隨著復(fù)合材料在航空制造領(lǐng)域軍民用飛機(jī)產(chǎn)品上的大量應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外各主要飛機(jī)制造商都對(duì)自身復(fù)合材料構(gòu)件研制過(guò)程中如何改進(jìn)工藝方法、提升制造效率、提高制造質(zhì)量以及降低綜合制造成本等方面提出了更高的要求，特別是在數(shù)控技術(shù)迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用的背景下，復(fù)合材料構(gòu)件的加工制造設(shè)備和制造手段更加趨向于自動(dòng)化及數(shù)字化，向多種技術(shù)、多種工藝、多種加工方法融合的數(shù)控技術(shù)復(fù)合加工方向發(fā)展。

　　王焱對(duì)復(fù)合加工數(shù)控技術(shù)的主要特點(diǎn)進(jìn)行了一定的描述：復(fù)合加工是綜合應(yīng)用機(jī)械、光學(xué)、化學(xué)、電力、磁力、流體和聲波等多種能量進(jìn)行綜合加工。復(fù)合加工在加工效率、加工精度、加工質(zhì)量等多方面都具有常規(guī)單一加工技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。其對(duì)復(fù)合加工數(shù)控技術(shù)的含義論述為，復(fù)合加工包含兩種含義：一種是以能量或運(yùn)動(dòng)方式為基礎(chǔ)的不同加工方法的復(fù)合；另一種是以工序集中原則為基礎(chǔ)的機(jī)械加工工藝為主的復(fù)合。而當(dāng)前在復(fù)合材料構(gòu)件制造領(lǐng)域的復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展特點(diǎn)，正充分體現(xiàn)了以上關(guān)于復(fù)合加工技術(shù)的特點(diǎn)和含義的論述，而且更多地體現(xiàn)出了數(shù)控技術(shù)、機(jī)械加工技術(shù)、超聲加工技術(shù)等的深度結(jié)合和融合，使復(fù)合材料構(gòu)件制造技術(shù)產(chǎn)生了巨大的改變和深刻的變革。本文結(jié)合實(shí)際工作中接觸的幾種最新的復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)控技術(shù)復(fù)合加工的應(yīng)用情況，概括述論述此類(lèi)關(guān)鍵工藝技術(shù)及裝備的技術(shù)特點(diǎn)以及應(yīng)用情況。

　　幾類(lèi)典型的先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件復(fù)合加工工藝技術(shù)及裝備

1 自動(dòng)鋪放工藝數(shù)控技術(shù)及裝備

　　鋪放工藝技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了樣板下料+手工樣板鋪放、自動(dòng)套裁下料+手工鋪放、自動(dòng)套裁下料+手工激光投影輔助鋪放并最終實(shí)現(xiàn)了集下料、精確定位鋪放于一體的單工序自動(dòng)鋪放工藝的典型的復(fù)合加工工藝方法，而自動(dòng)鋪帶技術(shù)是我國(guó)能夠引進(jìn)的，并已在我國(guó)航空制造領(lǐng)域開(kāi)始逐步應(yīng)用最先進(jìn)的鋪放技術(shù)。

　　自動(dòng)鋪帶技術(shù)是歐美國(guó)家廣泛發(fā)展和應(yīng)用的自動(dòng)化成形技術(shù)之一，是一種高度復(fù)合的集成化工藝制造技術(shù)，它集預(yù)浸帶剪裁、加熱、定位、鋪疊、壓實(shí)、切割、缺陷檢測(cè)、參數(shù)及功能控制等于一體，將鋪放工人從繁重的手工鋪放工作中解脫出來(lái)，只需像操作普通數(shù)控加工設(shè)備一樣，鋪放出精準(zhǔn)的復(fù)合材料構(gòu)件。它涉及自動(dòng)鋪放裝備技術(shù)、材料技術(shù)、預(yù)浸料切割技術(shù)、鋪放CAD/CAM技術(shù)、自動(dòng)鋪放工藝技術(shù)、鋪放質(zhì)量監(jiān)控、模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)等多方面技術(shù)。從以下單項(xiàng)描述可見(jiàn)其復(fù)合程度（以工序最集中的單工序自動(dòng)鋪放設(shè)備為例）：

