自动铺带机_铺丝机(atl_afp)-现代大型飞机制造的关键设备(上)

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1、万方数据相关产业CorrelativeIndustries自动铺带机／铺丝机{ATL／AFP)一现代大型飞机制造的关键设备(上)ATL／AFP—ThekeyMachineforManufacturingofModernLargeAirplane(A)北京航空制造工程研究所研究员林胜[摘要]复合材料作为现代航空飞行器主结构用材时代已来临，采用复材整体结构件作为现代大型飞机主结构部件设计已是明显的发展趋势，而用于制造复材整体构件的自动铺带机(ATL)与自动铺丝机(AFP)则成为现代大型飞机制造的关键设备。本文将对ATL／AFP机床基本构成

2、、铺放工艺原理、工业应用现状和发展趋向进行较全面详细介绍与讨论。关键词：复合材料自动铺带机自动铺丝机纤维带料纤维束料KeyWords：CompositesATLAFPFiber-TapeFiber-Tow1．前言减轻飞机结构重量一直是飞机设计制造的永恒话题。从20世纪20年代开始铝合金被作为减轻飞机结构重量的首选用材。至今已有70多年的历史了。20世纪60年代出现的高强度低密度的复合材料(Composites，下文简称复材)，其具有高比强度、高比模量、良好抗疲劳性、抗腐蚀性和隐身性能等一系列优点得到了航宇工业界普遍认可，成为既能明显减

3、轻航宇飞行器重量．又能提高性能的理想结构用材。开始在飞机设计制造上得到越来越广泛应用。用于飞机复材构件制造的主要有树脂基、金属基和陶瓷基三类复材。目前应用最为广泛的是碳纤维增强型树脂基复材(CFRP：Carbon—FiberReinforced—Plastic)，占80％以上。飞机复材构件最早在B一1／B一2轰炸机和F一16战斗机上得到应用。但其所占重量比都不超过2—3％，后来的F／A一18E／F图1现代商用飞机用材趋向飞机复材构件数量已超过结构件的50％以上⋯21。而F22／A．F35则超过结构件的75％。所占重量比达24％和35—

4、40％。20世纪80年代末。在军机上复材构件应用开始从非主承力构件很快扩展到主承力构件，同时也开始从军机扩展到商用飞机上应用。本世纪初．商用飞机构件设计发生了重大变化，铝合金用材重量比已从占60％下降到20％。而复材用量从不足10％迅速增加到50％以上，已成为现代大型商用飞机的主结构用材，见图1。空客A380复材构件所占重量比达到25％。大型军用运输机A400M达35％。空客A350WB宽体客机则达52％，减重约7983kg．波音787“梦想”也达50％以上了。据预测到2015—2020年现代商用飞机复材构件用量所占重量比将达70—8

5、0％CM。目前，飞机复材构件生产主要通过半自动人工铺放、自动纤维缠绕、自动带料层铺和自动纤维铺放四种铺放制造技术。(1)半自动人工铺放应用复材构件设计制造软件生成复材构件各铺层2D轮廓数据，不需要制造铺层样板而直接通过数字自动剪裁机剪裁铺层片料，而后借助于激光定位系统进行人工层铺。(2)自动纤维缠绕机床(AFⅣ：AutomatedFilamentWinding)简称自动缠绕机。使用低材料费用的长纤维带按预定的轨迹连续反复在一回转芯模上逐层缠绕贴铺。层间可交叉角度缠绕贴铺，但不能沿回转芯模轴向纵向(零角度)缠绕贴铺以及局部增厚或加筋。W

6、MEM4期2009年8月万方数据(3)自动复材料带层铺机床(ATL：AutomatedTapeLayer)简称自动铺带机。主要用于平面型或低曲率的曲面型，或者说准平面型复材构件的层铺制造。(4)自动纤维铺放机床(AFP：AutomatedFiberPlacement)简称自动铺丝机，主要用于复杂曲面型复材构件的铺放制造。早期飞机复材构件制造大部分采用手工铺放，劳动强度大，材料浪费严重，生产率低下，产品质量保证困难。随着复材构件在现代大型飞机上广泛应用．完全人工铺放及半自动人工铺放工艺已难以满足实际需要。急需解决应用自动化铺放设备来提高

7、生产效率，增加产量，改善制造过程的可控制性，减少材料浪费，降低成本以及提高产品质量，从而推动了飞机复材构件制造设备的重大发展与创新．产生了自动铺带机(ATL)和自动铺丝机(AFP)。ATL／AFP铺放设备是根据复材整体构件铺层设计要求．将碳纤维预浸料带或预浸料纤维束逐层铺叠在模具表面，并进行在线或离线热压固化。因此，复材整体构件制造技术是装备技术、应用软件技术和制造工艺技术的融合集成。应用CFRP进行复材整体构件制造。除需要研究解决共固化、共胶接和二次胶接等若干基本的复材成型工艺技术外，还需要研究解决用于制造复材整体构件的下料剪裁、铺

8、放、铣钻削修整以及无损检测等关键制造装备及其相关应用软件。而用于制造复材整体构件的ATL／AFP机床已成为现代大型飞机生产的关键制造设备。2．自动铺带机(ATL)2．1ATL机床基本结构航空制造业。早于20世纪60年代就