| 複合材料作為飛機主結構用材的時代業已來臨，用於製造複材整體構件的自動鋪帶機（ATL）成為現代大型飛機製造的一種關鍵設備，並已成功獲得廣泛應用。 |
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| 圖1 複材構件在飛機上應用之發展歷史 |
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複材構件飛機時代業已來臨
從20世紀20年代鋁合金被作為減輕飛機結構重量的首選用材開始，至今已有70多年的歷史了，而如何減輕飛機結構重量，一直是飛機設計製造的永恆話題。
信息技術、材料技術和製造技術的快速發展推動現代飛機設計製造技術發生了重大變化，特別是高強度低密度的複合材料（Composites，下文簡稱“複材”）的出現，以及其在飛機結構件設計製造上廣泛、成功的應用，不斷改寫着鋁合金材作為現代大型飛機主結構用材的歷史，複材已逐漸取代鋁合金成為現代大型飛機的主結構用材。
現代大型飛機設計製造中對複材的廣泛採用趨勢是如此明顯，可以看到，複材作為飛機主結構用材的時代已經來臨。複材出現於20世紀60年代，由於其具有高比強度、高比模量、良好抗疲勞性、抗腐蝕性和隱身性能等一系列優點，得到了航宇工業界普遍認可，成為既能明顯減輕航宇飛行器重量、又能提高性能的理想結構用材。其在現代軍民用飛機設計製造上的應用日趨廣泛，從圖1可綜觀這一發展歷程。
用於飛機複材構件製造的主要有樹脂基、金屬基和陶瓷基三類複材。目前應用最為廣泛的是碳纖維增強型樹脂基複材（CFRP：Carbon-Fiber Reinforced-Plastic），佔80%以上。飛機複材構件最早在B-1/B-2轟炸機和F-16戰斗機上得到應用，但其所佔重量比都不超過2%-3%，後來的F/A-18E/F飛機複材構件數量已超過結構件的50%以上，而F22/A和F35則超過結構件的75%，所佔重量比達24%和35%-40%，大型軍用運輸機A400M達35%。
20世紀80年代末，複材構件的應用日臻成熟且發展迅速，其在軍機上的應用開始從非主承力構件快速延伸到主承力構件，出現了全複材機身構件，同時其應用範疇亦擴展到商用客機。從圖1所示的三條應用趨勢曲線可以一眼看出：商用客機廣泛應用複材構件大約比軍用飛機晚了10-15年時間。
發展至21世紀初，商用客機構件的設計發生了重大變化，鋁合金用材重量比已從佔60%的較大幅度下降到20%，複材用量也從不足10%迅速攀升至50%以上，躍升為現代大型商用客機的主結構件用材。
與此同時，高強度低密度的鈦合金承力結構件獲得更多採用，如圖2所示。空客A380客機中複材構件所佔重量比只是25%，而空客A350XWB寬體客機的這一數值已達52%，總計實現減重約7,983kg。又比如，波音777客機中複材構件所佔的重量比不到15%，而波音787“夢想”則已超過50%。據預測，到2015-2020年，現代商用客機複材構件用量所佔重量比將達70%-80%。
圖2 現代商用飛機用材趨勢 |
事實上，目前一些具有創新性的全複材或准全複材構件的無人機、直升機和商務飛機已經研製成功，複材構件的飛機時代已經來臨。
製造複材構件的機床應運而生
複材構件在現代先進飛機上的大量應用，使得複材構件的設計製造成為現代大型飛機批量生產的瓶頸，實現高生產率自動化複材構件的製造越來越受到航空飛機製造業的關注。目前，飛機複材整體構件的製造生產主要通過以下四種鋪放製造技術來達成：半自動人工鋪放、自動纖維纏繞、自動帶料層鋪和自動纖維鋪放。
