自动铺丝用预浸丝制备工艺研究①

赵 聪，陆楠楠，闫西涛，耿 杰，肖 军

(南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016)

0 引言

自动铺丝成型技术(Automatic Fiber Placement，AFP)是近年来发展最快的复合材料自动化成型制造技术之一。其以宽度较窄(3．18、6．35、12．7 mm)的单向预浸丝束为原料，按特定顺序输送若干根丝束组合为宽度可变的预浸带后，铺放到模具表面实现自动铺放。独立的预浸丝输送形式，使得该技术适合复杂曲面及复杂边界的构件成型［1］。高质量、高精度、高可靠性的特点，使得自动铺丝成型技术在发达国家已经广泛用于大型飞机、运载火箭等各类航空航天飞行器中多种结构部件的制造。

自动铺丝技术研究在国内已经开展多年，早期工作集中在装备研究［2－5］、轨迹规划［6－9］等，材料及工艺研究报道较少［10］，尤其是预浸丝制备与质量控制迄今未见报道。发达国家自动铺丝用预浸丝束制备方法有直接热熔法和分切法。直接热熔法制备的预浸丝束含胶量及丝束宽度难以控制。因此，分切法是制备自动铺丝用预浸丝束的主要方法。

分切复绕技术已经在其他材料加工领域广泛应用，如塑料薄膜、铝箔、铜带、钢板等材料的分切［11－14］。与上述材料不同，预浸料具有高度各向异性和粘性，如何获得宽度均匀、边缘齐整的分切丝束，实现分切丝束宽度精确控制等问题，亟待研究和解决。只有制备出满足自动铺丝工艺的预浸丝，才能实现自动铺丝技术工业应用。

1 预浸料分切原理

1．1 预浸料分切的特点

单向预浸料是将定向排列的纤维束浸涂树脂基体，并通过一定处理后贮存备用的中间材料［15］。预浸料表面通常有1层隔离纸和离型膜保护，主要作用是防止预浸料污染和单向预浸料的横向开裂［16］。预浸料分切具有以下特点:

(1)预浸料中的树脂处于未固化状态，具有一定的粘性，可能粘附在刀具表面，钝化刀具，影响分切质量;

(2)单向预浸料较薄，厚度一般为0．15 mm，且纤维处于定向排列的状态，纤维之间由树脂填充，横向结合性能差，易于刀具分切，但也极易发生横向开裂;

(3)根据工艺需要，可能同时分切2种或2种以上性质不同的材料(预浸料、隔离纸、离型膜)，隔离纸与预浸料之间粘附力弱，分切过程中容易发生分离，增大分切难度。

1．2 预浸料分切原理

基于上述特点，借鉴薄膜材料的分切方式［17］:平刀分切和圆刀分切，对预浸料分切方法进行研究。图1为试验装置原理图。预浸料卷固定于放卷轴，经过展平机构展平，压辊将预浸料与下刀轴压紧，下刀轴主动旋转，带动预浸料向前运动。预浸料经过刀具，沿纵向被分切成若干根宽度为6．35 mm的预浸丝束。

图1 分切机原理图Fig．1 illustration of slitter

(1)平刀分切方式。图2为平刀分切原理图。刀片对预浸料进行悬空分切，刀片之间有宽度为6．35 mm的垫块保证刃口间距。

图2 平刀分切原理图Fig．2 illustration of rectangle shaped blade

(2)圆刀分切方式。图3为圆刀分切原理图。圆刀片固定于上刀轴，下刀轴上配合有切槽，2个切槽边缘距离为6．35 mm，分切时，上下刀轴通过齿轮传动保持同步旋转。

图3 圆刀分切原理图Fig．3 illustration of circle shaped blade

1．3 预浸料与刀具受力分析

平刀分切与圆刀分切时，预浸带受力分析见图4。N0和T0分别代表预浸料作用在刀片上的法向力和切向力。N和T分别代表刀片反作用给预浸料的法向力和切向力，FT代表预浸料所受张力。其中，α为咬入角或切入角［18－20］;Tx为咬入力;Nx为阻止力。为使预浸料与刀片间不发生打滑，必须满足 Tx≥Nx［19－20］。即

因预浸料与刀片之间存在摩擦，假设f、β是预浸料与刀片之间的摩擦系数和摩擦角(其中f=tanβ)，由摩擦定律可得，T=fN，将此式代入式(1)中，可得:

