻孔系统等专用设备，以满足复合材料制件经加工后无分层磨损且符合装配尺寸精度的要求。
& && & 大型机翼蒙皮层合板一般采用大型高压水切割机进行净形切割，世界上最大切割机的床身为36m×6.5m，由Flow International公司制造。这种磨粒喷水切割机可以快速切割厚的层合板而不致产生层合板过热，25mm厚的层合板可以0.67m/min速度切割，对6mm薄的层合板，切割速度可以高达3m/min，厚的蒙皮可以0.39m/min速度切割。
& && & 超声切割设备将超声振动能量加载在切割刀具上，可有效地分离纤维材料的边界，从而有效解决上述传统切割方法带来的问题。超声切割技术的切割质量优良，具有无毛刺、无刀具磨损、无碳化材料、切割力小、不易造成分层，切割速度快、精度高等特点。已经在国外航空企业内得到广泛的应用。
& && & 随着飞机的金属结构逐渐向复合材料结构转移，复合材料制造的自动化显得日益重要。而自动化程度较高的装配技术尤其显得重要。复合材料的使用使飞机机体有可能采用大型整体结构件制造，如787最后总装只进行六大部件的对接，即前机身、中机身、后机身、机翼、水平安定面和垂直尾翼。这些整体大部件使装配过程中避免使用传统巨型工装，而更多地采用便携式工具。飞机结构件的移动不采用龙门吊车。
& && & 柔性装配、自动钻铆等先进技术集成应用于复合材料大型部件的自动装配中。飞机柔性装配技术考虑作为装配对象的航空产品本身特征，基于飞机产品数字化定义，通过飞机柔性装配流程、数字化装配技术、装配工装设计、装配工艺优化、自动定位与控制技术、测量、精密钻孔、伺服控制、夹持等实现飞机零部件快速精确的定位和装配，可减少装配工装的种类和数量，提高装配效率和装配准确度，提高快速响应能力，缩短飞机装配周期，增强飞机快速研制能力。它是一种能适应快速研制、生产及低成本制造要求、满足设备和工装模块化可重组的先进装配技术。如B787的复合材料机翼结构件的移动采用了自动化导引车等柔性装配技术。
& && & 自动钻铆机广泛应用于复合材料大型部件的自动装配，如A380机翼装配采用了自动化可移动钻孔设备。这些钻削设备与传统金属材料钻削设备的本质区别在于，为保持铆钉孔周围的结构完整性，要求钻孔时无分层，因此制孔一般要用硬质切削刀具，采用多步钻孔法。鉴于复合材料的制造方法不同，其可切削加工性也各异。例如，编织结构为“十”字形花样的织物，比单向排列的织物带易切削，后者的磨损力更大且易产生分层、钻孔时有纤维未切到的问题。因此，根据复合材料构件不同的成型方式，应选择不同的钻削参数、材料及形状的钻头。
意大利自动钻铆机
& && & & && & 复合材料制件无损检测设备主要需要配置大型超声C扫描设备和X光无损检测设备。此外，激光剪切摄影及激光超声检测也是主要发展方向。
& && & 在超声检验技术方面最重要的进展之一是相控阵检验的开发。相控阵超声检验与传统超声检验相比，改进了探测的概率，并明显加快了检验速度。
& && & 传统的超声检验要用许多个不同的探头来作综合性的体积分析，而相控阵检验用一个多元探头即可完成同样的结果。这是由于每一个元素探头可以进行电子扫描和电子聚焦，每一元素探头的启动有一个时间上的延迟。其结果是合成的超声束的入射角可加以变化，焦点深度也可以变化，这就是说体积检验的速度可以比传统法快得多。因为用传统法时，探头必须适时更换，而且必需多路传输才能得出不同的入射角和焦点深度。此外，相控阵探头可提供更宽的覆盖范围，从而比传统探头有更高的生产效率。
（8）复合材料数字化设计制造一体化。
& && & 复合材料零件成型独特的工艺特点决定了它在设计制造方面与金属零件有很大差异，而且更加复杂。
复合材料构件数字化设计制造以复合材料设计/制造平台和附和材料数字化制造设备为软硬件基础。改变了传统复合材料的设计/制造方式，采用数字量形式对产品进行全面描述和数据传递，实现了设计与制造之间的无缝集成。
复合材料设计软件与现有CAD系统的集成为设计/制造复合材料构件提供了有力平台。包括初步设计、工程详细设计、制造详细设计和制造输出4个阶段。
& && & 复合材料构件数字化制造过程包括预浸料下料、铺层铺放、固化等工序，目前复合材料构件数字化制造主要体现在预浸料自动下料、激光铺层定位和纤维自动铺放等方面。
& && & 例如，在B787项目中复合材料构件均采用了FiberSIM软件进行数字化设计，将设计数据向全球伙伴发放，从而保证了复合材料构件数据的唯一性和准确性。由于B787大量采用数字化设计，因此其研发周期比B777缩短了3年。
复合材料构件数字化设计制造使实施并行工程成为可能，在设计早期阶段解决制造问题，大大减少了车间修改和重复工作。设&&计和制造数据的无缝集成缩短了制造时间，减少了人工编程带来的误差，提高了构件质量。
& && & 综上所述，随着复合材料在飞机上用量的递增，使复合材料制造业迅速成为飞机制造业的主要组成部分。今后飞机50%以上的结构件将由金属转为复合材料，复合材料制造将成为飞机制造的基本手段。复合材料制造工艺和专用设备是先进复合材料关键技术之一，值得我们投入大量的人力物力加以研发和应用。掌握了先进复合材料制造技术，就掌握了未来飞机的先进制造技术。
本帖子中包含更多资源
才可以下载或查看，没有帐号？
在线时间 小时
世界上最新的复合材料结构芯材深加工技术_德国凯尔曼集团产品介绍
& && &夹层结构的最初应用从上世纪初的航空航天业开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域。夹层结构复合材料在近几十年迅猛发展，就在于其“轻质高强”的特性，而夹层结构的设计理念及加工技术则向人们展示了复合材料“更轻更强”的神奇魅力。
& && & 德国凯尔曼集团生产的KL-90/45D设备是目前世界上最新复合材料结构芯材深加工技术，通过上下复合纤维编织物和90度垂直或45度对角插入增强纤维在结构芯材中（聚氨酯PU，聚氯乙烯PVC和其它硬泡沫材料均可加工）在注胶时，树脂通过纤维槽进入芯材内，固化后树脂和玻纤形成支架，使芯材的抗压，抗弯曲强度达到很大幅度的增强，因此扩大了结构芯材的使用范围和节省了结构芯材的使用量，起到了节能，环保，省料和增值的作用。 这个公司的前身只是做缝纫机的家族企业，但是由于敢于技术创新，从而能在航空航天工业领域占得一席之地。德国人的创新精神不容小视！
& && & 该产品的使用范围：风力发电机风叶，高速列车车厢内部结构材料，货车拖车箱，集装箱，高层建筑，造船工业等领域。 KL-90/45D 结构芯材性能加强设备设备可同时插入120根加强纤维设备技术性能：
可加工结构芯材的厚度范围：10-30 毫米
行距：1 型 25毫米，120 行90度垂直
& && && & 2 型 纵向 60行 + 45度，60行- 45度交叉。
& && && & 3 型 纵向 60行 + 45度，60行- 45度交叉 + 横向 60行 + 45度，60行- 45度交叉
1型 90度垂直加强
2型 45度交叉加强
3型 纵横双向45度交叉加强关于凯尔曼
& && &德国凯尔曼特种机械制造有限公司是世界上唯一生产复材缝合设备的制造公司，拥有多项专利技术，也是目前世界航空航天工业领域复材缝合加工设备市场占有率高达95%以上的企业。
& && &世界各大航空企业都是凯尔曼的客户，从欧洲的空中客车公司，欧洲直升机公司，美国的波音飞机公司到中国的哈尔滨飞机制造集团，北京的航空制造工程研究所都是他们的客户，都应用凯尔曼的设备生产最先进的复材轻型节能飞机。凯尔曼公司的设备产品得到全球范围航空航天工业的认可和应用，使用凯尔曼的设备也就是打开了走向先进的航空工业的大门。
在线时间 小时
高端自动铺带机/自动铺丝机趋向大型化与高效化
作者：白狐& &
　　在现代大型飞机批量生产中，用於复材整体构件制造的自动铺带机ATL/自动铺丝机AFP则成为关键设备。20世纪90年代末本世纪初（2001年）前，基本上仅有美国Cincinnati机床公司和Ingersoll公司能向航空飞机制造业提供大型ATL/AFP机床，美国ADC（Automated Dynamics Corp.）公司能够提供AFP机床。最近10多年来，航空飞机制造业对自动化复材构件制造技术的迫切需求推动了ATL/AFP机床得到长足发展和更广泛工业应用。但是和金切数控机床相比，能向航空飞机制造业提供ATL/AFP机床的制造商仍然极为有限。
　　用於航空飞机制造业的大型复杂复材整体构件铺放的高端ATL/AFP机床，进一步向大型化、高速化、自动化和集成复合化方向发展，以提供高生产率、高自动化、高性能和宽铺放应用范围的ATL/AFP机床。
　　为适应航空飞机制造业这种实际发展需求，诸如Cincinnati、Ingersoll和Forest-line公司等一些大型数控机床制造商借助其在大型数控机床结构设计技术的优势，最近几年都纷纷推出其配有高铺放进给率铺放头的新一代大型高端（High level）自动铺带机/自动铺丝机（ATL/AFP）机床，其结构尺寸越来越趋向大型化。
