隨著復(fù)合材料在航空制造領(lǐng)域軍民用飛機產(chǎn)品上的大量應(yīng)用，國內(nèi)外各主要飛機制造商都對自身復(fù)合材料構(gòu)件研制過程中如何改進工藝方法、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，特別是在自動化制造技術(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)字化復(fù)合加工方向發(fā)展。
復(fù)合加工是綜合應(yīng)用機械、光學(xué)、化學(xué)、電力、磁力、流體和聲波等多種能量進行綜合加工。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)無法比擬的優(yōu)點。其對復(fù)合加工技術(shù)的含義論述為，復(fù)合加工包含兩種含義：一種是以能量或運動方式為基礎(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，正充分體現(xiàn)了以上關(guān)于復(fù)合加工技術(shù)的特點和含義的論述，而且更多地體現(xiàn)出了數(shù)字化技術(shù)、機械加工技術(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)合實際工作中接觸的幾種最新的復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用情況，概括述論幾類典型的先進復(fù)合材料構(gòu)件復(fù)合加工工藝技術(shù)及裝備。
1、數(shù)字化自動鋪放工藝技術(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、自動套裁下料+手工鋪放、自動套裁下料+手工激光投影輔助鋪放并最終實現(xiàn)了集下料、精確定位鋪放于一體的單工序自動鋪放工藝的典型的復(fù)合加工工藝方法，而自動鋪帶技術(shù)是我國能夠引進的，并已在我國航空制造領(lǐng)域開始逐步應(yīng)用最先進的鋪放技術(shù)。
自動鋪帶技術(shù)是歐美國家廣泛發(fā)展和應(yīng)用的自動化成形技術(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、切割、缺陷檢測、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，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)、自動鋪放工藝技術(shù)、鋪放質(zhì)量監(jiān)控、模具設(shè)計制造技術(shù)等多方面技術(shù)。從以下單項描述可見其復(fù)合程度（以工序最集中的單工序自動鋪放設(shè)備為例）：
（1)自動鋪放裝備技術(shù)：機械系統(tǒng)及數(shù)控系統(tǒng)，多軸的自動鋪放頭、可壓力控制調(diào)節(jié)的靈活的壓實組件。
（2）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)。
（3）鋪放CAD/CAM技術(shù)：與CATIAV5緊密集成，進行鋪層設(shè)計、鋪放編程、廢料回收優(yōu)化、鋪放動作控制及優(yōu)化、多種控制代碼生成等。
（4）自動鋪放工藝技術(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)計技術(shù)：適于自動鋪放的工裝設(shè)計方法，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。
（6）自動鋪放材料體系：自動鋪放一般要求單向預(yù)浸帶，對材料的可鋪放性、粘結(jié)性等要求較高。
另外，根據(jù)工藝要求的不同，有些自動鋪放設(shè)備還會附加單獨的超聲輪廓切割裝置，用于對最后鋪放完成的產(chǎn)品進行凈切邊，自動鋪放設(shè)備工作狀態(tài)見圖1。自動鋪放技術(shù)目前由于單臺設(shè)備成本昂貴、對鋪放材料特性要求特殊以及對鋪放產(chǎn)品的形狀要求較高等局限，還無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)勢和潛力，必將在我國的航空航天領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。
2、超聲波數(shù)控加工技術(shù)及裝備
我國航空制造企業(yè)對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，對于較為復(fù)雜的蜂窩產(chǎn)品，開始采用數(shù)控五坐標(biāo)銑削設(shè)備進行加工，但仍存在切削效果不穩(wěn)定，切削效率低，材料易變形、燒蝕及壓扁等問題。近幾年，多家航空制造企業(yè)引進GFM公司的超聲波數(shù)控加工設(shè)備，并應(yīng)用于型號研制中。GFM典型的超聲加工設(shè)備為RMT-50 6軸超聲波振動切削機床，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、激光對刀裝置及零件定位和測量裝置，主要由床身、工作臺、真空平臺、3個直線軸、3個旋轉(zhuǎn)軸、真空泵、自動刀庫、對刀儀、安全護板、數(shù)控系統(tǒng)、工件測量等組成。X、Y、Z、A、C軸與五軸數(shù)控加工中心機床的坐標(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，B軸不旋轉(zhuǎn)僅振動；用盤式刀具加工時，B軸旋轉(zhuǎn)且振動，設(shè)備加工實例見圖2。其多項技術(shù)特點體現(xiàn)了其技術(shù)和工藝的復(fù)合性，主要有：
