基于树脂基复合材料自动铺丝成型的铺放压力控制技术研究

张洋，姚锋，郑广强，周晓芹，黄威



基于树脂基复合材料自动铺丝成型的铺放压力控制技术研究

张洋，姚锋，郑广强，周晓芹，黄威

（中航复合材料有限责任公司，北京 101300；中航工业复合材料技术中心，北京 101300）

选择国内首台大型铺丝机为验证平台，通过测试铺放压力对铺放压辊形变的影响，研究压辊形变量与铺放压力之间的关系，分析铺放压辊变形引起的硬件干涉、铺放速度与温度的协调配合对铺放压力设定的影响，完成铺放压力参数优化研究。试验结果表明，铺放压力在100～1 500 N间变化时，高/低密度弹性压辊压缩尺寸均增大，8丝束压辊均比32丝束压辊压缩形量大；32束高/低密度压辊在一定压力范围内形变可以保持不变，16束高/低密度压辊形变保持不变的压力范围变小，8束高/低密度压辊形变与压力呈线性关系；铺放压力设定应保证铺放时不发生干涉；针对不同的结构，铺放压辊的规格及密度应进行优选；铺放压力的设定应考虑铺放速度、温度、加热功率速度等参数的影响；针对平板、曲板等典型结构件开展铺放工艺验证，铺放效果良好。

复合材料；自动铺丝；铺放压力；压辊形变

先进树脂基复合材料是以有机高分子材料为基体、高性能连续纤维为增强材料，通过复合工艺成型制备，具有明显优于原组分性能的一类新型材料[1]。先进树脂基复合材料已经成为航空工业的主要结构材料，自动化、整体化和低成本制造技术已经成为当今复合材料制造的主流趋势[2]。自动铺丝技术（AFP）以其灵活、高效、对制件适应性强、铺放自由度大等优点在成型复杂外形复合材料制件生产具有不可替代的重要作用[3-8]，近年来迅速成为国内复合材料自动化制造领域发展的热点之一。

自动铺丝技术在20世纪七八十年代由美国航空制造界提出，并于1985年由美国波音公司和Hexcel公司联合制造出首台原理样机[9]。1989年，Cincinnati公司研制成功第一台商用铺丝机并投入使用，后续改进机型由Viper1200、Viper3000、Viper4000逐渐发展到最先进的Viper6000，如图1所示。

进入20世纪90年代以来，西方发达国家大型数控设备制造厂商纷纷进入复合材料自动铺丝设备制造领域，形成了各自的自动铺丝设备制造类别，分别在机床构造形式、数控系统选择、配套CAD/CAM软件系统等方面具有各自的特点。比如美国Ingersoll公司1995年采用FANUC系统推出了各种构型的铺丝成型设备，包括立式、卧式、高效率及高柔性等多种类型；美国ElectroImpact公司采用新型多头可拆换铺丝技术，大幅提高铺放效率，如图2所示；西班牙MTorres公司的自动铺丝设备采用伺服系统驱动输送、旋转切割等独特技术，欧洲领先；法国CORIOLIS公司以机器人为平台开发自动铺丝机，铺放自由度大，安装拆卸方便，其开发的自动铺丝设备已经在国外多个航空航天企业得到应用。

图1 Cincinnati Viper 6000型铺丝机

图2 EI可更换铺丝头

国内自动铺丝技术起步较晚，前期主要集中在铺放轨迹规划与仿真等理论方面的研究[10-14]。铺放设备的研制主要处于样机阶段，例如哈尔滨工业大学在缠绕技术的基础上，开展了铺丝头原理、路径规划和仿真方面的研究[15]；西安交通大学以机器人为平台研制了纤维铺放系统样机[16]；2009年先进复合材料国防科技重点实验室与南京航空航天大学联合研制了国内首台自动丝束铺放工程样机并投入使用，该设备具备8丝束6.35 mm宽预浸丝束独立控制能力，铺丝轨迹规划设计软件可以读取CATIA、UG、PROE等模型文件，初步具备单层及多层铺丝轨迹生成与仿真能力[4]。

2015-05，中航复合材料有限责任公司、北京航空制造研究所、法国里内及法国科里奥利公司联合开发的国内首台大型高架桥式结构面向工程化应用的自动铺丝机（下文简称“大铺丝机”）正式投入使用，填补了国内没有成熟的工程化铺丝设备的空白。但是前期因为缺乏成熟的自动铺丝验证平台，对于主要铺丝工艺参数（特别是铺放压力）缺乏系统研究，为了改善铺放质量、提高铺放效率，需要针对铺放压力设定、压辊选择及对典型件铺放的影响等方面开展研究。