　　美国MAG Cincinnati机床公司的CHARGER系列ATL机床和Viper00/6000系列AFP机床发展历程可作为这种趋向大型化发展的典型实例。图1为MAG Cincinnati公司和MTorres公司两款高端大型ATL机床；
图1　MAG Cincinnati公司和MTorres公司两款高端大型ATL机床
　　图2左为Hawker Beechcraft（豪客比奇）公司应用Cincinnati公司Viper AFP机床铺放制造豪客4000超中型级别公务机复材机身整体构件情况，机身最大直径已超过2m。据报道，目前豪客4000公务机的订单已超过了100架。MAG Cincinnati公司最新Viper 6000 AFP机床铺放复材整体筒形构件直径可达6.3m，驱动心模重量达86.3t。图2　MAG Viper大型AFP机床& && & 法国Forest-line公司和西班牙MTorres公司新近推出的AFP机床可作为高端AFP机床大型化的另一典型实例。
　　图3左为法国Forest-line公司2007年推出的高端大型AFP机床FPH ATLAS，主要用於大型飞机机身段复材构件和类似零件铺放制造，并可适应半径达1m以上的内曲面（凹模）构件的铺放加工。据称其特别设计的紧奏型热固性铺丝头，维护方便，使用6.35mm束宽32束或12.7mm束宽24束纤维束料，允许最短铺放纤维长度仅80mm，铺放进给速度达60m/min（直线电机驱动）。
图3 用於大型飞机复材构件铺放加工的AFP机床
　　图3右为西班牙MTorres公司新推出的高端大型AFP机床TORRESFIBERLAYUP，用於A350 XWB机翼前/後梁和15段机身复材整体构件制造，紧奏型热固性铺丝头可配置使用3.2mm、6.35mm或12.7mm束宽32束纤维束料，铺放速度达60 m/min，最高铺放生产率可达45-50kg/hr。Forest-line公司和MTorres公司这两款高端大型AFP机床总体结构都可根据实际需求，或者说根据复材零件结构需要而设计为立柱移动式的，并可带或不带卧式转台驱动结构，或者设计为龙门横梁移动式结构。
　　目前，用於航空飞机复材构件制造领域的高端ATL/AFP机床发展除其趋向更加大型化外，并出现如下若乾发展新趋势：
　　（1）大型ATL机床多趋於釆用低轨龙门移动结构设计，以取得更佳开放性，多设计有可选择配置不同规格（宽带或窄带）的铺带头，以实现铺放构件复杂度与生产率两者得以兼顾；
　　（2）大型AFP机床多设计配置有紧奏型热固性铺丝头，通过可选择的“窄带多束”或“宽带少束”铺丝头配置以满足不同用户需求，实现铺放生产率与制造构件复杂度两者得以兼顾；
　　（3）大型ATL/AFP机床进给高速化（50~60m/min），以取得高铺放生产率（25~50kg/hr）；
　　（4）大型AFP机床多数设计有专用纤维束经轴架辅助装置；
　　大型ATL/AFP铺放机床的总体结构设计，通常是考虑到被铺放零件的实际结构类型和尺寸大小，一般为高专用性设备，尽管它仍具有一定宽的应用范围；现代数控机床的多主轴加工、加工单元以及复合加工等技术概念被扩展应用到ATL/AFP机床上，以实现进一步提高其铺放生产率。
　　在风力发电设备制造领域，用复合材料制造的大型风力发电设备螺旋桨叶片的巿场需求急速增长，且随着发电功率的增大，所需的风机桨叶尺寸也越来越大，其长度可达30~50m。人们对大型螺旋桨叶复材整体构件的铺放制造需求也是促进ATL/AFP铺放设备趋於大型化发展的另一个推动力。
复材在线原创文章
在线时间 小时
本帖最后由 暴力英雄 于
07:33 编辑
复合材料制造关键设备——热压罐主导企业TERRUZZI特鲁兹公司产品介绍& && & 热压罐可用于金属/非金属胶接构件和树脂基高强度玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维等复合材料制品。如飞机舱门、整流罩、机载雷达罩，支架、机翼、尾翼等，是航空航天先进材料生产中的主要设备。在这一领域，意大利特鲁兹公司是其中的佼佼者。
　　TERRUZZI特鲁兹公司创建于1897年。特鲁兹的热压罐已经被用于欧洲阿丽亚娜火箭和空客A380，A320, A316和A400M军用运输机的复合材料部件制造，迄今特鲁兹已为用户提供600多套热压罐，并已进军中国。
特鲁兹热压罐主要技术指标：
　　• 罐体直径：9米
　　• 罐体长度：60米
　　• 最高温度：400℃
　　• 温度一致性：±1℃
　　• 温度升降：0.5℃-5℃/Min
　　• 操作压力：3MPa
　　• 压力精度：±0.01MPa
　　• 压力升降：0.2MPa/Min
特鲁兹热压罐特点
1）罐门独立支承:
　　罐体不承受罐门自重，罐体不会因受罐门自重产生变形。
2）采用无齿三环结构门:
　　罐门与罐体贴合后无需旋转，靠第三环卡紧。罐门开关无阻碍。
　　三环式结构门 ------ 活动门与固定门间不旋转，靠第三环卡紧密封，密封圈在开关门时不会受摩擦磨损。
　　门环无齿结构 ----- 开关门不用对中（不像齿环结构门要求对中，和会因罐体椭圆变形、活动门下坠造成齿槽卡死，干扰门的开关密封）。
3）罐门采用自力密封圈：
　　罐门密封圈依靠热压罐内压缩气体密封，密封圈不受外力挤压。
　　由于罐门锁紧不需旋转，密封圈不会受到摩擦磨损。
4）密封圈有专门的冷却系统：
　　特鲁兹采用的密封圈材料是目前世界上最好的密封圈材料，可承受200°C的高温。
　　为确保密封圈不受热损伤，特鲁兹为工作温度到达200°C以上的热压罐配备有密封圈冷却系统，以使密封垫圈在高温下有较长的寿命。
5）独特的加热系统：
　　由带翅片的多层加热管组成的加热器被布置在离心风机进风口端
　　使循环气体与加热器间进行充分地热交换，有很好的热交换效果，热能的利用率高。
6）采用雾化水预冷:
　　预冷时，压缩空气对冷却水进行雾化。在压缩气体作用下，雾化水能象气体一样均匀地进入到热压罐冷却器各管道内，使冷却器各部降温速率一致，使冷却器水排受到的热冲击小，热变形小，且能高精度地控制热压罐的冷却速率。
7）专门的计算软件：
　　用于风机叶片曲面设计和抽风筒、风道的设计
　　温度一致性高，可达±1℃
8）可采用DCS控制系统：
　　DCS控制系统的容量大，控制可靠，安全，特别适用于大型热压罐
部分复合材料热压罐用户
　　欧洲航空防务及航天公司/菲亚特艾维欧航空公司/西班牙欧洲航空防务及航天公司太空服务部/阿古斯特直升机公司/意大利艾维欧航空公司/菲亚特艾维欧航空公司/意大利阿莱尼亚航空航天公司/印度拉森-图布罗公司/意大利SALVER公司/菲亚特艾维欧航空公司/意大利航空公司/意大利COMAS公司/意大利M.P.I.公司/SISTEMA航空复合材料制造公司/意大利MOREGGIA航空航天公司/意大利MARCEGAGLIA工程制造公司/法国ZODIAC宇航设备/意大利阿尼克公司/菲亚特艾维欧航空公司/阿莱尼亚航空航天公司
特鲁兹提供的热压罐典型实例
1．用户：欧洲航空防务及航天公司（EADS CASA ）
　　主要参数：
　　• 罐体直径：7.2米
　　• 罐体长度：17米
　　• 操作温度：400℃
　　• 操作压力：1.4 Mpa
　　• 加热功率：2250 KW(电加热)
　　• 冷却功率：2000 KW
　　• 风机马达功率：200 KW
　　• 热压罐内温度一致性：±1℃
　　• 热压罐内压力一致性：±0.01 Mpa
　　• 升温降温速度范围：0.5℃/Min – 5℃/Min
　　• 真空管路数量：40
2．用户：意大利艾维欧航空公司（AVIO AEROSPACE）
　　主要参数：
　　• 罐体直径：5米
　　• 罐体长度：16.8米
　　• 操作温度：175℃
　　• 操作压力：1.1Mpa
　　• 加热功率：1600 KW（蒸汽加热）
　　• 冷却功率：2300 KW
　　• 风机马达功率：170 KW
　　• 热压罐内温度一致性：±1℃
　　• 热压罐内压力一致性：±0.01 Mpa
　　• 升温降温速度范围：0.5℃/Min – 5℃/Min
　　• 真空管路数量：40
3．用户：欧洲航空防务及航天公司（EADS CASA）
　　主要参数：
　　• 罐体直径：6.7米
　　• 罐体长度：12.4米
　　• 操作温度：250℃
　　• 操作压力：0.7Mpa
　　• 加热功率：980 KW（电加热）
　　• 冷却功率：1350 KW
　　• 风机马达功率：145 KW
　　• 热压罐内温度一致性：±1℃
　　• 热压罐内压力一致性：±0.01 Mpa
　　• 升温降温速度范围：0.5℃/Min – 5℃/Min
　　• 真空管路数量：12
4．用户：意大利SALVER公司
　　主要参数：
　　• 罐体直径：4米
　　• 罐体长度：13米
　　• 操作温度：200℃
　　• 操作压力：1Mpa
