隨著復合材料在航空制造領域軍民用飛機產(chǎn)品上的大量應用，國內外各主要飛機制造商都對自身復合材料構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迅猛發(fā)展和廣泛應用的背景下，復合材料構件的加工制造設備和制造手段更加趨向于自動化及數(shù)字化，向多種技術、多種工藝、多種加工方法融合的數(shù)字化復合加工方向發(fā)展。
復合加工是綜合應用機械、光學、化學、電力、磁力、流體和聲波等多種能量進行綜合加工。復合加工在加工效率、加工精度、加工質量等多方面都具有常規(guī)單一加工技術無法比擬的優(yōu)點。其對復合加工技術的含義論述為，復合加工包含兩種含義：一種是以能量或運動方式為基礎的不同加工方法的復合；另一種是以工序集中原則為基礎的機械加工工藝為主的復合。而當前在復合材料構件制造領域的復合加工技術的應用和發(fā)展特點，正充分體現(xiàn)了以上關于復合加工技術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、機械加工技術、超聲加工技術等的深度結合和融合，使復合材料構件制造技術產(chǎn)生了巨大的改變和深刻的變革。本文結合實際工作中接觸的幾種最新的復合材料構件數(shù)字化復合加工技術的應用情況，概括述論幾類典型的先進復合材料構件復合加工工藝技術及裝備。
1、數(shù)字化自動鋪放工藝技術及裝備
鋪放工藝技術的發(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合加工工藝方法，而自動鋪帶技術是我國能夠引進的，并已在我國航空制造領域開始逐步應用最先進的鋪放技術。
自動鋪帶技術是歐美國家廣泛發(fā)展和應用的自動化成形技術之一，是一種高度復合的集成化工藝制造技術，它集預浸帶剪裁、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)控加工設備一樣，鋪放出精準的復合材料構件。它涉及自動鋪放裝備技術、材料技術、預浸料切割技術、鋪放CAD/CAM技術、自動鋪放工藝技術、鋪放質量監(jiān)控、模具設計制造技術等多方面技術。從以下單項描述可見其復合程度（以工序最集中的單工序自動鋪放設備為例）：
（1)自動鋪放裝備技術：機械系統(tǒng)及數(shù)控系統(tǒng)，多軸的自動鋪放頭、可壓力控制調節(jié)的靈活的壓實組件。
（2）預浸帶預切割技術：數(shù)控超聲切割刀片軌跡控制技術。
（3）鋪放CAD/CAM技術：與CATIAV5緊密集成，進行鋪層設計、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：與具體產(chǎn)品相關的鋪放間隙控制、壓力控制以及其他工藝要求。
（5）鋪放工裝設計技術：適于自動鋪放的工裝設計方法，如邊界要求、抗壓要求、精確度要求、定位基準要求及是否需要預加熱和真空吸附等。
（6）自動鋪放材料體系：自動鋪放一般要求單向預浸帶，對材料的可鋪放性、粘結性等要求較高。
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，自動鋪放設備工作狀態(tài)見圖1。自動鋪放技術目前由于單臺設備成本昂貴、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，但其在大型復合材料構件如機翼外蒙皮、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域發(fā)揮巨大作用。
2、超聲波數(shù)控加工技術及裝備
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，對于較為復雜的蜂窩產(chǎn)品，開始采用數(shù)控五坐標銑削設備進行加工，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)控加工設備，并應用于型號研制中。GFM典型的超聲加工設備為RMT-50 6軸超聲波振動切削機床，使用硬質合金尖刀和圓片刀等切割刀片，主要用于復合材料鋪設時預浸纖維材料的裁剪和下料以及蜂窩（紙蜂窩和鋁蜂窩等）結構復合材料的切割和復雜型面加工等。設備配有刀庫、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軸不旋轉僅振動；用盤式刀具加工時，B軸旋轉且振動，設備加工實例見圖2。其多項技術特點體現(xiàn)了其技術和工藝的復合性，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)工序集中和加工復合。
