航空复合材料零件自动铺带技术研究

摘要：航空航天复合材料由于其高强度、高比刚度、良好的疲劳性能和设计而被广泛用于航空航天工程，例如飞机材料。随着科学技术的发展，航空复合材料制造技术逐渐趋于一体化、自动化、成本化，复合材料的质量逐渐成为各大飞机制造商竞争的重要举措。因此航空航天复合材料的研发和应用是非常重要的。

关键词：航空复合材料;设计与制造;发展趋势

引言

在我国，航空航天复合材料于20世纪60年代引入，并且越来越广泛地被广泛使用。空间科学技术的发展促进了飞机在高空、高速、智能化方向和成本方向上的不断发展，航空航天复合材料的发展，实现了制造技术和材料特性的突破。我国航天复合材料的研究时间较晚，复合材料的设计和制造不足，复合材料的种类较少。并且整体性能较差，因此要进行有效生产，必须付出很大的努力来提高设计和制造水平。

一、当前的发展趋势

目前大型外国军用、民用飞机复合部件的份额迅速上升，波音787客机使用超过50%的复合部件结构， A350复合部件将占结构重量的52%，俄罗斯 MC21的发展，复合材料量也將是结构重量的40%至45%。A400 M军用输送机上的复合材料数量已达到结构重量的35%。

国产复合材料在ARJ21并未广泛使用，大型零件仅在舵上使用复合材料。大型飞机正在开发中，考虑到目前和飞机制造与国际先进水平存在差距，相对于国外 A380、波音787、A350、A400 M、MC21和其他大型飞机落后至少7-8年。以及国内设计能力、试验能力、生产设备和技术水平条件有限，对大型飞机复合构件的核算至少不小于25%（重量），采用机翼或水平舵复合结构。同时对于复合材料零件的生产，自动铺带技术是目前最有效的制造工艺。

二、自动铺带技术的发展

所谓的自动铺带技术，是利用数控设备帘布层，通过数字化，复合预浸料的自动化手段，连续自动切割和自动胶带放置。主要工艺：复合预浸料卷安装在贴装头中，预浸材料由一组辊组成，由压辊按压机构或保形层制成或在工具上平面化。在材料中，切割刀片沿指定方向切割材料，以确保放置的材料与工具的形状相匹配。在铺带的同时，偏转辊回收载体材料。作为一种典型的添加剂加工技术，自动胶带敷设涵盖了许多研究领域，如机电设备工程、CAD / CAM软件工程和材料加工技术，可用于以下几方面：

1最大限度地使用单向预浸带（优于用于铺带在手上的预浸料）并减少结构重量。

2可以更自由地设计图层，发挥复合材料的设计优势，有选择地增强压力梯度和压力异常，实现整个结构的零残余阻力;

3提高工作质量和贴装效率

利用这种技术，复合型材件可以增加几何参数，例如纤维方向铺带精度、方向和角度，从而避免产生的人为偏差的累积、产品等重大缺陷的可能性，零件生产的再现性差质量，大质量分散以及尺寸和放置精度不能满足大尺寸高精度零件生产的要求。复合自粘胶带技术的使用可以显著改善原材料，降低制造成本，同时提高质量。同时，由于可以在没有残余强度的情况下实现整个结构的构造，因此结构重量大大降低。

4复合特性的优点

1）比强度（拉伸强度与密度之比）高，比模量（弹性模量与密度比）高。

例如，只有1/5-3/5的高模量铝碳纤维复合钢的密度，是钢的比强度的5倍、铝的4倍、钛的3.5倍，它是一个特定的模块，是钢、铝、钛的4倍或更高（钢、铝、钛是目前飞机的主要金属材料）。

2）优异的抗疲劳性

复合材料，特别是纤维增强树脂基复合材料，由于工件表面裂纹或裂纹纤维充当过度材料，从而防止快速裂纹扩展和拉伸过程中的疲劳裂纹增长。例如，碳纤维增强聚酯树脂复合材料的疲劳极限可以达到拉伸强度的70%至80%。金属材料的疲劳极限远低于飞机寿命20至30年，复合疲劳几乎不产生影响。

3）良好的抗断裂性

纤维复合材料由多根单根纤维组成，它们在基材上是柔性粘合剂，它们是一体的，如果有少量破碎的纤维构件，另一根纤维将承受并重新分配，因此该构件不会发生破裂。短时间内，其抗破损度是最好的。

4）良好的温控性能

纤维增强复合材料，尤其是金属基复合材料，通常具有良好的耐高温性。例如，熔融石英增强铝复合材料在室温下可以保持在500℃，40%的强度。SiC涂层硼纤维铝基复合材料增强材料可在316摄氏度的温度下使用，机械性能保持稳定。然而，铝合金在400℃下的弹性模量大大降低（接近零），并且强度也显著降低。

5）具有良好的减振性能

由于复合材料的高比弹性模量，其具有较高的固有频率，因其固有频率由于其结构材料结构的力比模量的平方根，复合材料具有高固有频率能力以吸收振动，以避免在正常操作条件下部件的共振，且不易造成振动损坏。同时，复合材料中基质材料的高韧性具有相当大的阻尼性能。

