2.1帶鋪放成型的研究現(xiàn)狀

    歐美發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究帶鋪放成型技術(shù)，并取得了很大進(jìn)展，已開(kāi)發(fā)出復(fù)合材料帶鋪放成型設(shè)備，如美國(guó)Vought飛機(jī)公司的大型CTLM鋪放機(jī)，該系統(tǒng)有2個(gè)鋪放頭，可同時(shí)鋪放2個(gè)不同部位，Vought公司目前正使用此系統(tǒng)生產(chǎn)軍用C-17運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮。EADS-CASA是歐洲最早使用平面自動(dòng)鋪帶機(jī)和曲面自動(dòng)鋪帶機(jī)生產(chǎn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的公司，與手工鋪貼相比，CASA自動(dòng)鋪帶機(jī)具有很高的生產(chǎn)效率，一般是手工鋪貼的10倍。當(dāng)用150mm寬預(yù)浸膠布帶作平面鋪放時(shí)，生產(chǎn)效率是手工鋪貼的22倍以上。波音公司在自動(dòng)鋪帶技術(shù)方面投入大量資金和人力，發(fā)展自動(dòng)鋪帶技術(shù)生產(chǎn)B2轟炸機(jī)大型復(fù)合材料構(gòu)件。近年來(lái)，波音公司也將自動(dòng)鋪帶技術(shù)應(yīng)用于其他項(xiàng)目，主要包括Navy A6轟炸機(jī)（復(fù)合材料機(jī)翼）、F-22戰(zhàn)斗機(jī)（機(jī)翼）和波音777民用飛機(jī)。波音777民用飛機(jī)的全復(fù)合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮均采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造。

    目前，帶鋪放成型技術(shù)在我國(guó)尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)復(fù)雜的鋪放制品基本上以手工鋪層為主，其生產(chǎn)效率低、鋪層質(zhì)量不穩(wěn)定、材料利用率低、制造周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，制約了我國(guó)航空航天制造技術(shù)的發(fā)展和水平的提高。由于復(fù)合材料帶鋪放成型技術(shù)對(duì)軍工事業(yè)和國(guó)防事業(yè)有著重大意義，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)嚴(yán)密封鎖，并限制高檔、精密和敏感復(fù)合材料成型工藝裝備對(duì)我國(guó)的出口，使我國(guó)無(wú)法走“引進(jìn)、消化、吸收”的捷徑。國(guó)內(nèi)科研院所和企業(yè)一直致力于帶鋪放成型技術(shù)的研究，以打破發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)的技術(shù)壟斷，促進(jìn)國(guó)防、航空航天事業(yè)的發(fā)展。

    2.2 帶鋪放成型的應(yīng)用

    美國(guó)航空制造商大量應(yīng)用帶鋪放成型技術(shù)生產(chǎn)B1、B2轟炸機(jī)的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼、波音777飛機(jī)機(jī)翼、水平和垂直安定面蒙皮及C-17運(yùn)輸機(jī)的水平安定面蒙皮等。歐洲生產(chǎn)的復(fù)合材料構(gòu)件包括：A330和A340水平安定面蒙皮，A340尾翼蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等。

 

    我國(guó)大飛機(jī)工程已經(jīng)立項(xiàng)，復(fù)合材料規(guī)劃用量初期要達(dá)到15%，后期將隨著材料與設(shè)計(jì)制造技術(shù)的成熟逐步擴(kuò)大，最終的上限可能接近甚至超過(guò)現(xiàn)有波音787的復(fù)合材料用量水平[10]，帶鋪放成型技術(shù)是保證大飛機(jī)項(xiàng)目順利實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于現(xiàn)階段復(fù)合材料用量15% 的目標(biāo)，翼面壁板類(lèi)構(gòu)件將成為主導(dǎo)。對(duì)于20年研制周期的大飛機(jī)計(jì)劃，為進(jìn)一步提高飛機(jī)性能，加大復(fù)合材料用量勢(shì)在必行，復(fù)合材料機(jī)身鋪放技術(shù)將成為后期的關(guān)鍵技術(shù)。

    帶纏繞、帶鋪放成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

    隨著復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，帶纏繞、鋪放成型技術(shù)呈現(xiàn)出多工藝復(fù)合化、成型設(shè)備精密化、CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用日益增多、成型設(shè)備與機(jī)器人結(jié)合化、熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料逐漸增多及新型固化技術(shù)不斷應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

    （1）將帶纏繞成型與拉擠、鋪放、編織、壓縮模塑等工藝相結(jié)合，提高帶纏繞成型的工藝適應(yīng)性。

     由于帶鋪放可進(jìn)行任意角度纏繞，還可在凹形表面纏繞，克服了纏繞工藝的不足；若將其與帶纏繞工藝結(jié)合起來(lái)，可解決某些結(jié)構(gòu)類(lèi)管狀構(gòu)件的纏繞成型問(wèn)題。纏繞-拉擠工藝加工的薄壁管改善了制品的力學(xué)性能，已用于汽車(chē)司機(jī)駕駛室框架的制造。帶纏繞與注射模塑工藝結(jié)合制造的自潤(rùn)滑多面滑動(dòng)軸承具有卓越的摩擦學(xué)行為。