即 f≥tanα 或 tanβ≥tanα，得出:

因此，实现正常分切，刀片与预浸料不发生打滑的必要条件是咬入角α小于或等于预浸料与刀片之间摩擦角β。α越小，则N的竖直分量越大，分切基材沿刀刃向上漂移趋势越小。若α大于β，阻止力大于咬入力，预浸料靠丝束张力FT强行拉入刃口，无法进行正常分切。

图4 不同形式刀具与预浸料受力分析Fig．4 Force analysis diagrams of different forms of blades and prepreg

1．4 实验材料及分切质量评价标准

实验采用预浸料为T700/603-A型预浸料，由航天材料及工艺研究所提供。预浸料参数见表1。

本文以分切丝束宽度稳定性与边缘质量为衡量分切质量的主要技术指标。采用游标卡尺，对分切预浸料丝束宽度进行测量;采用目视法，对分切丝束边缘质量进行评判。

表1 分切用预浸料物理性能Table 1 Physical properties of prepreg

2 分切质量影响因素分析

2．1 张力对分切质量的影响

为消除材料宽度对丝束张力指标影响，本文以单位宽度预浸料所受张力表征丝束张力，选取0、0．5、1、1．5、2 N/mm 5个水平进行研究。图5是不同张力水平下，圆刀分切和平刀分切所得丝束宽度离散趋势图。

图5 张力对分切丝束宽度离散度的影响Fig．5 Dispersion of tow width at different tension levels

从图5可看出，随张力增加，2种分切模式所得丝束宽度离散度呈现先减小后提高的趋势。张力过低时，预浸料在放卷和进给过程中，无法处于绷紧的平直状态，容易发生振动和偏摆，导致分切质量较差。随着张力的提高，预浸料在张力作用下，逐渐展平、绷紧，预浸料的振动和偏摆幅度逐渐减小至完全消除，分切质量也逐渐提高。当张力过大时，预浸料表面硬度［21－23］加大，边缘处易引起褶皱和屈曲，影响分切质量。从图5中可得出，平刀分切的最佳张力值为1．5 N/mm，圆刀分切的最佳张力值为1 N/mm。

相同张力水平下，圆刀分切丝束宽度离散度小于平刀分切的离散度，且圆刀分切丝束宽度对丝束张力并不敏感。这是因为圆刀分切时，预浸料会在下刀轴上形成了一定的包角。即使在很小的张力作用下，预浸料也会在该包角区域展平，保证预浸料表面平整无褶皱，压辊的存在消除了预浸料摆动或振动。此时，圆刀刀片与刀垫配合，便会得到质量良好的分切丝束。

2．2 分切模式对分切质量的影响

根据分切材料的不同，预浸料分切可分为3种模式:带纸去膜、去纸带膜、去纸去膜。前2种分切模式还需对隔离纸或离型膜进行分切。图6(a)、(b)分别是带纸带膜、去纸带膜分切模式下平刀分切效果图。因刀具与隔离纸、离型膜之间的摩擦角更小，据1．3节的分析，隔离纸和离型膜与刀具之间的打滑现象更加严重。同时，隔离纸上硅油层的存在，使得隔离纸与预浸料的粘附力不强，二者极易分离，增大分切难度，无法正常分切。

图7是圆刀分切各模式所得丝束宽度分布图。

图6 不同分切模式下平刀分切效果Fig．6 Different slitting patterns with rectangle shaped tool with paper and film and without paper

图7 圆刀分切不同分切模式对分切丝束宽度影响Fig．7 Effect of working pattern on the width of tows using circle shaped tool

从图7可看出，2种分切模式下，圆刀分切方式均可得到满足要求的质量良好的预浸丝束。但由于隔离纸与预浸料的路径存在线差，隔离纸与预浸料易发生分离，收卷时，隔离纸无法对上下2层的预浸料形成良好隔离，预浸料退卷性无法保证。因此，圆刀分切采用去纸带膜方式。

2．3 其他因素对分切质量的影响

2．3．1 下刀角度对平刀分切质量的影响

图8是不同下刀角度下预浸丝束宽度分布图，从图8中可看出，下刀角度为60°时，分切所得预浸料宽度稳定性最差。随着下刀角度变小，分切所得预浸料宽度，稳定性逐渐提高。

由图2可知，平刀下刀角度是刀刃与预浸料表面的夹角，即咬入角α。根据1．3节分析，在其他条件不变的情况下，下刀角度越大，咬入角与摩擦角相差越大，预浸料与刀具之间打滑的趋势越明显，所得预浸料宽度均匀性、稳定性越差。为获得质量良好的分切丝束，应尽可能地减小下刀角度。

