自動(dòng)鋪絲用預(yù)浸絲束搭接工藝控制技術(shù)研究

張洋，姚鋒，鄭廣強(qiáng)，崔郁，包建文

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自動(dòng)鋪絲用預(yù)浸絲束搭接工藝控制技術(shù)研究

張洋，姚鋒，鄭廣強(qiáng)，崔郁，包建文

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300；中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300）

為了研究自動(dòng)鋪絲用預(yù)浸絲束接頭搭接工藝對(duì)拉脫力的影響，通過(guò)測(cè)試搭接長(zhǎng)度、貼合溫度及壓力等搭接工藝條件下拉脫力的大小，得到滿足自動(dòng)鋪絲工藝要求的絲束搭接優(yōu)化參數(shù)，避免自動(dòng)絲束鋪放過(guò)程中絲束斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鋪放。試驗(yàn)結(jié)果表明，在搭接壓力為0.3～0.4 MPa，溫度為30～60 ℃的條件下，設(shè)定預(yù)浸絲束搭接長(zhǎng)度在30～90 mm變化時(shí)，瞬時(shí)拉脫力數(shù)值先增加后減小，其中搭接長(zhǎng)度在80～85 mm時(shí)達(dá)到最大值；在搭接長(zhǎng)度80 mm，搭接壓力0.3 MPa的條件下，設(shè)定貼合溫度為40 ℃時(shí)瞬時(shí)拉脫力數(shù)值達(dá)到最大；預(yù)浸絲束接頭搭接瞬時(shí)拉脫力大小及絲束斷裂形式與測(cè)試速度有關(guān)，設(shè)定測(cè)試速度在5～50 mm/min變化時(shí)，瞬時(shí)拉脫力數(shù)值逐漸增大，但是測(cè)試速度在15～20 mm/min時(shí)絲束開(kāi)裂形狀規(guī)則。

自動(dòng)鋪絲；預(yù)浸絲束；接頭工藝；拉脫力

1 技術(shù)背景介紹

高性能復(fù)合材料以其獨(dú)特優(yōu)異的性能在軍用、民用領(lǐng)域得到快速應(yīng)用和發(fā)展，復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為飛機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo)，例如第四代機(jī)中的F-22復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的24%，法國(guó)Rafale占40%，瑞典JAS39占30%，歐洲EF2000則大于40%，F(xiàn)35接近50%[1].隨著先進(jìn)復(fù)合材料在主承力及復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)制件的廣泛應(yīng)用，對(duì)復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)提出了迫切需求。

自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)由于對(duì)制件的適應(yīng)性大大增強(qiáng)，鋪放自由度更大，特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的成型制造[2]，得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)外復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲技術(shù)已經(jīng)成熟[3-4]，在航空典型結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用包括V-22飛機(jī)的后機(jī)身、F22及F35戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料S形進(jìn)氣道、波音787機(jī)身段、A380后機(jī)身（如圖1所示）等部件。因此，該技術(shù)成為開(kāi)展復(fù)合材料自動(dòng)化成型制造的必然選擇。

圖1 A380后機(jī)身段自動(dòng)鋪絲成型

自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)與手工鋪放最大的不同點(diǎn)是使用特定規(guī)格寬度的窄帶絲束進(jìn)行自動(dòng)化鋪疊[5]，為了保證制件連續(xù)成型的需要，絲束的長(zhǎng)度必須滿足制件尺寸的需要，為了保證窄帶絲束的長(zhǎng)度滿足要求，通常采用絲束續(xù)接的方式制備。為了保證絲束在鋪放過(guò)程中不會(huì)斷開(kāi)，需要針對(duì)接頭搭接工藝開(kāi)展研究，優(yōu)化絲束接頭制備工藝參數(shù)，保證絲束質(zhì)量滿足鋪放工藝要求，實(shí)現(xiàn)鋪放工藝過(guò)程的自動(dòng)化。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 測(cè)試材料制備

預(yù)浸絲束名稱：國(guó)產(chǎn)T800碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基預(yù)浸料；牌號(hào)：AC531/CCF800-133-35%；單層厚度為0.125 mm；寬度為6.35±0.125 mm；制造廠家為中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司。

制備預(yù)浸絲束搭接試樣時(shí)，兩側(cè)絲束長(zhǎng)度為100 mm，兩段絲束的搭接距離為，分別設(shè)定不同的數(shù)值.

