復合材料以其高比強度、高比剛度、可設計性強、易于整體成型等優(yōu)點，在航空業(yè)廣泛應用，是航空四大結(jié)構(gòu)材料之一，已成為航空產(chǎn)品換代式的標志。隨著技術(shù)的發(fā)展，復合材料的航空應用日益廣泛，尤其是大尺寸整體成型的復合材料制件越來越多。大型整體化的復合材料壁板會起到較好的減重效果，明顯提升飛機的整體效能，如航程、掛載等；可提高機體結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命，使機體結(jié)構(gòu)的整體性更好；可簡化裝配工藝，裝配型架更加簡單，緊固件、零件數(shù)量也大大減少。目前國外在軍、民機上已大量應用大尺寸復合材料壁板，如機翼壁板、機身壁板等，相關(guān)的成型技術(shù)也比較成熟，實現(xiàn)了機械化、數(shù)字化，具有規(guī)范化的材料體系、設計體系、工藝體系以及檢測體系。國內(nèi)目前由于材料、設計以及工藝技術(shù)能力等方面的限制，復合材料專業(yè)目前還處于發(fā)展階段，航空業(yè)用量較少，制造工藝上基本還處于手工成型階段，復合材料制件主要為一部分次承力結(jié)構(gòu)零件，如整流罩和舵面等，大型的復合材料壁板應用還較少，工程化應用程度較低。所以加強復合材料專業(yè)技術(shù)的研究，尤其是大型復合材料壁板成型技術(shù)的研究，對于進一步推動復合材料的應用、發(fā)展，以及航空業(yè)的發(fā)展意義重大。 本文來自123

存在的主要問題

由于大型復合材料壁板外形尺寸大、組件多、結(jié)構(gòu)復雜、裝配嚴格，所以其質(zhì)量不易保證，成型工藝也非常復雜。
1 內(nèi)部質(zhì)量問題
由于其外形尺寸較大、厚度尺寸較大、結(jié)構(gòu)復雜，所以制件內(nèi)部質(zhì)量不易控制，容易出現(xiàn)分層、疏松等內(nèi)部缺陷。
2 形位尺寸偏差
由于其長桁（框、肋）等組件較多、結(jié)構(gòu)復雜。在整體成型過程中制件的形位尺寸，尤其是長桁（框、肋）的相對位置，不易控制，容易出現(xiàn)尺寸、位置偏差，影響后續(xù)裝配工序。
3 質(zhì)量穩(wěn)定性差
由于大型復合材料壁板制件，其外形尺寸大、層數(shù)多、工序多，制造過程需要較多操作人員、制造周期長，所制造過程不易控制、人為因素干擾大，工藝過程重復性不好，故制件的質(zhì)量穩(wěn)定性較差。

關(guān)鍵技術(shù)

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整體成型的大型復合材料壁板制件，針對其結(jié)構(gòu)特點以及存在的主要問題，其成型的關(guān)鍵技術(shù)主要有3個方面：工裝技術(shù)、固化成型技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)，如圖1所示。



工裝技術(shù)

工裝是復合材料制件的成型基礎(chǔ)，工裝既要保證復合材料制件的形位尺寸，同時又要充分適應復合材料制件的成型工藝特點——傳熱、傳壓等，所以工裝技術(shù)是復合材料研制的關(guān)鍵因素，復材成型工裝基本要求如表1所示。



1 工裝結(jié)構(gòu)分類
復合材料壁板成型工裝結(jié)構(gòu)上一般包括實體式工裝和框架式工裝。
實體式工裝：一般采用鑄件和板材為坯料，進行機械加工，制造工裝形面的工裝形式。該類工裝一般強度好、穩(wěn)定性高、形面質(zhì)量容易保證，但其重量大，不易搬運，不易作為大型成型工裝。 123,123
框架式工裝：為隔板、隔框搭建框架，支撐薄面板的工裝結(jié)構(gòu)形式（見圖2），該結(jié)構(gòu)工裝，重量輕、通風好、易搬運，但制造過程復雜，結(jié)構(gòu)設計合理性要求高。按框架形式的不同，框架式工裝常分為隔板框架結(jié)構(gòu)和型材框架結(jié)構(gòu)。



