卫汉华

                                                (香港理工大学 工业中心，香港)

    复合材料加工机床是目前先进复合材料数字化制造的技术热点。复合材料的自动铺放机床主要分为纤维缠绕机床和自动铺放机床2种，自动铺放机床再可分为自动铺带机床和自动纤维铺放机床2种。描述了各种复合材料加工机床的结构以及纤维束的加热和切割、纤维丝束的输送、纤维铺放和紧压3项技术难点，介绍了模块化铺带头、纤维铺放机器人2项技术的发展趋势。

 

1问题的提出

    本文中的复合材料是指由高性能树脂基体与石墨、玻璃、芳纶等连续长纤维，通过加温、加压固化后制成，具有高纤维含量（50%以上）和低空泡率（1%以下）的先进复合材料。先进复合材料与一般复合材料相比，具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳等优点，用于客机上能大大节约燃料和维护开支。

    复合材料部件制造的主要特征是部件的结构成型与材料形成同时完成。由于部件的材料选择与结构成型工艺方法密切相关，复合材料部件的成型也演变出多种不同工艺，典型的飞机单体复合材料部件的工艺流程大致可归纳为以下5个环节：

下料。将成卷的预浸渍纤维布或纤维带材料剪切成需要的长度和形状。

铺放。将纤维按设计要求叠放在模具上并压实。

固化。利用热压罐、电炉、电热毯等将复合材料中的树脂基体加热固化。

修剪。将固化后的复合材料部件从模具上取下，去除部件的毛边和开孔。

检查。利用超声波探伤仪等非损探伤手段，检查纤维层的胶合效果。

    在以上5个环节中，下料和修剪是最早实现数字化制造的工艺环节，下料用的激光切割机和修剪用的多轴数控镂铣机已发展成熟，目前复合材料数字化制造的技术热点是用于铺放和探伤环节的各种装备的自动化。

    由于复合材料的单层强度呈正交异性，为了尽量将纤维方向与部件的主荷载方向匹配，设计人员必须对部件内部的纤维层排列进行优化。由图 1可见，优化后的部件往往需要多至数十层不同规格的纤维片层按0°、90°、+45°、-45°等不同角度准确交叠。

 

图1波音737客机控制面纤维材料与铺放顺序例

 

    由于复合材料铺贴流程非常复杂繁琐，手工铺放在目前的复合材料部件生产中仍然起着重要作用。以波音737客机平尾为例，其纤维铺贴的劳动工时占总工时的比例高达31%。

    随着先进复合材料在航空领域的应用比率扩.....

作者简介：卫汉华（1965—），男，香港人，香港理工大学高级工程师，博士，主要研究方向为产品创新、项目管理。

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