半自動人工鋪放：應用複材構件設計製造軟件，生成複材構件各鋪層2D輪廓數據，不需要製造鋪層樣板而是直接通過數字自動剪裁機剪裁鋪層片料，而後再借助激光定位系統進行人工層鋪。
自動纖維纏繞機床（AFW：Automated Filament Winding）：簡稱自動纏繞機，使用低材料費用的長纖維帶，按照預定軌跡連續反複地在一個回轉芯模上逐層纏繞貼鋪。層間可交叉角度纏繞貼鋪，但不能沿回轉芯模軸向縱向（0°方位）纏繞貼鋪以及局部增厚或加筋。
自動複材料帶層鋪機床（ATL：Automated Tape Layer）：簡稱自動鋪帶機，主要用於平面型或低曲率的曲面型、或者說准平面型複材構件的層鋪製造。
自動纖維鋪放機床（AFP：Automated Fiber Placement）：簡稱自動鋪絲機，主要用於複雜曲面型複材構件的鋪放製造。
早期飛機複材構件的製造大部分採用手工鋪放，勞動強度大，材料浪費嚴重，生產率低下，產品質量難於保証。完全人工鋪放及半自動人工鋪放工藝，顯然難以應對複材整體構件在現代大型飛機上日漸廣泛的應用，急需解決的問題便是應用自動化鋪放設備。這能有效提高生產效率、增加產量、改善製造過程的可控制性，同時減少材料浪費，降低成本並提高產品質量，從而進一步推動飛機複材構件製造設備的重大發展與創新，自動鋪帶機（ATL）和自動鋪絲機（AFP）由此應運而生。
ATL/AFP鋪放設備根據複材整體構件鋪層的設計要求，通常採用將碳纖維預浸料帶或預浸料纖維束逐層鋪叠在模具表面、並進行在線或離線熱壓固化的方式。因此，複材整體構件製造技術是製造裝備技術、應用軟件技術和製造工藝技術的融合集成。應用CFRP進行複材整體構件製造，不僅需要研究解決共固化、共膠接和二次膠接等若干基本的複材成形工藝技術，還需要研究解決用於製造複材整體構件的下料剪裁、鋪放、銑鑽削修整以及無損檢測等相關的關鍵製造裝備及其應用軟件。
目前，用於自動化製造複材整體構件的ATL/ AFP機床已成為現代大型飛機生產的關鍵製造設備之一。為此，世界一些著名數控加工機床製造商和專業複材構件加工設備製造商都紛紛推出自家設計製造的ATL/AFP機床。
自動鋪帶機（ATL）
1. ATL機床基本結構
早在20世紀60年代初，航空製造業就開始應用碳纖維預浸料單向帶、採用手工鋪放工藝製造軍用飛機結構件。發展到20世紀60年代中期，在飛機製造業要求實現複材帶料層鋪工藝自動化的推動下，自動鋪帶機研製成功。
第一台ATL機床由美國Vought（沃特）公司在20世紀60年代中研製成功，用於製造F-16戰斗機複材機翼，使用了75mm寬帶料。到20世紀70年代末，一些著名機床製造商開始推出商品化的ATL機床，包括平面型（FTLM：Flat Tape Laying Machine）和曲面型（CTLM：Contour Tape Laying machine）兩種類型，使用的複材帶料寬度分為25/75/150/300mm幾種。通常，CTLM使用寬25/75/150mm帶料，FTLM使用寬75/150/300mm帶料。一般地說，零件輪廓越複雜，越趨於使用窄帶料。但是為了提高ATL機床層鋪加工生產率，CTLM多使用150mm寬帶料，而FTLM多用300mm寬帶料。
圖3 高架龍門結構ATL機床和數控銑床 |
