自動(dòng)鋪絲成型中的鋪放溫度控制技術(shù)研究

張洋，姚鋒，鄭廣強(qiáng)，周曉芹，黃威

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自動(dòng)鋪絲成型中的鋪放溫度控制技術(shù)研究

張洋，姚鋒，鄭廣強(qiáng)，周曉芹，黃威

（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）

通過研究自動(dòng)鋪絲過程中不同加熱功率對(duì)鋪放溫度的影響，測(cè)試加熱功率設(shè)定引起的鋪放溫度的變化情況。在設(shè)定加熱功率的情況下，研究了加熱功率速度與鋪放溫度的關(guān)系，完成自動(dòng)鋪絲成型鋪放溫度控制技術(shù)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，提高加熱功率，鋪放平均溫度增加；設(shè)定加熱功率60%（900 W）時(shí)，提高加熱功率速度，鋪放溫度平均值趨于平穩(wěn)。

復(fù)合材料；自動(dòng)鋪絲；鋪放溫度；控制技術(shù)

1 技術(shù)背景介紹

先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度和比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、便于大面積整體成型等特點(diǎn)，已經(jīng)成為繼鋁合金、鈦合金之后最重要的一類航空航天結(jié)構(gòu)材料[1，3]。這種材料應(yīng)用在飛機(jī)上時(shí)，可實(shí)現(xiàn)15%～30%的減重效益，其用量已經(jīng)成為判斷航空結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)與評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用部位，從最初的次承力結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)展到機(jī)翼、機(jī)身等航空主承力結(jié)構(gòu)，其用量和減重效果已經(jīng)成為評(píng)價(jià)飛機(jī)先進(jìn)性的重要因素。國(guó)外先進(jìn)復(fù)合材料在大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的用量已經(jīng)達(dá)到甚至超過50%，例如波音787飛機(jī)復(fù)合材料用量為50%，其機(jī)身和機(jī)翼主要結(jié)構(gòu)幾乎全部由復(fù)合材料制造；空客A350復(fù)合材料用量從最初的37%提高到52%，主要應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身、垂尾、平尾等結(jié)構(gòu)中[2]。隨著復(fù)合材料的大量應(yīng)用，大型整體化結(jié)構(gòu)制件的數(shù)量和復(fù)雜程度不斷增加，原有的手工鋪放工藝在制造效率及質(zhì)量穩(wěn)定性控制等方面已經(jīng)無法滿足大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)制件的成型需求，對(duì)復(fù)合材料自動(dòng)化成型制造技術(shù)提出了迫切的需求，成為世界強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的核心技術(shù)。

自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)是目前先進(jìn)復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)的典型代表，是在纖維纏繞技術(shù)和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種獨(dú)特的復(fù)合材料全自動(dòng)化成型制造技術(shù)[4]，特別適合大型復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高精度自動(dòng)化成型制造，可以顯著提高復(fù)合材料制造的成型效率及質(zhì)量穩(wěn)定性，例如國(guó)外B787和A350的機(jī)身均是采用自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)制造，隨著飛機(jī)主承力構(gòu)件上自動(dòng)化工藝應(yīng)用比例的不斷提高，大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的高效穩(wěn)定制備成為可能，因此，自動(dòng)鋪絲技術(shù)成為目前最有效的自動(dòng)化成型工藝手段。目前國(guó)內(nèi)復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲成型制造技術(shù)處在起步階段[5-6]，為了實(shí)現(xiàn)高效鋪放及提高鋪放質(zhì)量，需要進(jìn)一步優(yōu)化鋪放工藝參數(shù)，特別是鋪放溫度參數(shù)的優(yōu)化，現(xiàn)有的鋪絲設(shè)備主要通過調(diào)節(jié)鋪絲頭前端加熱源的加熱功率來間接調(diào)節(jié)鋪放溫度，為了保證鋪放工藝過程的平穩(wěn)，有必要針對(duì)鋪放加熱功率大小及速度與鋪放溫度的關(guān)系開展研究，為后續(xù)開展自動(dòng)化鋪放工程應(yīng)用，奠定良好基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 測(cè)試材料制備

材料名稱及牌號(hào)：CYCOM，X850高溫環(huán)氧鋪絲預(yù)浸料；材料規(guī)格：6.35 mm×800 m；數(shù)量：32筒。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及過程

選擇國(guó)內(nèi)首臺(tái)高架橋式鋪絲機(jī)為鋪放溫度控制測(cè)試平臺(tái)，設(shè)備型號(hào)為ATLAS FP，最大調(diào)用絲束為32束（單束寬為6.35 mm）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加熱功率對(duì)鋪放溫度的影響

選擇X850高溫環(huán)氧預(yù)浸絲束為鋪放原材料，利用大型高架橋結(jié)構(gòu)鋪絲設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)定鋪放速度為100 mm/s，加熱功率速度為15 m/min，鋪放長(zhǎng)度為1 000 mm，通過鋪絲設(shè)備自帶控制軟件，分別設(shè)定加熱功率為600～1 500 W。開展鋪放工藝測(cè)試，觀察鋪放運(yùn)動(dòng)工藝過程中鋪放溫度的變化情況，其中鋪放溫度通過鋪絲頭前端溫度傳感器實(shí)施測(cè)量并顯示，通過設(shè)定不同的加熱功率，在鋪放測(cè)試過程中實(shí)時(shí)測(cè)量鋪放溫度的大小并記錄。

