基于樹脂基復(fù)合材料自動鋪絲成型的鋪放壓力控制技術(shù)研究

張洋，姚鋒，鄭廣強，周曉芹，黃威

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基于樹脂基復(fù)合材料自動鋪絲成型的鋪放壓力控制技術(shù)研究

張洋，姚鋒，鄭廣強，周曉芹，黃威

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300；中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

選擇國內(nèi)首臺大型鋪絲機為驗證平臺，通過測試鋪放壓力對鋪放壓輥形變的影響，研究壓輥形變量與鋪放壓力之間的關(guān)系，分析鋪放壓輥變形引起的硬件干涉、鋪放速度與溫度的協(xié)調(diào)配合對鋪放壓力設(shè)定的影響，完成鋪放壓力參數(shù)優(yōu)化研究。試驗結(jié)果表明，鋪放壓力在100～1 500 N間變化時，高/低密度彈性壓輥壓縮尺寸均增大，8絲束壓輥均比32絲束壓輥壓縮形量大；32束高/低密度壓輥在一定壓力范圍內(nèi)形變可以保持不變，16束高/低密度壓輥形變保持不變的壓力范圍變小，8束高/低密度壓輥形變與壓力呈線性關(guān)系；鋪放壓力設(shè)定應(yīng)保證鋪放時不發(fā)生干涉；針對不同的結(jié)構(gòu)，鋪放壓輥的規(guī)格及密度應(yīng)進行優(yōu)選；鋪放壓力的設(shè)定應(yīng)考慮鋪放速度、溫度、加熱功率速度等參數(shù)的影響；針對平板、曲板等典型結(jié)構(gòu)件開展鋪放工藝驗證，鋪放效果良好。

復(fù)合材料；自動鋪絲；鋪放壓力；壓輥形變

先進樹脂基復(fù)合材料是以有機高分子材料為基體、高性能連續(xù)纖維為增強材料，通過復(fù)合工藝成型制備，具有明顯優(yōu)于原組分性能的一類新型材料[1]。先進樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)成為航空工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料，自動化、整體化和低成本制造技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今復(fù)合材料制造的主流趨勢[2]。自動鋪絲技術(shù)（AFP）以其靈活、高效、對制件適應(yīng)性強、鋪放自由度大等優(yōu)點在成型復(fù)雜外形復(fù)合材料制件生產(chǎn)具有不可替代的重要作用[3-8]，近年來迅速成為國內(nèi)復(fù)合材料自動化制造領(lǐng)域發(fā)展的熱點之一。

自動鋪絲技術(shù)在20世紀(jì)七八十年代由美國航空制造界提出，并于1985年由美國波音公司和Hexcel公司聯(lián)合制造出首臺原理樣機[9]。1989年，Cincinnati公司研制成功第一臺商用鋪絲機并投入使用，后續(xù)改進機型由Viper1200、Viper3000、Viper4000逐漸發(fā)展到最先進的Viper6000，如圖1所示。

進入20世紀(jì)90年代以來，西方發(fā)達國家大型數(shù)控設(shè)備制造廠商紛紛進入復(fù)合材料自動鋪絲設(shè)備制造領(lǐng)域，形成了各自的自動鋪絲設(shè)備制造類別，分別在機床構(gòu)造形式、數(shù)控系統(tǒng)選擇、配套CAD/CAM軟件系統(tǒng)等方面具有各自的特點。比如美國Ingersoll公司1995年采用FANUC系統(tǒng)推出了各種構(gòu)型的鋪絲成型設(shè)備，包括立式、臥式、高效率及高柔性等多種類型；美國ElectroImpact公司采用新型多頭可拆換鋪絲技術(shù)，大幅提高鋪放效率，如圖2所示；西班牙MTorres公司的自動鋪絲設(shè)備采用伺服系統(tǒng)驅(qū)動輸送、旋轉(zhuǎn)切割等獨特技術(shù)，歐洲領(lǐng)先；法國CORIOLIS公司以機器人為平臺開發(fā)自動鋪絲機，鋪放自由度大，安裝拆卸方便，其開發(fā)的自動鋪絲設(shè)備已經(jīng)在國外多個航空航天企業(yè)得到應(yīng)用。