2 工裝結(jié)構(gòu)影響
不同結(jié)構(gòu)形式的工裝，結(jié)合復合材料零件的實際制造情況，對復合材料的成型工藝過程會產(chǎn)生不同的影響，尤其是對復合材料零件固化過程中的加熱效率以及溫度均勻性的影響。具體情況如表2所示。



由此可以看出，大型復合材料壁板應采用框架式工裝，可以兼顧保證工裝的強度、剛度；保證工裝的輕便、周轉(zhuǎn)；保證工裝的通風傳熱（注：若采用隔板式框架，隔板的開孔方向，要與熱壓罐的氣流循環(huán)方向一致，以利于工裝的通風傳熱）。

固化成型技術(shù)

復合材料制件的制造是一個材料與制件同步成型的特殊工藝過程，其成型工藝非常復雜，尤其是大型復合材料壁板，其一般尺寸較大、厚度變化較大，固化成型過程中溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)不易控制，所以固化工藝（包括預成型、固化）是復合材料制件成型的重中之重。
1 預成型工藝研究
復合材料制件制造過程中一般要進行預成型，對于大型復合材料壁板，預成型工序是控制內(nèi)部質(zhì)量、尺寸質(zhì)量的關(guān)鍵。預成型工藝是通過升溫降低樹脂粘度使其具有良好的流動性，適時加壓，其作用有3個方面：
（1）使樹脂均勻流動有效的排除夾雜的氣泡、揮發(fā)份，使零件結(jié)構(gòu)密實。
（2）利用吸膠材料將多余的樹脂吸出，使零件的厚度達到要求。
（3）使復合材料坯料形面規(guī)整，便于后續(xù)的組合、加工。
其中厚度的控制則是重中之重，因為首先厚度偏厚直接影響零件的外形尺寸, 影響后續(xù)的裝配工序；第二，偏厚使零件重量超標；第三，會使零件纖維體積含量降低，導致單位厚度復合材料的力學性能下降。
大型復合材料壁板因為厚度變化大，所以各個區(qū)域余膠量分布不均，在制件制備過程中則要通過預吸膠環(huán)節(jié)控制各個區(qū)域厚度在標準范圍之內(nèi)，這就要求我們對預吸膠工藝進一步掌握。吸膠材料和吸膠時間是對吸膠量的關(guān)鍵影響因素，如表3和圖3所示。





由此可見在一定范圍內(nèi)調(diào)整吸膠材料，加長吸膠時間可以提高吸膠量，所以大型復合材料壁板的預成型工藝則應通過選擇一合適的溫度—時間曲線，在各個厚度區(qū)域匹配合適的吸膠層來控制厚度。如此可以保證較好的吸膠效果，同時預成型過程中經(jīng)過樹脂的熔融流動，加壓后有效的排除夾雜氣泡，使其結(jié)構(gòu)密實，形面規(guī)整。

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2 固化工藝的研究
復合材料的固化過程是復合材料制造過程中的關(guān)鍵工序，是通過高溫、高壓使樹脂交聯(lián)聚合實現(xiàn)固化，從而使復合材料層壓板達到使用狀態(tài)，是一個零件和材料同步形成的過程，而整個固化工藝中加壓點的選擇則是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。
加壓點包括加壓溫度、加壓時機。加壓點的選擇, 首先是加壓溫度，加壓溫度過低則樹脂流動性不好，纖維不易均勻浸潤易造成缺陷；加壓溫度過高，樹脂聚合速率過快不易掌握加壓時機。其次在確定加壓溫度的前提下把握好加壓時機，加壓時機過早則樹脂粘度低，排出樹脂過多造成零件貧膠、孔隙率高；加壓時機過晚則樹脂聚合程度高，流動性差制件易夾雜氣泡產(chǎn)生疏松、分層等缺陷。加壓點的最佳選擇為樹脂由粘流態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的過渡區(qū)間。這和升溫速率、加壓溫度、加壓時機都密切相關(guān)，不同的溫度—時間曲線有著不同的加壓點。目前經(jīng)常采用差熱分析儀和流變儀來了解樹脂的固化反應過程和粘度變化過程，實際生產(chǎn)中也有用滑板法或拉絲法測定凝膠時間來了解樹脂在溫度—時間曲線各個點的粘度情況，如表4、表5所示。