　　• 加热功率：816 KW（油加热）
　　• 冷却功率：650 KW
　　• 风机马达功率：55 KW
　　• 热压罐内温度一致性：±1℃
　　• 热压罐内压力一致性：±0.01 Mpa
　　• 升温降温速度范围：0.5℃/Min – 5℃/Min
　　• 真空管路数量：24
5．用户：艾维欧航空公司（AVIO AEROSPACE）
　　主要参数：
　　• 罐体直径：5.66米
　　• 罐体长度：25.1米
　　• 操作温度：175℃
　　• 操作压力：1Mpa
　　• 加热功率：3000 KW（蒸汽/油加热）
　　• 冷却功率：3000 KW
　　• 风机马达功率：200 KW
　　• 热压罐内温度一致性：±1℃
　　• 热压罐内压力一致性：±0.01 Mpa
　　• 升温降温速度范围：0.5℃/Min – 5℃/Min
　　• 真空管路数量：6
本帖子中包含更多资源
才可以下载或查看，没有帐号？
在线时间 小时
复合材料数字化制造技术在飞机壁板上的应用
中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司 唐姗姗 & && & 由于具有高强度、耐高温、耐腐蚀、重量轻等优良的性能，先进复合材料在航空器结构上的应用已经与铝合金并驾齐驱，成为当今材料技术发展最为迅速的领域。航空复合材料性能水平及其在结构中的应用水平，已经成为飞机结构先进性的一个重要标志。但是复合材料设计/制造的复杂性和独特性，使复合材料构件的成本、性能受到一定的影响，大量复合材料的应用更是对制造能力提出了巨大的挑战。为迎接这一挑战，构建复合材料构件数字化设计/制造环境，实施复合材料构件数字化设计/制造技术，已成为国内外航空企业的必然选择。
工艺方案的探索与制定
& && & 某壁板长4m，宽1.2m，铺层为29层，材料为碳纤维单项带材料。与以往零件不同，该壁板不但尺寸大，而且加强层多，占到所有铺层的1/2，且每一层加强层的轮廓都不相同，还有7根长度不等的长桁，定位难度非常大。壁板铺层如图1所示。
& && & 壁板零件制造的传统方法是工装定位长桁，铺贴样板定位加强层。但是经过试验，发现这个方法在该壁板零件的制造上不可行，不仅耗费在定位上的时间长，并且定位精度达不到设计图纸的要求。而且每层加强层的形状都不相同，如何准确下料也是需要攻克的难题之一。
& && & 采取数字化生产能很好地解决零件精度的难题，应用数控下料机精确下料，应用激光定位铺层系统进行加强层和长桁的定位，不但可以提高零件的质量，还节约了昂贵的原材料，省去下料、定位样板，节省了工装成本，而且也大大减少工人操作的时间，提高了劳动效率。该壁板是采用CATIA CPD软件完成复合材料零件的工艺数模设计的，使用MAGSTIC软件完成排料优化及工艺数模信息与加工设备的接口输出，生成数控下料及激光投影程序，并将数据传递到数控下料机和激光定位铺层系统，实现数字化生产。
建立分层数模
& && & 建立复材分层数模是第一阶段，由于这一技术还未在国内大规模推广，设计下发的数模只有实体模型和一些加强层的定位线、轮廓线。要想走通这条数字化流程，就必须在设计实体模型的基础上再次建立复材分层数模。作为工艺人员，不能改变设计者的意图。所以在零件实体模型已经设计完成的情况下，只能在实体模型基础上，结合图纸，进行逆向建立复材工艺模型。因此，在建立模型时就不能基于区域设计，而必须逐层做出每一层铺层的轮廓线，再进行手动铺层，完成数模的建立工作。
设计数模转制造数模
& && & 在分层数模建立好之后，下一步是进行工艺性修改，包括加放工艺余量，在铺不平、展不开的地方开剪口，对超过材料幅宽的料片进行切片以及可制造分析和料片展开。对于该壁板零件来说，由于其尺寸大，就必须将每一层都分割成材料幅宽范围内的小的切片。
制造信息输出
& && & 由CATIA CPD软件设计完成的复合材料数据需通过接口导入自动下料机和激光定位铺层系统，用于下料和铺层定位，数据接口是连接设计数模与制造设备的关键。MAGESTIC公司针对此项需要开发了Trunest和TruLaser/view第三方软件，Trunest软件分为2部分，一部分为集成在CATIA内的，主要是将展开的料片外形导出为排料软件可识别的文件，另一部分为排料软件，进行复合材料料片的排料优化。TruLaser/view集成在CATIA环境内，主要用于将工艺数模设计完成后的三维数据生成为激光投影定位铺层系统进行激光投影仪投影时的程序。图2~3是制造信息输出时软件的截图。
TRUNEST 软件的应用
& && &排料优化有2种方式：一是手工方式，二是采用MAGESTIC软件。手工优化方式：从CATIA下导出每一层料片的文件，再用AUTOCAD软件把每一层料片排在一张下料图上，此时需要为每一个铺层手工加上编号，之后导入数控下料机下料。这种方式费时费力，材料的利用率也不是最高，还容易出错。采用MAGSTIC软件方式需要先将所有铺层的信息从CATIA下导出，导入MAGESTIC排料软件，需要预先设定好材料幅宽、材料属性，点击软件进行排料，就可以完成所有铺层的排料。排出的材料利用率比手工排料要高，节约了昂贵的材料，每一层都自动生成对应的铺层编号，节省了工艺人员的时间。
TruLaser软件的应用
& && & 完成复合材料零件的制造数模设计后，将激光投影定位设备需要的文件通过数据接口传递到激光投影定位仪中，传递数据有手工方式和采用第三方软件2种方式。
& && & 手工方式是从CATIA下导出每一层料片的数据，依靠手工编辑得到的投影文件，虽然经过了生产验证，但存在的问题有手工编辑非常复杂，准确性很差，耗时非常长，一个零件投影程序的编制所用时间平均为10h以上，而且每做一次试验就需要重新再编辑一次。
& && & 采用MAGESTIC软件，投影文件可以直接由TruLaser生成，传递到激光投影定位铺层系统中，按零件的铺层和复杂程度所用的时间有所不同，但是平均1h 就能出完程序，并且正确率高。
数控下料机的应用
& && & 材料优化排料后就要进行数控下料，使用的设备为履带式下料机，它可以识别dxf文件和g-code文件。dxf文件可由排料软件直接生成，它是一种图形文件，工艺人员可以方便地检查零件料片的形状和编号，在切割时可方便挑选料片进行补切，若有未完成的任务，也可方便找出断点继续下料。而g-code文件是由数字点位组成，没有这些功能。因此我们采用dxf文件进行下料。
& && & 零件材料是通过真空吸附的方式固定在下料机台面上的，下料机台面宽度为1800mm，上面布满了真空抽气用的小孔，通过真空吸附使材料紧紧地吸附在平台上，启动裁割程序，实现自动下料。
激光投影铺层系统的应用
& && & 采用激光投影定位技术铺层时，需要工装文件、料片数据文件以及系统配置文件3个文件，料片数据文件即为上面所做的工艺数模设计最后导出的数据文件，工装数据文件是指工装的三维空间坐标数据文件，该数据由测量机测量后导入激光投影定位仪中，系统配置文件为激光投影定位仪自身生成的文件，具备3个文件后就可以进行实际铺层了。激光投影定位仪系统由一台控制计算机、若干个激光头和一系列的工装定位头（光敏元件）组成。使用该系统时，首先将铺放工装固定在激光头下面，将工装定位头固定在工装的定位点上，作为建立工装三维空间准确位置的参考点，投影系统通过用光线扫描工装表面的定位点进行自校准。工装定位点通常要包含工装上的最高点和最低点，其他点沿着工装的边缘均匀选取。控制计算机根据基于构件的CAD三维设计数据生成的激光投影文件，通过特殊反光镜，控制激光束将构件铺层形状轮廓线上的点依次投影到模具表面，由于点投影的更迭移动速度极快（每秒300m以上），在操作者眼中，模具或零件表面会生成相应的边界轮廓线，操作者可根据该轮廓线进行有关的定位操作（如定位铺叠等），从而免除传统的铺叠样板。在进行激光投影定位铺层时，注意以下几点：
（1）工装数据。
& && & 工装表面的定位头数据必需测量准确才能得到好的校准结果。任何料片数据与工装数据之间的误差都会造成投影的不精确。料片数据和它的工装是对应的。企图将一个工装的料片数据投影到另一个工装上，将不会生成有用的图像。
（2）定位头。
& && & 定位头是放置在工装上已知位置的，它是带有逆向反光材料的圆柱形零件，可将激光反射回激光头，这样，系统就能检测到定位头位置。激光系统在一定区域扫描定位头，这样在校核工装过程中，操作员不需要精确定位激光的投射位置。激光找到定位头的位置后，系统控制计算机利用定位头的位置，计算出工装的空间位置。
（3）划分投影区。
& && & 当用多个激光头进行投影时，激光头可在2种模式下工作。一种是重叠模式，激光头将投影它所能投射到的所有区域。另一种是分区模式，激光头仅投影预先定义的区域。这个预先定义的区域叫做“ 剪裁区”。剪裁区可以人工定义，但如果料片文件包含法向量数据信息，投影系统可以自动生成剪裁区。采用分区模式进行投影的好处在于可以增加激光亮度和减小闪烁。TruLaser软件生成的程序已经包含数据的法相量，再进行投影时不需要再进行额外的设置。
