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自动铺丝机如何提升大型飞机制造效率?

作者：北京航空制造工程研究所研究员林胜来源：雅式工业专网

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AFP自动铺丝机原理结构

如上期所介绍的，自动铺带机床（ATL）主要用於平面型或低曲率曲面的准平面型复材整体构件层铺制造，因此对於复杂高曲率轮廓复材整体构件——比如飞机的机身段/机头/机尾锥体、喷气发动机整流罩、进气道、喷管、锥形管、压气机叶片以及其他诸如椭圆形或“C” 形件等复材整体构件，使用ATL机床将无法进行铺放加工制造，此时则需要使用自动纤维铺放机床（AFP），这也将是我们这篇文章所聚焦的主题。

实际上，在20世纪70年代初，自动纤维缠绕机床（AFW）就已开始应用於高曲率轮廓复材构件的制造，如图1所示，在民用工业中得到较多应用。

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图1 Entec公司的AFW机床

由於AFW机床纤维缠绕制造工艺是将一连续长纤维束带采用连续反复缠绕到回转的芯模上，通常不能实现纵向（0°方位）的纤维缠绕以及局部增厚或加筋，而ATL是利用滚压辊将确定宽度的预浸料带铺放到相对平直的模具上，且路径一般是有限的，但容易实现0°方向的铺放及局部增厚或加筋层铺。随现代大型飞机中应用的复材整体构件轮廓复杂度越来越高，尺寸也越来越大，传统AFW和ATL已无法满足航空飞机制造实际应用需求。

为此，上世纪80年代末产生了将AFW机床缠绕功能和ATL机床层铺、压紧、切割和重铺等加工能力融合集成在一台设备上，此即出现了自动纤维铺放机床（AFP），也叫自动铺丝机。

典型AFP机床基本结构如图2所示，主要包括有可实现机床铺放头正交3轴运动的机床主体装置、回转芯模支撑与驱动装置、带双转动坐标轴的铺丝头功能部件和纤维经轴架辅助装置。

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图2 AFP机床基本结构

从功能上讲，AFP和ATL一样都是利用滚压辊将预浸料纤维“束带”精确地铺放到确定位置上。但和ATL机床相比不同的是，首先AFP可根据铺放层轮廓形状需求有目的地选择1~n个 “纤维束”来组成确定形状的束带，因而可层铺复杂的、甚至带窗口的曲面；其次，AFP机床通常设计有一个驱动芯模回转的旋转坐标轴，被称为芯模旋转轴（卧式）或芯模旋转工作台（立式）。显然，这是继承了AFW机床的结构和功能。因此，和AFW/ATL机床相比，AFP机床结构和控制功能也就更复杂些。

自动铺丝机AFP机床一出现，立即在飞机复材整体构件制造中得到了广泛应用。世界一些着名的数控加工机床制造商和专业复材构件加工设备制造商针对航空飞机制造用户不同需求，都在极力快速地推出他们最新的各种不同类型的AFP机床，以期占领更多巿场份额。

AFP机床铺丝头

铺丝头是AFP机床最为关键的功能部件。典型AFP机床铺丝头一般包括有纤维束（Fiber Tow）牵丝分配辅助装置、送进、夹紧、剪切、重送、加热和滚压等装置构成，以实现AFP机床的各种铺放功能。这里以Cincinnati公司的AFP机床铺丝头为例，对其基本结构作一简要介绍，见图3。

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1. 纤维束牵丝分配辅助装置

纤维铺放过程中，单根预浸料纤维一般被称为“纤维束”，由纤维经轴架中被引出，通过牵丝装置引导在铺丝头处，若干并列的纤维束构成了具有特定宽度的“纤维束带”(Band/Tows)薄层。这种复材纤维束带薄层在AFP机床CNC系统控制下可被精确地铺放在工件模具表面上某一确定的位置处。