圖1 Cincinnati Viper 6000型鋪絲機

圖2 EI可更換鋪絲頭

國內(nèi)自動鋪絲技術(shù)起步較晚，前期主要集中在鋪放軌跡規(guī)劃與仿真等理論方面的研究[10-14]。鋪放設(shè)備的研制主要處于樣機階段，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)在纏繞技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展了鋪絲頭原理、路徑規(guī)劃和仿真方面的研究[15]；西安交通大學(xué)以機器人為平臺研制了纖維鋪放系統(tǒng)樣機[16]；2009年先進復(fù)合材料國防科技重點實驗室與南京航空航天大學(xué)聯(lián)合研制了國內(nèi)首臺自動絲束鋪放工程樣機并投入使用，該設(shè)備具備8絲束6.35 mm寬預(yù)浸絲束獨立控制能力，鋪絲軌跡規(guī)劃設(shè)計軟件可以讀取CATIA、UG、PROE等模型文件，初步具備單層及多層鋪絲軌跡生成與仿真能力[4]。

2015-05，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司、北京航空制造研究所、法國里內(nèi)及法國科里奧利公司聯(lián)合開發(fā)的國內(nèi)首臺大型高架橋式結(jié)構(gòu)面向工程化應(yīng)用的自動鋪絲機（下文簡稱“大鋪絲機”）正式投入使用，填補了國內(nèi)沒有成熟的工程化鋪絲設(shè)備的空白。但是前期因為缺乏成熟的自動鋪絲驗證平臺，對于主要鋪絲工藝參數(shù)（特別是鋪放壓力）缺乏系統(tǒng)研究，為了改善鋪放質(zhì)量、提高鋪放效率，需要針對鋪放壓力設(shè)定、壓輥選擇及對典型件鋪放的影響等方面開展研究。

本文選擇大鋪絲機為驗證平臺，針對設(shè)備配置不同規(guī)格及密度的鋪放壓輥開展鋪放測試，使用鋪絲專業(yè)軟件CADFIBER進行編程設(shè)計，通過測試鋪放壓力對鋪放壓輥形變的影響，研究壓輥形變量與鋪放壓力之間的關(guān)系，同時開展鋪放壓輥變形與模具干涉情況分析及鋪放效果評價。在此基礎(chǔ)上，進一步分析鋪放速度、溫度等參數(shù)對鋪放壓力設(shè)定的影響，全面完成鋪放壓力參數(shù)優(yōu)化研究。通過不同結(jié)構(gòu)的制件優(yōu)選壓力及壓輥進行鋪放驗證，為后續(xù)自動鋪絲成型過程中鋪放壓輥的選擇及壓力的設(shè)定提供試驗依據(jù)。

1 自動鋪絲技術(shù)中的鋪放壓力設(shè)定流程

鋪放壓力是復(fù)合材料自動鋪絲成型過程中重要的控制參數(shù)，設(shè)定時主要根據(jù)待鋪放制件的鋪放工藝要求，包括材料屬性、零件結(jié)構(gòu)形式、鋪層設(shè)計順序及速度溫度匹配等，利用鋪絲專業(yè)軟件預(yù)設(shè)定鋪放壓力值，選擇不同規(guī)格的壓輥進行鋪放模擬仿真，鋪放時準(zhǔn)確安裝指定規(guī)格壓輥，按照設(shè)定的鋪放程序進行鋪放試驗，觀察在鋪放工藝過程中是否出現(xiàn)壓輥壓潰、絲束扭曲、工裝干涉、系統(tǒng)報錯等問題（如果存在，需要重新模擬及鋪放）；選定鋪放壓力及壓輥規(guī)格，鋪放過程中利用鋪絲頭前端的氣缸裝置，通過壓輥提供所需壓緊力，實現(xiàn)預(yù)浸絲束與模具表面或者絲束層間有效黏合，達到減小鋪放層間間隙、提高鋪放平整度、改善鋪放效果的目的。