& && & 传统的长桁定位方法，是利用工装上的定位线，依照图纸尺寸，用量具量出位置，再进行铺贴。这种定位方法需要依次量取每一根长桁的位置，不仅耗费时间长，而且中间出现误差的地方很多，很容易出现按照测量的距离铺贴完成后，组合工装时出现干涉。采取激光投影定位的方法可大大提高定位的准确度，提升产品质量，而且也可减少工人反复测量和挪动工装的时间，提高劳动效率。
& && & 复合材料零件的数字化设计和制造技术，解决了高精度壁板零件在生产中的技术难题，提高了下料和定位精度，提高了产品质量和劳动生产率；节约了下料、定位样板，降低了工装成本；通过排料优化技术，提高了材料的利用率，从而降低了生产成本。该技术有效地推进了复合材料零件制造技术的迅速发展，并已成功应用于国内外各种飞机的复合材料构件，使国内的复合材料制造技术与国际接轨。
文章来源：航空制造技术 2010年17期
在线时间 小时
本帖最后由 暴力英雄 于
07:48 编辑
哈飞集团直升机复合材料构件数字化生产线技术研究
中航工业集团哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 李薇 刘秀芝 杨楠楠 高大伟
摘要：本文研究了飞机复合材料构件数字化生产线的体系结构，指出打通数字化生产线的关键在于实现数字化设计中心和数字化制造中心内部各环节数据及之间数据的顺畅流动。介绍了飞机复合材料构件的数字化产品定义，数字化工装设计，数字化工艺设计，数字化制造和生产组织管理以及打通复合材料构件数字化生产线数据流等方面所做的工作和实施效果。
关键词：直升机 复合材料 数字化 生产线 设计制造 1 概述
& && & 先进复合材料具有比强度和比刚度高，性能可设计，抗疲劳，耐腐蚀性能好和易于整体成形等诸多优点，将其用于航空航天结构上，可比常规的金属结构减重25%～30%，并可明显改善其气动弹性特性，提高飞行性能，这是其它材料无法或难以达到的。随着计算机技术和数控技术的不断发展，各种各样的软件和数控设备相继出现，使复合材料构件研制过程以数字量传递成为可能，为复合材料构件实现数字化制造创造了良好的条件。另一方面，在国内飞机制造业中，复合材料构件的设计制造大多仍沿用传统的模拟量尺寸传递体系，数字化设计制造技术虽得到了实际应用，并取得了一定的效益，但基本处于孤立的状态，尚未实现复合材料构件从设计，工艺，工装，制造到检测整个过程中的信息共享，没有打通整个数字化设计制造环节，致使现有的数字化设计制造技术不能充分发挥其应有的作用。美国波音公司在波音777型飞机型号研制中采用数字化技术，使研制周期缩短50%，出错返工率减少75%，成本降低25%，已经成为数字化设计制造技术在飞机研制中应用的标志和里程碑。在波音787飞机项目中采用FiberSIM软件进行复合材料构件产品的数字化设计，并将设计数据向全球的合作伙伴进行发放，保证了复合材料构件数据的唯一性和准确性。飞机复合材料构件数字化生产线技术，重在将复合材料构件设计制造技术与数字化技术相结合，实现复合材料构件设计与制造各环节数字化，各环节之间的数据流畅通和复合材料构件在并行工作模式下的设计，工艺，制造，检测，装配全过程的集成。
2 飞机复合材料构件数字化生产线总方案
& && &&&飞机复合材料构件数字化生产线总方案如图1所示。
& && & 本工程以计算机网络环境和并行工作模式为基础，在企业工程数据管理系统支撑下，由两个大的环节构成——数字化设计中心和数字化制造中心。其中数字化设计中心主要完成复合材料构件的相关设计任务，包括构件的数字化定义，铺层设计与排样，铺放与缠绕轨迹设计，CAE分析与仿真，工装设计，工艺设计与制造过程仿真等，数字化制造中心主要完成毛料剪裁(预浸料和蜂窝)，激光铺层定位，自动铺放，自动铺丝与缠绕，固化成型，切边钻孔，部件装配，质量检测等制造任务。
& && & 从图1中可以看出，构建复合材料构件数字化生产线，除实现两大环节的数字化外，还必须保证各环节之间数据流畅通。基于数字化生产线总方案，围绕复合材料构件数字化设计，数字化工艺设计，数字化工装设计，数字化制造，数字化检测，并行工作管理，工作流程管理和质量控制等开展研究，并将精益制造理论和思想融合到整个生产体系中。
3 复合材料构件数字化生产线技术研究
3.1 复合材料构件数字化生产线体系
& && & 飞机复合材料构件数字化生产线体系研究主要围绕复合材料构件数字化产品设计，数字化工艺设计，数字化工装设计，数字化制造，数字化检测，并行工作管理，工作流程管理，质量控制等开展，并将精益制造理论和思想融合到整个生产体系中。
(1) 复合材料构件数字化生产线构成
复合材料构件生产线平面布置图如图2所示：
图2 复合材料生产线平面布置图& && & 从图2中我们可以看到：复合材料构件生产线由9个区域组成，即材料存储区，预浸料下料区，蜂窝下料区，铺层区，固化区，复材机加区，复材检测区，复材部件装配区，喷漆区。总面积达5万余平方米，在亚洲是最大的。在企业近年的技术改造项目实施后每个区域都可实现数字化。
(2)复合材料构件生产线流程
复合材料构件数字化生产线典型流程如图3所示：
图3 数字化生产线典型流程3.2 复合材料构件数字化设计技术
& && & 复合材料构件的最显著工艺特点是在完成材料制造的同时完成产品的制造。因此，复合材料构件的数字化定义与其它材料零件的定义方法有明显的区别，其数据不仅包含构件的几何信息，铺层信息，还要包含相关的材料制造信息等非几何数据。
3.2.1 FiberSIM解决方案
& && & FiberSIM可以完全集成于用户已有的CAD系统中，使CAD系统成为高性能的设计/制造复合材料构件的软件工具。该软件可以提供专业的工程设计环境，高效地处理复合材料及其结构的复杂性问题，能够捕捉CAD系统中复合材料构件的完整定义，管理复合材料数据，在项目内部共享复合材料构件的定义。FiberSIM复合材料工程设计环境见图4。
图4 FiberSIM复合材料工程设计环境& && & FiberSIM软件独有的铺层仿真技术，能够预测复合材料如何与复杂的表面贴合，支持整个复合材料的工程过程，该软件使工程师同时在构件几何，材料，结构要求以及工艺过程约束之间进行权衡，使用FiberSIM软件，工程师能快速可视化铺层形状和纤维方向，在设计阶段即发现制造问题，并采取相应的纠正措施，实现DFM.从初步设计，详细设计直至制造车间，设计师借助该软件很容易创建和转换设计，工程图以及相关的数据，并使零件数据在FiberSIM软件，设计，制造以及商业应用之间进行交换和传递。
& && & FiberSIM可选模块有：分析接口模块，文档生成模块，平面图样输出模块，激光投影模块，纤维铺放接口等，以构件定义信息为源头，向强度分析，工艺设计，工装设计，制造过程仿真和相应的制造设备传递复合材料构件的几何信息，材料信息，铺层信息等。
3.2.2 复合材料构件数字化定义
& && & 在设计阶段的产品定义过程中是以工程数据集为核心来组织数据，是支持产品数字化设计，制造全过程的基础，是制造，检验的重要依据。一个数据集是包含产品的几何信息，绘图数据以及相关信息的一个或几个CAD模型，一般同时存在三维模型和二维模型，二者分别在三维空间工作模式和二维绘图工作模式中建立，但它们不是完全独立的，二者之间存在着关联关系，二维视图中的元素由空间的实体或曲面引出，对原空间实体或曲面的任何修改都会自动反映在二维视图上。
(1)复合材料构件的三维模型定义
& && & 由于其定义方法的特殊性和复杂性，复合材料构件的最终形状是由许多铺放在模具表面的铺层固化形成的，每个零件的不同区域厚度会有所不同，而且是逐步变化的。座舱罩顶棚铺层定义如图5所示，通过从设定的铺层信息直接生成铺层表面和三维实体，这些表面可用于制造数字实物模型，生成零件铺叠表面，产生配套工装的内表面和中间铺层表面等。座舱罩顶棚实体模型如图6所示，三维实体用于定义构件的形状以及定位特征(如成形面的参考曲面，零件模型的定位点等几何信息)，以便在重量和重心分析，数字化预装配，工装设计，运动部件的模拟运动分析等过程中应用。因此，复合材料构件三维实体建模的核心问题是表现材料制造信息的铺层设计。铺层设计中有两个重用的概念：铺层和铺层集，并且铺层集和铺层都有编号。
(2)复合材料构件的二维模型定义
& && & 在数据集中，三维模型是最主要的数据，但二维图纸模型也是必不可少的，一般由三维模型生成。在模型的二维视图中，需要完整的定义出复合材料构件的结构形式和几何外形尺寸等信息，在目前生产实际中，二维图纸仍然是进行复合材料构件制造加工，检验，质量保证的重要依据，也是供应商评估和投标的重要依据。在复合材料构件的二维图纸上，需要有剖面示意图，铺层图，铺层标注，铺设取向标注以及铺层表等内容，铺层表用来对照零件的铺层，材料，取向等信息，如图7所示。
图7复合材料构件二维图纸及铺层表的放大图3.2.3复合材料构件工艺设计
