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[摘 要]大型整体化的复合材料壁板会起到较好的减重效果，明显提升飞机的整体效能，简化装配工艺。但大尺寸复合材料壁板长桁与蒙皮传统的夹具定位组合方式精度差，质量难以控制，制约了整体复合材料壁板的实际应用。随着设计制造一体化理念的出现，应用先进数字化制造技术及激光定位技术，采用长桁先组合后与蒙皮定位的方法，很好的解决了大尺寸复合材料壁板长桁与蒙皮组合的质量控制问题。
[关键词]自动铺带，激光测量，激光定位仪，设计制造一体化
中图分类号：R867 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0056-01
随着材料科学及制造工艺的进步，飞机设计理念也逐步向着整体化、集成化方向发展。较强的飞机蒙皮壁板可以分担主受力构件的承力，达到飞机整体构件应力水平的均衡性，从而减轻飞机总体重量及延长飞机机体服役寿命的目的。金属材料的壁板可以采用数控整体铣切或通过定位夹具及定位协调孔确定长桁与蒙皮的相互位置进行铆接，但厚板整体铣切材料利用率低，组合铆接强度稍差且铆钉数量多，重量大、装配工时长。
碳纤维复合材料相对金属材料，有着优异的比刚度、比强度。采用碳纤维材料制件有着明显的减重效果。由于制造工艺的限制，目前大尺寸复材壁板长桁与蒙皮只能选用碳纤维预浸料预成型体共固化的方式制造。长桁预成型体在铺叠后的蒙皮上定位通常采用定位卡块或定位软模等方式，工装零件制造及组装通过模拟量工作法。大尺寸零件在工装上装配时经常出现干涉或超差现象。固化时较大的压力下，较小的定位卡块或质软的软模也不足以约束长桁偏移、变形。
大尺寸复合材料壁板的长桁与蒙皮的组合定位精度差，固化成型整体变形大，质量难以控制，制约了大型复合材料壁板的实际应用。
如何确保整体壁板长桁之间的位置度关系及长桁与蒙皮的贴合？
1 长桁、蒙皮的制备
傳统的长桁加工方法是通过下料样板裁剪预浸料，人工划线定位、铺贴。大尺寸复合材料长桁制件预成型体纵向稳定性差，传统手工铺贴铺层结构尺寸和直线度质量难以控制，导致固化后零件形位尺寸有偏差。零件的制造精度受限于设备的使用精度和人工操作的准确度，已不能满足现代飞机对大型长桁类零件的精度要求。
传统的手工真空袋铺层法加工大尺寸、复杂铺层过渡的蒙皮类零件，采用测量和划线方式来确定铺层边界，定位误差较大，要求铺层人员有很高的技艺和施工经验，费工时，因此效率低、成本高且容易出现铺层内部缺陷，铺层位置精度差，无法满足大型蒙皮的设计要求。
具有高效率、高质量和低成本優点的自动铺带技术能够避免人工铺放产生的质量重复性差、质量分散性大的问题。数字化技术代替模拟量工作法将很好的解决这些问题。
要保证固化后零件的尺寸和形位公差准确度，首先选用具有一定刚度且与碳纤维热膨胀系数相当的殷钢材料制作零件铺贴、固化模具。
采用自动铺带机和自动裁剪机分别铺贴长桁和蒙皮，并对预成型体在相应模具上应用热隔膜工艺、真空压实、吸胶操作，完成长桁、蒙皮制备。
2 长桁定位
采用传统定位卡块式的工装定位方式，长桁相互间是独立的装夹方法，无法协调、移动各长桁固化模具的位置，同时难以确定长桁体纵向形位尺寸准确性。
要保证长桁之间固化后的位置度关系，可以考虑使预成型体固化模具在固化前精确定位组合并相互倚靠，形成一个整体，以至固化时各长桁受力均衡、变形协调一致。