2 實驗材料及方法

2.1 鋪放壓力試驗平臺

選擇大鋪絲機為鋪放壓力測試平臺，設(shè)備型號ATLAS FP，最大調(diào)用絲束為32束（單束寬6.35 mm），鋪放速度為0～700 mm/s，最大鋪放壓力為2 000 N。其中，鋪放壓力由鋪絲頭前端的壓力傳感器實時檢測，還包括鋪放工藝鋪放壓力顯示系統(tǒng)、Coriolis multi-fibers head集成數(shù)控系統(tǒng)。

2.2 配套鋪放編程仿真軟件

鋪放編程軟件：CADFIBER V1.6版本，可完成不同鋪放壓力的仿真模擬分析。

2.3 鋪放材料

鋪放測試過程中的鋪絲材料選擇HEXCEL公司的M21預(yù)浸絲束，樹脂含量34%，絲束寬6.35 mm，數(shù)量32卷。

2.4 測試鋪放壓輥規(guī)格

大鋪絲機待測鋪放壓輥數(shù)量8套，其中32束低密度彈性壓輥1套，32束高密度彈性壓輥1套，壓輥幅寬210 mm；16束低密度彈性壓輥1套，16束高密度彈性壓輥1套，壓輥幅寬120 mm；8束低密度彈性壓輥1套，8束高密度彈性壓輥1套，壓輥幅寬60 mm。

2.5 鋪放壓輥鋪放形變測試

通過調(diào)用不同鋪放壓力的NC測試程序，測試不同鋪放壓力下不同規(guī)格及密度的鋪放壓輥變形量，為后續(xù)選擇鋪放壓輥的規(guī)格提供依據(jù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 鋪放壓力對壓輥形變的影響

3.1.1 低密度彈性壓輥變形測試

設(shè)定鋪放壓力為100～1 500 N，選取32束、16束、8束三種規(guī)格的低密度彈性壓輥測試其受壓縮后尺寸的變化。試驗結(jié)果表明，隨著鋪放壓力的提高，不同規(guī)格的低密度彈性壓輥的壓縮尺寸都呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；不同規(guī)格的壓輥在相同鋪放壓力作用下，壓縮形變幅度不同。觀察這三種規(guī)格鋪放壓輥的形變尺寸，發(fā)現(xiàn)8束規(guī)格壓輥形變尺寸最大，32束規(guī)格壓輥形變尺寸最小，16束規(guī)格形變尺寸適中。因此，在預(yù)設(shè)鋪放壓力的情況下，可以根據(jù)壓輥變形大小選擇合適規(guī)格的鋪放壓輥。

3.1.2 高密度彈性壓輥形變測試

通過測試32束、16束及8束規(guī)格的高密度彈性壓輥在不同的鋪放壓力條件下壓輥的變形尺寸，研究不同的壓力下變形量的大小。試驗結(jié)果表明，高密度彈性壓輥隨著鋪放壓力的增加壓輥形變尺寸同樣增大，但是三種規(guī)格壓輥的壓縮形變尺寸不同，壓縮形變從大到小排序依次為8束壓輥、16束壓輥、32束壓輥，這與低密度彈性壓輥的形變規(guī)律一致，因此，可以根據(jù)需要形變的大小選擇壓輥。

3.2 不同密度壓輥與鋪放壓力的關(guān)系

根據(jù)上述試驗結(jié)果，可以得到不同密度壓輥的形變尺寸與鋪放壓力之間的關(guān)系，下面分別對32束、16束、8束三種規(guī)格的壓輥進行討論。

3.2.1 32束規(guī)格不同密度壓輥鋪放測試

32束規(guī)格的高密度壓輥和低密度壓輥鋪放壓力與形變的測試結(jié)果表明，隨著鋪放壓力的增大，壓輥形變逐漸增大。其中低密度壓輥對鋪放壓力更加敏感，高密度壓輥在一定的鋪放壓力范圍內(nèi)壓輥形變可以保持不變，因此，針對特定的鋪放壓力，選擇不同的壓輥時，應(yīng)特別留意壓輥形變的突變區(qū)域，防止壓輥形變突變引發(fā)干涉、絲束扭曲等問題。

