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航空与航天设备 |
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复合材料自动铺带技术研究与应用 |
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作者：周晓芹 曹正华 郑广强 来源：航空制造技术 |
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经过四十多年不断的发展与完善，自动铺带设备和技术在美国和欧洲已经成熟，并大规模应用于航空复合材料结构件的制造，如波音777飞机尾翼、水平和垂直安定面蒙皮，波音787翼面蒙皮，A340尾翼、水平安定面蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等。自动铺带技术已经成为发达国家复合材料翼面类结构的典型制造技术之一。
随着我国新型飞机项目的立项启动，复合材料用量以及大型整体构件的数量和尺寸不断增加，国内复合材料自动铺带技术得到迅速发展。目前，北京航空制造工程研究所率先完成了大型复合材料构件自动铺带机的研制，并在此基础上深入开展了自动铺带技术研究。
自动铺带设备概况
北京航空制造工程研究所研制的大型复合材料自动铺带设备由多坐标铺带头、高速移动横梁、高架桥式定位平台等组成，如图1所示。除了传统数控机床X，Y，Z 三坐标定位以外，还有绕Z 轴方向的转动轴C 轴和绕X 轴方向摆动的A 轴，五轴联动以满足曲面铺带的基本运动要求。
● 自动铺带机联动坐标及行程范围：X ：20000mm；Y：6500 mm。
● 自动铺带机坐标速度：X 、Y ：60000 mm/min。
整机技术水平和性能指标达到了国外同类设备水平，能够满足新型飞机研制中大型复合材料构件的研制需求。
CCF300/ BA9916-Ⅱ复合材料自动铺带工艺适应性研究
自动铺带用预浸料有别于普通预浸料，对预浸料的衬纸类型、粘性等参数均有一定要求。现选取典型材料CCF300/BA9916-Ⅱ进行自动铺带工艺适应性研究。
由于预浸料铺放时需要一定的粘性，纤维靠与底层的粘附力作用从背衬纸上剥离，它只有达到足够粘性才能铺到模具或已经铺好的底层上。不同树脂体系的预浸料，其粘性随环境温度变化规律不同。
为了检验CCF300/BA9916-Ⅱ复合材料自动铺带工艺适应性，在一定环境温度下，采用大型多坐标自动铺带机进行了铺带试验。
通过试验研究得出， CCF300/BA9916-Ⅱ复合材料衬纸连续性好、粘性合适、铺放效果好，自动铺带工艺适应性好，而且材料的质量稳定性和一致性好，完全能够满足自动铺带的要求。
典型蒙皮铺带验证
1 典型蒙皮设计
典型蒙皮结构采用的是变厚度设计，蒙皮外形尺寸为5000mm×1000mm，在蒙皮的不同部位存在多个过渡区域，最厚处是8mm，最薄处是4mm，如图2 所示。
图2 一种大型复合材料蒙皮结构示意图
典型蒙皮采用CCF300/BA9916-Ⅱ复合材料，在基于CATIA的复合材料模块中进行铺层设计，详细铺层信息见表1。
2 典型蒙皮铺带制造
采用CCF300/BA9916-Ⅱ复合材料，用北京航空制造工程研究所研制的大型多坐标自动铺带机完成零件的自动铺带（如图3），然后经热压罐进行固化。相比于手工铺放，自动铺带生产效率大大提高，废料率降低，铺层定位精度高，质量一致性高。
图3 典型蒙皮自动铺带
3 随炉件力学性能测试
进行力学性能测试，随炉件为自动铺带工艺完成，测试数据见表2。
结束语
试验结果表明：
（1） 北京航空制造工程研究所研制的大型多坐标自动铺带设备稳定可靠，技术规格及各项精度等均能够满足工程应用要求，整机技术水平达到当今国际先进水平，满足新型飞机的研制要求。
（2） 北京航空制造工程研究所生产的CCF300/ BA9916-Ⅱ复合材料自动铺带工艺适应性好，完全满足自动铺带要求。
（3） 通过开展复合材料自动铺带技术研究，已用该设备完成大型复合材料蒙皮自动铺带，该设备具备了工程化生产条件，将为大量飞机复合材料构件自动铺带技术应用奠定装备与工艺基础。(end)
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(8/31/2011) |
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