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作者: 发布时间:2013-08-16 来源: 繁体版
近年来,自动化技术与复合材料零件制造的结合使航空制造发生了革命性的变化,不仅仅是加工材料的改变,也包括加工方法方面的变革,诸如铺放、固化、模压、编织及缝纫等的各种加工方式使零件的制造越来越自由
近年来,自动化技术与复合材料零件制造的结合使航空制造发生了革命性的变化,不仅仅是加工材料的改变,也包括加工方法方面的变革,诸如铺放、固化、模压、编织及缝纫等的各种加工方式使零件的制造越来越自由,生产效率、材料利用率和零件的质量得到了很大的提升。KTA自动化在线网
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复合材料零件自动化生产设备KTA自动化在线网
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自动铺带机和自动铺丝机的迅猛发展为复合材料在在飞机主要结构件生产中的大范围应用铺平了道路,使得大面积高速生产机身和机翼大型零件成为可能。如波音787的生产中广泛使用了马格?辛辛那提公司生产的“Viper”系列自动铺丝机(图1)和“Charger”系列自动铺带机生产机身和机翼复合材料零件,此系列的铺丝机同样也应用于A350XWB的机身壁板的铺放生产中[1];A350的机翼则采用来自西班牙M?Torres公司的自动铺带机进行大面积铺放[2](图2)。

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而美国的另外两家著名的机床生产商英格索尔(Ingersoll)和Electroimpact(EI)都采用共同运动的丝轴库-铺丝头集成单元的设计,所不同的是前者丝轴库位于铺丝头上方,而后者丝轴则以铺丝头为中心径向排列。英格索尔的“Mongoose”型自动铺丝机在美国古德里奇公司工厂用于生产波音787和空客A350飞机的发动机短舱部件;EI的S-15双头自动铺丝机则用于生产A350最复杂的机身15号舱段零件。法国科里奥利公司的机器人自动纤维铺放系统(图3)在业内可谓独树一帜,铺丝头的空间运动几乎完全由一台库卡或者ABB机器人提供,其铺丝头具有尺寸小、重量轻、集成度高的特点,配合丝轴库连接的无滑轮丝束导向管可实现丝束的零张力输送,特别适合铺放型面复杂的零件。加拿大的庞巴迪公司已采购科里奥利的铺丝机器人用于C系列客机的后机身部件的生产。

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除自动铺丝/铺带机外,其他一些先进的复合材料自动化加工设备也广泛应用于波音和空客等主要飞机制造厂商的最新型号生产中。在复合材料固化方面,承接空客A350机身零件生产任务的德国Premium Aerotech公司采购两台韩国SFA公司(原英国Aeroform)公司制造的工作直径为7m,工作长度为21m的巨型轴流式热压罐用于A350前机身13~14号舱段和后机身16~18号舱段的生产(图4),由于采用沿热压罐长度方向排布的自动控制加热功率的加热元件和先进的基于“动态热位差”控制原理的自动控制软件,罐内温度均匀性和生产效率都得到提高,从而最大限度地保证了A350项目的流畅性。

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模压成形方面,波音787的翼梁生产中使用了西班牙SENER公司的装备自动装卸模具装置的热隔膜成形机生产C形梁,并使用同一家公司生产的复合材料自动拉挤成形机生产用于填补两C形梁之间三角区的材料。在复合材料缝合和编织方面,空客A380巨型客机的后机身承压隔框的生产中,德国KSL公司提供的自动缝合机器人将多层多轴向碳布进行缝合(图5)[3],以保证各层碳布之间的连接,然后利用先进RFI(树脂膜熔塑)技术进行树脂浸润、固化并得到零件[4]。

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复合材料零件自动化生产流水线KTA自动化在线网
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自动化技术的应用不应局限于单个设备的自动化,把多种自动化设备集成到一个大系统里,从而实现某种零件或产品的生产流程的自动化,才能更加充分地发挥自动化的优势。KTA自动化在线网
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下面以空客A350XWB的机翼(图6)翼板桁条生产线为例进行说明,德国空客施塔德(Stade)工厂负责生产的A350上翼板为空客迄今为止生产的最大的碳纤维复合材料整体零件,尺寸达31.6m×5.6m,重量达2t;其内表面安置的长短不一的碳纤维桁条,最长的接近30m,桁条总长度超过300m;并且按照空客的预想,施塔德工厂的翼板生产将来必须满足每月生产7~13架A350客机的效率要求。

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施塔德工厂之前采用的复合材料翼板桁条生产流程是:首先采用自动铺带机(ATL)铺放大面积的碳纤维预浸料带,得到层压件,然后将层压件切割成所需要的形状并去除废料,接着将不需要立即使用的层压件做包装并冷冻入库,需要立即使用的层压件装入模具进行成形,所有不同类型的桁条均使用同一台成形机进行加工,成形完成后,手工涂抹粘合剂,最后在激光跟踪仪的辅助下人工将桁条安装到由自动铺带机铺放完成的上翼蒙皮内表面上。KTA自动化在线网
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此流程具有以下几个缺点:(1)自动铺带机所铺放的料带比较宽,在切割后浪费量较大。(2)由于不同类型的桁条都采用同一机器进行成形加工,更换模具消耗了大量时间,生产效率低下,同时,不使用的模具也将占用仓储空间。(3)由于生产效率比较低,需要对不立即使用的层压件做包装和冷冻处理,到使用时再解冻,这就需要一整套复杂的物流系统支持。(4)对于A350XWB客机的超长零件,其长度和重量以及整体零件的技术要求决定了不适合采用人工安装桁条操作。

自动化设备和生产线在飞机复合材料零件制造中的应用
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