3.2.2 16束規(guī)格不同材質(zhì)壓輥鋪放測試

16束規(guī)格高密度壓輥和低密度壓輥鋪放壓力與形變的測試結(jié)果表明，隨著鋪放壓力的提高，壓輥形變增大，與之前不同的是，低密度壓輥壓力與形變基本呈現(xiàn)出線性關(guān)系，表明低密度壓輥對鋪放壓力更加敏感，高密度壓輥在很小的鋪放壓力范圍內(nèi)保持恒定不變。

3.2.3 8束規(guī)格不同密度壓輥鋪放測試

8束規(guī)格高密度壓輥和低密度壓輥鋪放壓力與形變的測試結(jié)果表明，隨著鋪放壓力的提高壓輥形變增大，鋪放壓力在0～500 N的區(qū)間范圍變化時，兩種壓輥隨著鋪放壓力的增加壓輥形變線性的增加，鋪放壓力在500～1 500 N的區(qū)間范圍變化時，低密度壓輥對鋪放壓力更為敏感；高密度壓輥在很小的鋪放壓力范圍內(nèi)保持恒定不變，這與之前的結(jié)論一致。選擇不同的壓輥時，應(yīng)特別留意壓輥形變的突變區(qū)域。

3.3 鋪放壓輥變形與模具間的干涉分析

在上述測試過程中，為了保證鋪放過程的順利進行，必須保證鋪放壓輥的變形不能與模具之間發(fā)生干涉。以最簡單的平板模具為例，過大的壓輥變形可能會導(dǎo)致鋪絲頭局部區(qū)域與模具碰撞而鋪放失敗，情況嚴重時會損壞鋪絲頭硬件。

3.4 鋪放壓力參數(shù)的優(yōu)化

在測試不同的鋪放壓輥及鋪放壓力后，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型完成不同的壓輥及鋪放壓力的選擇。鋪放壓力在100～500 N變化時，不同規(guī)格的壓輥形變范圍在6～13.5 mm。由于壓輥形變幅度不大，可以適用于絕大多數(shù)平板、曲板及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件鋪放；鋪放壓力在600～1 000 N變化時，不同規(guī)格的壓輥形變范圍在7～15.5 mm，由于壓輥形變幅度增加，部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件無法完成鋪放；鋪放壓力在1 100～1 500 N變化時，不同規(guī)格的壓輥形變范圍在7.5～16.2 mm，與前述情況類似，壓輥形變范圍增加，部分曲板、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件無法完成鋪放，極端情況下平板也無法鋪放。

3.5 自動絲束鋪放壓力參數(shù)優(yōu)化驗證

在優(yōu)化各個參數(shù)的基礎(chǔ)上，針對平板類結(jié)構(gòu)（選擇32束規(guī)格低密度壓輥，鋪放壓力為1 200 N）、曲板類結(jié)構(gòu)（選擇32束規(guī)格低密度壓輥，鋪放壓力為1 200 N）、典型結(jié)構(gòu)件（選擇8束規(guī)格高密度壓輥，鋪放壓力為500 N，）進行鋪放驗證，效果良好。

4 結(jié)論

4.1 鋪放壓力對壓輥形變產(chǎn)生影響

隨著鋪放壓力的提高，不同規(guī)格的低密度彈性壓輥的壓縮尺寸都呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，其中在相同鋪放壓力的條件下，8束規(guī)格壓輥的形變尺寸最大，16束規(guī)格其次，32束規(guī)格壓輥的形變尺寸最小。

隨著鋪放壓力的增加，不同規(guī)格的高密度彈性壓輥的壓縮尺寸也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，其中在相同鋪放壓力的條件下，8束規(guī)格壓輥的形變尺寸最大，16束規(guī)格其次，32束規(guī)格壓輥的形變尺寸最小。