　?。?）自動(dòng)鋪放裝備技術(shù)：機(jī)械系統(tǒng)及數(shù)控系統(tǒng)，多軸的自動(dòng)鋪放頭、可壓力控制調(diào)節(jié)的靈活的壓實(shí)組件。

　?。?）預(yù)浸帶預(yù)切割技術(shù)：數(shù)控超聲切割刀片軌跡控制技術(shù)。

　?。?）鋪放CAD/CAM技術(shù)：與CATIAV5緊密集成，進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)、鋪放編程、廢料回收優(yōu)化、鋪放動(dòng)作控制及優(yōu)化、多種控制代碼生成等。

　?。?）自動(dòng)鋪放工藝技術(shù)：與具體產(chǎn)品相關(guān)的鋪放間隙控制、壓力控制以及其他工藝要求。

　　（5）鋪放工裝設(shè)計(jì)技術(shù)：適于自動(dòng)鋪放的工裝設(shè)計(jì)方法，如邊界要求、抗壓要求、精確度要求、定位基準(zhǔn)要求及是否需要預(yù)加熱和真空吸附等。

　?。?）自動(dòng)鋪放材料體系：自動(dòng)鋪放一般要求單向預(yù)浸帶，對(duì)材料的可鋪放性、粘結(jié)性等要求較高。

　　另外，根據(jù)工藝要求的不同，有些自動(dòng)鋪放設(shè)備還會(huì)附加單獨(dú)的超聲輪廓切割裝置，用于對(duì)最后鋪放完成的產(chǎn)品進(jìn)行凈切邊，自動(dòng)鋪放設(shè)備工作狀態(tài)見(jiàn)圖1。

　　自動(dòng)鋪放技術(shù)目前由于單臺(tái)設(shè)備成本昂貴、對(duì)鋪放材料特性要求特殊以及對(duì)鋪放產(chǎn)品的形狀要求較高等局限，還無(wú)法取代激光投影等鋪放方式，但其在大型復(fù)合材料構(gòu)件如機(jī)翼外蒙皮、垂尾外蒙皮、方向舵外蒙皮等大型產(chǎn)品的制造上還是具有巨大的優(yōu)勢(shì)和潛力，必將在我國(guó)的航空航天領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

2 超聲波數(shù)控加工技術(shù)及裝備

　　我國(guó)航空制造企業(yè)對(duì)于一般紙蜂窩的加工普遍采用依據(jù)手工樣板用壁紙刀或帶鋸切割，對(duì)于較為復(fù)雜的蜂窩產(chǎn)品，開(kāi)始采用數(shù)控五坐標(biāo)銑削設(shè)備進(jìn)行加工，但仍存在切削效果不穩(wěn)定，切削效率低，材料易變形、燒蝕及壓扁等問(wèn)題。近幾年，多家航空制造企業(yè)引進(jìn)GFM公司的超聲波數(shù)控加工設(shè)備，并應(yīng)用于型號(hào)研制中。GFM典型的超聲加工設(shè)備為RMT-50 6軸超聲波振動(dòng)切削機(jī)床，使用硬質(zhì)合金尖刀和圓片刀等切割刀片，主要用于復(fù)合材料鋪設(shè)時(shí)預(yù)浸纖維材料的裁剪和下料以及蜂窩（紙蜂窩和鋁蜂窩等）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的切割和復(fù)雜型面加工等。設(shè)備配有刀庫(kù)、激光對(duì)刀裝置及零件定位和測(cè)量裝置，主要由床身、工作臺(tái)、真空平臺(tái)、3個(gè)直線軸、3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸、真空泵、自動(dòng)刀庫(kù)、對(duì)刀儀、安全護(hù)板、數(shù)控系統(tǒng)、工件測(cè)量等組成。X、Y、Z、A、C軸與五軸數(shù)控加工中心機(jī)床的坐標(biāo)軸一樣，但增加了B軸，其為刀具軸（超聲頭），僅用于刃式刀具角向定向，用刃式刀具加工時(shí)，B軸不旋轉(zhuǎn)僅振動(dòng)；用盤(pán)式刀具加工時(shí)，B軸旋轉(zhuǎn)且振動(dòng)，設(shè)備加工實(shí)例見(jiàn)圖2。其多項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)了其技術(shù)和工藝的復(fù)合性，主要有：