& && & 基于CAPPFrameWork和ORACLE， 结合企业复合材料工艺设计及管理的特点，开发了具有企业特点的复合材料构件快速工艺设计系统。系统主要功能模块包括：产品结构管理，工作任务分配，工艺设计审批，工艺知识管理，材料定额信息管理，工艺文档管理，用户角色管理，系统配置工具等。
3.2.4复合材料构件工装快速设计
& && & 工装的数字化设计是实现复合材料构件数字化生产线技术的关键环节之一，主要内容包括标准件库，典型工装结构库的建立，快速装配技术研究和复合材料工装快速设计系统开发等。在项目实施中，利用CATIA的建模功能建立组成组件的子零件，然后装配生成组件，组件为Product形式。这种解决方案可在CATIA交互环境下运行，使用标准件库时，提供三维预览窗口，并且预览模型能示意各主要参数，从而可以直观地了解各参数的意义，进而可以脱离手册的限制，能够在CATIA当前装配模型内生成所选组件的实体模型。基于CATIA二次开发了标准件批装配模块，实现了基于装配特征的标准件的自动装配。图8所示为组件预览界面。
3.3 复合材料构件数字化制造技术
& && & 复合材料构件的数字化制造技术主要是结合我公司的软硬件的实际情况，包括复合材料自动下料，激光投影等各方面技术。
3.3.1预浸料数控下料
& && & 复合材料构件生产过程中，预浸料下料是一个费时，费力，繁琐的工序，我公司采用专门的数控切割设备-自动剪裁机进行预浸料的平面切割，实现预浸料的自动下料。应用FiberSIM软件设计的复合材料构件的每一三维铺层信息展开为二维铺层展开数据后，经铺层切割数据转换接口生成预浸料排样数据，直接输入自动剪裁机控制软件指导材料自动切割。自动剪裁的预浸料消除了手工下料样板，每一铺层的形状和纤维方向更加准确，并且都印有铺层编号，减少了铺放过程中的错误，其下料比手工下料效率可提高3倍以上，节约原材料20%左右，此外，排样是优化材料利用率的主要因素。图9是座舱罩顶棚的排样下料数据。
3.3.2激光投影系统的应用
& && & 复合材料专用设计/制造软件FiberSIM基于构件的CAD三维设计数据生成激光投影数据输入到激光投影系统中，通过特殊反光镜，控制激光束将构件铺层形状轮廓线上的点依次投影到模具表面，由于点投影的更迭移动速度极快(每秒300m以上)，在操作者眼中，模具或零件表面会生成相应的边界轮廓线，操作者可根据该轮廓线进行有关的定位操作(如定位铺叠等)，从而实现各铺层的精确定位，免除了传统的铺叠样板。图10是基于构件的三维实体模型生成激光投影数据的过程。
3.4复合材料数字化生产线集成技术
& && & 复合材料构件数字化生产线以全面采用数字化技术为主要标志，采用计算机定义，描述，管理和使用复合材料构件开发过程中所包含的数据以及这些数据之间的相互关联。复合材料构件数字化设计和数字化制造是复合材料构件数字化生产线的主要组成部分，两部分通过设计与制造之间的数据传递，转换实现数据的集成。
3.4.1数字化生产线数据传递关系
& && & 复合材料构件数字化生产线与传统生产方式的显著区别在于采用数字量形式对产品进行全面描述及数据传递，实现复合材料设计，材料，工艺的一体化。生产线数据流主要包括设计软件与分析软件之间的数据传递，产品设计与工装设计间的数据传递，设计与工艺之间的数据传递，设计与制造系统的数据传递等。图11是复合材料构件数字化生产线数据传递关系。
图11复合材料构件数字化生产线数据传递关系(1)设计软件与分析软件之间的数据传递
& && & 典型的复合材料构件设计首先基于预期的载荷确定设计要求，结合分析提出的设计要求以及其它使用环境等要求初步选定材料和成形工艺。初步选定材料和成形工艺后，通过FiberSIM软件与分析软件之间的接口将几何模型和粗略的铺层定义数据输入有限元分析软件进行结构计算以及结构优化，并将区域划分以及各区域的详细铺层定义数据反馈回复合材料工程环境进行铺层详细设计，设计完毕再将铺层详细定义数据包括纤维真实走向和其它细节等输入分析软件包进行设计验证，如此反复修改，验证直至达到最优设计，分析是对设计结果的验证，设计满足分析提出的要求，设计人员与分析人员之间组成了一个闭环。
(2)设计与工艺之间的数据传递
& && & 工艺设计是连接产品设计和制造的桥梁，是产品从数字化概念定义走向实物的必不可少的信息转换环节。工艺部门接收设计部门发放的产品设计数据包括二维图纸，技术文件等，包含了产品的项目信息，构型信息，零组件的几何，材料，铺层信息。工艺人员对产品的设计结构进行分解和转换，变成可用于指导生产的工艺结构。与此同时，对每一个要生产的零组件设计其加工工艺，设计或选择其工装夹具，指定原材料和计算材料定额，统计标准件，外购件等非生产零件的需求，编排工时定额等。工艺部门除了产生用于指导生产的工艺规程数据文件外，还要进行材料定额等各种统计汇总，并将数据传向采购，库存，调度等生产准备和管理部门，以保证生产的顺利进行。
(3)设计与工装之间的数据传递
& && & 设计传递到工装系统的数据包括：二维图纸，三维模型，技术文档等。
(4)设计与制造系统的数据传递
& && & 设计传递到制造系统的数据包括铺层展开图，下料数据，激光投影数据，技术文档，纤维铺放数据等。
& && & 铺层展开图：铺层设计完成后，应用FiberSIM软件曲面展开技术，将构件的三维实体模型逐层展开生成铺层的展开数据，将每一个曲面铺层展开为一个对应的二维平面图形，用以输入到排样系统和自动下料机进行自动排料和自动剪裁。
& && & 激光投影文件：应用FiberSIM软件，基于构件的CAD三维设计数据生成激光投影数据，输入到激光投影系统中进行铺层定位， 在成形模具上进行激光投影。
3.4.2典型应用系统集成
& && & 对应复合材料构件数字化生产线中的数据流动关系(如图12所示)，需要集成的应用系统包括设计系统内部的集成，设计系统与分析系统的集成，设计系统与工艺设计系统的集成，设计系统与工装设计系统的集成，以及设计系统与制造系统的集成等。
图12 数字化生产线中的数据流集成(1)设计系统内部的集成
& && & 复合材料构件数字化设计为后续优化，分析，制造等环节提供数据的源头，是构建复合材料构件数字化生产线的基础。除常用的CAD外，复合材料专用设计/制造软件是实施复合材料构件数字化设计不可缺少的工具。目前世界领先的复合材料专用设计/制造软件有CATIA CPD模块和VISTAGY公司开发的FiberSIM 软件。前者与CATIA系统全面集成，后者亦能完全集成到CATIA，Pro/E，以及UG等CAD软件中。复合材料专用设计/制造软件与已有CAD系统的集成提供了高效的复合材料数字化设计/制造工具。
(2)设计系统与分析系统的集成
& && & 复合材料构件数字化设计/制造软件FiberSIM提供数据接口输出进行有限元分析所必需的数据，保证了设计和分析共享同一CAD主模型。
(3)设计系统与工艺快速设计系统的集成
& && & 设计系统与工艺快速设计系统之间通过数据接口实现复合材料构件二维图纸，技术文件，BOM等信息的集成与共享。
(4)设计系统与工装设计系统的集成
& && & 在并行设计工作环境中，产品设计与工装设计在同一平台上实现无缝集成，工装设计工程师直接利用产品设计工程师提供的复合材料构件产品三维数据进行复合材料构件工装的设计，并将工装边界信息传递给产品设计工程师进行复合材料构件预浸料铺层的详细设计。
(5)设计系统与制造系统的集成
& && & 除采用数字量形式对复合材料构件进行全面描述及数据传递之外，复合材料构件数字化设计/制造软件FiberSIM提供数据接口以联系设计和制造环节，在并行设计过程中使制造与设计定义直接结合，实现了设计到制造车间的无缝集成，其集成过程如图13所示。复合材料设计人员完成铺层设计后，自动从设定的铺层定义生成三维实体后，基于该三维CAD模型生成铺层展开数据，为制造做数据准备，铺层展开数据进一步提取生成下料机专用的下料文件和支持Virtek和General Scanning等激光投影系统的激光投影编码(或提供中介APT格式文件)，通过数据接口将上述文件信息分别输入到自动剪裁机和激光铺层定位系统，自动进行优化排样，下料以及各铺层的精确定位。
3.4.3复合材料构件制造过程数据管理系统开发
& && & 复合材料车间制造执行系统是实现协同生产，信息的集成共享和生产精细化管理的手段。该系统主要实现的功能包括：生产作业计划和调度管理，物料需求配送管理，零件执行跟踪，库房管理，岗位管理，人员管理，权限管理和统计管理，以及ERP和CAPP接口等功能。系统框架图如图14所示。
图14 车间制造执行系统框架图4 取得的成果
& && & 复合材料构件数字化生产线建设是一项庞大而复杂的系统工程，我们本着总体规划，分步实施的原则开展了项目的初步研究并取得了一些阶段性成果，主要有：
(1)制定了我国第一条飞机复合材料构件数字化生产线的总体建设方案，初步建立了复合材料构件数字化生产线体系框架，对国内飞机制造业研究建立复合材料构件数字化生产线具有重要参考价值；