ATL機床多採用開放式高架龍門移動式結構設計，其整體結構非常類似於金屬切削加工應用的開放式高架龍門移動結構五坐標數控銑床(參見圖3)。
不同的是，數控銑床上常見的用於切削零件的刀具主軸及驅動裝置將由ATL機床最關鍵的功能部件——鋪帶頭裝置所替換；通常要求機床配置9-11軸以上NC控制軸。一般設計有5個數控聯動軸X、Y、Z、A、C用於ATL機床坐標軸運動控制，也即，使得鋪帶頭實現5軸聯動；另外4-6個NC控制軸設計在鋪帶頭裝置上，用於實現層鋪過程複材帶料傳送與鋪放控制。
圖3中所示的ATL機床為美國Cincinnati機床公司早期的產品，當時主要應用在導彈和軍用飛機上複材構件的製造，如B-1/B-2轟炸機機翼蒙皮構件等。
如前所述，ATL機床主要用於平面型或准平面型飛機複材構件的層鋪製造，典型的包括大型飛機機翼蒙皮、垂尾蒙皮、平尾蒙皮、翼肋、翼梁、桁條、工字梁、方向舵、升降舵、發動機進氣處整流片、地板和門窗口等。
2. ATL機床鋪帶頭
ATL機床配置使用的鋪帶頭是集複材帶料輸送、加熱、滾壓貼緊、剪切、重送等鋪放功能於一體的複材帶料層鋪控制裝置，為ATL機床最關鍵的功能部件。
ATL鋪帶頭通常設計有5個數控控制軸（UVQDE），用於完成前述複材帶料層鋪各種工藝功能。FTLM機床和CTLM機床的鋪帶頭結構基本上很類似，不同的是CTLM機床至少設計有一個用於層鋪曲面的A擺動坐標軸，C轉動坐標軸用於改變鋪帶前進方向。
通常，ATL鋪帶頭能支持0°、90°、+45°和-45°四種標准角度鋪帶方向。鋪帶頭一般均設計有供料卷盤、帶料導向傳送裝置、剪切裝置、滾動壓緊裝置和可控加熱裝置等基本部件。
（1）供料及回收裝置
供料卷盤多設在鋪帶頭前上方，帶料經過位置檢測裝置、一對剪裁刀具和帶料烘熱裝置後進入帶料導向輪，繼而通過導向輪下部後穿過一貼合滾壓輥，而後經過壓緊輔助裝置到達位於鋪帶頭後部的背帶回收盤滾軸。通過控制供料滾軸和背帶回收滾軸驅動電機從而可控制複材帶料層鋪送料。Cincinnati將用於複材帶料這種送料運動的整個裝置定義為U軸。
（2）剪切裝置
鋪放過程中帶料可被切斷或剪切成所需角度，這是通過設計有兩個剪裁小刀的剪切裝置實現的。兩剪裁小刀V與Q直線坐標運動裝置在結構上完全一樣，其移動方向垂直於帶料前進的方向。在V軸上設計有D軸，而在Q軸上設計有E軸， 通過VD軸與QE軸可實現將複材帶料剪切成所需要的任意角度。應指出的是，剪切僅僅切斷複材本身，而不切斷背紙料。
（3）加熱裝置
鋪帶頭上可控加熱裝置用以控制複材帶料升溫（Cincinnati機床溫控範圍26-43℃）產生必要的粘度。可控加熱裝置和滾壓裝置構成一個協調整體，可有效使帶料層間能良好地粘貼在一起或粘貼在模具型面上（第一層時），並可擠走層間空氣。
（4）壓緊裝置
鋪帶頭上的滾壓輥用於壓實鋪放的帶料並有效實現層間粘連且緊貼工件型面。通常壓緊直接由壓輥提供，層鋪貼合滾壓壓力，Cincinnati機床對複材帶寬150mm時為27-133kgf，對帶寬300mm為27-173kgf。通常，滾壓力是可編程的，可通過控制台由操作人員輸入。
此外，ATL機床鋪帶頭一般均裝備有光電帶料缺陷檢測裝置，在層鋪過程中一旦檢測到帶料缺陷則控制機床停止層鋪運行。
工業應用中的ATL機床