　?。?）超聲加工是一種集數(shù)控機(jī)械切割加工和超聲振動(dòng)為一體的復(fù)合加工方法，機(jī)械刀具銑削及切割為主、超聲振動(dòng)為輔。與普通切割相比，采用超聲輔助切割時(shí)，切削力小，材料不易變形，可提高切割精度；可以采用高進(jìn)給速度大幅度提高加工效率；可以減小刀具與工件間的摩擦力，降低切割溫度，減小刀具磨損；可解決普通切割加工中粘刀等問(wèn)題。

　?。?）在該類(lèi)設(shè)備上可以配備超聲主軸頭、氣動(dòng)主軸頭，可以安裝超聲定向切割用刀片、超聲旋轉(zhuǎn)切割刀片以及氣動(dòng)切割刀具，能夠完成輪廓切割（各種典型倒角面、曲線、圓等）、不等厚度銑、銑臺(tái)階及下陷、打磨圓角等，實(shí)現(xiàn)工序集中和加工復(fù)合。

　?。?）配備了專(zhuān)用的真空平臺(tái)裝置，真空平臺(tái)為鋁質(zhì)3層結(jié)構(gòu)，臺(tái)面為4mm左右厚的NOVO材料，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)展開(kāi)蜂窩加工的真空吸附。

　　該類(lèi)設(shè)備已經(jīng)過(guò)工程應(yīng)用，在針對(duì)紙蜂窩及鋁蜂窩的加工上與傳統(tǒng)的手工帶鋸切割以及普通數(shù)控加工機(jī)床都具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，加工效率和質(zhì)量明顯提高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高，具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3 與五軸數(shù)控機(jī)床組合應(yīng)用的柔性?shī)A持加工技術(shù)及裝備

　　大型復(fù)雜飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件外形復(fù)雜、尺寸變形大、剛度底、生產(chǎn)批量小。傳統(tǒng)的切鉆制造方法是固定在切邊模具上，手工操作切割設(shè)備根據(jù)樣板及鉆模進(jìn)行切邊鉆孔，也有制造企業(yè)為提高制造質(zhì)量及效率，而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造切鉆工裝并使用數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行切鉆。前一種制造方式工作勞動(dòng)強(qiáng)度大，切邊精度低，而后一種制造方式需要專(zhuān)用切鉆工裝，制造成本高、周期長(zhǎng)、裝夾定位困難。

　　為實(shí)現(xiàn)大型復(fù)合材料蒙皮類(lèi)構(gòu)件的精確高效切邊鉆孔，大幅度減少切鉆工裝的數(shù)量，提高制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)準(zhǔn)備難度和周期，提高型號(hào)研制進(jìn)度，國(guó)外飛機(jī)制造商逐漸采用了基于柔性?shī)A持系統(tǒng)的數(shù)控切邊工藝，該技術(shù)的最新發(fā)展是基于真空吸盤(pán)的可重構(gòu)柔性?shī)A持系統(tǒng)，并與五軸數(shù)控加工設(shè)備結(jié)合，形成了一套高效的大型蒙皮類(lèi)復(fù)合材料構(gòu)件的復(fù)合式柔性?shī)A持切鉆制造系統(tǒng)。典型的產(chǎn)品是西班牙M.Torres公司的M.Torres Tools+M.Torres mill組合，其技術(shù)設(shè)備特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)工裝夾持技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的結(jié)合，能夠通過(guò)數(shù)字控制和定位模塊化、成組的真空吸盤(pán)立柱裝置，通過(guò)編程數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)形成與被加工零件型面控制特征點(diǎn)一致的分布點(diǎn)陣，當(dāng)零件產(chǎn)品發(fā)展變化時(shí)，通過(guò)編程控制吸盤(pán)裝置即可調(diào)整重新形成新的型面布局，能夠?qū)崿F(xiàn)完全數(shù)字化的數(shù)控切邊鉆孔功能，對(duì)于一些形狀相對(duì)復(fù)雜的部件，M.Torres公司還開(kāi)發(fā)了多種規(guī)格的特殊轉(zhuǎn)換支撐部件，如吸盤(pán)能傾斜45角，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的吸附定位（圖3）。