3.1.1 加熱功率為600～900 W

設(shè)定鋪放加熱功率在600～900 W之間變化時(shí)，在鋪放過程中通過鋪絲頭前端傳感器測(cè)試鋪放溫度并記錄，試驗(yàn)結(jié)果表明，在起始鋪放階段（1～5 s），鋪放溫度變化波動(dòng)較大，這是由于在鋪放開始階段，鋪絲頭依次經(jīng)歷接觸模具、加熱燈啟動(dòng)、切送紗動(dòng)作協(xié)調(diào)等階段，這時(shí)鋪放速度較低，較易引起鋪放溫度波動(dòng)劇烈；其中加熱功率較低（600 W）時(shí)，鋪放溫度增幅較為平穩(wěn)，加熱功率較高（900 W）時(shí)，鋪放溫度增幅明顯；在平穩(wěn)鋪放階段（7～11 s），鋪放溫度波動(dòng)減小，完成鋪放并且鋪放運(yùn)動(dòng)停止后加熱燈關(guān)閉存在一定的時(shí)間差，因此在鋪放結(jié)束階段鋪放溫度均小幅增加。其中設(shè)定的加熱功率越大，在平穩(wěn)鋪放階段鋪放溫度越高，波動(dòng)性越小。

3.1.2 加熱功率為1 050～1 500 W

調(diào)節(jié)加熱功率在1 050～1 500 W變化時(shí)，在起始鋪放階段（1～5 s），鋪放溫度增幅較大；在后續(xù)穩(wěn)定鋪放階段（7～11 s），鋪放溫度波動(dòng)減小；當(dāng)加熱功率設(shè)定為1 050～1 200 W時(shí)，在平穩(wěn)鋪放階段鋪放溫度差異減少，說明加熱功率在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，鋪放溫度差異變化較??；與前述低功率測(cè)試結(jié)果相同，在鋪放運(yùn)動(dòng)停止的瞬間，鋪放溫度均小幅增加。其中設(shè)定加熱功率越大，穩(wěn)定鋪放階段平均鋪放溫度越高。

3.2 加熱功率速度對(duì)鋪放溫度的影響

在開展加熱功率大小對(duì)鋪放溫度影響的試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，加熱功率不同，加熱速度（即加熱功率速度）會(huì)對(duì)鋪放溫度的大小產(chǎn)生影響；其中，加熱功率速度指在加熱功率不變的情況下，鋪放過程中加熱至指定功率所需要的時(shí)間。設(shè)定加熱功率速度越大，表示鋪絲設(shè)備達(dá)到設(shè)定功率需要的時(shí)間越短；反之越長(zhǎng)。因此在確定加熱功率的情況下，通過優(yōu)化加熱功率速度，可以提高鋪放效果，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鋪放。

設(shè)定鋪放速度為100 mm/s，加熱功率為60%（900 W），鋪放長(zhǎng)度為1 000 mm，研究加熱功率速度在5～60 m/min區(qū)間變化時(shí)引起的鋪放溫度變化情況；同理，鋪放溫度通過鋪絲頭前端溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，下面分別針對(duì)低速（5～15 mm/min）、中速（20～30 mm/min）、中高速（35～45 mm/min）及高速（50～60 mm/min）四種情況進(jìn)行討論。

3.2.1 低加熱功率速度（5～15 mm/min）

設(shè)定加熱功率速度為5～15 mm/min時(shí)，記錄鋪放過程中溫度的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同的加熱功率速度條件下，在起始鋪放階段（1～6 s），鋪放溫度均先增加后減小，其中加熱功率速度越?。ɡ? mm/min），鋪放溫度增幅越大（例如5 mm/min情況下鋪放溫度增加約55 ℃），而加熱功率速度越大時(shí)（例如15 mm/min），鋪放溫度增幅減?。ɡ?5 mm/min情況下鋪放溫度增加約40 ℃）；在穩(wěn)定鋪放階段（7～11 s）鋪放時(shí)，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致，與前述分析原因一致，在停止鋪放的瞬間，由于運(yùn)動(dòng)的停止，加熱停止存在時(shí)間差，引起鋪放溫度在鋪放最后階段小幅增加，其中不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致。

3.2.2 中加熱功率速度為（20～30 mm/min）

設(shè)定加熱功率速度為20～30 mm/min時(shí)，記錄鋪放過程中溫度的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)定中加熱功率速度為20～30 mm/min時(shí)，在起始鋪放階段（1～6 s），鋪放溫度同樣表現(xiàn)為先增加后減小，其中加熱功率速度不同，引起的鋪放溫度增幅差異減小，例如加熱功率速度為20 mm/min時(shí)，鋪放溫度增加約34 ℃；加熱功率速度為25 mm/min時(shí)，鋪放溫度增加約31 ℃，加熱功率速度為30 mm/min時(shí)，鋪放溫度增加約32 ℃，說明在中加熱功率速度為20～30 mm/min的條件下，鋪放溫度增幅差異基本保持在3 ℃范圍內(nèi)，說明在此范圍內(nèi)設(shè)定加熱功率速度時(shí)對(duì)鋪放溫度的影響較小。

