自動(dòng)鋪絲用預(yù)浸絲制備工藝研究①

趙 聰，陸楠楠，閆西濤，耿 杰，肖 軍

(南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016)

0 引言

自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)(Automatic Fiber Placement，AFP)是近年來(lái)發(fā)展最快的復(fù)合材料自動(dòng)化成型制造技術(shù)之一。其以寬度較窄(3．18、6．35、12．7 mm)的單向預(yù)浸絲束為原料，按特定順序輸送若干根絲束組合為寬度可變的預(yù)浸帶后，鋪放到模具表面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪放。獨(dú)立的預(yù)浸絲輸送形式，使得該技術(shù)適合復(fù)雜曲面及復(fù)雜邊界的構(gòu)件成型［1］。高質(zhì)量、高精度、高可靠性的特點(diǎn)，使得自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛用于大型飛機(jī)、運(yùn)載火箭等各類航空航天飛行器中多種結(jié)構(gòu)部件的制造。

自動(dòng)鋪絲技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展多年，早期工作集中在裝備研究［2－5］、軌跡規(guī)劃［6－9］等，材料及工藝研究報(bào)道較少［10］，尤其是預(yù)浸絲制備與質(zhì)量控制迄今未見(jiàn)報(bào)道。發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)鋪絲用預(yù)浸絲束制備方法有直接熱熔法和分切法。直接熱熔法制備的預(yù)浸絲束含膠量及絲束寬度難以控制。因此，分切法是制備自動(dòng)鋪絲用預(yù)浸絲束的主要方法。

分切復(fù)繞技術(shù)已經(jīng)在其他材料加工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如塑料薄膜、鋁箔、銅帶、鋼板等材料的分切［11－14］。與上述材料不同，預(yù)浸料具有高度各向異性和粘性，如何獲得寬度均勻、邊緣齊整的分切絲束，實(shí)現(xiàn)分切絲束寬度精確控制等問(wèn)題，亟待研究和解決。只有制備出滿足自動(dòng)鋪絲工藝的預(yù)浸絲，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪絲技術(shù)工業(yè)應(yīng)用。

1 預(yù)浸料分切原理

1．1 預(yù)浸料分切的特點(diǎn)

單向預(yù)浸料是將定向排列的纖維束浸涂樹(shù)脂基體，并通過(guò)一定處理后貯存?zhèn)溆玫闹虚g材料［15］。預(yù)浸料表面通常有1層隔離紙和離型膜保護(hù)，主要作用是防止預(yù)浸料污染和單向預(yù)浸料的橫向開(kāi)裂［16］。預(yù)浸料分切具有以下特點(diǎn):

(1)預(yù)浸料中的樹(shù)脂處于未固化狀態(tài)，具有一定的粘性，可能粘附在刀具表面，鈍化刀具，影響分切質(zhì)量;

(2)單向預(yù)浸料較薄，厚度一般為0．15 mm，且纖維處于定向排列的狀態(tài)，纖維之間由樹(shù)脂填充，橫向結(jié)合性能差，易于刀具分切，但也極易發(fā)生橫向開(kāi)裂;

(3)根據(jù)工藝需要，可能同時(shí)分切2種或2種以上性質(zhì)不同的材料(預(yù)浸料、隔離紙、離型膜)，隔離紙與預(yù)浸料之間粘附力弱，分切過(guò)程中容易發(fā)生分離，增大分切難度。

1．2 預(yù)浸料分切原理

基于上述特點(diǎn)，借鑒薄膜材料的分切方式［17］:平刀分切和圓刀分切，對(duì)預(yù)浸料分切方法進(jìn)行研究。圖1為試驗(yàn)裝置原理圖。預(yù)浸料卷固定于放卷軸，經(jīng)過(guò)展平機(jī)構(gòu)展平，壓輥將預(yù)浸料與下刀軸壓緊，下刀軸主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)預(yù)浸料向前運(yùn)動(dòng)。預(yù)浸料經(jīng)過(guò)刀具，沿縱向被分切成若干根寬度為6．35 mm的預(yù)浸絲束。

圖1 分切機(jī)原理圖Fig．1 illustration of slitter

(1)平刀分切方式。圖2為平刀分切原理圖。刀片對(duì)預(yù)浸料進(jìn)行懸空分切，刀片之間有寬度為6．35 mm的墊塊保證刃口間距。

圖2 平刀分切原理圖Fig．2 illustration of rectangle shaped blade

(2)圓刀分切方式。圖3為圓刀分切原理圖。圓刀片固定于上刀軸，下刀軸上配合有切槽，2個(gè)切槽邊緣距離為6．35 mm，分切時(shí)，上下刀軸通過(guò)齒輪傳動(dòng)保持同步旋轉(zhuǎn)。