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凝膠時間和加壓點有一定的對應關(guān)系，是加壓點選擇的一個重要參考數(shù)據(jù)。在確定加壓溫度前提下加壓時機也至關(guān)重要。而對大型復合材料壁板而言，加壓點的選擇就更為困難首先由于其外形尺寸大，再加上熱壓罐和模具等因素的影響造成其固化過程中各處溫度不均（如當高溫處130℃時，低溫處可能才110℃）。為解決這一問題需調(diào)好升溫速率與溫差的關(guān)系，在保證一定升溫速率的前提下盡量縮小溫差，保證制件各處同時達到最佳加壓時機。再則在固化工藝過程中為了適應區(qū)域間的溫差，加壓溫度應選擇一“溫度域”而不是選擇一“溫度點”，但要求在該“溫度域”內(nèi)的各個溫度點樹脂要有著相似的凝膠時間，相似的粘度—時間曲線，通過這種方法兼顧零件的高溫區(qū)、低溫區(qū)，使零件各處都有好的固化質(zhì)量。 123456

3 預成型、固化工藝的協(xié)調(diào)關(guān)系
復合材料的固化工藝是一個化學反應過程，其對溫度、時間兩方面相對比較敏感。通常的大型零件研制過程中我們對于預成型工藝相對比較保守，尤其是吸膠溫度一般是采取較低的溫度，主要擔心對后續(xù)固化工藝的影響，不易于加壓時機的選擇。
經(jīng)過試驗和工藝驗證，應該轉(zhuǎn)變我們的工藝觀點，應注重預成型工藝和吸膠效果。如果吸膠效果不好其坯料中的揮發(fā)份、氣體就不能有效排除，那么在固化過程中隱患比較大，固化工藝的選擇尤為嚴格，某種意義上講其加壓窗口范圍更小。而反之若預成型工藝效果理想，坯料中的揮發(fā)份、氣體有效排除，結(jié)構(gòu)密實，那么固化過程中出現(xiàn)問題的機率較小，固化工藝相對比較好控制，對加壓時機不那么敏感，尤其是提早加壓對零件固化質(zhì)量影響不大，一定程度上反而是拓寬了加壓窗口，如圖4所示。



由此可見大型復合材料壁板其固化成型工藝非常關(guān)鍵，包括預成型參數(shù)、固化參數(shù)的選擇制定，以及預成型與固化工藝的協(xié)調(diào)。
（1）大型復合材料壁板的預成型工藝應選擇一合適的溫度—時間曲線，在各個厚度區(qū)域匹配合適的吸膠層來控制厚度。
（2）大型復合材料壁板固化工藝過程中應根據(jù)粘度、凝膠時間等參數(shù)選擇合適的加壓溫度和加壓時機，并且固化過程中應選擇一“加壓帶”而不是單純的“加壓點”。
（3）注重預成型工藝和吸膠效果，協(xié)調(diào)好預成型工藝與固化工藝的關(guān)系，拓寬固化加壓窗口。

數(shù)字化技術(shù)