(2)改变了长期以来一直采用金属件设计方法进行复合材料构件设计的模式，对复合材料构件产品每一铺层进行数字化定义，实现了将复合材料构件产品数字化定义数据从设计初期传递至工装设计，工艺设计，数控剪裁设备和激光铺层定位系统，基本打通了复合材料构件在现有计算机软，硬件及数字化制造设备条件下从设计到制造过程的数据流；
(3)以复合材料构件研制流程为主线，研究复合材料构件数字化工程环境中数据拓延和传递关系，开发了复合材料构件制造过程信息管理系统，工艺快速设计系统，工装快速设计工具集等软件系统和数据接口，实现了CAD/CAPP/CAM/ERP的集成；
(4)初步建立了工艺基础数据库，工装标准件库，典型工装结构库；
(5)编制了复合材料制件工装建模要求和数控编程通用要求两项航空行业标准。
5 实例验证
5.1直升机全复合材料座舱罩顶棚研制
& && & 在直升机全复合材料座舱罩顶棚设计过程中，应用数字化手段进行构件的数字化产品设计，数字化工艺设计，数字化工装设计，数字化制造及数字化检测等，验证了从设计，工艺，工装到制造的数字化流程(见图15)。
图15 设计与工艺制造一体化流程图5.2蜂窝夹层结构板件设计
& && & 蜂窝夹层结构板件设计应将蜂窝下面的铺层和蜂窝上面的铺层各设计一个laminate，便于铺层展开。各铺层展开时有时会存在问题，为保证铺层精度和便于工人操作，有些铺层下料文件需进行适当调整，以满足需要。
(1) 蜂窝下面带有开孔的铺层需带着开口展开成下料图，但对于带有开口超幅宽的铺层，软件展开下料图(见图16)，需要在下料微机上对铺层下料文件进行调整(见图17)；
(2) 对于蜂窝夹层结构板件，由于蜂窝具有一定的高度，蜂窝上面板的铺层通过FiberSIM软件生成的下料图，不是很规范(见图18)，与相应铺层的激光投影范围不协调，制造困难，需要对不规范的平面图样输出文件进行调整(见图19)，调整时要参考各铺层的激光投影范围进行调整，经首件验证后，确定各铺层准确的下料图。
& && & 飞机复合材料构件数字化生产线技术研究内容涵盖了复合材料构件数字化生产线体系，复合材料构件数字化设计，复合材料构件数字化制造，复合材料构件数字化检测，复合材料构件数字化生产线集成技术五大部分，本项目以制定我国第一条飞机复合材料构件数字化生产线的总体建设方案为首要任务，理清思路，突出重点，并充分吸收国内外先进的经验，以打通复合材料构件从产品设计到工艺设计，工装设计，构件制造等过程的数据流为首要目标开展各项研究工作，取得了阶段性研究成果，对航空，航天等行业建立数字化复合材料构件生产线具有重要的参考作用。
[1] 中国航空研究院，复合材料结构设计手册，航空工业出版社，2001
[2] 杨乃宾，章怡宁，复合材料飞机结构设计，航空工业出版社，2002
[3] 欧洲航天局，复合材料设计手册，航空航天部飞机强度研究所，1992
[4] 戴棣，谢富原，航空复合材料结构的先进制造技术，航空复合材料预研二十年回顾与展望研讨会论文集，2001
[5] 沃丁柱主编，复合材料大全，化学工业出版社，2000
[6] Robert A.Moore，TOOL ENGINEERING AND MANUFACTURING SYSTEM(TEAMS)，Presented at the American Helicopter Society 55th Annual Forum，1999
[7] 刘秀芝，黄领才等，复合材料数字化技术研究应用，第十三届全国复合材料学术会议论文集，第919页，2004
[8] 李翌辉，孙树栋，何卫平等。打通飞机数字化生产线的流程研究[J]，航空制造技术，2005(2)：28-33
[9] 刘善国，国外飞机先进制造技术趋势[J]，航空科学技术，2003(4)：26-29
[10] 徐微，王普。 数字化设计制造技术在飞机研制中的应用研究与实践-&九五&航空CIMS工程[J]，航空制造技术，2001(4)：19，20，34
文章来源：哈飞集团网站
在线时间 小时
航空模压成型工艺（一）工艺历史
& & 为追求轻质商用飞机，一个最新开启的前沿是飞机内部托架的轻质生产，其中许多托架都是长型材形式的。这些重要的但不经常被见到的飞机组装部件，长期以来都是由铝制成的。模压成型，一个与汽车和工业复合材料关系更紧密的加工工艺，将改变这种铝制托架的局面。
　　为追求轻质商用飞机，一个最新开启的前沿是飞机内部托架的轻质生产，其中许多托架都是长型材形式的。这些重要的但不经常被见到的飞机组装部件——C形通道、H形梁、U型剖面、L形和T形桁条、以及空心梯形桁条，长期以来都是由铝制成的。模压成型，一个与汽车和工业复合材料关系更紧密的加工工艺，将改变这种铝制托架的局面。模压成型(CCM)，是一个自动的半连续加工过程，可以将增强的可作热压成形的输入料带入到模具中，然后制作有效的无限长的异形型材和平面板。由一人操作，该计算机控制过程生产产品的速度，与拉挤成型的生产速度接近，异形型材的生产速度高达40米/小时（131英尺/小时），而平面板的生产速度高达91米/小时（300英尺/小时）。
左边为CCM异形型材生产线，右边为CCM平面板生产线。这两条生产线都是自动化的，由一人操作。每一条生产线都具备电脑控制喂料、挤压、切割和堆积功能　　不像热塑性拉挤成型，热塑性树脂在模具中被注入到干纤维中去，模压成型采用的输入料，与航空环氧预浸料相似，是高均衡的、用高端热塑性塑料浸渍过的连续纤维增强材料，包括聚醚醚酮(PEEK)、PEKK、聚醚酰亚胺（PEI）和聚苯硫醚（PPS）。对于非航空应用而言，聚丙烯（PP）和其他工程塑料是常见的基体材料。由此产生的热塑性结构具备了航空级别的优质质量，不可用的部分通常少于1%（已通过层压显微照片得到证实），而对于经热压处理的复合材料而言，要求不可用的部分少于2%。
Xperion公司已经采用，为用于固定空客A330/A340飞机室内侧壁板的碳纤维/聚醚酰亚胺横杆扣件装置，制作长型材和托架　　& && & 目前为止，商业产品的制作已经使用碳纤维或玻璃纤维（尽管他们可以由芳纶或其它纤维制成），其中包括高负荷结构构件，比如，用来固定空客A330/A340飞机室内侧壁板的碳纤维/聚醚酰亚胺横杆扣件装置。CCM制造商Xperion Aerospace GmbH公司（位于德国黑尔福德）表示，已经生产出3万多个这样的扣件，这些复合材料扣件代替了传统的铝制扣件，重量减轻约50%，生产成本降低了21%，两年后，部件拒绝率将小于0.1%。& && & 模压成型(CCM)不是一种新型工艺，20世纪90年代初，Dornier飞机制造公司（位于德国）的Ulrich Spelz——一位热塑性复合材料(TPC)先驱，开发了此工艺并获得了专利。1999年，Ulrich Spelz创立了ACM公司（即Advanced Composites and Machines GmbH, 位于德国，马克多夫），目的是为了推动CCM工艺的发展；为客户测试新的热塑性复合材料及原型模具；并使部件投入到批量生产中去。　　一个早期的成功产品是用于Bico AG公司（位于瑞士，Sch&nis）创新板条床设计的卡条，该卡条被提名为2002年JEC奖的候选产品。为适应模压成型，ACM公司与Dyne Design Engineering公司（位于瑞士，Niederlenz）及制造商N&geli Swiss AG公司（位于瑞士，Güttingen）合作，调整了卡条设计。CCM机器中装入了五层Gurit公司的Plytron 60% 玻璃增强聚丙烯单向预浸带后，就开始加热并挤压这种材料。由此产生的加固片材自动被切割成650毫米×200毫米（25.6英寸×7.9英寸）的板块。这些板块被送入到一台双面图案成形液压机内，液压机对其加热直到可以压印为止，每50秒，压印25根发条，每根卡条25毫米宽，大约70毫米长，1.4毫米厚（0.98英寸×2.75英寸×0.06英寸）。到2007年为止，通过这种工艺平均每年生产的卡条有140万根。
Xperion采用模压成型工艺，为Bico AG公司压制复合材料床用卡条，从2001年到2007年一共生产了800万根卡条
　　2004年，ACM公司与波音公司幻影工作室合作，协助其开发用于未来飞机（比如787梦想飞机）的热塑性复合材料部件。合作计划中包括了用作圣路易斯工厂研究平台的可生产板材和异形型材的CCM机器。这促使ACM公司寻找一个更大的制造商合作者，来承担这项重大的投资。Xperion公司完成了对Dornier公司的部分收购并于2000年正是成立，该公司于日收购了ACM公司，Spelz仍然任命首席技术经理一职。