应用先进的飞机数字化装配技术，将激光测量技术应用于数字化制造的装配组合工装上生成激光定位组合夹具。工装夹具可根据需要上下移动及绕定轴翻转。与长桁轴线正交按需布置多个工装卡板，工装卡板工作型面为相应位置的长桁卧边内型面，此型面确定长桁型面法向位置（Z向）；卡板上放置长桁的位置处设有凹槽，长桁立边嵌入卡板凹槽中，由凹槽一侧挡块定位并被锁紧块固定来确定长桁侧向位置（X向）；最外侧卡板凹槽外侧有可拆卸挡块，此挡块确定各长桁轴向位置（Y向）。长桁放置后，在各卡板凹槽处，连接激光测量仪光电感应元件组，测量长桁理论设计测量点的实际位置坐标，比较理论值与测量值，查验长桁位置是否符合要求并相应的进行长桁位置微调。各长桁固化夹具对接端面是互相重合的斜面，利于向下加压及防侧滑。
通过这套工装可使各长桁合为一个整体，确保相互之间的位置关系。在同一坐标系下，利用产品数模转化的工装制造数据技术和零件激光测量定位数据技术可以大大提高元件定位的准确度，提升产品质量，提高劳动效率。
3 蒙皮、长桁组合及固化准备
传统的工装组合定位是采用模拟量工作法通过划线、定位孔和定位块等方式，存在较大的人为和系统误差，尺寸和位置精度差。
如何保证长桁组在蒙皮上的位置准确且在固化过程中长桁不会出现滑动及翘曲？
应用设计制造一体化技术，蒙皮、长桁工装在同一坐标系下利用零件数模进行数据转化设计，并应用数控加工制造。工装组合时，在同一坐标系下通过激光定位仪确保工装配合型面的参照点相互吻合来定位长桁组模具在蒙皮模具上的位置。长桁组定位后，对长桁模具铺放加压盖板，防止固化时长桁翘曲变形。
操作流程：
①各长桁相互固位后，在要与蒙皮对合的长桁预成型体卧边面上贴抗剪切胶膜，用于防止长桁与蒙皮共固化时相互滑移，并在各长桁的抗剪切胶膜间隙处加碳纤维卷，防固化时树脂流淌及防翼盒使用时燃油浸入长桁卧边；
②在长桁组模具的非抗剪切胶膜区域铺硅胶垫，以填平长桁组预成型体与蒙皮的阶差及方便固化后脱模；
③依照工装定位点，利用激光定位仪确定长桁组与蒙皮对合，释放长桁组合夹具；
④用碳纤维卷及密封胶密封蒙皮预成型体与工装间缝隙，安装工装加压带板、连热电偶、真空压实，作共固化准备。
传递弯曲和剪流载荷的复合材料大尺寸壁板，要求组成元件制造尺寸精度和铺放位置准确度高，只有通过数字化技术设计、制造才能保证飞机设计的精确要求。
4 结束语
数字化制造及激光定位组合技术的成功应用，不仅解决了大尺寸、组合元件形位精度高的复合材料件的制造难题，而且体现出数字化、激光测量技术相对于传统装配方法的绝对优势，预示着高效率、高质量的复合材料制造和装配成型的自动化、数字化是未来几十年复合材料制造技术发展的必然趋势。
国内目前在大尺寸复合材料壁板数字化制造方面还基本处于工艺试验和验证阶段。长桁的制造及与蒙皮的组合还处于传统工艺与数字化相结合的阶段。
国外飞机制造商生产的波音787和空客A380飞机大量采用复合材料结构，分别应用纤维铺放、共固化和大型壁板整体成型技术，成为飞机制造行业的先驱者。
复合材料在飞机上的大量使用，先进复合材料的应用水平已成为现代飞机产品先进性的一个十分重要的标志。
参考文献
[1] 陈际伟，赵艳文，翟全胜.复合材料壁板的数字化成型研究[J].高科技纤维与应用.2015（6）第40卷第3期.