在穩(wěn)定鋪放階段（7～11 s）鋪放時(shí)，與低加熱功率速度下結(jié)論基本一致，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化差異不大，同理，在停止鋪放的瞬間，由于運(yùn)動(dòng)的停止，加熱功率的關(guān)閉存在時(shí)間差，因此鋪放溫度在最后出現(xiàn)小幅增加，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致。

3.2.3 中高加熱功率速度（35～45 mm/min）

設(shè)定加熱功率速度在35～45 mm/min區(qū)間變化時(shí)，記錄鋪放過程中溫度的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)設(shè)定加熱功率速度為35～45 mm/min時(shí)，在起始鋪放階段（1～6 s），加熱功率速度為35/45 mm/min時(shí)，鋪放溫度出現(xiàn)先增加后減小，其中加熱功率速度為35 mm/min時(shí)，鋪放溫度增加約36 ℃；加熱功率速度為45 mm/min時(shí)，鋪放溫度增加約30 ℃；加熱功率速度為40 mm/min時(shí)，鋪放溫度增幅約15 ℃；說明加熱功率速度設(shè)定為40 mm/min時(shí)不會(huì)引起鋪放溫度的較大波動(dòng)。

在穩(wěn)定鋪放階段（7～11 s）鋪放時(shí)，加熱功率速度為40 mm/min時(shí)鋪放溫度波動(dòng)最小，鋪放溫度基本保持在42 ℃；同理，在停止鋪放的瞬間，由于運(yùn)動(dòng)的停止，加熱功率的停止存在時(shí)間差，因此鋪放溫度在最后出現(xiàn)小幅增加，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致。

3.2.4 高加熱功率速度（50～60 mm/min）

設(shè)定加熱功率速度為50～60 mm/min時(shí)，記錄鋪放過程中溫度的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)定加熱功率速度（50～60 mm/min）時(shí)，在起始鋪放階段（1～6 s），加熱功率速度為55/60 mm/min時(shí)，鋪放溫度出現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象，其中加熱功率速度為55 mm/min時(shí)，鋪放溫度增加約35 ℃；加熱功率速度為60 mm/min時(shí)，鋪放溫度增加約35 ℃，兩者基本一致；加熱功率速度為50 mm/min時(shí)，鋪放溫度基本保持不變，說明此時(shí)的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化很小。在穩(wěn)定鋪放階段（7～11 s）鋪放時(shí)，設(shè)定加熱功率速度為55 mm/min時(shí)鋪放溫度波動(dòng)最小，鋪放溫度保持在35 ℃左右；同理，在停止鋪放的時(shí)，鋪放運(yùn)動(dòng)與加熱功率存在時(shí)間差，引起鋪放溫度在最后階段出現(xiàn)小幅增加，不同的加熱功率速度引起的鋪放溫度變化基本一致。

4 結(jié)論

通過研究得出以下結(jié)論：①加熱功率在600～1 500 W變化時(shí)，起始階段鋪放溫度波動(dòng)劇烈，平穩(wěn)鋪放階段鋪放溫度變化趨于平穩(wěn)，其中加熱功率較高時(shí)（900～1 500 W），平穩(wěn)鋪放時(shí)鋪放溫度波動(dòng)更為平穩(wěn)；②加熱功率速度的大小對(duì)鋪放溫度會(huì)產(chǎn)生影響，在起始鋪放階段，中低速（5～35 m/min）及高速（45～60 m/min）情況下，鋪放溫度均出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，波動(dòng)幅度較大；中速（40 m/min）時(shí)，鋪放溫度增幅平穩(wěn)，波動(dòng)幅度較小；在平穩(wěn)鋪放階段，中低速（5～30 m/min）時(shí)，穩(wěn)定鋪放溫度趨于一致；中高速（35～60 m/min）時(shí)，穩(wěn)定鋪放溫度差異較大。

［1］邢麗英，包建文，禮嵩明，等.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2016（7）：1327-1338.

［2］吳志恩.A350的復(fù)合材料構(gòu)件制造［J］.航空制造技術(shù)，2013（13）：32-35.

［3］李斌太，邢麗英，包建文，等.先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的航空樹脂基復(fù)合材料研發(fā)進(jìn)展［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2016（3）：92-100.

［4］張洋，鐘翔嶼，包建文.先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料自動(dòng)絲束鋪放技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.航空制造技術(shù)，2013（Suppl 2）：131-136，140.

［5］黃文宗，孫容磊，張鵬，等.國(guó)內(nèi)復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2014（16）：84-89.

［6］文立偉，肖軍，王顯峰，等.中國(guó)復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)研究進(jìn)展［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（5）：637-649.

2095－6835（2019）02－0001－02

TB33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.001

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

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