自動鋪絲成型中的鋪放溫度控制技術研究

張洋，姚鋒，鄭廣強，周曉芹，黃威

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自動鋪絲成型中的鋪放溫度控制技術研究

張洋，姚鋒，鄭廣強，周曉芹，黃威

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300；中航工業復合材料技術中心，北京 101300）

通過研究自動鋪絲過程中不同加熱功率對鋪放溫度的影響，測試加熱功率設定引起的鋪放溫度的變化情況。在設定加熱功率的情況下，研究了加熱功率速度與鋪放溫度的關系，完成自動鋪絲成型鋪放溫度控制技術研究。試驗結果表明，提高加熱功率，鋪放平均溫度增加；設定加熱功率60%（900 W）時，提高加熱功率速度，鋪放溫度平均值趨于平穩。

復合材料；自動鋪絲；鋪放溫度；控制技術

1 技術背景介紹

先進樹脂基復合材料由于具有高比強度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強、便于大面積整體成型等特點，已經成為繼鋁合金、鈦合金之后最重要的一類航空航天結構材料[1，3]。這種材料應用在飛機上時，可實現15%～30%的減重效益，其用量已經成為判斷航空結構先進性的重要指標與評判標準。先進樹脂基復合材料在航空結構中的應用部位，從最初的次承力結構逐漸擴展到機翼、機身等航空主承力結構，其用量和減重效果已經成為評價飛機先進性的重要因素。國外先進復合材料在大型飛機結構上的用量已經達到甚至超過50%，例如波音787飛機復合材料用量為50%，其機身和機翼主要結構幾乎全部由復合材料制造；空客A350復合材料用量從最初的37%提高到52%，主要應用在機翼、機身、垂尾、平尾等結構中[2]。隨著復合材料的大量應用，大型整體化結構制件的數量和復雜程度不斷增加，原有的手工鋪放工藝在制造效率及質量穩定性控制等方面已經無法滿足大尺寸復雜結構制件的成型需求，對復合材料自動化成型制造技術提出了迫切的需求，成為世界強國競相發展的核心技術。

自動鋪絲成型技術是目前先進復合材料自動化制造技術的典型代表，是在纖維纏繞技術和自動鋪帶技術的基礎上發展起來的一種獨特的復合材料全自動化成型制造技術[4]，特別適合大型復雜復合材料結構的高精度自動化成型制造，可以顯著提高復合材料制造的成型效率及質量穩定性，例如國外B787和A350的機身均是采用自動鋪絲成型技術制造，隨著飛機主承力構件上自動化工藝應用比例的不斷提高，大尺寸復雜結構部件的高效穩定制備成為可能，因此，自動鋪絲技術成為目前最有效的自動化成型工藝手段。目前國內復合材料自動鋪絲成型制造技術處在起步階段[5-6]，為了實現高效鋪放及提高鋪放質量，需要進一步優化鋪放工藝參數，特別是鋪放溫度參數的優化，現有的鋪絲設備主要通過調節鋪絲頭前端加熱源的加熱功率來間接調節鋪放溫度，為了保證鋪放工藝過程的平穩，有必要針對鋪放加熱功率大小及速度與鋪放溫度的關系開展研究，為后續開展自動化鋪放工程應用，奠定良好基礎。

2 實驗材料及方法

2.1 測試材料制備

材料名稱及牌號：CYCOM，X850高溫環氧鋪絲預浸料；材料規格：6.35 mm×800 m；數量：32筒。

2.2 試驗設備及過程

選擇國內首臺高架橋式鋪絲機為鋪放溫度控制測試平臺，設備型號為ATLAS FP，最大調用絲束為32束（單束寬為6.35 mm）。

3 試驗結果分析

3.1 加熱功率對鋪放溫度的影響

選擇X850高溫環氧預浸絲束為鋪放原材料，利用大型高架橋結構鋪絲設備進行驗證，設定鋪放速度為100 mm/s，加熱功率速度為15 m/min，鋪放長度為1 000 mm，通過鋪絲設備自帶控制軟件，分別設定加熱功率為600～1 500 W。開展鋪放工藝測試，觀察鋪放運動工藝過程中鋪放溫度的變化情況，其中鋪放溫度通過鋪絲頭前端溫度傳感器實施測量并顯示，通過設定不同的加熱功率，在鋪放測試過程中實時測量鋪放溫度的大小并記錄。