ATL設備自20世紀60年代中誕生以來，經歷數十年持續不斷發展至20世紀90年代末，在機床結構、層鋪工藝、鋪層控制、鋪帶頭功能化水平、編程及其使用的複材範圍等方面都取得長足進展。隨着ATL機床自動化水平、鋪放生產率及其可靠性的進一步提高，獲得飛機製造用戶的普遍認可，推動了ATL機床的實際工業應用。至目前為止，已約有60多台商品化的ATL在飛機工業中應用。
現在能向用戶提供商品化的先進ATL機床的製造商為數不多，主要有美國MAG Cincinnati、Ingersoll公司、西班牙MTORRES公司和法國FOREST-LINE公司等幾個著名加工機床製造商，以及美國ADC（Automated Dynamics Corp.）、Entec公司等若干專業複材構件加工設備製造商。
1. 高端鋪帶機（HCTL）在複材構件製造中顯身手
大約從上世紀80年代開始至本世紀初（2001年），波音公司就已購置了近20台ATL設備，用於製造B-1/B-2轟炸機、海軍A6闖入者飛機和空軍F-22戰斗機的機翼蒙皮，V-22 Osprey斜旋翼蒙皮，以及C-17軍用運輸機機翼等複材構件。波音777飛機(1995年)全複材的尾翼蒙皮，其平尾/垂尾翼蒙皮製造也是使用Cincinnati公司CHARGER系列CTLM機床來加工的。
美國Vought航空公司Dallas（達拉斯）工廠也裝備有Cincinnati公司大型雙龍門雙鋪帶頭結構的CTLM，用於生產C-17大型軍用運輸機水平穩定翼蒙皮壁板，壁板長12.9m，厚15mm，翼根部寬3.6m，翼尖處板厚僅2.5mm，每架飛機需4塊（上下各2塊），可一次同時鋪放2個零件，年生產量約60塊。
機床製造商Cincinnati公司研製的CHARGER系列Version 5新一代CTLM，被稱為高級曲面型鋪帶機（HCTL：High Contour Tape Layers)。該HCTL採用低導軌龍門移動結構，導軌高度可按用戶實際需求設計。因此，和上文中圖3所示Cincinnati的早期ATL機床相比，具有更好的開放性、快速性和結構剛度，更適合於各種平板、輪廓和變幾何形狀的中大型尺寸飛機中、碳纖維/環氧樹脂複材構件的自動層鋪加工，鋪帶速度可達50m/min。
該機床設計有10個NC控制軸，其中5個（XYZAC）用於機床坐標軸聯動運動控制，5個用於鋪帶頭帶料層鋪控制，機床配置新一代CNC控制系統CM-100。X軸基本行程為3.6m，可倍增加長，同時每3.6m處可增長300mm以增加X軸方向運動的柔性；龍門寬度可調，標准機型為5m，Z軸節拍可根據實際需要調整，A軸位於鋪帶頭部，可實現曲面層鋪，橫梁導軌高度根據實際需要設定。
HCTL鋪帶頭重配安裝與操作容易，允許快速簡單地從側面裝載寬300mm直徑達650mm帶料盤，鋪帶頭硬件設計使得150mm或300mm寬帶料盤更換快速。鋪帶頭還設計有一個20kHz超聲波切刀選件，切厚達15mm）。因此，該選件使用戶可直接在ATL機床上對複材工件進行切割，實現剪切和鋪帶工序在同一台機床上操作，不需要在專門複材切割機床上進行切割工序操作，避免了可能的轉序等待以及在複材切割機上加工時的重新裝夾定位，從而可縮短複材構件生產周期。
應指出的是，當進行零件切割時需要暫時停止鋪帶運行，從而導致鋪帶生產率有所降低。但如前所述，由於不需要轉工序進行切割操作，因而複材構件製造的生產率仍可被提高。
