基于樹脂基復合材料自動鋪絲成型的鋪放壓力控制技術研究

張洋，姚鋒，鄭廣強，周曉芹，黃威

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基于樹脂基復合材料自動鋪絲成型的鋪放壓力控制技術研究

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）

選擇國內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調配合對鋪放壓力設定的影響，完成鋪放壓力參數優化研究。試驗結果表明，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系；鋪放壓力設定應保證鋪放時不發生干涉；針對不同的結構，鋪放壓輥的規格及密度應進行優選；鋪放壓力的設定應考慮鋪放速度、溫度、加熱功率速度等參數的影響；針對平板、曲板等典型結構件開展鋪放工藝驗證，鋪放效果良好。

復合材料；自動鋪絲；鋪放壓力；壓輥形變

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

自動鋪絲技術在20世紀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，后續改進機型由Viper1200、Viper3000、Viper4000逐漸發展到最先進的Viper6000，如圖1所示。

進入20世紀90年代以來，西方發達國家大型數控設備制造廠商紛紛進入復合材料自動鋪絲設備制造領域，形成了各自的自動鋪絲設備制造類別，分別在機床構造形式、數控系統選擇、配套CAD/CAM軟件系統等方面具有各自的特點。比如美國Ingersoll公司1995年采用FANUC系統推出了各種構型的鋪絲成型設備，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，大幅提高鋪放效率，如圖2所示；西班牙MTorres公司的自動鋪絲設備采用伺服系統驅動輸送、旋轉切割等獨特技術，歐洲領先；法國CORIOLIS公司以機器人為平臺開發自動鋪絲機，鋪放自由度大，安裝拆卸方便，其開發的自動鋪絲設備已經在國外多個航空航天企業得到應用。

圖1 Cincinnati Viper 6000型鋪絲機

圖2 EI可更換鋪絲頭

國內自動鋪絲技術起步較晚，前期主要集中在鋪放軌跡規劃與仿真等理論方面的研究[10-14]。鋪放設備的研制主要處于樣機階段，例如哈爾濱工業大學在纏繞技術的基礎上，開展了鋪絲頭原理、路徑規劃和仿真方面的研究[15]；西安交通大學以機器人為平臺研制了纖維鋪放系統樣機[16]；2009年先進復合材料國防科技重點實驗室與南京航空航天大學聯合研制了國內首臺自動絲束鋪放工程樣機并投入使用，該設備具備8絲束6.35 mm寬預浸絲束獨立控制能力，鋪絲軌跡規劃設計軟件可以讀取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，中航復合材料有限責任公司、北京航空制造研究所、法國里內及法國科里奧利公司聯合開發的國內首臺大型高架橋式結構面向工程化應用的自動鋪絲機（下文簡稱“大鋪絲機”）正式投入使用，填補了國內沒有成熟的工程化鋪絲設備的空白。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（特別是鋪放壓力）缺乏系統研究，為了改善鋪放質量、提高鋪放效率，需要針對鋪放壓力設定、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，針對設備配置不同規格及密度的鋪放壓輥開展鋪放測試，使用鋪絲專業軟件CADFIBER進行編程設計，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。在此基礎上，進一步分析鋪放速度、溫度等參數對鋪放壓力設定的影響，全面完成鋪放壓力參數優化研究。通過不同結構的制件優選壓力及壓輥進行鋪放驗證，為后續自動鋪絲成型過程中鋪放壓輥的選擇及壓力的設定提供試驗依據。

1 自動鋪絲技術中的鋪放壓力設定流程

鋪放壓力是復合材料自動鋪絲成型過程中重要的控制參數，設定時主要根據待鋪放制件的鋪放工藝要求，包括材料屬性、零件結構形式、鋪層設計順序及速度溫度匹配等，利用鋪絲專業軟件預設定鋪放壓力值，選擇不同規格的壓輥進行鋪放模擬仿真，鋪放時準確安裝指定規格壓輥，按照設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壓輥壓潰、絲束扭曲、工裝干涉、系統報錯等問題（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，實現預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，設備型號ATLAS FP，最大調用絲束為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、Coriolis multi-fibers head集成數控系統。

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預浸絲束，樹脂含量34%，絲束寬6.35 mm，數量32卷。

2.4 測試鋪放壓輥規格

大鋪絲機待測鋪放壓輥數量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格及密度的鋪放壓輥變形量，為后續選擇鋪放壓輥的規格提供依據。

3 試驗結果分析

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

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

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律一致，因此，可以根據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系

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

3.2.1 32束規格不同密度壓輥鋪放測試

32束規格的高密度壓輥和低密度壓輥鋪放壓力與形變的測試結果表明，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，應特別留意壓輥形變的突變區域，防止壓輥形變突變引發干涉、絲束扭曲等問題。

3.2.2 16束規格不同材質壓輥鋪放測試

16束規格高密度壓輥和低密度壓輥鋪放壓力與形變的測試結果表明，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出線性關系，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保持恒定不變。

3.2.3 8束規格不同密度壓輥鋪放測試

8束規格高密度壓輥和低密度壓輥鋪放壓力與形變的測試結果表明，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保持恒定不變，這與之前的結論一致。選擇不同的壓輥時，應特別留意壓輥形變的突變區域。

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致鋪絲頭局部區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 鋪放壓力參數的優化

在測試不同的鋪放壓輥及鋪放壓力后，根據不同的結構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平板、曲板及復雜結構制件鋪放；鋪放壓力在600～1 000 N變化時，不同規格的壓輥形變范圍在7～15.5 mm，由于壓輥形變幅度增加，部分復雜結構制件無法完成鋪放；鋪放壓力在1 100～1 500 N變化時，不同規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、復雜結構制件無法完成鋪放，極端情況下平板也無法鋪放。

3.5 自動絲束鋪放壓力參數優化驗證

在優化各個參數的基礎上，針對平板類結構（選擇32束規格低密度壓輥，鋪放壓力為1 200 N）、曲板類結構（選擇32束規格低密度壓輥，鋪放壓力為1 200 N）、典型結構件（選擇8束規格高密度壓輥，鋪放壓力為500 N，）進行鋪放驗證，效果良好。

4 結論

4.1 鋪放壓力對壓輥形變產生影響

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

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

4.2 不同材質壓輥與鋪放壓力的關系

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生干涉，過大的壓輥變形可能會導致鋪絲頭個別部件與模具碰撞，進而導致鋪放失敗，情況嚴重時會損壞鋪絲頭硬件。

4.4 根據不同的結構類型優化選擇

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

4.5 典型結構鋪放驗證

在完成鋪放壓力參數優化的基礎上，完成平面、曲面及復雜結構的鋪放試驗，鋪放效果良好。

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2095－6835（2018）23－0006－03

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.006

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：張思楠〕