圖3 圓刀分切原理圖Fig．3 illustration of circle shaped blade

1．3 預(yù)浸料與刀具受力分析

平刀分切與圓刀分切時(shí)，預(yù)浸帶受力分析見(jiàn)圖4。N0和T0分別代表預(yù)浸料作用在刀片上的法向力和切向力。N和T分別代表刀片反作用給預(yù)浸料的法向力和切向力，F(xiàn)T代表預(yù)浸料所受張力。其中，α為咬入角或切入角［18－20］;Tx為咬入力;Nx為阻止力。為使預(yù)浸料與刀片間不發(fā)生打滑，必須滿足 Tx≥Nx［19－20］。即

因預(yù)浸料與刀片之間存在摩擦，假設(shè)f、β是預(yù)浸料與刀片之間的摩擦系數(shù)和摩擦角(其中f=tanβ)，由摩擦定律可得，T=fN，將此式代入式(1)中，可得:

即 f≥tanα 或 tanβ≥tanα，得出:

因此，實(shí)現(xiàn)正常分切，刀片與預(yù)浸料不發(fā)生打滑的必要條件是咬入角α小于或等于預(yù)浸料與刀片之間摩擦角β。α越小，則N的豎直分量越大，分切基材沿刀刃向上漂移趨勢(shì)越小。若α大于β，阻止力大于咬入力，預(yù)浸料靠絲束張力FT強(qiáng)行拉入刃口，無(wú)法進(jìn)行正常分切。

圖4 不同形式刀具與預(yù)浸料受力分析Fig．4 Force analysis diagrams of different forms of blades and prepreg

1．4 實(shí)驗(yàn)材料及分切質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)采用預(yù)浸料為T(mén)700/603-A型預(yù)浸料，由航天材料及工藝研究所提供。預(yù)浸料參數(shù)見(jiàn)表1。

本文以分切絲束寬度穩(wěn)定性與邊緣質(zhì)量為衡量分切質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)。采用游標(biāo)卡尺，對(duì)分切預(yù)浸料絲束寬度進(jìn)行測(cè)量;采用目視法，對(duì)分切絲束邊緣質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判。

表1 分切用預(yù)浸料物理性能Table 1 Physical properties of prepreg

2 分切質(zhì)量影響因素分析

2．1 張力對(duì)分切質(zhì)量的影響

為消除材料寬度對(duì)絲束張力指標(biāo)影響，本文以單位寬度預(yù)浸料所受張力表征絲束張力，選取0、0．5、1、1．5、2 N/mm 5個(gè)水平進(jìn)行研究。圖5是不同張力水平下，圓刀分切和平刀分切所得絲束寬度離散趨勢(shì)圖。

圖5 張力對(duì)分切絲束寬度離散度的影響Fig．5 Dispersion of tow width at different tension levels

從圖5可看出，隨張力增加，2種分切模式所得絲束寬度離散度呈現(xiàn)先減小后提高的趨勢(shì)。張力過(guò)低時(shí)，預(yù)浸料在放卷和進(jìn)給過(guò)程中，無(wú)法處于繃緊的平直狀態(tài)，容易發(fā)生振動(dòng)和偏擺，導(dǎo)致分切質(zhì)量較差。隨著張力的提高，預(yù)浸料在張力作用下，逐漸展平、繃緊，預(yù)浸料的振動(dòng)和偏擺幅度逐漸減小至完全消除，分切質(zhì)量也逐漸提高。當(dāng)張力過(guò)大時(shí)，預(yù)浸料表面硬度［21－23］加大，邊緣處易引起褶皺和屈曲，影響分切質(zhì)量。從圖5中可得出，平刀分切的最佳張力值為1．5 N/mm，圓刀分切的最佳張力值為1 N/mm。

相同張力水平下，圓刀分切絲束寬度離散度小于平刀分切的離散度，且圓刀分切絲束寬度對(duì)絲束張力并不敏感。這是因?yàn)閳A刀分切時(shí)，預(yù)浸料會(huì)在下刀軸上形成了一定的包角。即使在很小的張力作用下，預(yù)浸料也會(huì)在該包角區(qū)域展平，保證預(yù)浸料表面平整無(wú)褶皺，壓輥的存在消除了預(yù)浸料擺動(dòng)或振動(dòng)。此時(shí)，圓刀刀片與刀墊配合，便會(huì)得到質(zhì)量良好的分切絲束。