3.1.1 加熱功率為600～900 W

設定鋪放加熱功率在600～900 W之間變化時，在鋪放過程中通過鋪絲頭前端傳感器測試鋪放溫度并記錄，試驗結果表明，在起始鋪放階段（1～5 s），鋪放溫度變化波動較大，這是由于在鋪放開始階段，鋪絲頭依次經歷接觸模具、加熱燈啟動、切送紗動作協調等階段，這時鋪放速度較低，較易引起鋪放溫度波動劇烈；其中加熱功率較低（600 W）時，鋪放溫度增幅較為平穩，加熱功率較高（900 W）時，鋪放溫度增幅明顯；在平穩鋪放階段（7～11 s），鋪放溫度波動減小，完成鋪放并且鋪放運動停止后加熱燈關閉存在一定的時間差，因此在鋪放結束階段鋪放溫度均小幅增加。其中設定的加熱功率越大，在平穩鋪放階段鋪放溫度越高，波動性越小。

3.1.2 加熱功率為1 050～1 500 W

調節加熱功率在1 050～1 500 W變化時，在起始鋪放階段（1～5 s），鋪放溫度增幅較大；在后續穩定鋪放階段（7～11 s），鋪放溫度波動減小；當加熱功率設定為1 050～1 200 W時，在平穩鋪放階段鋪放溫度差異減少，說明加熱功率在此范圍內調節時，鋪放溫度差異變化較小；與前述低功率測試結果相同，在鋪放運動停止的瞬間，鋪放溫度均小幅增加。其中設定加熱功率越大，穩定鋪放階段平均鋪放溫度越高。

3.2 加熱功率速度對鋪放溫度的影響

在開展加熱功率大小對鋪放溫度影響的試驗過程中發現，加熱功率不同，加熱速度（即加熱功率速度）會對鋪放溫度的大小產生影響；其中，加熱功率速度指在加熱功率不變的情況下，鋪放過程中加熱至指定功率所需要的時間。設定加熱功率速度越大，表示鋪絲設備達到設定功率需要的時間越短；反之越長。因此在確定加熱功率的情況下，通過優化加熱功率速度，可以提高鋪放效果，實現穩定鋪放。

設定鋪放速度為100 mm/s，加熱功率為60%（900 W），鋪放長度為1 000 mm，研究加熱功率速度在5～60 m/min區間變化時引起的鋪放溫度變化情況；同理，鋪放溫度通過鋪絲頭前端溫度傳感器進行測量，下面分別針對低速（5～15 mm/min）、中速（20～30 mm/min）、中高速（35～45 mm/min）及高速（50～60 mm/min）四種情況進行討論。

3.2.1 低加熱功率速度（5～15 mm/min）

設定加熱功率速度為5～15 mm/min時，記錄鋪放過程中溫度的變化。試驗結果表明：不同的加熱功率速度條件下，在起始鋪放階段（1～6 s），鋪放溫度均先增加后減小，其中加熱功率速度越小（例如5 mm/min），鋪放溫度增幅越大（例如5 mm/min情況下鋪放溫度增加約55 ℃），而加熱功率速度越大時（例如15 mm/min），鋪放溫度增幅減小（例如15 mm/min情況下鋪放溫度增加約40 ℃）；在穩定鋪放階段（7～11 s）鋪放時，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致，與前述分析原因一致，在停止鋪放的瞬間，由于運動的停止，加熱停止存在時間差，引起鋪放溫度在鋪放最后階段小幅增加，其中不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致。

3.2.2 中加熱功率速度為（20～30 mm/min）

設定加熱功率速度為20～30 mm/min時，記錄鋪放過程中溫度的變化。試驗結果表明：設定中加熱功率速度為20～30 mm/min時，在起始鋪放階段（1～6 s），鋪放溫度同樣表現為先增加后減小，其中加熱功率速度不同，引起的鋪放溫度增幅差異減小，例如加熱功率速度為20 mm/min時，鋪放溫度增加約34 ℃；加熱功率速度為25 mm/min時，鋪放溫度增加約31 ℃，加熱功率速度為30 mm/min時，鋪放溫度增加約32 ℃，說明在中加熱功率速度為20～30 mm/min的條件下，鋪放溫度增幅差異基本保持在3 ℃范圍內，說明在此范圍內設定加熱功率速度時對鋪放溫度的影響較小。