本文选择大铺丝机为验证平台，针对设备配置不同规格及密度的铺放压辊开展铺放测试，使用铺丝专业软件CADFIBER进行编程设计，通过测试铺放压力对铺放压辊形变的影响，研究压辊形变量与铺放压力之间的关系，同时开展铺放压辊变形与模具干涉情况分析及铺放效果评价。在此基础上，进一步分析铺放速度、温度等参数对铺放压力设定的影响，全面完成铺放压力参数优化研究。通过不同结构的制件优选压力及压辊进行铺放验证，为后续自动铺丝成型过程中铺放压辊的选择及压力的设定提供试验依据。

1 自动铺丝技术中的铺放压力设定流程

铺放压力是复合材料自动铺丝成型过程中重要的控制参数，设定时主要根据待铺放制件的铺放工艺要求，包括材料属性、零件结构形式、铺层设计顺序及速度温度匹配等，利用铺丝专业软件预设定铺放压力值，选择不同规格的压辊进行铺放模拟仿真，铺放时准确安装指定规格压辊，按照设定的铺放程序进行铺放试验，观察在铺放工艺过程中是否出现压辊压溃、丝束扭曲、工装干涉、系统报错等问题（如果存在，需要重新模拟及铺放）；选定铺放压力及压辊规格，铺放过程中利用铺丝头前端的气缸装置，通过压辊提供所需压紧力，实现预浸丝束与模具表面或者丝束层间有效黏合，达到减小铺放层间间隙、提高铺放平整度、改善铺放效果的目的。

2 实验材料及方法

2.1 铺放压力试验平台

选择大铺丝机为铺放压力测试平台，设备型号ATLAS FP，最大调用丝束为32束（单束宽6.35 mm），铺放速度为0～700 mm/s，最大铺放压力为2 000 N。其中，铺放压力由铺丝头前端的压力传感器实时检测，还包括铺放工艺铺放压力显示系统、Coriolis multi-fibers head集成数控系统。

2.2 配套铺放编程仿真软件

铺放编程软件：CADFIBER V1.6版本，可完成不同铺放压力的仿真模拟分析。

2.3 铺放材料

铺放测试过程中的铺丝材料选择HEXCEL公司的M21预浸丝束，树脂含量34%，丝束宽6.35 mm，数量32卷。

2.4 测试铺放压辊规格

大铺丝机待测铺放压辊数量8套，其中32束低密度弹性压辊1套，32束高密度弹性压辊1套，压辊幅宽210 mm；16束低密度弹性压辊1套，16束高密度弹性压辊1套，压辊幅宽120 mm；8束低密度弹性压辊1套，8束高密度弹性压辊1套，压辊幅宽60 mm。

2.5 铺放压辊铺放形变测试

通过调用不同铺放压力的NC测试程序，测试不同铺放压力下不同规格及密度的铺放压辊变形量，为后续选择铺放压辊的规格提供依据。

3 试验结果分析

3.1 铺放压力对压辊形变的影响

3.1.1 低密度弹性压辊变形测试

设定铺放压力为100～1 500 N，选取32束、16束、8束三种规格的低密度弹性压辊测试其受压缩后尺寸的变化。试验结果表明，随着铺放压力的提高，不同规格的低密度弹性压辊的压缩尺寸都呈现出逐渐增大的趋势；不同规格的压辊在相同铺放压力作用下，压缩形变幅度不同。观察这三种规格铺放压辊的形变尺寸，发现8束规格压辊形变尺寸最大，32束规格压辊形变尺寸最小，16束规格形变尺寸适中。因此，在预设铺放压力的情况下，可以根据压辊变形大小选择合适规格的铺放压辊。

3.1.2 高密度弹性压辊形变测试

通过测试32束、16束及8束规格的高密度弹性压辊在不同的铺放压力条件下压辊的变形尺寸，研究不同的压力下变形量的大小。试验结果表明，高密度弹性压辊随着铺放压力的增加压辊形变尺寸同样增大，但是三种规格压辊的压缩形变尺寸不同，压缩形变从大到小排序依次为8束压辊、16束压辊、32束压辊，这与低密度弹性压辊的形变规律一致，因此，可以根据需要形变的大小选择压辊。

3.2 不同密度压辊与铺放压力的关系

根据上述试验结果，可以得到不同密度压辊的形变尺寸与铺放压力之间的关系，下面分别对32束、16束、8束三种规格的压辊进行讨论。

3.2.1 32束规格不同密度压辊铺放测试

32束规格的高密度压辊和低密度压辊铺放压力与形变的测试结果表明，随着铺放压力的增大，压辊形变逐渐增大。其中低密度压辊对铺放压力更加敏感，高密度压辊在一定的铺放压力范围内压辊形变可以保持不变，因此，针对特定的铺放压力，选择不同的压辊时，应特别留意压辊形变的突变区域，防止压辊形变突变引发干涉、丝束扭曲等问题。