（3）配備了專用的真空平臺裝置，真空平臺為鋁質3層結構，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。
該類設備已經(jīng)過工程應用，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，加工效率和質量明顯提高，產(chǎn)品質量穩(wěn)定性高，具有獨特的技術優(yōu)勢。
3、與五軸數(shù)控機床組合應用的柔性夾持加工技術及裝備
大型復雜飛機復合材料構件外形復雜、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)為提高制造質量及效率，而專門設計制造切鉆工裝并使用數(shù)控加工設備進行切鉆。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)大型復合材料蒙皮類構件的精確高效切邊鉆孔，大幅度減少切鉆工裝的數(shù)量，提高制造質量，降低生產(chǎn)準備難度和周期，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，該技術的最新發(fā)展是基于真空吸盤的可重構柔性夾持系統(tǒng)，并與五軸數(shù)控加工設備結合，形成了一套高效的大型蒙皮類復合材料構件的復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，其技術設備特點是：實現(xiàn)工裝夾持技術與數(shù)控技術的結合，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)驅動形成與被加工零件型面控制特征點一致的分布點陣，當零件產(chǎn)品發(fā)展變化時，通過編程控制吸盤裝置即可調整重新形成新的型面布局，能夠實現(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雜的部件，M.Torres公司還開發(fā)了多種規(guī)格的特殊轉換支撐部件，如吸盤能傾斜±45°角，實現(xiàn)復雜零部件的吸附定位（圖3）。
國內多家航空主機廠已引進了M.Torres公司該套加工設備，并在產(chǎn)品研制中得到了應用，該類設備的引進大大提高了我國飛機研制中大型復合材料構件的制造能力和工藝水平。從中 中航工業(yè)哈飛對該設備應用的情況來看，設備能夠大量節(jié)省夾持吸附工裝成本，快速調整夾持方案，保證產(chǎn)品切割質量，對型號的研制起到了至關重要的作用。存在的不足之處是，目前該設備由于采用柔性夾持和數(shù)控設備雙控制系統(tǒng)設計，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合該設備要開展研究的課題方向。
除了以上詳細討論的3種復合加工技術和裝備外，在當前復合材料構件制造領域，還有如復合材料型材類構件通用加工數(shù)控機床、數(shù)控縫合機設備、常規(guī)復合材料構件數(shù)控加工中心等技術和設備用于復合材料型材構件、復合材料編織物縫合成型、板材構件等的銑削鉆孔和锪窩等。這類數(shù)控加工設備通過對常規(guī)數(shù)控機械加工技術和設備進行必要的改進以適應復合材料構件特點及加工需要，如對于切削類加工設備，大多增加了灰塵吸附裝置、取消了液體冷卻裝置；對縫合類設備，實現(xiàn)了編織物縫紉機與多軸數(shù)控機械運動結構的緊密結合，具備了空間三維的多種縫合方式（暗縫、雙面雙鎖、臨縫）能力。通過相關關鍵技術和裝備的研制和工程化應用，使復合材料構件的研制能力得到突破，整體制造水平顯著提高，實現(xiàn)了大型復雜復合材料構件的高速度、高精度和高效率制造。
當前，復合材料構件制造領域的數(shù)字化復合加工技術正在蓬勃地發(fā)展，正是有這些先進的復合加工技術的革新和應用，推動了傳統(tǒng)的復合材料構件的生產(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)字化的復合材料構件的加工制造體系裝備，體現(xiàn)出了數(shù)字化條件下的復合加工技術在傳統(tǒng)制造領域創(chuàng)新應用的巨大潛力和優(yōu)勢。今后，復合材料構件的加工制造技術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量方向發(fā)展，應該積極開展相關關鍵技術裝備的引進、研究和消化吸收工作，進一步推進我國航空制造業(yè)復合材料構件制造水平的能力提升。