在穩定鋪放階段（7～11 s）鋪放時，與低加熱功率速度下結論基本一致，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化差異不大，同理，在停止鋪放的瞬間，由于運動的停止，加熱功率的關閉存在時間差，因此鋪放溫度在最后出現小幅增加，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致。

3.2.3 中高加熱功率速度（35～45 mm/min）

設定加熱功率速度在35～45 mm/min區間變化時，記錄鋪放過程中溫度的變化。試驗結果表明：當設定加熱功率速度為35～45 mm/min時，在起始鋪放階段（1～6 s），加熱功率速度為35/45 mm/min時，鋪放溫度出現先增加后減小，其中加熱功率速度為35 mm/min時，鋪放溫度增加約36 ℃；加熱功率速度為45 mm/min時，鋪放溫度增加約30 ℃；加熱功率速度為40 mm/min時，鋪放溫度增幅約15 ℃；說明加熱功率速度設定為40 mm/min時不會引起鋪放溫度的較大波動。

在穩定鋪放階段（7～11 s）鋪放時，加熱功率速度為40 mm/min時鋪放溫度波動最小，鋪放溫度基本保持在42 ℃；同理，在停止鋪放的瞬間，由于運動的停止，加熱功率的停止存在時間差，因此鋪放溫度在最后出現小幅增加，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致。

3.2.4 高加熱功率速度（50～60 mm/min）

設定加熱功率速度為50～60 mm/min時，記錄鋪放過程中溫度的變化。試驗結果表明，設定加熱功率速度（50～60 mm/min）時，在起始鋪放階段（1～6 s），加熱功率速度為55/60 mm/min時，鋪放溫度出現先增加后減小的現象，其中加熱功率速度為55 mm/min時，鋪放溫度增加約35 ℃；加熱功率速度為60 mm/min時，鋪放溫度增加約35 ℃，兩者基本一致；加熱功率速度為50 mm/min時，鋪放溫度基本保持不變，說明此時的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化很小。在穩定鋪放階段（7～11 s）鋪放時，設定加熱功率速度為55 mm/min時鋪放溫度波動最小，鋪放溫度保持在35 ℃左右；同理，在停止鋪放的時，鋪放運動與加熱功率存在時間差，引起鋪放溫度在最后階段出現小幅增加，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致。

4 結論

通過研究得出以下結論：①加熱功率在600～1 500 W變化時，起始階段鋪放溫度波動劇烈，平穩鋪放階段鋪放溫度變化趨于平穩，其中加熱功率較高時（900～1 500 W），平穩鋪放時鋪放溫度波動更為平穩；②加熱功率速度的大小對鋪放溫度會產生影響，在起始鋪放階段，中低速（5～35 m/min）及高速（45～60 m/min）情況下，鋪放溫度均出現先增大后減小的現象，波動幅度較大；中速（40 m/min）時，鋪放溫度增幅平穩，波動幅度較小；在平穩鋪放階段，中低速（5～30 m/min）時，穩定鋪放溫度趨于一致；中高速（35～60 m/min）時，穩定鋪放溫度差異較大。

［1］邢麗英，包建文，禮嵩明，等.先進樹脂基復合材料發展現狀和面臨的挑戰［J］.復合材料學報，2016（7）：1327-1338.

［2］吳志恩.A350的復合材料構件制造［J］.航空制造技術，2013（13）：32-35.

［3］李斌太，邢麗英，包建文，等.先進復合材料國防科技重點實驗室的航空樹脂基復合材料研發進展［J］.航空材料學報，2016（3）：92-100.

［4］張洋，鐘翔嶼，包建文.先進樹脂基復合材料自動絲束鋪放技術研究現狀及發展方向［J］.航空制造技術，2013（Suppl 2）：131-136，140.

［5］黃文宗，孫容磊，張鵬，等.國內復合材料自動鋪放技術發展［J］.航空制造技術，2014（16）：84-89.

［6］文立偉，肖軍，王顯峰，等.中國復合材料自動鋪放技術研究進展［J］.南京航空航天大學學報，2015（5）：637-649.

2095－6835（2019）02－0001－02

TB33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.001

張洋，工學碩士，主要從事先進樹脂基復合材料自動絲束鋪放技術研究工作。

〔編輯：嚴麗琴〕