3.2.2 16束规格不同材质压辊铺放测试

16束规格高密度压辊和低密度压辊铺放压力与形变的测试结果表明，随着铺放压力的提高，压辊形变增大，与之前不同的是，低密度压辊压力与形变基本呈现出线性关系，表明低密度压辊对铺放压力更加敏感，高密度压辊在很小的铺放压力范围内保持恒定不变。

3.2.3 8束规格不同密度压辊铺放测试

8束规格高密度压辊和低密度压辊铺放压力与形变的测试结果表明，随着铺放压力的提高压辊形变增大，铺放压力在0～500 N的区间范围变化时，两种压辊随着铺放压力的增加压辊形变线性的增加，铺放压力在500～1 500 N的区间范围变化时，低密度压辊对铺放压力更为敏感；高密度压辊在很小的铺放压力范围内保持恒定不变，这与之前的结论一致。选择不同的压辊时，应特别留意压辊形变的突变区域。

3.3 铺放压辊变形与模具间的干涉分析

在上述测试过程中，为了保证铺放过程的顺利进行，必须保证铺放压辊的变形不能与模具之间发生干涉。以最简单的平板模具为例，过大的压辊变形可能会导致铺丝头局部区域与模具碰撞而铺放失败，情况严重时会损坏铺丝头硬件。

3.4 铺放压力参数的优化

在测试不同的铺放压辊及铺放压力后，根据不同的结构类型完成不同的压辊及铺放压力的选择。铺放压力在100～500 N变化时，不同规格的压辊形变范围在6～13.5 mm。由于压辊形变幅度不大，可以适用于绝大多数平板、曲板及复杂结构制件铺放；铺放压力在600～1 000 N变化时，不同规格的压辊形变范围在7～15.5 mm，由于压辊形变幅度增加，部分复杂结构制件无法完成铺放；铺放压力在1 100～1 500 N变化时，不同规格的压辊形变范围在7.5～16.2 mm，与前述情况类似，压辊形变范围增加，部分曲板、复杂结构制件无法完成铺放，极端情况下平板也无法铺放。

3.5 自动丝束铺放压力参数优化验证

在优化各个参数的基础上，针对平板类结构（选择32束规格低密度压辊，铺放压力为1 200 N）、曲板类结构（选择32束规格低密度压辊，铺放压力为1 200 N）、典型结构件（选择8束规格高密度压辊，铺放压力为500 N，）进行铺放验证，效果良好。

4 结论

4.1 铺放压力对压辊形变产生影响

随着铺放压力的提高，不同规格的低密度弹性压辊的压缩尺寸都呈现出逐渐增大的趋势，其中在相同铺放压力的条件下，8束规格压辊的形变尺寸最大，16束规格其次，32束规格压辊的形变尺寸最小。

随着铺放压力的增加，不同规格的高密度弹性压辊的压缩尺寸也呈现出逐渐增大的趋势，其中在相同铺放压力的条件下，8束规格压辊的形变尺寸最大，16束规格其次，32束规格压辊的形变尺寸最小。

4.2 不同材质压辊与铺放压力的关系

低密度压辊对铺放压力更为敏感，高密度压辊在一定的铺放压力范围内压辊形变可以保持相对不变。

4.3 铺放压辊变形与模具间的干涉情况

为了保证铺放过程的顺利进行，必须考虑到铺放压辊的变形不能与模具之间发生干涉，过大的压辊变形可能会导致铺丝头个别部件与模具碰撞，进而导致铺放失败，情况严重时会损坏铺丝头硬件。

4.4 根据不同的结构类型优化选择

铺放压力在100～500 N变化时，不同规格的压辊形变范围在6～13.5 mm，可以适用于绝大多数平板、曲板及复杂结构制件铺放；铺放压力在600～1 000 N变化时，不同规格的压辊形变范围在7～15.5 mm，部分复杂结构制件无法完成铺放；铺放压力在1 100～1 500 N变化时，不同规格的压辊形变范围在7.5～16.2 mm，部分曲板、复杂结构制件无法完成铺放，极端情况下平板也无法铺放。

4.5 典型结构铺放验证

在完成铺放压力参数优化的基础上，完成平面、曲面及复杂结构的铺放试验，铺放效果良好。

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2095－6835（2018）23－0006－03

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.006

张洋，工学硕士，主要从事先进树脂基复合材料自动丝束铺放技术研究工作。

〔编辑：张思楠〕