2．2 分切模式對(duì)分切質(zhì)量的影響

根據(jù)分切材料的不同，預(yù)浸料分切可分為3種模式:帶紙去膜、去紙帶膜、去紙去膜。前2種分切模式還需對(duì)隔離紙或離型膜進(jìn)行分切。圖6(a)、(b)分別是帶紙帶膜、去紙帶膜分切模式下平刀分切效果圖。因刀具與隔離紙、離型膜之間的摩擦角更小，據(jù)1．3節(jié)的分析，隔離紙和離型膜與刀具之間的打滑現(xiàn)象更加嚴(yán)重。同時(shí)，隔離紙上硅油層的存在，使得隔離紙與預(yù)浸料的粘附力不強(qiáng)，二者極易分離，增大分切難度，無(wú)法正常分切。

圖7是圓刀分切各模式所得絲束寬度分布圖。

圖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

圖7 圓刀分切不同分切模式對(duì)分切絲束寬度影響Fig．7 Effect of working pattern on the width of tows using circle shaped tool

從圖7可看出，2種分切模式下，圓刀分切方式均可得到滿足要求的質(zhì)量良好的預(yù)浸絲束。但由于隔離紙與預(yù)浸料的路徑存在線差，隔離紙與預(yù)浸料易發(fā)生分離，收卷時(shí)，隔離紙無(wú)法對(duì)上下2層的預(yù)浸料形成良好隔離，預(yù)浸料退卷性無(wú)法保證。因此，圓刀分切采用去紙帶膜方式。

2．3 其他因素對(duì)分切質(zhì)量的影響

2．3．1 下刀角度對(duì)平刀分切質(zhì)量的影響

圖8是不同下刀角度下預(yù)浸絲束寬度分布圖，從圖8中可看出，下刀角度為60°時(shí)，分切所得預(yù)浸料寬度穩(wěn)定性最差。隨著下刀角度變小，分切所得預(yù)浸料寬度，穩(wěn)定性逐漸提高。

由圖2可知，平刀下刀角度是刀刃與預(yù)浸料表面的夾角，即咬入角α。根據(jù)1．3節(jié)分析，在其他條件不變的情況下，下刀角度越大，咬入角與摩擦角相差越大，預(yù)浸料與刀具之間打滑的趨勢(shì)越明顯，所得預(yù)浸料寬度均勻性、穩(wěn)定性越差。為獲得質(zhì)量良好的分切絲束，應(yīng)盡可能地減小下刀角度。

圖8 下刀角度對(duì)分切絲束寬度的影響Fig．8 Effect of the angle between tools and prepreg on tows width

2．3．2 刀片懸出長(zhǎng)度對(duì)平刀分切質(zhì)量的影響

圖9是刀片懸出長(zhǎng)度對(duì)分切寬度影響的趨勢(shì)圖。

圖9 刀片懸出長(zhǎng)度對(duì)分切絲束寬度的影響Fig．9 Effect of the blades length on the tows width

不難看出，刀片懸出長(zhǎng)度越小，分切絲束寬度分布離散越小，尺寸越穩(wěn)定。這是因?yàn)?

(1)預(yù)浸料制備過(guò)程中，纖維排布無(wú)法完全平行，同時(shí)分切時(shí)，糾偏系統(tǒng)也存在一定誤差，使得纖維排布方向與刀片排列方向存在角度偏差，刀片始終受到側(cè)向力作用。

(2)平刀刀片薄(厚0．1 mm)，彎曲剛度差，懸空分切方式使得刀片在微小側(cè)向力的作用下極易發(fā)生彎曲變形，造成切口寬度變化。

在相同的側(cè)向力作用下，刀片懸出長(zhǎng)度越長(zhǎng)，刀具彎曲變形后刃口偏移越大，所得預(yù)浸絲束的寬度離散越大，均勻性越差。在實(shí)際分切過(guò)程中，應(yīng)采用彎曲模量高的刀片，減小刀片懸出長(zhǎng)度，降低刀片的左右偏擺，保證刃口的穩(wěn)定性。

2．3．3 分切速度對(duì)圓刀分切質(zhì)量的影響

圓刀分切時(shí)，設(shè)定分切速度為20 m/min，分切機(jī)在啟動(dòng)和停止過(guò)程中有明顯的加速和減速階段。不同速度階段，預(yù)浸絲寬度分布如圖10所示。

圖10 分切速度對(duì)分切絲束寬度的影響Fig．10 Effect of speed on the width of tows using circle shaped tool