6）增加飞机的耐腐蚀性

复合材料具有优异的耐腐蚀性，如传统的金属和非金属材料，可以延长飞机的寿命，降低民用航空成本，并提高成本效益。

三、舵面或翼带的制造方案

1设计和制造原则

设计：在整个设计过程中设计复合结构，以集成设计和制造技术，并对工程和复合结构元件的设计。分析每个构件的形式、装配、测试、操作、维护和修复，以找到最佳平衡点。

设计也就是数字设计，意味着确保设计数据是产品数据的唯一来源，并实现100%计算机辅助设计的复合材料零件。适合使用FiberSIM、CPD、COVERS等特殊设计软件。

制造工艺：先进的自动化设备，如自动铺带机、自动切割机、热成型机、柔性复合材料、特殊设备和大型 C形钻孔扫描设备等的应用与自动化复合材料制造的成本相匹配。确保稳定可靠的产品质量的复合结构，并提高产品性能，设计允许和工作效率，减少结构重量。

2材料选择计划

系统材料的选择是复合结构设计的基础，涉及功能要求的磨损和使用、可制造性、成本、经验和供应渠道等因素是对国外几种主要预浸胶带进行综合考虑的结果。CCF-1由碳纤维、树脂组成。北京航空生产研究所生产的环氧树脂或双马来酰亚胺，可通过分类树脂固化温度选择，有温度固化（125℃）和高温固化（180° C）两大类。

3典型的设计结构

为了便于使用自动复合胶带铺带技术，优选避免在结构中使用蜂窝结构。因此，施工时尤其是层压结构，但弯曲地板结构，土结构性能不好，要提高弯曲和抗扭刚度能力，必须加强弦结构以改善弯曲结构和扭转强度。通常，在翼盒部分整体壁板的结构设计上，整个板设有开口、前后支撑腹板、密封肋的端部和一般加强肋。每个履带和肋都可以进行加强以增加强度。在每个部件单独制造后，它被组装成一个整体的盒子部分，所有主要部件均可由复合材料制成。

单件式壁板通过粘合皮肤和预固化长筏形成。目前有两种选择：一体式格栅壁板和长钢筋一体式壁板。在满足设计要求的情况下，形成较为困难，但优选用于密封罐区，形成后者相对简单，但当连接元件连接到肋时具有许多表皮，导致燃料箱垫片减少可靠性。

4生产计划

生产技术主要包括自动条带铺带技术、自动切割技术、热压技术、固化或共粘合技术。主要是常规真空袋高压釜工艺硬化、切割、钻孔和铣削复合材料的软包装专用夹技术。模板皮肤的工具放置的主要类型，皮肤壁板共固化或共同装订工具、翼梁、罗纹制成热成型工具。包层板可以是柔性夹具夹紧和梁切割或特殊切割工具，不适用于柔性夹持器保持肋，夹具优选地设计用于生产特殊工具。

上述设计最大限度地利用了自动复合带铺带技术。无论是表皮、肋条还是前后翼梁和其他复合结构件，材料都可以用胶带铺带机进行放置。但是，由于带子结构的限制只能铺带一个小的弯曲部分以及用于肋、翼梁和其他部件，通常为 T形、I形或 U形，小横截面是横截面尺寸和大的曲率角 R没有直接放置在具有 U形或 T形带的上模上。因此，对于该类型的部件和翼梁，肋骨和其他部件，工艺形状略有不同，并可以直接固定部件，使造型完成，翼梁、肋和其他形式的其他部分需要使用完全相同的间接程序。

5上下壁板的生产

通常上下壁板制造过程包括桁架设计、包装放置、皮载体组装、固化、钻头、尺寸检测、无损检测等。上下壁板的成型过程分三个步骤进行：

第一步是建造一艘长筏。可用大型通用平台，平台被加盖，平板具有一定厚度的层压板，具有自动修剪桁架尺寸的装饰，可切割各种桁架，然后连接到模具热成型工艺。

第二步是铺带外包装。由于外包装的小曲率，它可以通过自动胶带机直接放置在模具上。

在第三步中，将表皮组合成壁板。无论是通过胶合还是共同模制共固化工艺，一块纵梁加强板的格栅都可以是均匀的，也可以设置放置的纵梁蒙皮板，共同固化或共同粘合模具。

然后，在高压釜壁和大型工具中结合温度和压力固化。脱模后，剩余部分被移除到无用的产品，五轴铣削和使用通常灵活的夹紧系统（或硬工具夹具）修剪和钻孔。然后对形状和尺寸进行无损检测，通过测试后，可以进行下一次组装。在这个复杂的过程之后，完成自動复合板的生产。

结论

自动铺带技术的成功应用不仅使复合材料成型，使其自动化优于传统的成型工艺。此外，它表明复合模具的自动化是未来几十年复合材料技术发展的必然趋势。目前自动铺带技术主要用于对大型叠层元件（如机翼蒙皮、控制面等）的强度要求，经过数十年的发展，高效率、高质量和低成本的优势，以及拥有贴装技术和成熟制造技术的复合材料，将成为开发航空航天复合材料零部件的关键。随着制造技术在我国的发展和改进，复合材料的生产与应用也将发挥重要作用，要积极进行复合材料铺带技术的开发和生产，以有效为我国生产的大型飞机研制成功提供强大技术支撑。

参考文献

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