[2] 唐珊珊.复合材料数字化制造技术在壁板上的应用[J].金属加工-航空航天金属加工专辑.2010年增刊.
[3] 蒲永伟，刘沛禹，刘智.大尺寸工字型复合材料长桁整体成型工艺研究[J].第17届全国复合材料学术会议论文.
[关键词]自动铺带，激光测量，激光定位仪，设计制造一体化
中图分类号：R867 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）29-0056-01
随着材料科学及制造工艺的进步，飞机设计理念也逐步向着整体化、集成化方向发展。较强的飞机蒙皮壁板可以分担主受力构件的承力，达到飞机整体构件应力水平的均衡性，从而减轻飞机总体重量及延长飞机机体服役寿命的目的。金属材料的壁板可以采用数控整体铣切或通过定位夹具及定位协调孔确定长桁与蒙皮的相互位置进行铆接，但厚板整体铣切材料利用率低，组合铆接强度稍差且铆钉数量多，重量大、装配工时长。
碳纤维复合材料相对金属材料，有着优异的比刚度、比强度。采用碳纤维材料制件有着明显的减重效果。由于制造工艺的限制，目前大尺寸复材壁板长桁与蒙皮只能选用碳纤维预浸料预成型体共固化的方式制造。长桁预成型体在铺叠后的蒙皮上定位通常采用定位卡块或定位软模等方式，工装零件制造及组装通过模拟量工作法。大尺寸零件在工装上装配时经常出现干涉或超差现象。固化时较大的压力下，较小的定位卡块或质软的软模也不足以约束长桁偏移、变形。
大尺寸复合材料壁板的长桁与蒙皮的组合定位精度差，固化成型整体变形大，质量难以控制，制约了大型复合材料壁板的实际应用。
如何确保整体壁板长桁之间的位置度关系及长桁与蒙皮的贴合？
1 长桁、蒙皮的制备
傳统的长桁加工方法是通过下料样板裁剪预浸料，人工划线定位、铺贴。大尺寸复合材料长桁制件预成型体纵向稳定性差，传统手工铺贴铺层结构尺寸和直线度质量难以控制，导致固化后零件形位尺寸有偏差。零件的制造精度受限于设备的使用精度和人工操作的准确度，已不能满足现代飞机对大型长桁类零件的精度要求。
传统的手工真空袋铺层法加工大尺寸、复杂铺层过渡的蒙皮类零件，采用测量和划线方式来确定铺层边界，定位误差较大，要求铺层人员有很高的技艺和施工经验，费工时，因此效率低、成本高且容易出现铺层内部缺陷，铺层位置精度差，无法满足大型蒙皮的设计要求。
具有高效率、高质量和低成本優点的自动铺带技术能够避免人工铺放产生的质量重复性差、质量分散性大的问题。数字化技术代替模拟量工作法将很好的解决这些问题。
要保证固化后零件的尺寸和形位公差准确度，首先选用具有一定刚度且与碳纤维热膨胀系数相当的殷钢材料制作零件铺贴、固化模具。
采用自动铺带机和自动裁剪机分别铺贴长桁和蒙皮，并对预成型体在相应模具上应用热隔膜工艺、真空压实、吸胶操作，完成长桁、蒙皮制备。
2 长桁定位
采用传统定位卡块式的工装定位方式，长桁相互间是独立的装夹方法，无法协调、移动各长桁固化模具的位置，同时难以确定长桁体纵向形位尺寸准确性。
要保证长桁之间固化后的位置度关系，可以考虑使预成型体固化模具在固化前精确定位组合并相互倚靠，形成一个整体，以至固化时各长桁受力均衡、变形协调一致。