從圖10中發(fā)現(xiàn)，加速階段寬度波動(dòng)最大。原因在于初始加速階段，預(yù)浸料絲束處于張力建立的初始狀態(tài)，各絲束張力仍處于不均勻狀態(tài)，導(dǎo)致了各絲束寬度的波動(dòng)。勻速和減速階段，由于各絲束張力已經(jīng)完全建立，且處于相對(duì)平衡的狀態(tài)，分切所得預(yù)浸絲束的寬度處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圓刀分切時(shí)，應(yīng)避免快速提速或頻繁加減速操作，防止預(yù)浸料張力瞬時(shí)發(fā)生較大變化時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，影響分切質(zhì)量。

3 分切質(zhì)量評(píng)價(jià)

3．1 絲束寬度分布

圖11是2種分切模式所得絲束寬度分布圖。從圖11可看出，圓刀分切所得絲束寬度均勻性遠(yuǎn)優(yōu)于平刀分切所得預(yù)浸絲束寬度均勻性。計(jì)算得圓刀分切絲束平均值為6．42 mm，離散度為5．5%，而平刀分切對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為6．52 mm、12．3%。平刀刀片薄，彎曲模量較小，容易在側(cè)向力的作用下發(fā)生偏移，所得絲束寬度波動(dòng)范圍超過(guò)±0．15 mm，無(wú)法滿足自動(dòng)鋪絲對(duì)預(yù)浸絲寬度的要求。

圖11 絲束寬度分布柱狀圖Fig．11 The diagram of the width of tow

而圓刀的固定方式以及特殊的軸向間隙調(diào)整裝置，確保圓刀不會(huì)發(fā)生左右移動(dòng)，所得分切絲束寬度均勻，其寬度主要集中在6．4～6．5 mm范圍內(nèi)，滿足自動(dòng)鋪絲的工藝要求。

3．2 絲束邊緣質(zhì)量

圖12是平刀分切預(yù)浸料20 m后刀刃口處樹(shù)脂堆積情況及預(yù)浸料表面狀態(tài)。由于刃口固定不變，刀片散熱能力差，隨著分切的不斷進(jìn)行，樹(shù)脂在刀片刃口處發(fā)生堆積，使刀片變鈍，分切質(zhì)量下降。嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)對(duì)纖維產(chǎn)生損傷，影響制品力學(xué)性能。因此，平刀分切無(wú)法獲得質(zhì)量良好的分切絲束，并不適合連續(xù)式分切。

圖12 平刀連續(xù)分切狀態(tài)圖Fig．12 Pictures of tool and prepreg after long distance slitting

圓刀分切時(shí)，圓刀旋轉(zhuǎn)，刃口不斷變化，散熱良好，避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，可獲得連續(xù)且邊緣齊整的分切絲束。

4 結(jié)論

(1)預(yù)浸料正常分切必要條件為下刀角度(咬入角)α小于或等于刀具與預(yù)浸料之間的摩擦角β。

(2)平刀分切最佳張力值為1．5 N/mm。最佳分切模式為去紙去膜，減小下刀角度和刀片懸出長(zhǎng)度，有利于提高平刀分切的分切質(zhì)量;圓刀分切最佳張力值為1．0 N/mm，最佳分切模式為去紙帶膜。同時(shí)，應(yīng)避免快速提速或頻繁加減速操作。

(3)平刀刀片較薄，彎曲模量較小，在分切過(guò)程中，容易在側(cè)向力的作用下發(fā)生偏移。所得絲束寬度平均值為6．52 mm，離散度高達(dá)12．3%。同時(shí)，由于刃口固定不變，樹(shù)脂易在刀片刃口處發(fā)生堆積，鈍化刀片。因此，平刀分切無(wú)法獲得質(zhì)量良好的分切絲束，并不適合連續(xù)式分切，無(wú)法滿足自動(dòng)鋪絲工藝要求。

(4)圓刀的固定方式和軸向間隙調(diào)節(jié)裝置，使得刀具不會(huì)因側(cè)向力而發(fā)生移動(dòng)，所得分切絲束寬度平均值為6．42 mm，離散度為5．5%。同時(shí)，由于分切過(guò)程中，圓刀是旋轉(zhuǎn)的，其刃口不斷變化，散熱良好，不會(huì)發(fā)生樹(shù)脂堆積，可獲得連續(xù)且邊緣齊整的分切絲束。圓刀分切更適合制備滿足自動(dòng)鋪絲工藝要求的預(yù)浸絲束。

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