目前，AFP纤维束典型的是由12K单独的长纤维（filaments）组成的，纤维束标准宽度有3.2/6.4/12.7mm三种，最常用的为3.2mm。通常，纤维束典型的是以螺旋形式绕制在一种直径7.6cm和长达28cm的中空的线轴上。对宽度3.2mm材料IM7-12K纤维束线轴，重量约为2.3kg，长度可达3350m。

AFP应用中，纤维束宽度精度对控制两束间缝隙是很重要的。比如，一个被设计用来装载3.2±0.38mm宽纤维束的铺丝头，意味着纤维束将被限制在3.2mm曲面空间内。如果纤维束实际宽恰好为3.2mm，那么铺放的两纤维束间不存在有缝隙。如果实际宽度仅为2.5mm，铺放的两纤维束间存在有0.7mm缝隙，如果实际宽度为3.8mm，铺放的两纤维束间存在有0.6mm重区。

目前，纤维“束带”最多可由32根纤维束组成，束带最大宽度可达102/406mm。通常每条纤维束都具有单独可编程张力控制功能和牵丝辅助装置，用以支持单独纤维束铺放并保持精确的张力。一般地说，纤维束张力不超过0.23kg，过高的张力将会导致在凹轮廓区铺放时产生桥接（bridge -over）现象。

2. 剪切装置

在纤维束铺放过程中，任意纤维束可被切断和调用，从而允许通过增减纤维束数目来实现改变铺放的纤维束带宽度和构成形式。通过调整纤维束带宽度，就可以控制相邻带间裂缝或相互交覆盖区的大小。

3. 夹紧装置

在纤维束铺放过程中，任意一纤维束都具有一定张力，当需进行剪切时须夹住後面之纤维束，以防止其回收而导致无法控制。通常，当要求切断纤维束前执行这种夹紧操作，而当要求重送时松开夹紧装置。

4. 重送装置

铺放过程中，需要对已切断的纤维束重新铺放到构件上时则通过重送装置实现。

5. 滚压装置

通过滚压辊压实铺放的纤维束带并有效实现层间粘连且紧贴工件型面，其压紧压力通常也是为可编程的，或为可设置的。

6. 加热装置

该装置用於控制纤维束的粘度，确保滚压装置能有效压紧铺放的纤维束紧贴模具或工件型面，并挤走铺层间空气。典型AFP可控加热装置可控制纤维束升温（27~32℃）产生必要的粘度，并在滚压辊作用下能良好地粘贴在工件型面上；而在这之前，纤维束温度保持在不高於21℃而处於低粘度或基本上无粘性状态，确保控制纤维束能容易地从经轴架的线轴中抽出和传送到铺放头。

AFP机床在工业中的应用

1. Cincinnati公司VIPER系列机床

1985年，波音公司研发了第一台AFP样机，其设计的铺丝头已基本上解决了预浸料、切断与重送以及集束压实等技术问题。此後，Cincinnati机床公司在1989年推出了第一台商品化AFP机床VIPER 1200，被用於V-22 Osprey军用飞机4.21m长的复材後机身结构件的制造，见图4。

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图4 Cincinnati VIPER 1200 AFP机床用於铺放V-22 Osprey後机身

原先该後机身是被分成9段後采用人工铺放的，改用AFP机床自动铺放时，被作为单一的通过AFP铺放加工的整体构件，节省了扣件34%，减少修整和装配劳力53%。通过纤维铺放设计优化，纤维束浪费率减少了90%。

应用VIPER 1200 AFP机床进行F/A-18E/F超级大黄蜂军机的复材机身蒙皮的铺放，和采用人工纤维铺放方式相比，节省劳力38%。

而应用VIPER 1200 AFP机床铺放的采用蜂窝夹心结构的小型商务机Premier I全复材机身，仅仅包括两个要加工的零件：从雷达天线舱壁伸出部分到後承力舱的前机身壳体，长8米；和从後承力舱到尾锥的後机身壳体，长约5米。整个复材机身重量不超过273kg。若采用金属材料制造机身重为454kg（减重40%），且组成的零件多於3000个。