应用先进的飞机数字化装配技术，将激光测量技术应用于数字化制造的装配组合工装上生成激光定位组合夹具。工装夹具可根据需要上下移动及绕定轴翻转。与长桁轴线正交按需布置多个工装卡板，工装卡板工作型面为相应位置的长桁卧边内型面，此型面确定长桁型面法向位置（Z向）；卡板上放置长桁的位置处设有凹槽，长桁立边嵌入卡板凹槽中，由凹槽一侧挡块定位并被锁紧块固定来确定长桁侧向位置（X向）；最外侧卡板凹槽外侧有可拆卸挡块，此挡块确定各长桁轴向位置（Y向）。长桁放置后，在各卡板凹槽处，连接激光测量仪光电感应元件组，测量长桁理论设计测量点的实际位置坐标，比较理论值与测量值，查验长桁位置是否符合要求并相应的进行长桁位置微调。各长桁固化夹具对接端面是互相重合的斜面，利于向下加压及防侧滑。
通过这套工装可使各长桁合为一个整体，确保相互之间的位置关系。在同一坐标系下，利用产品数模转化的工装制造数据技术和零件激光测量定位数据技术可以大大提高元件定位的准确度，提升产品质量，提高劳动效率。
3 蒙皮、长桁组合及固化准备
传统的工装组合定位是采用模拟量工作法通过划线、定位孔和定位块等方式，存在较大的人为和系统误差，尺寸和位置精度差。
如何保证长桁组在蒙皮上的位置准确且在固化过程中长桁不会出现滑动及翘曲？
应用设计制造一体化技术，蒙皮、长桁工装在同一坐标系下利用零件数模进行数据转化设计，并应用数控加工制造。工装组合时，在同一坐标系下通过激光定位仪确保工装配合型面的参照点相互吻合来定位长桁组模具在蒙皮模具上的位置。长桁组定位后，对长桁模具铺放加压盖板，防止固化时长桁翘曲变形。
操作流程：
①各长桁相互固位后，在要与蒙皮对合的长桁预成型体卧边面上贴抗剪切胶膜，用于防止长桁与蒙皮共固化时相互滑移，并在各长桁的抗剪切胶膜间隙处加碳纤维卷，防固化时树脂流淌及防翼盒使用时燃油浸入长桁卧边；
②在长桁组模具的非抗剪切胶膜区域铺硅胶垫，以填平长桁组预成型体与蒙皮的阶差及方便固化后脱模；
③依照工装定位点，利用激光定位仪确定长桁组与蒙皮对合，释放长桁组合夹具；
④用碳纤维卷及密封胶密封蒙皮预成型体与工装间缝隙，安装工装加压带板、连热电偶、真空压实，作共固化准备。
传递弯曲和剪流载荷的复合材料大尺寸壁板，要求组成元件制造尺寸精度和铺放位置准确度高，只有通过数字化技术设计、制造才能保证飞机设计的精确要求。
4 结束语
数字化制造及激光定位组合技术的成功应用，不仅解决了大尺寸、组合元件形位精度高的复合材料件的制造难题，而且体现出数字化、激光测量技术相对于传统装配方法的绝对优势，预示着高效率、高质量的复合材料制造和装配成型的自动化、数字化是未来几十年复合材料制造技术发展的必然趋势。
国内目前在大尺寸复合材料壁板数字化制造方面还基本处于工艺试验和验证阶段。长桁的制造及与蒙皮的组合还处于传统工艺与数字化相结合的阶段。
国外飞机制造商生产的波音787和空客A380飞机大量采用复合材料结构，分别应用纤维铺放、共固化和大型壁板整体成型技术，成为飞机制造行业的先驱者。
复合材料在飞机上的大量使用，先进复合材料的应用水平已成为现代飞机产品先进性的一个十分重要的标志。
参考文献
[1] 陈际伟，赵艳文，翟全胜.复合材料壁板的数字化成型研究[J].高科技纤维与应用.2015（6）第40卷第3期.
[2] 唐珊珊.复合材料数字化制造技术在壁板上的应用[J].金属加工-航空航天金属加工专辑.2010年增刊.
[3] 蒲永伟，刘沛禹，刘智.大尺寸工字型复合材料长桁整体成型工艺研究[J].第17届全国复合材料学术会议论文.