接頭搭接示意如圖2所示，完成不同工藝條件下的絲束搭接試樣制備。按照不同工藝條件制備的待測(cè)絲束如圖3所示，待測(cè)單根絲束搭接如圖4所示。

圖2 接頭搭接示意注意單位空

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及過(guò)程

拉脫力測(cè)試設(shè)備為微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；型號(hào)為CMT6104；最大測(cè)力為10 kN。

使用拉脫力測(cè)試設(shè)備，將按照不同工藝制備的絲束進(jìn)行拉脫力測(cè)試，將測(cè)試得到了拉脫力數(shù)值進(jìn)行記錄，研究不同工藝條件對(duì)絲束接頭拉脫力的影響。

圖3 待測(cè)絲束搭接拉脫試樣

圖4 待測(cè)單根絲束搭接示意

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 搭接長(zhǎng)度對(duì)絲束拉脫力的影響

在預(yù)浸絲束接頭壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa的情況下，測(cè)試搭接長(zhǎng)度與拉脫力之間的關(guān)系。

3.1.1 搭接壓力為0.3 MPa

設(shè)定預(yù)浸絲束接頭搭接壓力為0.3 MPa、貼合溫度為30～40 ℃的條件下，分別制備搭接長(zhǎng)度為30～90 mm的待測(cè)預(yù)浸絲束搭接試樣，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉脫力測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著絲束搭接長(zhǎng)度的增加，拉脫力先增加后減小，其中搭接長(zhǎng)度為80 mm時(shí)達(dá)到最大，貼合溫度為30 ℃時(shí)拉脫力為283.9 N，貼合溫度為40 ℃時(shí)拉脫力為311.7 N，但是在搭接長(zhǎng)度為75 mm時(shí)絲束拉脫力出現(xiàn)下降；搭接長(zhǎng)度大于80 mm后，拉脫力減小，說(shuō)明在此過(guò)程中搭接長(zhǎng)度對(duì)拉脫力的大小的影響減弱。

保持預(yù)浸絲束接頭搭接壓力為0.3 MPa不變，在貼合溫度為50～60 ℃的條件下，制備搭接長(zhǎng)度為30～90 mm的待測(cè)預(yù)浸絲束搭接試樣。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著絲束搭接長(zhǎng)度的增加，拉脫力開(kāi)始增加，但是在搭接長(zhǎng)度為60 mm時(shí)拉脫力開(kāi)始減小，說(shuō)明在這種情況下貼合溫度的升高減弱了搭接長(zhǎng)度對(duì)拉脫力的影響；在搭接長(zhǎng)度大于60 mm的情況下，拉脫力隨著搭接長(zhǎng)度的增加而繼續(xù)增大。

3.1.2 搭接壓力為0.4 MPa

提高預(yù)浸絲束接頭搭接壓力至0.4 MPa、貼合溫度為30～40 ℃條件下，分別制備搭接長(zhǎng)度為30～90 mm的待測(cè)預(yù)浸絲束搭接試樣，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉脫力測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著絲束搭接長(zhǎng)度的增加，拉脫力大小線性增加，其中貼合溫度為40 ℃、搭接長(zhǎng)度為90 mm時(shí)達(dá)到最大343 N；而貼合溫度為30 ℃、搭接長(zhǎng)度為85 mm達(dá)到最大341 N，兩者幾乎一致；說(shuō)明預(yù)浸絲束搭接壓力在0.4 MPa的情況下，絲束拉脫力大小對(duì)貼合溫度不敏感；在此過(guò)程中搭接長(zhǎng)度對(duì)拉脫力的大小起主要影響作用。同理，貼合溫度為50～60 ℃條件下，隨著絲束搭接長(zhǎng)度的增加，拉脫力基本線性增加；其中貼合溫度為50 ℃、搭接長(zhǎng)度為85 mm的情況下拉脫力達(dá)到最大值390.3 N；貼合溫度為60 ℃、搭接長(zhǎng)度為80 mm的情況下拉脫力達(dá)到最大值418.1 N。