& && & Xperion公司于2005年交付了CCM机器，在Spelz的领导下，公司继续与波音合作，利用模压成型工艺，制造各种热塑性复合材料飞机部件。“波音公司需要更多更大的部件”，Spelz回想道：“所以Xperion公司开始考虑在美国成立一个工厂的好处。”于是一个与CDI公司（Cutting Dynamics Inc.位于俄亥俄州）合资的企业出现了，各自拥有50%的股份。CDI公司是Sikorsky公司（位于康涅狄格州，斯特拉特福）长期的机械加工金属部件供应商，也是波音公司及Bell Helicopter公司（位于德克萨斯州）的合格供应商。该公司有丰富的热塑复合材料经验，已经购买了Fiberforge公司的自动铺带装置，将其与传统的图案成形液压机一同使用，为飞机座椅生产TPC部件。新成立的合资公司总部设在CDI公司的Avon工厂内，今年就能够为波音787飞机生产热塑性复合材料吊顶部件。空客飞机的部件将继续由Xperion公司德国工厂提供。
& && & CCM模具得益于广泛的发展。“大量从事热塑性复合材料行业的供应商来自于注射成型业或有过从事深扛成形汽车零部件工作的经历，在深扛成形过程中，模具相当复杂和昂贵”，Spelz指出，“在Xperion公司，基于迅速变化的模块，我们开发了一种新的模具系统。”所有CCM模具是为符合机器上的一个标准模式的安装孔而改装的。许多种形状可由一套模具制得，所有不同的阳模和阴模可以结合起来，并且很容易更改和调整。例如，一个L形阴模可与不同的阳模一起使用，来达到不同的厚度或外半径（如果部件腿儿的尺寸是一样的），而不用设计新的密封件或加热装置。Spelz表示组合模具节省了大量的时间和成本，特别是在原型制作中。
　　模压成型工艺的灵活性可以通过一个事实得以加强证明：不用停止机器运作，通过添加预浸带层和/或变化堆积顺序就可以改变部件的接头处，只需要添加、移除和/或替换进料绕线轴架上的线圈（预浸带），并将他们放置到轴架上合适的位置。Spelz说明了这样做的好处：“对于长线线圈而言，可以在高装载的地方增加线圈厚度。”模压成型工艺可能被改进，用于较小较薄部件的持续高速生产。
　　“因为模压成型允许单独改变每一个变量，在原型制作和迅速达到解决方案上，这种工艺是非常经得起检验的”，Xperion/CDI合资工厂常务董事Bill Carson说道。他也指出异形型材机器能产生垂直方向和水平方向的压力，生产出的型材没有起皱，即便是复杂的几何型材也是如此，这都是选用了非常高质量复合材料的结果。Carson表示这是传统的真空袋成型工艺不容易达到的。Carson也看到了热塑性复合材料可循环利用的灵活性。
& && & Xperion/CDI合资工厂的第一批产品将是用于梦想787飞机的吊顶部件，包括C形件和L形件，大约2英寸/51毫米宽，这些吊顶部件将为头顶行李架承载所有的负荷。尽管空客飞机的侧壁扣件由TenCate公司的碳纤维/聚醚酰亚胺织物预浸料制成，但787飞机部件，将最可能采用碳纤维/PEEK或碳纤维/PEEK单向预浸带制成。
半成品TPC输入料被装上进料绕线轴架　　“我们已经使用CCM模压板材制作了飞机内部侧壁板，但是对于这样大的一个部件来说，使用的材料太过昂贵了，而目前使用的酚醛材料，价格非常便宜”，Spelz说道。此外，用于侧壁生产的大型机器不太利于CCM（模压成型工艺）加工。“内部侧壁板后面的许多小部件非常适合采用热塑性复合材料和CCM工艺”，他又说道。
　　“我们认为，关于某一部件的生产，选择什么材料，什么工艺最好，人们必须要诚实”，Spelz说道。他欣然承认，并非所有部件都适合采用热塑性复合材料，空心部件和夹层结构更适合热固性加工。
　　在Institut für Verbundwerkstoffe GmbH研究中心（位于德国，凯撒斯劳滕），已有夹层结构和空心件制作方面的新突破。2009年，该非营利性研究机构展示了通过模压成型制成的空心型材的连续生产，这种型材的制成过程采用了一种改良后的设计——模具中央有一个浮动模芯。这项工作也探究了PBT（聚对苯二甲酸丁）参与的加工过程，PBT是在单体CBT（cyclic butylene terephthalate）加工过程中形成的，CBT易发生化学反应的。Cyclics公司（位于纽约斯克内克塔迪）制作过程是将聚对苯二甲酸丁（PBT）分解成环状齐聚物的形式，然后将其加热到指定的温度，待环状齐聚物成为水一样的粘质时，就会促进纤维的浸润。待催化并冷却后，环状齐聚物就又成为较常见的粘质，并构成长链、高分子量的PBT热塑性塑料。Cyclics公司表示，这种材料具有热塑性性能，但可进行热固性加工。为形象化这两种材料的益处，一位重要的CBT作家Steve Winckler指出，人们必须将CBT想象为奶油溶化粘质，把PBT当作橡皮泥，他们的性能更接近环氧树脂，比聚丙烯性能好，纯树脂价格为6美元/镑到8美元/镑——仅略高于聚醚酰亚胺（PEI，5美元/镑到6美元/镑），是PEEK 及 PEKK价格（30美元/镑）的一部分。Winckler也解释道，CBT作为一个基体，天生“想”去浸润复合增强材料，从而导致更好的树脂与纤维分布，也有助于达到与环氧树脂相近的力学性能。相关报告指出，CBT的使用加快了生产速度，大大降低了生产成本，但力学性能没有损失。
　　Spelz和Carson同意，下一步要将高力学性能（以前只有热固性复合材料才可以实现）、快速度、高质量及低成本结合起来用于模压成型工艺，首先用来生产飞机吊顶的桁条和加固件及结构部件，最后生产蒙皮桁条组件及地板等。CMM异型型材和平面板材可以进行熔接，以形成非常长的组件，迅速而节约成本。Carson看到了对Xperion/CDI开放的一个全新世界。“基于CDI公司悠久的供应历史，我们知道航空部件制作需要花费的材料成本和劳动力成本。 现在我们可以利用新的材料，生产出可替代铝制结构或其他金属结构的复合材料结构。这样重量至少减30%, 成本却非常便宜，而且我们能够轻而易举地回收这些复合材料结构”，Carson说道。
文章来源:&&&&
一级士官, 积分 921, 距离下一级还需 279 积分
在线时间 小时
TG在材料方面确实离发达国家有较大距离。
在线时间 小时
本帖最后由 暴力英雄 于
19:56 编辑
F-35型战机复合材料的加工
《Modern Machine Shop现代机械制造》 资深编辑 Peter Zelinski& &
& && &Lockheed Martin公司对F-35型战机表皮部分的复合材料的精密加工，为这类战机的制造为什么能够为美国纳税人节约资金提供了原因。这导致了其他一些国家为制造这一战机而被迫付出了代价。本文将对这一联合战斗机的高价值和高工程加工工艺作一介绍。
& && &美国军队的不同兵种历来坚持采用不同的飞机。空军、海军陆战队、海军——他们承担不同的使命，面临不同的需求。生产和拥有一种适合于各兵种的战斗机显然有利于降低生产成本，但争论的焦点集中在其能否保证相当数量的低成本效益，以便使该飞机能够为每个兵种的服务起到其最好的作用。其结果是：不同型号的军用飞机数量在不断地增加，以满足其重叠使用的要求。
& && &Joel Malone先生说，在一个国际军事力量之间合作不断增强的年代里，这种军用飞机的多样性甚至显得更为重要。Malone先生是Lockheed Martin国防航空公司F-35战机项目的一名高级经理。他说，在20世纪90年代的波斯尼亚冲突中，这种多样性的效果得到了充分反映。来自美国和其他国家的不同飞机，在一个联军机场举行了一次全景式军事演习。各种飞机需要采用不同的供应链和不同的维护程序，以便在各个战场上能够全力支持他们。
图1 具有紧密公差尺寸的FOG机床正在对F-35型战机的表皮复合材料进行精密的铣削加工和钻削加工为F-35型战机提供的紧密配合型表皮部件具有很好的VLO性能，或具有“非常低的可探测性能”& && &现在，与飞机开发和设计相关的技术改进，使其有可能设计出一种能够满足于多种需求的单一飞机平台。同一架飞机，采用不同类型的配置，可以达到短距离起飞和在军舰上垂直着陆的能力，具有在海军航空母舰上着陆所需的弹性，或空军所需的速度和机动性。
& && & F-35闪电II型战机（也被称为联合攻击战斗机），由Lockheed Martin公司生产，是一种多功能用途的飞机。这种可以随时变型的飞机，也使其有可能成为适用于美国各军事盟国的飞机。
& && & 然而，Malone先生说，单靠经济还不足以让美国及其盟国的服务能够支持一个共同的飞机项目。对于触及到另一服务项目的同样飞机，需要采取特别谨慎的态度，应使其设计满足该服务项目的需要。这里必须设置一个“吸引人的地方”，使该飞机具有特别的性能。在F-35型战机上，所谓“吸引人的地方”就是“VLO”，或称作“很低的可探测性能”。也就是说，采用雷达和遥感等其他手段，是很难探测到这种飞机影踪的。但实际上，这种F-35型战机上具有“可支持的”VLO功能。也就是说，这种飞机上的VLO只需要非常低廉的维护费用。
修整表皮复合材料而开发的压缩槽刨刀compression router ，在加工期间通过其对材料各层次的推压来抑制其脱层现象的出现& && & 过去的隐形飞机达不到这样的要求。在过去的VLO飞机上，由于雷达能够探测到其锋利边缘，甚至能够探测到其因采用环氧树脂密封后外部零件之间所产生的细微不匹配处。环氧树脂会在现场使用过程中干燥、硬化和分解，这意味着它必须进行经常地检查和更换。