隨著復合材料應用的日益廣泛，復合材料成型技術(shù)也得到了高速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)就是其重要發(fā)展方向之一，復合材料的數(shù)字化制造可以有效解決“質(zhì)量穩(wěn)定性差”、“精度差”這兩大困擾復合材料應用發(fā)展的問題，尤其針對大型復合材料壁板，其應用優(yōu)勢更為明顯。目前國外已經(jīng)實現(xiàn)了復合材料零件的無圖設計、制造技術(shù)，具備比較成熟的軟件平臺，自動鋪帶、自動鋪絲等先進的數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)了批量應用，全面實現(xiàn)了復合材料的手工制造向數(shù)字化制造的轉(zhuǎn)變。 123,123
國內(nèi)這方面還處于起步階段，還存在很多問題，數(shù)字化應用技術(shù)還不成熟，相關(guān)的流程、體系還不夠規(guī)范。因此應大力推進復合材料數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，建立健全復合材料數(shù)字化制造技術(shù)體系。重點是復合材料數(shù)字化制造技術(shù)軟件平臺的構(gòu)建；復合材料數(shù)字化制造設備的應用，打通復合材料數(shù)字化生產(chǎn)線，做到平臺搭起來、設備用起來。
1 復合材料數(shù)字化制造技術(shù)軟件平臺的構(gòu)建
復合材料零件有其自身的材料、結(jié)構(gòu)以及工藝特點，與一般的金屬制件不同，復合材料零件除了要設計表達形位、尺寸信息，還要設計表達鋪層輪廓、角度以及芯材等復合材料特有的信息。前期基于二位圖紙或CATIA機加模塊建立的三維數(shù)模，無法生成鋪層數(shù)據(jù)，無法適應數(shù)字化設備的應用，不利于數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展。所以應采用先進的復合材料專用設計、工藝軟件進行建模和三維標注，為復合材料數(shù)字化技術(shù)的應用搭建了軟件平臺。目前國外比較成熟、比較常用的專用軟件為FIBERSIM 和CATIACPD 以及與之配套的輔助軟件。
通過構(gòu)建復合材料數(shù)字化制造技術(shù)的軟件平臺，采用專用設計、工藝軟件建立復合材料零件三維數(shù)模（工程數(shù)據(jù)），進而建立制造數(shù)據(jù)集、程序，實現(xiàn)與自動下料機、投影定位、自動鋪帶機等數(shù)字化設備的接口，為復合材料數(shù)字化制造技術(shù)應用打下基礎(chǔ)，如圖5所示。



2 復合材料數(shù)字化制造技術(shù)應用
在構(gòu)建復合材料數(shù)字化技術(shù)軟件平臺的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)復合材料數(shù)字化制造技術(shù)的應用，主要指復合材料數(shù)字化制造設備的應用。目前常用的復合材料數(shù)字化制造技術(shù)主要包括：鋪層數(shù)控剪裁技術(shù)、鋪疊激光投影定位技術(shù)、自動鋪帶技術(shù)等。
2.1　鋪層數(shù)控剪裁技術(shù)
鋪層數(shù)控剪裁技術(shù)，是由工程數(shù)據(jù)集生成復合材料鋪層的展開數(shù)據(jù)，并且按材料（預浸料）幅寬、鋪層的角度對鋪層展開數(shù)據(jù)予以分割，然后將數(shù)據(jù)輸入數(shù)控剪裁設備，從而實現(xiàn)復合材料鋪層的數(shù)控剪裁。 本文來自123
鋪層數(shù)控剪裁的關(guān)鍵控制點為：
（1）鋪層剪裁數(shù)模應為dxf格式以便于機床識別和采用CAD進行編輯。
（2）鋪層數(shù)模的剪裁線應為一個連續(xù)封閉的結(jié)構(gòu)，以防止剪裁錯誤和抖動剪裁，以提高剪裁效率。
（3）剪裁線和定位標識線要分建在不同圖層，以達到不同工具（刀、筆）的選用。
（4）在剪裁過程要按材料的帶寬優(yōu)化剪裁數(shù)模的排版，以提高材料利用率。
（5）預浸料要求為雙面保護膜，且保護膜與預浸料貼合緊密，以便于真空吸附固持。
（6）預浸料盡量平展，以保證尺寸精度。且卷長要盡量大，以便于連續(xù)工作，減少上料次數(shù)，提高制造效率。
2.2　鋪層的激光投影定位技術(shù)
鋪層激光投影定位技術(shù)是將零件數(shù)模中鋪層輪廓及定位軸線的三維信息轉(zhuǎn)化為點陣格式，采用激光系統(tǒng)逐點快速掃描成線，以在鋪疊過程中對鋪層進行定位。激光投影定位技術(shù)主要包括3個方面：投影數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)、投影儀配置文件。投影數(shù)據(jù)：鋪層輪廓及定位軸線的點陣格式的坐標文件。
工裝數(shù)據(jù)：鋪疊工裝采用零件數(shù)模進行設計，并采用數(shù)控加工制造。在工裝周緣均勻安裝激光投影的定位靶點（一般不少于4個，涵蓋零件型面的最高點、最低點），定位靶點的坐標值即為工裝數(shù)據(jù)（與零件數(shù)模在同一坐標系）。
配置文件：是對投影設備的配置、功能進行約束的文件。如：確定投影儀的數(shù)量、投影參數(shù)等。
鋪層激光投影定位技術(shù)應用控制的關(guān)鍵點為：
（1）工裝數(shù)據(jù)、投影數(shù)據(jù)必須和零件數(shù)模在同一坐標系中，保證激光投影位置與工裝形面吻合。
（2）對于全面積的主鋪層采用投影軸線（肋、墻軸線）定位，對于內(nèi)部子鋪層采用投影輪廓線定位。以提高激光定位線的清晰度和定位精度。
（3）工裝數(shù)據(jù)、投影數(shù)據(jù)、配置文件是投影系統(tǒng)應用的三大文件。要優(yōu)化三者的協(xié)調(diào)關(guān)系尤其是配置文件設定。
（4）鋪層鋪疊要密實平整，盡量接近理論厚度，以保證投影位置的準確。