4.2 不同材質(zhì)壓輥與鋪放壓力的關(guān)系

低密度壓輥對鋪放壓力更為敏感，高密度壓輥在一定的鋪放壓力范圍內(nèi)壓輥形變可以保持相對不變。

4.3 鋪放壓輥變形與模具間的干涉情況

為了保證鋪放過程的順利進行，必須考慮到鋪放壓輥的變形不能與模具之間發(fā)生干涉，過大的壓輥變形可能會導(dǎo)致鋪絲頭個別部件與模具碰撞，進而導(dǎo)致鋪放失敗，情況嚴重時會損壞鋪絲頭硬件。

4.4 根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化選擇

鋪放壓力在100～500 N變化時，不同規(guī)格的壓輥形變范圍在6～13.5 mm，可以適用于絕大多數(shù)平板、曲板及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件鋪放；鋪放壓力在600～1 000 N變化時，不同規(guī)格的壓輥形變范圍在7～15.5 mm，部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件無法完成鋪放；鋪放壓力在1 100～1 500 N變化時，不同規(guī)格的壓輥形變范圍在7.5～16.2 mm，部分曲板、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件無法完成鋪放，極端情況下平板也無法鋪放。

4.5 典型結(jié)構(gòu)鋪放驗證

在完成鋪放壓力參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，完成平面、曲面及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鋪放試驗，鋪放效果良好。

［1］陳祥寶.聚合物基復(fù)合材料手冊劃［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］杜善義.先進復(fù)合材料與航空航天［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2007，24（01）：1-12.

［3］肖軍，李勇，文立偉，等.樹脂基復(fù)合材料自動鋪放技術(shù)進展［J］.中國材料進展，2009，28（06）：28-32.

［4］張洋，鐘翔嶼，包建文.先進樹脂基復(fù)合材料自動絲束鋪放技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.航空制造技術(shù)，2013（Suppl 2）.

［5］郝建偉.復(fù)合材料制造自動化技術(shù)發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2010（17）：26-29.

［6］曉莉.迎接航空復(fù)合材料新時代［J］.航空維修與工程，2007（02）：40-42.

［7］Lukaszewicz D H，Ward C，Potter K D.The engineering aspects of automated prepreg layup：History，present，andfuture［J］.CompositesPartB：Engineering，2012，43（03）：997-1009.

［8］Tabakov P V，Walker M. A technique for stiffness improvement by optimization of fiber steering in Composite plates［J］.Applied Composite Materials，2010，17（05）：453-461.

［9］肖軍，李勇，李建龍.自動鋪放技術(shù)在大型飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2008（01）：50-53.

［10］邵冠軍，游有鵬，熊慧.自由曲面構(gòu)件的纖維鋪放路徑規(guī)劃［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，37（Suppl 1）：144-148.

［11］黨旭丹，肖軍，還大軍.自動鋪絲平行等距軌跡規(guī)劃算法實現(xiàn)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2007，53（05）：613-616.

［12］林福建.自由型面復(fù)合材料零件鋪放束成型軌跡規(guī)劃［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

［13］李善緣，王小平，朱麗君.復(fù)合材料鋪絲成型中的路徑規(guī)劃［J］.宇航材料工藝，2009（02）：25-29.

［14］周燚.復(fù)合材料自動鋪絲CAD技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2006.

［15］紹忠喜，韓振宇，李玥華，等.纖維鋪放設(shè)備中絲束增減及其比較［J］.航空學(xué)報，2011，32（01）：164-171.

［16］段玉崗，劉芬芬，陳耀，等.纖維鋪放壓緊力及預(yù)浸帶加熱溫度對復(fù)合材料性能的影響［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2012，29（04）：149-156.

2095－6835（2018）23－0006－03

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.006

張洋，工學(xué)碩士，主要從事先進樹脂基復(fù)合材料自動絲束鋪放技術(shù)研究工作。

〔編輯：張思楠〕