至今，MAG Cincinnati公司已為航空工業提供了各種規格的ATL機床達40多台。波音公司在其複材製造中心內已先後安裝了8台ATL機床（其中2台為Cincinnati公司HTLM，並對原有2台Cincinnati的CTLM進行了更新改造），用於波音777和787客機中央翼盒、機翼蒙皮等複材整體構件的層鋪生產。Cincinnati公司的ATL設備也供給空客公司，用於空客A320、A330、A340-500/600、A380和A400M軍用運輸機等機翼複材結構件的生產。
2. ATL機床製造機翼梁複材構件
現代大型軍用運輸機A400M由4台功率7500kW渦輪螺旋槳發動機驅動，每台通過減速裝置驅動重約250kg的8個螺旋槳葉（複合材料製造），額定轉速850r/min，總共產生超過8,700Nm扭矩力作用在採用CFRP全複材設計的機翼梁構件上。該機翼梁構件由GKN宇航公司製造，使用英國Cytec工程材料公司的碳纖維/環氧樹脂增強型預浸料997-2，翼梁長19m，前翼梁分為12m/7m兩段，後翼梁分為14m/5m兩段，兩段間通過複合材料製造的C形夾連接，最長的單段翼梁為14m，寬1.5m。
這些翼梁是應用20m長床身的西班牙MTORRES公司ATL機床生產的，使用複材帶料厚0.25mm，採用層鋪方式，最厚處達21mm，每層間以不同的纖維向交錯鋪放以取得最佳的構件強度和硬度，鋪放生產率平均為25kg/hr，最高可達36kg/hr，而採用人工鋪放僅為0.75kg/hr。據了解，GKN宇航公司原來人工鋪放14m長翼梁需要7-8天，採用ATL機床後僅需24hr即可完成；人工鋪放最短5m翼梁需180 hr，使用ATL的耗時僅僅為90min。
GKN宇航公司認為，採用ATL機床自動鋪放同時結合應用雙隔膜成形工藝DDF（Double Diaphragm Forming）製造一個複材構件零件，比採用人工層鋪要快25-50倍。
西班牙MTORRES公司製造的開放型低軌高速龍門移動式TORRESLAYUP鋪帶機，設計有11個數控軸，並採用了模塊化設計技術，可根據用戶需求進行配置；使用75/150/300mm標准寬度複材帶料。機床X/Y/Z軸行程3000-5000/1000-6000mm/300-1500mm，C軸±185°，A軸±22.5°；線性軸進給速度15-45m/min，定位精度±0.08mm，配有兩個小型超聲波切刀用於帶料切割。MTORRES鋪帶頭能提供最大的壓緊能力，不需頻繁使用抽真空方法來取得最佳壓緊效果。此外，鋪帶頭上設計有內裝式帶料缺陷檢測系統，並設計有用於構件輪廓檢查的激光光幕裝置等選件。
3.“雙工序”ATL機床製造機翼蒙皮壁板複材構件
法國FOREST-LINE（弗雷斯特-里內）公司在20世紀80年代末（1988年）開發了開放型高架龍門移動式結構的ATL機床。2006年推出了被稱為單工序的WR ATLAS（Automatic Tape Laying System）自動鋪帶機。鋪帶頭可配超聲波切刀選件，實現將剪切工序和鋪帶工序在同一台機床上操作，FOREST-LINE將之稱單工序鋪帶系統。該公司最新開發的被稱為雙工序的ACCESS/ATLAS複材層鋪系統，是由先進複材帶料編輯/剪裁系統ACCESS（Advanced Composite Cassette Edit/Shear System）和自動鋪帶系統ATLAS兩台設備組成的。