同时，采用AFP机床自动铺放和人工铺放方式相比，复材纤维束浪费率将减少90%。显然，对重达273kg的构件而言，复材纤维束费用的节约将是相当可观的。

随着铺放制造的飞机复材整体构件尺寸越来越大，为满足不同航空用户需求，Cincinnati机床公司先後开发了AFP系列产品VIPER1200/3000/4000/6000设备。

图5（a）为英法德三国合作的欧洲先进复材发展研究项目中，BAE公司应用小型AFP机床VIPER1200制造的长4.5m、最宽处达2m筒形预浸料碳纤维全复材机身段(FUBACOMP)，该构件是由Dassault公司设计的。

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a. 筒形全复材机身构件b. A380後机身构件
图5 Cincinnati VIPER系列AFP机床加工机身构件

而使用中型AFP机床VIPER 3000，能够铺放生产大型商用飞机A380的CFRP复材尾锥构件，构件长4.77m，锥体两端直径分别为2.55m和400mm。图5（b）则为应用VIPER 3000机床生产的新A380客机非主承力复材後机身构件，其截面积达5770×5800mm。

Cincinnati最新VIPER 6000大型AFP机床铺丝头可装载32束12.7mm宽纤维束，纤维束带宽达406mm，能铺放直径6.5m、长达17m的复材构件，控制转动心轴重量可达86.3t。

据报道，波音公司大型787“梦想”客机共设计有9个机身段构件，其中5个采用的是复材整体构件设计制造。Vought公司为波音787客机制造23%的机身部件，包括5.8×7m的47段机身和4.3×4.6m的48段机身复材构件，使用日本东丽的3900系列碳纤维/环氧树脂预浸料复材，就是在Cincinnati大型AFP机床 VIPER 6000上进行自动铺放制造的。48段机身复材构件所铺层数，最薄处12层，最厚处多达100层。

2. Ingersoll公司AFP机床

美国Spirit（斯匹里特）公司在堪萨斯州的威奇托工厂生产波音787的41段全复材前机身，为复杂外形轮廓的筒形整体构件(见图6)，使用Ingersoll提供的AFP机床进行制造。经AFP设备铺放完成後的复材预构件在21.3米×9.1米的热压罐中固化，形成高韧可靠和高强度的整体复材构件。

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图6 波音787 41段前机身加工由Ingersoll卧式AFP机床完成

Ingersoll公司还生产提供带芯模旋转轴的卧式AFP机床，配置GE Fanuc多坐标CNC控制系统和复材编程系统（CPS，Composite Programming System），可用於飞机承力货舱、油箱和锥体类等复杂结构件、发动机整流罩、承载的整流和起落架吊舱片等结构件的铺放制造。

该AFP机床，工作区设计为（4800-6000）×（14000-22800）mm，工作进给速度30m/min，快速移动速度达55m/min；定位精度0.05mm，全长0.4mm，重复定位精度0.025mm，直线轴加速度500mm/s2。

波音787客机的8.5m长的44段机身以及10m长的46段机身由意大利Alenia (阿莱尼亚)公司制造，装备有Ingersoll公司的最新一代AFP Mongoose H3机床，应用32束12.7mm宽纤维束的铺丝头，铺放速度和切割速度达30m/min，生产率可达720 m2/hr碳纤维。Ingersoll公司还提供带芯模工作台的立式龙门结构的AFP机床。

至2005年，Ingersoll公司已向航空飞机工业提供了11台AFP机床，按计划到2009年底还会再提供8台AFP机床。而该公司推出的最新一代AFP机床铺放速度可达60m/min，切割速度50m/min。美国洛克希德·马丁空间系统公司（Lockheed Martin Space Systems）也购置有多台Ingersoll公司AFP机床用於复材整体构件的铺放制造。

3.MTORRES公司AFP机床

波音787客机的43段机身由日本川崎重工（KHI：Kawasaki Heavy Industries）制造，使用西班牙MTORRES公司的新一代AFP机床，见图7。