图8 下刀角度对分切丝束宽度的影响Fig．8 Effect of the angle between tools and prepreg on tows width

2．3．2 刀片悬出长度对平刀分切质量的影响

图9是刀片悬出长度对分切宽度影响的趋势图。

图9 刀片悬出长度对分切丝束宽度的影响Fig．9 Effect of the blades length on the tows width

不难看出，刀片悬出长度越小，分切丝束宽度分布离散越小，尺寸越稳定。这是因为:

(1)预浸料制备过程中，纤维排布无法完全平行，同时分切时，纠偏系统也存在一定误差，使得纤维排布方向与刀片排列方向存在角度偏差，刀片始终受到侧向力作用。

(2)平刀刀片薄(厚0．1 mm)，弯曲刚度差，悬空分切方式使得刀片在微小侧向力的作用下极易发生弯曲变形，造成切口宽度变化。

在相同的侧向力作用下，刀片悬出长度越长，刀具弯曲变形后刃口偏移越大，所得预浸丝束的宽度离散越大，均匀性越差。在实际分切过程中，应采用弯曲模量高的刀片，减小刀片悬出长度，降低刀片的左右偏摆，保证刃口的稳定性。

2．3．3 分切速度对圆刀分切质量的影响

圆刀分切时，设定分切速度为20 m/min，分切机在启动和停止过程中有明显的加速和减速阶段。不同速度阶段，预浸丝宽度分布如图10所示。

图10 分切速度对分切丝束宽度的影响Fig．10 Effect of speed on the width of tows using circle shaped tool

从图10中发现，加速阶段宽度波动最大。原因在于初始加速阶段，预浸料丝束处于张力建立的初始状态，各丝束张力仍处于不均匀状态，导致了各丝束宽度的波动。匀速和减速阶段，由于各丝束张力已经完全建立，且处于相对平衡的状态，分切所得预浸丝束的宽度处于相对稳定的状态。

圆刀分切时，应避免快速提速或频繁加减速操作，防止预浸料张力瞬时发生较大变化时产生振动，影响分切质量。

3 分切质量评价

3．1 丝束宽度分布

图11是2种分切模式所得丝束宽度分布图。从图11可看出，圆刀分切所得丝束宽度均匀性远优于平刀分切所得预浸丝束宽度均匀性。计算得圆刀分切丝束平均值为6．42 mm，离散度为5．5%，而平刀分切对应的数据分别为6．52 mm、12．3%。平刀刀片薄，弯曲模量较小，容易在侧向力的作用下发生偏移，所得丝束宽度波动范围超过±0．15 mm，无法满足自动铺丝对预浸丝宽度的要求。

图11 丝束宽度分布柱状图Fig．11 The diagram of the width of tow

而圆刀的固定方式以及特殊的轴向间隙调整装置，确保圆刀不会发生左右移动，所得分切丝束宽度均匀，其宽度主要集中在6．4～6．5 mm范围内，满足自动铺丝的工艺要求。

3．2 丝束边缘质量

图12是平刀分切预浸料20 m后刀刃口处树脂堆积情况及预浸料表面状态。由于刃口固定不变，刀片散热能力差，随着分切的不断进行，树脂在刀片刃口处发生堆积，使刀片变钝，分切质量下降。严重时，还会对纤维产生损伤，影响制品力学性能。因此，平刀分切无法获得质量良好的分切丝束，并不适合连续式分切。

图12 平刀连续分切状态图Fig．12 Pictures of tool and prepreg after long distance slitting

圆刀分切时，圆刀旋转，刃口不断变化，散热良好，避免上述现象的发生，可获得连续且边缘齐整的分切丝束。

4 结论

(1)预浸料正常分切必要条件为下刀角度(咬入角)α小于或等于刀具与预浸料之间的摩擦角β。

(2)平刀分切最佳张力值为1．5 N/mm。最佳分切模式为去纸去膜，减小下刀角度和刀片悬出长度，有利于提高平刀分切的分切质量;圆刀分切最佳张力值为1．0 N/mm，最佳分切模式为去纸带膜。同时，应避免快速提速或频繁加减速操作。