這是一種將複材帶料剪裁工序和帶料自動層鋪工序分開的複材構件製造技術，故稱為“雙工序”或稱“兩步法” ATL設備。ACCESS專用於ATLAS進行帶料層鋪前，通過執行軟件按構件不同鋪層要求對原始帶料進行編輯剪裁，產生複雜邊界的鋪層帶料，能夠自動去除剪裁廢料，編輯剪裁好的帶料被裝在成品帶料卷盤盒中，複材帶料間設有背紙，卷盤盒裝有相應的條形碼以供ATLAS鋪帶機識別。
這樣一來，通過ACCESS設備支持，ATLAS機床不僅可實現複雜輪廓形狀複材構件的自動化鋪帶，同時提高了鋪帶生產率。通常，一台ACCESS設備可支持多台ATLAS鋪帶機運行，形成一種複材構件多機生產製造環境。ATLAS鋪帶機採用數控五軸聯動（XYZBC）高架龍門移動式結構設計，標准X軸行程8.3m，可擴長，Y軸行程可任選4.15/5/6.5m ，Z軸行程可任選520/750/1000/1200mm，B擺動軸±30°，C旋轉軸±200°。 X/Y/Z軸均採用直線電機驅動，X/Y軸速度60m/min，加速度1.5m/s2，Z軸15m/min，B軸轉速16000/min，C軸轉速40000/min。其鋪帶頭專為實現層鋪高生產率而設計的，供料盤直徑675mm，帶料可長達800-900m，允許使用50/150mm寬帶料，支持0°/±45°/90°四種標准角度鋪帶方向。同時，設計有雙超聲波剪切刀和凹凸輪廓層鋪自適應系統選件。
此外，為提高ATL機床生產率和鋪層柔性，FOREST-LINE ATLAS機床還可組成一種可實現 “雙鋪帶工藝”的雙鋪帶頭的ATL機床，即將前述的單工序鋪帶頭和雙工序鋪帶頭集成設計在一個鋪帶頭上，前者允許使用寬達300mm帶料鋪放製造簡單輪廓的複材構件，後者則使用通過獨立預先剪裁的最寬達300mm帶料鋪放製造複雜輪廓外形的複材構件。
日本三菱重工（MHI）和富士重工（FHI）都購置了FOREST-LINE此類ATL，用於波音787客機複材機翼上下翼面蒙皮壁板和翼盒的加工製造。FOREST-LINE的ATL機床最早在法國南特空客飛機製造廠應用於ATR飛機複材機翼構件的製造，之後又繼續應用在A340-600龍骨梁、A380中央翼盒和軍用運輸機A400M中央翼盒等複材構件的生產。據報道，目前法國南特空客飛機製造廠已配置有6台ACCESS設備，9台ATLAS鋪帶機。
4. 用於複材整體構件鋪放加工的ATL機床
美國Ingersoll機床公司也是ATL/AFP設備主要製造商之一，該公司製造的ATL機床使用25/75/150mm寬帶料，可用於平面或簡單曲面類複材整體構件鋪放加工，也是採用數控五軸聯動（XYZAC）高架龍門移動結構設計，X/Y軸進給速度30m/min，Z軸15m/min。A軸10r/min和C軸20r/min。
這款機床的鋪帶頭也是特別為實現層鋪高生產率而專門設計的，包括直徑635mm供料盤，雙向帶料進給驅動和帶料張力控制、背帶回收卷軸、尾帶剝離器、尾帶壓緊輔助裝置、帶料加熱系統、激光坐標校准系統、T-軸帶料校准、雙超聲波剪切刀具、可編程壓力控制的貼合層壓裝置、激光靶針、電子帶料跟蹤、自動化電子導向系統和可實現快速帶寬變化超調等功能。
在簡述上述應用之後，最後應指出的是，根據實際應用對象之不同，ATL機床鋪帶頭功能化水平和複雜程度往往是不一樣的。與此同時，從前文中的討論中也可看出，不同設備製造商生產的ATL機床鋪帶頭雖然各有千秋，獨具特色，但就其基本功能而言卻是基本相同的。 ■
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