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图7 MTORRES公司的新一代铺丝机

在西班牙的马德里复合材料研究中心也安装有一台同样的新一代AFP机床。MTORRES公司的新一代AFP机床使用32束任选3.2/6.4/12.7mm宽纤维束的铺丝头，铺丝头由铝合金材制成，尺寸小，惯量小，铺放速度可达61m/min，机床线性轴加速度达3g，最高铺放生产率达45-50kg/hr。

ATL/AFP机床的优点

前面在介绍工业应用中的ATL/AFP机床时，对应用自动复材铺放设备的益处已有所涉及，本节将对此作一专门介绍与讨论。

工业实践已表明，应用现代先进ATL/AFP机床层铺生产复材整体构件，和传统人工/半自动人工层铺复材构件工艺相比具有许多显着优点。

1.提高铺放生产率

使用ATL/AFP机床自动层铺技术，自动化水平大大提高，尽管仍然需要少许人工层铺操作，但和传统人工层铺工艺相比可减少传统人工层铺劳动量（人时）40%-90%，从而保证高铺放生产率。

目前，作为测量ATL/AFP机床铺放生产率的高低是以每小时铺放复材公斤数来评测的。ATL机床铺放生产率和被铺放的零件大小有关，大型平板类复材构件可使用宽规格带料，层铺路径长，铺放生产率较高。

一般来说，人工铺放生产率平均0.5-1.2kg/hr。目前，ATL机床铺放生产率平均达10-20kg/hr，CTLM机床最高可达20-30kg/hr，FTLM机床最高可达30-40kg/hr；AFP机床铺放生产率平均可达10-30kg/hr，比人工铺放提高5-20倍。

2. 减少材料浪费，降低成本

人工层铺带料复材浪费率超过25%-30%，使用ATL复材浪费率仅3%-10%，平均约5%左右，材料利用率高。人工铺放纤维束浪费率相当高，可达30%-50%。AFP机床由於纤维束可独立铺放控制，能根据零件轮廓形状自动适应，几乎不产生废料，复材浪费率仅2%-7%。

采用自动化层铺技术一般可降低生产成本30%-50%以上。这主要从减少劳动力费用和减少材料浪费两方面来取得。

一是减少劳动力费用：以GKN宇航公司制造A400M军用运输机23m长复材机翼梁为例，采用树脂膜渗透成型（RFI：Resin Film Infusion）工艺，采用碳纤维带料，使用人工层铺费时180hr，劳动力费用40美元/hr，後来使用ATL自动层铺费时1.5hr，劳动力费用150美元/hr，减少了劳动力费用95%以上，不仅有效减少生产成本，更重要的是生产效率提高了约120倍，制造周期显着缩短。

二是减少材料浪费：从前面讨论可看出，人工层铺复材浪费率平均要高达30%-35%。一架A380飞机可能用碳纤维35t左右，仅翼盒复材用料就达5.3t，正常批量生产後，年耗量需要1000t。一架波音787客机可能用碳纤维25t左右，以年产60架计，则年耗量1500t。碳纤维环氧树脂预浸料复材价格大约为120-180美元/kg。显然，由於复材材料的节约将使得生产成本有相当可观的减少。

3. 制造精度高，质量稳定

使用ATL/AFP自动层铺技术可提高制造精度。目前，使用ATL/AFP基础铺放精度一般可达1.2-1.5mm之内，最佳精度可达0.76mm以内，人工铺放一般为±3mm。

使用ATL/AFP自动层铺技术，铺放、滚压等制造工艺过程都是由程序自动控制，重复性与一致性好，质量稳定，不仅可避免人工铺放可能发生的错误，同时在相同结构与同等强度下，和人工铺放相比构件通常可减轻重量10%-20%。

4. 可自由铺放制造大型复杂复材构件

由於AFP机床每一根纤维束都可独立地被铺放、压紧、切断和重新铺放等，即实现独立铺放工艺控制。因此，应用AFP便於铺放制造大型复杂复材构件，便於实现纤维束在最佳角度下进行交错铺放、层铺，以使得零件局部增厚或加筋层铺，获得不同壁厚的零件，以确保构件重量的最小化，并通过程序设计控制不同纤维束铺放开/关/切割，可实现诸如窗户、门、舱口等复杂开启装置构件成型制造。

