CN102310571A - 具有镂空结构的复合材料自动铺带成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有镂空结构的复合材料自动铺带成型方法，属于复合材料铺放成型领域。其特征包括以下过程：（1）首先根据制品形状尺寸、预浸带带宽及铺层方向设计好预浸带形状，进而得到切刀的预定折线轨迹；（2）然后进行预切割，并进行带卷的收卷，可采用双层背衬纸收卷方法或单层背衬纸收卷方进行带卷的收卷。当预定折线轨迹中某一段预定直线轨迹涉及小角度切割时，采用阶梯式折线切割法进行切割；（3）最后由铺带头将已切割的预浸带铺放至模具表面，完成具有镂空结构的复合材料自动铺带成型。在实现具有铺带机基本功能的同时，解决了具有镂空结构的复合材料制造难题。

Description

具有镂空结构的复合材料自动铺带成型方法

技术领域

本发明涉及一种具有镂空结构的复合材料自动铺带成型方法，属于复合材料铺放成型领域。

背景技术

随着航空航天工业的发展，先进复合材料越来越多的应用于航空航天器大型构件的制造，而自动铺带技术作为一种先进复合材料自动化成型技术被广泛应用于航空航天领域，相对于传统手工铺叠成型方式，提高了加工效率、改善了工作环境、降低了制造成本。但在现有的应用中，铺带产品在形状上的局限性较大，较多的产品为规则形状，规则边界，且较少用于具有镂空结构的制品成型，其中较为典型的镂空结构仅为具有少量孔洞的产品。如果需要铺放成型具有大量镂空结构的产品，则切刀的切割工作量将大大增加，导致铺放成型的效率降低，特别是采用一步法铺带时。而且在使用一步法铺带时，当铺放小角度预浸带末端部分，压靴或压辊会压到下一条预浸带前缘，还需将预浸带前缘从模具表面撕下，将影响制品质量和成型效率。另外，预定折线轨迹中某一段预定直线轨迹与纤维方向的夹角较小时，切刀的移动会导致纤维移位而发生堆挤，进而导致预浸带表面的皱褶，影响制品表面质量，这也限制了铺放产品的形状。因此，具有镂空结构的复合材料自动铺带成型是一个难以解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提出一种具有镂空结构的复合材料自动铺带成型方法。

一种具有镂空结构的复合材料自动铺带成型方法，其特征包括以下过程：

步骤1、首先根据制品形状尺寸、预浸带带宽及铺层方向设计好切割后预浸带形状，进而得到切刀的预定折线轨迹，预定折线轨迹由若干连续的预定直线轨迹组成；

步骤2、然后进行预切割，并进行带卷的收卷：

(2-1)、当预定折线轨迹中某一段预定直线轨迹与纤维方向的夹角θ＜5°且lsinθ≥b_min时，先采用阶梯式折线法对该段预定直线轨迹进行优化，再根据优化轨迹进行预浸带的切割，其中b_min表示垂直纤维方向进给最小步长，即切刀在垂直方向上切割时，能够保证切断纤维且不引起纤维堆挤的最小进给量，l表示此段预定直线轨迹的长度；所得到的优化轨迹为以a为沿纤维方向进给步长，b为垂直纤维方向进给步长的阶梯式折线，并满足：

$n=\left[\frac{l\sin \mathrm{\θ}}{b_{\min }}\right]$

$b=\frac{l\sin \mathrm{\θ}}{n}$

$a=\frac{b}{\tan \mathrm{\θ}}$

其中，[]为向下取整符号，n为步长数；

(2-2)、当预定折线轨迹中某一段预定直线轨迹与纤维方向的夹角θ≥5°时，或θ＜5°且lsinθ＜b_min时，则不进行优化直接根据该段预定直线轨迹将预浸带切割成所需形状；