& && & 相比之下，F-35型战机相邻零件之间的结合是如此的流畅和精确，因此不需要使用环氧树脂密封。以往隐形飞机所存在的那种麻烦已经消失。
& && & 这一优点除了经济上的多功能用途之外，还有助于赢得众多军事服务机构的联合支持。它们不仅包括美国的军事分支机构，而且还包括其他八个共同合作的国家。每个分支机构所产生的影响与其所作出的贡献成正比，因此非美国家已经为该飞机的研发支出了40多亿美元。
& && & 这笔支出几乎全部直接应用到了CNC数控加工上。而且，正如Malone先生所说的那样，可支持的VLO是得到国外支持的一个很大原因。而允许可支持的VLO存在是在于其零件之间的紧密匹配。& && & 那么究竟是什么原因使其能够紧密匹配？答案当然是CNC数控加工。飞机表皮的复合材料采用铣削加工和钻削加工的方法，其加工的公差尺寸是如此的精密，因而飞机的组装表面可防止出现雷达能够看得到的不匹配情况。
FOG机床的战争“迷雾”
& && &一台复杂的5轴铣床提供了这种飞机表皮复合材料的精密铣削加工和钻削加工能力。国防供应商很喜欢这个缩写：“FOG”，它是flexible overhead gantry（柔性架空龙门铣）这个词的缩写。事实上，应用于FOG机床上更为有趣的项目之一是一种缩写为PINC的装置。
& && & FOG机床是由机床制造商DS Technology技术公司提供的，该公司的总部设立在在俄亥俄州的辛辛那提市。这台5轴铣床的X轴托盘长度为15m。提供定位精度的玻璃光栅尺和用作容积补偿的一套DS Technology技术公司的专用系统，可帮助整台机床保持较大工作范围内的紧密精度。Don Kinard博士是F-35型战机全球生产技术操作部的副手，他说，他认为这台机床是“世界同一尺寸类型产品中最精确的机床。”
& && & 由碳纤维增强塑料（CFRP）制成的、外形复杂的零件都在这里加工，同样，外形复杂的并在零件加工中用于夹持零件的铝制真空夹具也在这里生产。大约有56个数量的复合零件在这台机床上铣削、修整和钻削加工，这个数字有可能逐步下降，因为部分数字是由全面生产所造成。对于由典型的碳纤维增强塑料（CFRP）制成的零件，其工艺涉及到复合零件的IML（内模线或内表面）加工，同时，零件被固定在一套真空夹具上，然后在零件被翻转装夹到邻近的一套同样的真空夹具上以后，开始从OML（外模线）上加工其余的部分。
& && & Lockheed Martin公司并没有透露F-35型战机加工工艺之所以能够保持精密公差尺寸的最重要的技术细节。那么，这里究竟是一些什么东西使其有可能达到那些未经详细说明的公差尺寸的呢：
1.compression router 压缩槽刨刀
& && & 在复合零件加工中，脱层代表了其加工精度所受到的最严重障碍。在修整边缘时这一点尤其是确切无疑的。该材料是多层次组成的，加工引起的外力可以使该层次造成分离。
& && & Rick Denny先生是联合攻击战斗机加工系统的一名技术负责人。他说，以前用于修整复合材料的一把刀具是一把带有PCD刀刃的刀具，只能延续使用21ft（1ft=30.5cm）的距离。由于刀具磨损造成的外力变化，开始出现脱层的情况。
& && & 他说，其解决方案是采用一把碳化物硬质合金刀具。具体来说，该解决方案实际上是一个来自于刀具供应商AMAMCO公司（美国制造和销售公司）的“压缩槽刨刀”，是与国防制造和加工的国家中心共同合作开发的。这一刀具所具有的特殊几何结构（见附图），直接使其切削力以压缩力的方式，将零件切削加工时的各个层次压缩在一起。他说，该刀具的成本费用约为以前刀具价格的1/3，但可以确切地保证，在其磨损前，它通常可以延续使用100ft的距离。
图4 Lockheed Martin公司的Rick Denny先生正在探讨压缩槽刨刀工具2.铣削加工厚度
& && & 碳纤维增强塑料（CFRP）是采用自动化纤维配置工艺精密生产的，但即使采用这样的方法，也不能以足够的精度控制其厚度。其厚度必须通过CNC数控铣削加工的方法才能进一步控制。PCD球端立铣刀是以一种平行、小步距的刀具路径方式加工零件的内表面（IML）。铣削加工操作大约需要6h的时间。Kinard博士认为，这种方法作为许多有效的工艺方案之一，可能会具有更高的效率。加工小组正在调查是否可采用平底铣刀来进行代替，以达到必要的加工精度，在五轴加工路径中，它的每一次走刀，可以切除更加宽厚的材料。
3.即使是混凝土结构也可进行补偿
& && & 另外一类潜在变化的原因是车间的设置。为了达到稳定性的目的，机床被安装在30ft深的基础坑内。然而，即使是这样的基础，随着时间的推移，也会产生微小的运动。为了确保任何安装方式不影响到机床的精度，FOG机床在其X/Y行程的四个角落上安装了陶瓷检测球体，该球体采用防护罩保护。机床每天探测这些球体，以监控基础的运动状况。4.采用CMM三坐标测量机检验
& && & 对于这样的大型工件和工装夹具来说，采用机上联机检测似乎是最实用的验证手段。也就是说，让零件留在加工机床的原来地方，然后在机上测量这些零件。Kinard博士指出了采用这种方法所存在的问题：即便是一台大型CMM三坐标测量机，与FOG机床本身的成本和价值相比，其成本费用也将是相对低廉的。大型工件检测的CMM三坐标测量机，工件被固定在一个移动式大型托架上& && & 因此，更加有效的使用FOG机床，实际上就是将其从检验中解放出来，即使这意味着会使零件移动。通过利用一个巨型的三托盘传送系统，可使每个零件在一台相当于房间大小的Zeiss公司CMM三坐标测量机上进行穿梭测量。为了确保零件在传输过程中，紧紧地夹持在真空夹具之上而不松动，应采用一系列独立的真空舱在每一个托盘上运行。
5.专业操作人员
& && & 要了解这种精密加工工艺的各方面情况，需要进行特别的训练，这就导致了对Fort Worth工厂内机械加工技术人员进行新的分类。在FOG机床上工作的某些操作人员被列为“骨干”力量，为具有特殊技术装备的机床提供服务。
6.有关刀柄的注意事项
& && & 当然，刀柄也是影响加工工艺精度的一个重要因素。任何希望加工中心的精度达到精密的公差尺寸的人都明白这一道理。如果刀柄的同心度、夹紧程度或稳定性不合适都可能会破坏其余的加工工艺。FOG机床采用液压式刀柄，而且对每一刀具和刀柄组件采用Haimer公司的刀具平衡测量机进行平衡测量。对于延伸距离较长的刀柄（假如其可接近性面临外形更复杂零件的挑战，就往往需要这样的刀柄），该工艺在液压刀具内采用Tribos 延伸刀柄。“Tribos”是一套由Schunk公司提供的系统，它采用刀柄金属的弹性形变作为一种替代方法，以代替热胀冷缩的刀柄夹紧方式。
7.埋头孔的控制
& && & 埋头孔的加工曾经是一种比较昂贵的、具有挑战性的工艺之一。在F-35型战机的表面零件上，即使是埋头孔的加工也要求具有很高的精密度，因此技术人员一度采用手工埋头孔测量仪对埋头孔进行测量，并采用手工方式更新机床的偏差。这是一个非常耗时的工序，且容易出错。现在采用了一种由Lockheed Martin公司内部开发的测量装置，从而代替了手工作业的方式。这种装置就是PINC测量装置，用于测量由压力导致的正常向量埋头孔压力。Lockheed Martin公司内部开发的埋头孔测量装置& && & 技术研究员Rick Luepke先生和应用工程师Jamie Smith女士领导这一工具的开发工作。该工具安装在FOG机床的主轴上，其中包括刀具（一套组合式钻孔/埋头孔加工刀具），并带有可调节精确度的鼻形元件，使其在刀具开始加工前与零件的表面接触。通过纯粹的机械手段，包括对鼻形元件完整的线性补偿，该装置让机床的分度从零件的表面出发，从而使其能够精确和自动地加工埋头孔。因为它不需要对机床进行电子反馈，因此它可以直接应用在现有的机床上，不需要重新改造。& && &Smith女士说，该装置已可通过商务方式订购。Lockheed Martin公司已通过密歇根州的Jay Enn Corporation公司获得了该装置的销售许可证。Lockheed Martin公司自己的PINC测量装置本身就采用粉红色油漆，但在许可证协议中并没有提到指定的颜色。
应用工程师Jamie Smith和她的发明第二台机床
& && & Kinard博士真诚地说，虽然该PINC测量装置对F-35型战机的加工成本具有明显的影响，但该装置显示，其对制造生产上的改进似乎只能达到一个很窄的范围。自动埋头孔的加工已转换到更大的机床上，因为该机床再也不能等待孔径的手工测量，而且在埋头孔的安排中再也不允许因误差而造成的时间损失。由于有了这些节约，因此每一零件的生产成本降低，Fort Worth工厂只需要几台FOG机床就能满足其潜在的需要。
& && & 他说，还将有更多的FOG机床陆续进厂安装。用于安装下一台机床的30ft深的基础坑已挖掘就绪。该公司希望}