    （2）將帶鋪放成型與電子束固化技術(shù)結(jié)合是目前研究的熱點(diǎn)[3]。

    電子束固化可以大幅度地降低制造時(shí)間、材料消耗和能源，是重要的低成本制造技術(shù)。傳統(tǒng)電子束固化采用鋪疊后一次輻射固化，要求電子束的能量高（3~10MeV），不僅使加速器投資巨大，并且輻射防護(hù)的投資也隨之增加。意大利的Guasti1977年首先提出“逐層電子束固化”的思想，完成一層鋪疊后即實(shí)施電子束固化，只需0.5MeV電子束能量，并可以獲得良好的力學(xué)性能。帶鋪放成型與電子束固化技術(shù)結(jié)合的研究逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。

 

    （3）為帶纏繞、帶鋪放成型設(shè)備配備精密張力控制系統(tǒng)，以提高制品成型精度。

在纏繞、鋪放成型過(guò)程中，張力與制品的強(qiáng)度、致密度、疲勞性以及一致性有著密切的關(guān)系，對(duì)制品性能影響極大。國(guó)內(nèi)方面，西工大、哈工大等均在精密張力控制系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量研究工作，并取得階段性成果；國(guó)外方面，法國(guó)已開(kāi)發(fā)出一種用于粗紗的張力控制系統(tǒng)。

    （4）CAD/CAM技術(shù)在帶纏繞、帶鋪放成型工藝及裝備中的應(yīng)用日益增多。

    CAD/CAM與纏繞、鋪放成型工藝的結(jié)合，有助于縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、減少?gòu)U品率、提高制品的質(zhì)量，提高自動(dòng)化水平及生產(chǎn)柔性。國(guó)內(nèi)外均有一些實(shí)用化的軟件問(wèn)世，但與傳統(tǒng)CAD/CAM技術(shù)相比，復(fù)合材料成型CAD/CAM技術(shù)的研究才剛剛起步，研究成果有限。

    （5）將纏繞、鋪放成型設(shè)備與機(jī)器人相結(jié)合，增強(qiáng)成型設(shè)備的柔性及適用范圍。

    機(jī)器人用于帶纏繞、帶鋪放成型，具有自由度多、運(yùn)動(dòng)靈活、工藝范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合小型復(fù)雜構(gòu)件的纏繞、鋪放成型，如不對(duì)稱(chēng)構(gòu)件和雙凹面構(gòu)件等。歐美及加拿大正在研究開(kāi)發(fā)機(jī)器人纏繞機(jī)，如比利時(shí)Leuven天主教大學(xué)用一臺(tái)PUMA-762機(jī)器人與兩軸數(shù)控纏繞機(jī)聯(lián)接，纏繞出多種零件 ；加拿大OTTAWA大學(xué)也用機(jī)器人成功纏繞了T 形管；德國(guó)AACHEN工業(yè)大學(xué)建成了一個(gè)復(fù)合材料柔性制造單元，己成功生產(chǎn)出機(jī)床主軸、飛機(jī)機(jī)身等零件。

    （6）熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料成型向熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料成型方向發(fā)展。

    據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1994年以來(lái)，熱塑性復(fù)合材料是同期熱固性復(fù)合材料增長(zhǎng)的2倍。該高速增長(zhǎng)可以用熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料良好的機(jī)械性能、耐溫性能、介電常數(shù)及可循環(huán)性來(lái)解釋?zhuān)绕涫撬目苫厥?、可重?fù)利用及不污染環(huán)境的特性適應(yīng)了當(dāng)今材料環(huán)保的發(fā)展方向。國(guó)外已有杜邦、帝國(guó)化學(xué)、BASF和德國(guó)凱瑟斯路登大學(xué)等多家大公司和科研機(jī)構(gòu)對(duì)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的成型工藝進(jìn)行了研究和生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)有北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)試驗(yàn)室等少數(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)熱塑性預(yù)浸帶進(jìn)行了纏繞試驗(yàn)，并對(duì)制品性能進(jìn)行了初步分析。目前國(guó)內(nèi)這種工藝尚處于初步開(kāi)發(fā)的階段，發(fā)展空間較大。
 

    （7）新型固化技術(shù)與在線固化監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷出現(xiàn)。

    紅外加熱、微波加熱、火焰加熱、電子束固化等技術(shù)可縮短固化周期，減少殘余應(yīng)力，提高復(fù)合材料的力學(xué)及物理性能，有利于降低成本。法國(guó)航空航天公司已對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)纏繞殼體的電子束固化技術(shù)進(jìn)行了成功演示，其綜合性能優(yōu)于常規(guī)的加熱固化復(fù)合材料。此外，超聲技術(shù)以及光纖傳感技術(shù)等均用于在線固化監(jiān)測(cè)過(guò)程。前蘇聯(lián)在殼體纏繞成型過(guò)程中采用了磁場(chǎng)中纏繞及固化的工藝方法，可使制品實(shí)現(xiàn)更為良好的固化效果。