步骤3、最后由铺带头将已切割的预浸带铺放至模具表面，完成具有镂空结构的复合材料自动铺带成型。

本发明推广了自动铺带技术的应用范围，能完成各种镂空结构的制品铺放成型，并可减小后加工工作量，减轻制品质量，提高成型效率，特别是具有大量镂空结构的制品。阶梯式折线切割法解决了小角度切割时产生的纤维堆挤问题，两步法铺带大大提高铺放效率避免了压辊或压靴对后一小角度预浸带前缘的影响，改善制品质量。本发明在实现具有铺带机基本功能的同时，解决了具有镂空结构的复合材料制造难题。

附图说明

图1：预切割实施方式一原理图；

图2：预浸带铺放实施方式一原理图；

图3：铺放带有圆孔的构件铺放示意图；

图4：折线切割法示意图；

图5：预切割实施方式二原理图；

图6：预浸带铺放实施方式二原理图；

图7：预浸带铺放实施方式二示意图；

图8：已切割预浸带(形式一)；

图9：-45°铺层网格状材料铺放成型示意图(形式一)；

图10：已切割预浸带(形式二)；

图11：-45°铺层网格状材料铺放成型示意图(形式二)；

图中标号名称：1、放带卷，2、导向辊，3、待切割预浸带，4、背衬纸，5、双切刀，6、收纸导向辊，7、废料，8、新背衬纸，9、压紧辊，10、已切割预浸带，11-1、收带卷，11-2、铺带头放带卷，12、模具，13、收纸电机，14、加热装置，15、压辊或压靴，16、特制背衬膜。

具体实施方式

具有镂空结构的复合材料自动铺带成型方法主要适用于具有镂空结构的复合材料铺放成型，如网格状构件等。预浸带经双切刀预切割成按预定形状，当涉及小角度切割问题时可采用阶梯式折线切割法。预浸带预切割后加入新背衬纸并收卷，再由铺带头直接进行铺放，即可完成具有镂空结构的复合材料的铺放成型。

下面结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9对本发明的方法做进一步说明，共有两种具体实施方式：

具体实施方式一：结合图1、2、3、4、5、6、7、8说明本实施方式。在进行具有镂空结构的复合材料成型时，首先依据所要成型的形状尺寸、预浸带带宽及铺层方向设计出预浸带形状，进而得到双切刀5的运动轨迹。利用如图1所示的预切割装置，对预浸带进行预切割。待切割预浸带3由导向辊2从放带卷1导出，将背衬纸4剥离后，再经双切刀5切割成预定的形状。为保证效率，实现连续生产，双切刀5需要严格控制其切割深度，在实现预浸料切割的同时而不割断背衬纸。预浸料经过切割后，加入新背衬纸8(其中一层可用薄膜代替)，再由压紧辊9压实，收入收带卷11，该方法为双层背衬纸收卷方法。最后把经过预切割的预浸带铺放与模具上，原理如图2所示。将收带卷11装配于铺带头上，成为铺带头放带卷11，收背衬纸卷13剥离背衬纸4，同时加热装置14进行预热后，压辊或压靴15对已切割预浸带10施压，使其贴合于模具12表面。以铺放带有圆孔的构件为例，如图3，就需要考虑到小角度切割问题，即切刀运行轨迹与纤维方向夹角较小时，由于切割方向与预浸带纤维方向所成角度过小，切刀的移动会导致纤维移位而发生堆挤，进而导致预浸带表面的皱褶，影响制品表面光滑程度。数控机床中的切刀运行轨迹需经预先规划，其实质是若干连续的预定直线轨迹组成的预定折线轨迹。因此，在切割角度较小时，一般小于5°，可以将切刀的直线进给改变为折线进给，即采用阶梯式折线切割法。如图4，图中箭头表示预浸带中的纤维方向，虚线表示预定折线轨迹中某一段预定直线轨迹，实线表示优化后的阶梯式折线轨迹，点A、B分别为该预定直线轨迹的起始点和终止点，当预定折线轨迹中某一段预定直线轨迹纤维方向的夹角θ＜5°且lsinθ≥b_min(其中，b_min表示垂直纤维方向进给最小步长，即切刀在垂直方向上切割时，能够保证切断纤维且不引起纤维堆挤的最小进给量，l表示此段预定直线轨迹AB的长度)时，先采用阶梯式折线法对该段预定直线轨迹进行优化，再根据优化轨迹进行预浸带的切割；所得到的优化轨迹为以a为沿纤维方向进给步长，b为垂直纤维方向进给步长的阶梯式折线，并满足：