(3)平刀刀片较薄，弯曲模量较小，在分切过程中，容易在侧向力的作用下发生偏移。所得丝束宽度平均值为6．52 mm，离散度高达12．3%。同时，由于刃口固定不变，树脂易在刀片刃口处发生堆积，钝化刀片。因此，平刀分切无法获得质量良好的分切丝束，并不适合连续式分切，无法满足自动铺丝工艺要求。

(4)圆刀的固定方式和轴向间隙调节装置，使得刀具不会因侧向力而发生移动，所得分切丝束宽度平均值为6．42 mm，离散度为5．5%。同时，由于分切过程中，圆刀是旋转的，其刃口不断变化，散热良好，不会发生树脂堆积，可获得连续且边缘齐整的分切丝束。圆刀分切更适合制备满足自动铺丝工艺要求的预浸丝束。

［1］ Lukaszewicz D J，Ward Carwyn，Potter Kevin D．The engineering aspects of automated prepreg layup:History，present and future［J］．Composites:Part B，2012，43(3):997-1009．

［2］ 杨会芳，李中凯，金辉．大型复合材料丝束铺放机关键部件结构分析［J］．航空制造技术，2010(22):72-75．

［3］ 韩振宇，邵忠喜，路华，等．七自由度四丝束纤维铺放机及数控系统的开发［J］．材料工程，2009(S2):211-215．

［4］ 胡二乐，杨涛，吴泰成，等．风机叶片纤维带铺放头设计［J］．机械设计与制造，2009(5):32-34．

［5］ 张凤强．纤维铺放设备中铺丝头的关键技术研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2011．

［6］ 韩振宇，邵忠喜，富宏亚，等．S型进气道纤维铺放轨迹网格化生成［J］．航空制造技术，2009(19):72-78．

［7］ 王培源．基于铺层承载信息的自由曲面自动铺丝轨迹规划技术研究［D］．南京:南京航空航天大学，2011．

［8］ 曾伟，肖军，李勇，等．回转体自动铺丝轨迹规划与覆盖性分析［J］．武汉理工大学学报，2009，31(21):121-124．

［9］ 富宏亚，邵忠喜，韩振宇．纤维铺放轨迹规划的两种方法及其比较研究［J］．材料工程，2009(S2):349-353．

［10］ 段玉岗，刘芬芬，陈耀，等．纤维铺放压紧力及预浸料加热温度对复合材料力学性能的影响［J］．复合材料学报，2012(4):148-156．

［11］ 刘恒记，孙永亮，刘照升．PVDC保险薄膜分切工艺及设备的改进［J］．塑料工业，2000，28(5):44-45．

［12］ 黄有恒．分切张力的分析与应用［J］．包装与食品机械，2008，26(2):23-25．

［13］ 郭京林，刘翠波，徐卫国．高精度铝带纵剪机［J］．轻合金加工技术，2004，32(12):20-23．

［14］ 杜君宪，石晓娟．影响铝箔分切质量的因素分析［J］．机械设计与制造，2008(4):222-223．

［15］ 中国航空研究院．复合材料结构设计手册［M］．北京:航空工业出版社，2001:48-50．

［16］ 航空航天工业部科学技术研究院．复合材料设计手册［M］．北京:航空工业出版社，1990:21．

［17］ 彭文华．新型片材分切［J］．轻工机械，2009，27(3):81-83．

［18］ 朱豪科，秦宝荣，孔维山，等．应用MATLAB对片基带分切机纵切刀架优化设计［J］．轻机工程，2012，30(5):51-54．

［19］ Phadke M S．Quality engineering using robust design［M］．Englewood Cliffs，New Jersey:PTR prentice-Hall，1989．

［20］ 黄有恒．分切机纵切刀的受力分析［J］．包装与食品机械，2008，26(5):51-53．

［21］ 陈涛，马李蕾．恒张力技术在电容器薄膜分切设备中的应用［J］．电力电容器与无功补偿，2011，32(5):56-60．

［22］ Liu C，Lu H，Huang Y．Dynamic steady-state stress field in a web during slitting［J］．Journal of Applied Mechanics，2005，72(2):157-164．

［23］ Ma J，Wang B，Lu H B，et al．Burr height in shear slitting of aluminum webs［J］．Journal of Manufacturing Science and Engineering，2006，128(1):46-55．