3.1.3 搭接壓力0.5 MPa

提高預(yù)浸絲束接頭搭接壓力至0.5 MPa、貼合溫度為30～40 ℃條件下，制備搭接長(zhǎng)度為30～90 mm的待測(cè)預(yù)浸絲束搭接試樣，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉脫力測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著絲束搭接長(zhǎng)度的增加，拉脫力開(kāi)始線性增加，當(dāng)搭接長(zhǎng)度大于60 mm時(shí)拉脫力出現(xiàn)較大波動(dòng)，其中貼合溫度為30 ℃、搭接長(zhǎng)度為85 mm時(shí)達(dá)到最大值341 N；而貼合溫度為40 ℃、搭接長(zhǎng)度為90 mm時(shí)達(dá)到最大值350 N。

當(dāng)貼合溫度為50 ℃時(shí)，隨著絲束搭接長(zhǎng)度的增加，拉脫力線性增加（搭接長(zhǎng)度小于70 mm），搭接長(zhǎng)度大于70 mm時(shí)，拉脫力大小變化劇烈，并在搭接長(zhǎng)度為90 mm時(shí)拉脫力達(dá)到最大值393.6 N；貼合溫度為60 ℃、搭接長(zhǎng)度為80 mm的情況下拉脫力達(dá)到最大值366.2 N。

3.1.4 小結(jié)

搭接壓力在0.3～0.5 MPa變化時(shí)，絲束拉脫力大小總體隨著搭接長(zhǎng)度的增加而增大；當(dāng)貼合溫度較低時(shí)（30～40 ℃），在0.4 MP壓力條件下，絲束拉脫力隨著搭接長(zhǎng)度的增加線性增加；在0.3 MPa、0.5 MPa貼合壓力條件下，隨著絲束壓力搭接長(zhǎng)度增大，拉脫力大小波動(dòng)劇烈，說(shuō)明較高或較低的貼合壓力影響了搭接長(zhǎng)度對(duì)拉脫力的影響。

搭接壓力在0.3～0.5 MPa變化時(shí)，當(dāng)貼合溫度較高時(shí)（50～60 ℃），隨著絲束搭接長(zhǎng)度增加，拉脫力大小波動(dòng)劇烈，受到搭接壓力和貼合溫度的雙重影響，絲束搭接長(zhǎng)度的增加對(duì)拉脫力的大小影響減弱。

搭接壓力在0.3～0.5 MPa變化時(shí)，最大拉脫力平均值逐漸增大并趨于平穩(wěn)，具體結(jié)果如表1所示。

3.2 貼合溫度對(duì)絲束拉脫力的影響

前述通過(guò)測(cè)試，設(shè)定貼合壓力為0.3～0.5 MPa，貼合溫度在30～60 ℃區(qū)間變化時(shí)，最大拉脫力及相應(yīng)搭接長(zhǎng)度如表1所示。

通過(guò)分析表1可知，搭接長(zhǎng)度在80～90 mm區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，絲束搭接拉脫力最大，因此，下面重點(diǎn)研究搭接長(zhǎng)度在80 mm范圍內(nèi)，貼合溫度與拉脫力大小之間的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)貼合壓力為0.3 MPa時(shí)，隨著貼合溫度的升高，拉脫力大小出現(xiàn)先增加后減小，最后又增加的趨勢(shì)，拉脫力大小波動(dòng)變化明顯；當(dāng)貼合壓力為0.4 MPa時(shí)，隨著貼合溫度的升高，拉脫力先減小，隨后線性增加；當(dāng)貼合壓力為0.5 MPa時(shí)，貼合溫度升高時(shí)，拉脫力先減小，隨后增加，但是此時(shí)由于貼合壓力與溫度的共同作用下，拉脫力增加幅度變?。毁N合溫度在30～50 ℃范圍變化時(shí)，拉脫力在貼合壓力0.4 MPa下最大；例如貼合溫度為40 ℃、貼合壓力為0.4 MPa時(shí)，拉脫力最大值為309.7 N。因此，預(yù)浸絲束拉脫力的大小與貼合溫度的關(guān)系會(huì)受到貼合壓力大小的影響。

表1 貼合壓力、溫度對(duì)最大拉脫力的影響

貼合壓力/MPa貼合溫度/℃最大拉脫力/N平均值/N搭接長(zhǎng)度/mm 0.330283.9282.780 40311.780 50217.185 60318.190 0.430341373.185 4034390 50390.385 60418.180 0.530341362.785 4035090 50393.690 60366.280