（1）超聲加工是一種集數(shù)控機械切割加工和超聲振動為一體的復(fù)合加工方法，機械刀具銑削及切割為主、超聲振動為輔。與普通切割相比，采用超聲輔助切割時，切削力小，材料不易變形，可提高切割精度；可以采用高進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題。
（2）在該類設(shè)備上可以配備超聲主軸頭、氣動主軸頭，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、銑臺階及下陷、打磨圓角等，實現(xiàn)工序集中和加工復(fù)合。
（3）配備了專用的真空平臺裝置，真空平臺為鋁質(zhì)3層結(jié)構(gòu)，臺面為4mm左右厚的NOVO材料，能有效實現(xiàn)對展開蜂窩加工的真空吸附。
該類設(shè)備已經(jīng)過工程應(yīng)用，在針對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)控加工機床都具有無可比擬的優(yōu)勢，加工效率和質(zhì)量明顯提高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高，具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。
3、與五軸數(shù)控機床組合應(yīng)用的柔性夾持加工技術(shù)及裝備
大型復(fù)雜飛機復(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，而專門設(shè)計制造切鉆工裝并使用數(shù)控加工設(shè)備進行切鉆。前一種制造方式工作勞動強度大，切邊精度低，而后一種制造方式需要專用切鉆工裝，制造成本高、周期長、裝夾定位困難。
為實現(xiàn)大型復(fù)合材料蒙皮類構(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，提高型號研制進度，國外飛機制造商逐漸采用了基于柔性夾持系統(tǒng)的數(shù)控切邊工藝，該技術(shù)的最新發(fā)展是基于真空吸盤的可重構(gòu)柔性夾持系統(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復(fù)合材料構(gòu)件的復(fù)合式柔性夾持切鉆制造系統(tǒng)。典型的產(chǎn)品是西班牙M.Torres公司的M.TorresTools+M.Torres mill組合，其技術(shù)設(shè)備特點是：實現(xiàn)工裝夾持技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的結(jié)合，能夠通過數(shù)字控制和定位模塊化、成組的真空吸盤立柱裝置，通過編程數(shù)據(jù)驅(qū)動形成與被加工零件型面控制特征點一致的分布點陣，當(dāng)零件產(chǎn)品發(fā)展變化時，通過編程控制吸盤裝置即可調(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，對于一些形狀相對復(fù)雜的部件，M.Torres公司還開發(fā)了多種規(guī)格的特殊轉(zhuǎn)換支撐部件，如吸盤能傾斜±45°角，實現(xiàn)復(fù)雜零部件的吸附定位（圖3）。
國內(nèi)多家航空主機廠已引進了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，該類設(shè)備的引進大大提高了我國飛機研制中大型復(fù)合材料構(gòu)件的制造能力和工藝水平。從中 中航工業(yè)哈飛對該設(shè)備應(yīng)用的情況來看，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，對型號的研制起到了至關(guān)重要的作用。存在的不足之處是，目前該設(shè)備由于采用柔性夾持和數(shù)控設(shè)備雙控制系統(tǒng)設(shè)計，無法實現(xiàn)加工過程中的吸盤隨動避讓，編程及仿真環(huán)境也有待進一步提升。另外，大型部件的加工過程中及加工后的檢測問題也是今后要結(jié)合該設(shè)備要開展研究的課題方向。
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)合材料型材類構(gòu)件通用加工數(shù)控機床、數(shù)控縫合機設(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。這類數(shù)控加工設(shè)備通過對常規(guī)數(shù)控機械加工技術(shù)和設(shè)備進行必要的改進以適應(yīng)復(fù)合材料構(gòu)件特點及加工需要，如對于切削類加工設(shè)備，大多增加了灰塵吸附裝置、取消了液體冷卻裝置；對縫合類設(shè)備，實現(xiàn)了編織物縫紉機與多軸數(shù)控機械運動結(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。
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，正是有這些先進的復(fù)合加工技術(shù)的革新和應(yīng)用，推動了傳統(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。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)該積極開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)裝備的引進、研究和消化吸收工作，進一步推進我國航空制造業(yè)復(fù)合材料構(gòu)件制造水平的能力提升。