而且，纤维束自动铺放将不受自然路径（Natural Path）轨迹限制，铺放自由度大，可实现连续平滑移动变化（Fiber Steer），适合於大曲率复材构件成型制造；还可生产网状结构的精边。这种方式可以优化结构集成度、降低35%的材料浪费、减少後续加工需求及手工操作。

另外，应用AFP既能够铺放制造大型复杂复材构件，也能够铺放制造简单平板类复材构件，起到相当於ATL机床的功能作用，并提高设备自动化来提升生产率，加强了制造过程的可控制性，因此构件制造质量容易控制，自动层铺复材构件生产流程路径通常可大为缩短，因而生产占地空间减少，并能促进数字化复材结构件设计制造技术发展与应用。

ATL/AFP控制系统与编程

1. ATL/AFP需要专用的NC控制软件

从前面讨论可知，典型ATL/AFP需要配置9-11轴以上的多坐标CNC数控系统，通常其中5个联动坐标轴用於产生铺带头/铺丝头的滚压辊在空间运动的自然轨迹（Natural Path），对AFP还包括对芯模转动坐标轴的联动控制。

这种运动“轨迹”控制很类似於典型主轴头带旋转坐标的5轴联动的数控铣床控制圆柱端铣刀运动一样，不同的是，此时ATL/AFP的刀具中心为铺带头/铺丝头的滚压辊中心，且不需要设计用於驱动切削刀具的一整套主轴驱动装置。

同时，ATL/AFP控制系统“刀具轨迹”计算也不同於典型数控铣床的CNC系统。通常需要专用的控制软件、编程系统和後置处理，以使得ATL/AFP多轴运动的编程及控制变得简单，便於实现复杂构件的铺放制造。

ATL/AFP根据铺层设计要求，将纤维预浸料带（铺带机）或预浸料纤维束（铺丝机）逐层铺在模具表面。对於ATL机床，预浸料带一般呈硬挺状态，通常只允许在很小的范围内变形。

因此，为防止铺放过程造成预浸料带屈皱或撕裂、影响铺带质量以及甚至出现废品，需确保铺复杂曲面预浸料带中心线只有沿特定的轨迹运动才能使预浸料带变形最小。这种特定的“轨迹”即被定义为自然轨迹。而对AFP机床，虽有自然轨迹、固定纤维走向轨迹（Fixed fiber orientation path）和并行轨迹（Parallel path）等多种方法实现铺放轨迹规划，但按自然轨迹规划仍然最为简便。

2. 编程特点及典型的编程软件

尽管ATL/AFP机床为可编程的自动化CNC控制设备，但它和典型的金切数控机床有较大的不同，目前仍难以实现或者说达到典型金切数控机床那样的高水平的人机交互操作。ATL/AFP机床的实际应用效果在很大程度上仍取决於复材构件制造设计、加工编程人员和操作人员的水平。

因此，在选配ATL/AFP机床时，应关注相关联的复材构件制造设计分析、编程和仿真软件配置功能，并应对相关编程人员和操作人员进行良好的技术培训。

目前，多数ATL/AFP机床制造商在提供机床硬件的同时，都能向用户提供用於ATL/AFP加工应用的编程系统、後置处理和铺放仿真软件。

例如，Cincinnati公司可向用户提供ATL/AFP ACES编程应用系统，西班牙MTORRES公司ATL/AFP配置Siemens 840D CNC系统并可提供在CATIA运行环境下一种可视化复材构件制造智能软件包，而法国FOREST-LINE同样提供在CATIA环境下复材构件CAM软件CAAV5，作为复材构件铺层和纤维铺放的分析、仿真和编程工具软件。