3.3 貼合壓力對(duì)絲束拉脫力的影響

設(shè)定絲束搭接溫度為30～50 ℃，搭接長(zhǎng)度為80 mm，絲束貼合壓力在0.1～0.5 MPa變化時(shí)，測(cè)試絲束拉脫力的大小。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)貼合溫度為30 ℃時(shí)，隨著貼合壓力的增加，拉脫力先減小后增大，說(shuō)明在貼合壓力較小時(shí)（0.1～0.3 MPa），貼合壓力的增大不能保證層間有效貼合，引起拉脫力下降；貼合壓力大于0.3 MPa時(shí)，貼合壓力的增加引起拉脫力增加，但是過(guò)大的壓力反而引起拉脫力下降；提高貼合溫度為40 ℃時(shí)，隨著貼合壓力的增加，拉脫力減小的幅度變小，說(shuō)明在此貼合溫度范圍內(nèi)，貼合壓力的變化會(huì)引起拉脫力太大變化；進(jìn)一步提高貼合溫度至50 ℃，貼合壓力在0.1～0.3 MPa之間變化時(shí)，拉脫力急劇降低，但是貼合壓力在0.3～0.5 MPa時(shí)，拉脫力又急劇增加，說(shuō)明此時(shí)拉脫力受到貼合溫度、貼合壓力的雙重作用，拉脫力大小變化劇烈，狀態(tài)很不穩(wěn)定。

3.4 測(cè)試速度對(duì)絲束拉脫力的影響

在絲束拉脫力測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)測(cè)試時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)對(duì)拉脫力的大小產(chǎn)生影響，因此，下面設(shè)定貼合壓力為0.3 MPa，絲束搭接溫度為40 ℃，在絲束搭接長(zhǎng)度為70 mm、75 mm、80 mm，測(cè)試速度在5～50 mm/min區(qū)間變化時(shí)，完成絲束拉脫力大小數(shù)值的記錄，測(cè)試結(jié)果表明，隨著測(cè)試速度的增加，拉脫力逐漸增大；在測(cè)試速度較低時(shí)（5～15 mm/min），拉脫力與測(cè)試速度表現(xiàn)出線性關(guān)系，測(cè)試速度越大拉脫力越大；測(cè)試速度為15～20 mm/min時(shí)，拉脫力變化幅度穩(wěn)定；測(cè)試速度＞20 mm/min，拉脫力繼續(xù)增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，但是，測(cè)試速度過(guò)快時(shí)，會(huì)造成纖維撕裂、錯(cuò)位等，因此測(cè)試速度一般選擇5～15 mm/min較為理想。

4 結(jié)論

得出的結(jié)論如下：①搭接壓力為0.3～0.5 MPa時(shí)，絲束拉脫力大小總體隨著搭接長(zhǎng)度的增加而增大；當(dāng)貼合溫度較低時(shí)（30～40 ℃），在0.4 MP壓力條件下，絲束拉脫力隨著搭接長(zhǎng)度的增加線性增加；在0.3 MPa、0.5 MPa貼合壓力條件下，隨著絲束壓力搭接長(zhǎng)度增大，拉脫力大小波動(dòng)劇烈，說(shuō)明較高或較低的貼合壓力對(duì)拉脫力產(chǎn)生了影響；②當(dāng)貼合溫度較高時(shí)（50～60 ℃），隨著絲束搭接長(zhǎng)度增加，受到搭接壓力和貼合溫度的雙重影響，拉脫力大小波動(dòng)劇烈，絲束搭接長(zhǎng)度的增加對(duì)拉脫力的大小影響減弱；③搭接壓力在0.3～0.5 MPa變化時(shí)，最大拉脫力平均值逐漸增大并趨于平穩(wěn)；④搭接壓力在0.3～0.5 MPa，貼合溫度在30～50 ℃范圍變化時(shí)，拉脫力先減小后增加，最后趨于平穩(wěn)；⑤絲束拉脫力大小受到測(cè)試速度的影響，拉脫力與測(cè)試速度基本呈線性關(guān)系，測(cè)試速度為15～20 mm/min，拉脫力測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定。

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2095－6835（2018）24－0022－03

V261.97

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.022

張洋，工學(xué)碩士，主要從事先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)研究工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