　　國(guó)內(nèi)多家航空主機(jī)廠已引進(jìn)了M.Torres公司該套加工設(shè)備，并在產(chǎn)品研制中得到了應(yīng)用，該類(lèi)設(shè)備的引進(jìn)大大提高了我國(guó)飛機(jī)研制中大型復(fù)合材料構(gòu)件的制造能力和工藝水平。從中 中航工業(yè)哈飛對(duì)該設(shè)備應(yīng)用的情況來(lái)看，設(shè)備能夠大量節(jié)省夾持吸附工裝成本，快速調(diào)整夾持方案，保證產(chǎn)品切割質(zhì)量，對(duì)型號(hào)的研制起到了至關(guān)重要的作用。存在的不足之處是，目前該設(shè)備由于采用柔性?shī)A持和數(shù)控設(shè)備雙控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中的吸盤(pán)隨動(dòng)避讓?zhuān)幊碳胺抡姝h(huán)境也有待進(jìn)一步提升。另外，大型部件的加工過(guò)程中及加工后的檢測(cè)問(wèn)題也是今后要結(jié)合該設(shè)備要開(kāi)展研究的課題方向。

　　其他復(fù)合材料構(gòu)件復(fù)合加工數(shù)控技術(shù)及裝備

　　除了以上詳細(xì)討論的3種復(fù)合加工技術(shù)和裝備外，在當(dāng)前復(fù)合材料構(gòu)件制造領(lǐng)域，還有如復(fù)合材料型材類(lèi)構(gòu)件通用加工數(shù)控機(jī)床、數(shù)控縫合機(jī)設(shè)備、常規(guī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)控加工中心等技術(shù)和設(shè)備用于復(fù)合材料型材構(gòu)件、復(fù)合材料編織物縫合成型、板材構(gòu)件等的銑削鉆孔和锪窩等。這類(lèi)數(shù)控加工設(shè)備通過(guò)對(duì)常規(guī)數(shù)控機(jī)械加工技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行必要的改進(jìn)以適應(yīng)復(fù)合材料構(gòu)件特點(diǎn)及加工需要，如對(duì)于切削類(lèi)加工設(shè)備，大多增加了灰塵吸附裝置、取消了液體冷卻裝置；對(duì)縫合類(lèi)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了編織物縫紉機(jī)與多軸數(shù)控機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合，具備了空間三維的多種縫合方式（暗縫、雙面雙鎖、臨縫）能力。通過(guò)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和裝備的研制和工程化應(yīng)用，使復(fù)合材料構(gòu)件的研制能力得到突破，整體制造水平顯著提高，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件的高速度、高精度和高效率制造。

結(jié)束語(yǔ)

　　當(dāng)前，復(fù)合材料構(gòu)件制造領(lǐng)域的數(shù)字化復(fù)合加工技術(shù)正在蓬勃地發(fā)展，正是有這些先進(jìn)的復(fù)合加工技術(shù)的革新和應(yīng)用，推動(dòng)了傳統(tǒng)的復(fù)合材料構(gòu)件的生產(chǎn)制造模式和手段都發(fā)生了巨大的變化，基本形成了全數(shù)字化的復(fù)合材料構(gòu)件的加工制造體系裝備，體現(xiàn)出了數(shù)字化條件下的復(fù)合加工技術(shù)在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用的巨大潛力和優(yōu)勢(shì)。今后，復(fù)合材料構(gòu)件的加工制造技術(shù)和裝備將朝著更大工藝范圍、更加工序集中、更快制造效率和更高制造質(zhì)量方向發(fā)展，應(yīng)該積極開(kāi)展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)裝備的引進(jìn)、研究和消化吸收工作，進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)航空制造業(yè)復(fù)合材料構(gòu)件制造水平的能力提升。