$n=\left[\frac{l\sin \mathrm{\θ}}{b_{\min }}\right]$

$b=\frac{l\sin \mathrm{\θ}}{n}$

$a=\frac{b}{\tan \mathrm{\θ}}$

其中，[]为向下取整符号，n为步长数；

而当预定折线轨迹中某一段预定直线轨迹与纤维方向的夹角θ＞5°时，或θ＜5°且lsinθ＜b_min时，则不进行优化直接根据该段预定直线轨迹将预浸带切割成所需形状；

具体实施方式二：结合图5、6、7说明本实施方式。相对于实施方式一，本实施方式在成型原理上相同，而在预浸带预切割和铺放方法上有所区别，即为单层背衬纸收卷方法。如图5所示，预浸带在预切割后，下方加入一层新背衬纸8，而上方用特制背衬膜16代替，该背衬纸不随预浸带收入收带卷11，可以省去一层背衬纸。该预浸带铺放时，如图6所示，可省去一个铺带头收纸电机13，其示意图如图7。

具体实施方式三：结合图8、9、10、11说明本实施方式。而在涉及具有大量网格状结构的复合材料铺放成型时，以-45°铺层网格状材料自动铺带成型为例。应考虑网格尺寸和预浸带带宽，事先设计预切割的预浸带形状。将预浸带预切割成图9所示的形状后进行铺放，成型效果如图9所示，其中箭头所指为预浸带铺放方向，黑色表示预浸带，白色表示成型的网格形状。若预浸带预切割成图10所示形状，则成型效果如图11所示。

Claims (2)

1.一种具有镂空结构的复合材料自动铺带成型方法，其特征包括以下过程：

步骤1、首先根据制品形状尺寸、预浸带带宽及铺层方向设计好切割后预浸带形状，进而得到切刀的预定折线轨迹，预定折线轨迹由若干连续的预定直线轨迹组成；

步骤2、然后进行预切割，并进行带卷的收卷：

(2-1)、当预定折线轨迹中某一段预定直线轨迹与纤维方向的夹角θ＜5°且lsinθ≥b_min时，先采用阶梯式折线法对该段预定直线轨迹进行优化，再根据优化轨迹进行预浸带的切割，其中b_min表示垂直纤维方向进给最小步长，即切刀在垂直方向上切割时，能够保证切断纤维且不引起纤维堆挤的最小进给量，l表示此段预定直线轨迹的长度；所得到的优化轨迹为以a为沿纤维方向进给步长，b为垂直纤维方向进给步长的阶梯式折线，并满足：

$n=\left[\frac{l\sin \mathrm{\θ}}{b_{\min }}\right]$

$b=\frac{l\sin \mathrm{\θ}}{n}$

$a=\frac{b}{\tan \mathrm{\θ}}$

其中，[]为向下取整符号，n为步长数；

(2-2)、当预定折线轨迹中某一段预定直线轨迹与纤维方向的夹角θ≥5°时，或θ＜5°且lsinθ＜b_min时，则不进行优化直接根据该段预定直线轨迹将预浸带切割成所需形状；

步骤3、最后由铺带头将已切割的预浸带铺放至模具表面，完成具有镂空结构的复合材料自动铺带成型。

2.根据权利要求1所述的复杂形状复合材料自动铺带成型方法，其特征在于：上述步骤2中所述进行带卷的收卷，具体采用双层背衬纸收卷方法或单层背衬纸收卷方法。

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