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（5）鋪疊過程中，鋪疊工裝要有固定裝置，避免移動。若移動要重新進行工裝靶點的掃描校準，以保證投影數(shù)據(jù)與工裝坐標系的吻合，進而保證投影位置的準確。
2.3　自動鋪帶機技術(shù)
自動鋪帶工藝是在復合材料設計數(shù)模的基礎(chǔ)上，采用專用的編程軟件（如：TORLAY）生成數(shù)控鋪疊程序，通過自動鋪帶設備實現(xiàn)數(shù)字化鋪疊。實現(xiàn)過程即將預浸料采用多軸的數(shù)控設備，通過剪裁、加熱、滾壓等裝置，完成預浸料在成型工裝上的自動化鋪疊。自動鋪帶設備一般由數(shù)控機床部分和鋪帶兩大部分組成。
數(shù)控機床部分: 主要包括龍門、橋式兩種，主要是實現(xiàn)鋪帶裝置的移動。鋪帶裝置部分：主要包括上料、剪裁、加熱、滾壓、回卷等裝置，主要功能是實現(xiàn)預浸料的剪裁、鋪疊、壓實等。
自動鋪帶技術(shù)應用控制的關(guān)鍵點為：
（1）首先確定復合材料零件結(jié)構(gòu)適用于自動鋪帶機鋪疊，包括單向帶預浸料、曲面曲率、變厚度過渡區(qū)的斜坡角度等。
（2）在鋪疊形面復雜結(jié)構(gòu)的制件或區(qū)域（如曲率較大等）時，盡量采用較窄帶寬的預浸料，以保證、提高拼接質(zhì)量。
（3）自動鋪帶過程中，工裝要固持穩(wěn)定，保證坐標系與工裝形面的匹配。若出現(xiàn)移動應重新校準。
隨著復合材料應用的日益廣泛，復合材料成型技術(shù)也得到了高速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)就是其重要發(fā)展方向之一，復合材料的數(shù)字化制造可以有效解決“質(zhì)量穩(wěn)定性、精度差”、“制造成本高”這些困擾復合材料應用發(fā)展的問題。復合材料數(shù)字化制造技術(shù)研究、應用，關(guān)鍵是軟件平臺構(gòu)建和數(shù)字化設備應用。

結(jié)論

（1）工裝技術(shù)是大型復合材料壁板研制的基礎(chǔ)，要結(jié)合制件的成型工藝、結(jié)構(gòu)特點合理選擇工裝結(jié)構(gòu)。
（2）固化技術(shù)是大型復合材料壁板研制的關(guān)鍵，要結(jié)合材料工藝性、制件結(jié)構(gòu)，制定合理的預成型工藝和固化工藝，并且協(xié)調(diào)好預成型工藝和固化工藝的關(guān)系。
（3）數(shù)字化技術(shù)是復合材料制造技術(shù)重要的發(fā)展趨勢，尤其針對大型復合材料壁板優(yōu)勢明顯。在進行大型復合材料壁板研制過程中，要大力加強數(shù)字化制造技術(shù)的應用和推廣。