一些主流的商品化CAD/CAM软件供应商也能提供复材结构件铺层和纤维铺放的分析、仿真和编程工具软件，如CATIA复材构件设计模块，包括复材构件设计CPD、制造设计CPM和工程设计CPE模块软件，设计人员/编程人员在编程前就可创建与仿真复材构件层铺过程，并可提供工艺控制软件和制造工艺数据记录包优化等选件。

3. 编程系统构成与基本功能

先进的复材结构件铺层和纤维铺放的分析、仿真和编程工具软件通常能支持ATL/AFP应用，并适应不同类型的复材铺放应用。图8所示为典型的ATL/AFP机床离线编程系统基本组成框图。

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图8 ATL/AFP编程软件基本构成框图

3D构件模型多数提供直接接收CAD系统传送来的3D构件模型数据，或完全可集成在主流的CAD/CAM系统数字化设计制造环境中应用，支持包括手糊、模塑、预浸料带铺覆及纤维铺放等技术在内的大多数复材生产工艺，实现复材构件快速设计和制造。

构件层铺设计与优化通常包括铺层初步设计、工程详细设计和可制造设计。

初步设计主要基於零件结构分析数据进行构件几何建模，建立构件表面模型；进行层合板、区域和铺层定义，并实现区域和过渡区域建模。

工程详细设计是在几何建模基础上进行复材构件制造的基本单元每铺层的建模，自动生成构件区域铺层定义，一般包括复材类型、几何轮廓、铺放角度/顺序/厚度/数量和参考坐标系等，并提供对铺层的设计分析。通过自动生成层合板上表面来创建三维铺层实体模型，为构件实现数字化预装配、工装设计以及运动部件的仿真模拟分析等提供支持。

可制造设计包括铺层展开、材料余量定义、生产能力和生产率分析等若干方面。本文对此将不作更详细的介绍。

复材构件制造工艺数据主要包括纤维材料、带宽、带厚、铺放方向和缝隙容限等。

图形显示与工艺仿真由软件产生的图形数据，能够应用图像软件进行可视化显示，包括铺层展开二维平面图形、展开数据，铺层实体图形等以支持下游制造生产，以快速获得达到规范要求的理想产品与质量。同时多能提供铺层过程工艺仿真模拟。

APT源代码自动生成是由软件产生的、能够通过APT编译器自动处理、NC数控应用处理（後置处理）以及适用於汽车工业、航宇工业和其他行业的复材结构化零件加工的APT源代码。

制造技术文档资料自动生成是由软件产生的各种相关的制造技术文件等作为复材构件生产和装配的依据和工艺指导性文件使用。一旦设计模型有所改动，相关的文档将自动更新。

後置处理技术和数据接口是面向具体工业应用开发的後置处理软件，能够针对具体应用将APT源代码处理成对应的加工程序，并可通过相应数据接口传送到具体制造设备中，实现了零件从3D模型（产品设计）、工艺规划到加工制造的无缝集成，提升了复材整体构件制造自动化水平，缩短了构件制造周期。

篇尾寄语

复合材料作为现代先进大型飞机主结构用材已是明显的发展趋势，复材整体构件已成为现代先进大型飞机的最主要特征，复合材料的飞机时代已经来临。

作为铺放制造复材整体构件的自动铺带机（ATL）与自动铺丝机（AFP）则随之得到极为快速发展和广泛应用，成为现代先进大型飞机制造的关键设备之一，并处持续发展进步中，其应用日益完善，并开始向非航空应用领域扩展。

“十一五”期我国正式启动实施了大飞机重大专项，并正加速进入实质性运作阶段，这也对ATL/AFP机床提出了迫切需要。而我国在ATL/AFP机床研制、生产和实际工业应用等基本上还仅处於起步阶段，和国际先进水平存在有较大差距。而本文对ATL/AFP机床基本构成、铺放工艺原理、关键功能部件及其在现代大型飞机制造中应用现状进行了较全面介绍与讨论，希望对推动发展我国ATL/AFP机床与工业应用技术能有所帮助。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/13/2010)


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