CN111774737B - SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料智能切割方法和装置 - Google Patents

SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料智能切割方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料智能切割方法和装置，其中切割方法通过控制紫外光斑移动的方式，在一定区域范围内扫描，层层剥离材料表面的材料，从而达到切断材料的目的，切割装置由激光器系统、加热系统、扫描系统、光学系统、控制系统等组成，可切割出各种形状的平面材料，无刀具与料的机械接触，避免了刀具的损伤和材料的分层及破碎，本发明提供的加工方法和装置，可以实现碳化硅纤维增强陶瓷基预浸料的各种异形切割，输出料的厚度可以灵活控制，通过调整紫外激光器的功率及平移速率，可同时实现快速切割和切割边缘无碳化，且通过本发明方法和设备切割出的预浸料，其制备的陶瓷基复合材料构件的力学性能表现优异。

Description

SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料智能切割方法和装置
技术领域
本发明涉及复合材料预浸料切割技术领域，尤其涉及一种自动、智能、高效紫外激光切割SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料的方法和装置。
背景技术
复合材料以其优良的性能在航空航天、军用国防、风力发电和汽车等领域应用广泛，以连续SiC陶瓷基复合材料为代表的CMC，作为新一代高推重比航空发动机热端部件首选复合材料，与传统的高温合金相比，其优势在于拥有更低的密度、更高的耐温能力、更低的热膨胀系数、更好的抗腐蚀性能等。由于其轻质高强的特性,在对重量和力学特性有较高要求的场合,CMC得到了广泛的应用。
目前MI工艺制备CMC过程中大多采用铺层方法，在热压固化之前需将复合材料预浸料按产品要求加工成所需的形状，热压固化后获得净尺寸成型的构件，构件通常不进行不余量的加工，因此，预浸料的切割下料将直接影响产品的质量和生产效率。现有技术中，人们相继开发了机械加工、超声振动辅助加工、水射流加工和电火花加工等工艺方法对碳纤维复合材料预浸料进行切割加工。
机械加工已经形成了一套专用刀具和特定工艺，取得了良好的加工效果。但随着规模化的应用却面临着刀具磨损严重且种类繁多，导致制造成本高，以及易发生纤维断裂、结构破坏和切削热损伤等加工质量问题。超声振动辅助加工是对刀具或工件施加超声振动，通过刀具的切削、高频微撞击和超声的空化作用相结合进行材料去除，但装置结构复杂，机械加工存在的缺陷也不能完全避免。电火花加工通过两个电极间的脉冲性放电产生局部瞬时的高温进行材料去除，但只能加工导电材料，并且加工效率低，不适合大规模工业应用。水射流加工是利用高压水带动磨粒对材料进行冲蚀去除，加工热损伤小，但是会形成锥角、切口变形和材料分层等加工缺陷，加工精度难以控制。
激光的应用使得以上加工方式产生的不利因素或缺点得以消除，被认为是应用前景非常广阔的纤维增强复合材料加工方法。激光加工是利用聚焦的高能量密度激光照射材料，使其迅速熔化、汽化或化学降解，从而实现材料分离，达到加工目的。激光是无应力加工，对材料的结构破坏小；没有刀具磨损，加工成本低廉；聚焦光斑可达微米级别，加工精度高并且加工柔性好。超快激光具有极窄的脉冲宽度和极高的峰值强度，可以实现材料的“冷加工”，进一步提高了加工质量。激光加工纤维增强复合材料虽然解决了刀具磨损、材料结构破坏等问题，但由于纤维和树脂基体的热力学性能差异大，且各层铺设方向不尽相同，导致纤维增强复合材料具有明显的各向异性，会产生热影响区过大、纤维拔出、材料分层和纤维末端膨胀等热损伤缺陷；且不同波长、不同脉宽的激光与纤维增强复合材料的物理反应机制存在明显差别。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，而提出的一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料的智能切割方法和装置，实现预浸料的各种异形切割，通过调整紫外激光器的功率及平移速率，可同时实现快速切割和切割边缘无碳化，并且不会出现纤维滑移、起皱、倒刺和破碎等问题；预浸料输出的厚度可以灵活控制，激光发生器发出的紫外光斑可在设定角度范围进行移动，配合对材料厚度方向的层层剥离，以实现预浸料三维切割。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法，其特征在于，包括一下步骤：
S1:通过加热将预浸料进行软化；
S2:根据预浸料的目标厚度对预浸料进行碾压，得到目标厚度的预浸料；
S3:在紫外激光切割装置中输入目标切割图案并确定切割位置，然后根据碳化硅纤维及所使用树脂的热物理特性,选择合适用于切割预浸料的光纤脉冲激光器的激光能量、脉冲宽度、重复频率、切割速度参数；
S4:移动光纤脉冲激光器的扫描头对预浸料进行切割；
S5:对切割后的预浸料进行检查，确定无误后得到目标形状的预浸。
本发明还公开一种基于上述SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法的切割装置，包括：激光器系统、加热系统、扫描系统、光学系统和控制系统，其中的激光器系统用于发出脉冲紫外激光，用于切割预浸料；加热系统用于加热预浸料，使预浸料软化；扫描系统用于驱动激光器的扫描头根据目标图案进行水平面的二维移动，完成对预浸料的切割加工；光学系统用于将紫外激光聚焦形成一个小于0.8微米的光斑，并通过镜面偏转，使光斑在设定角度范围内进行移动；控制系统内置软件，用于控制本装置中系统有序运行。
本装置中采用紫外激光器进行切割，通过光学器件将紫外光聚焦形成一个小于0.8微米的光斑，并通过镜面偏转，使光斑在设定角度范围内进行移动，通过控制光斑移动方式，在一定角度范围内进行扫描，可在预浸料的厚度方向层层剥离材料表面的材料，从而达到切断材料和三维异形切割的目的。紫外激光器波长短，能量集中，加工精度贺效率都很高，自动控制平移，可切割出各种形状的平面材料，无刀具与料的机械接触，避免了刀具的损伤和材料的分层及破碎。
具体的，SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割装置包括紫外激光发生器、龙门架、底座、压辊和控制台，所述激光发生器横向活动连接于龙门架上，所述龙门架纵向活动连接于底座，所述底座的顶面设置工作台，所述工作台的上方设置可上下移动和纵向移动的压辊，压辊用于将位于工作台上的预浸料压成设定厚度。
优选的，所述底座的两侧设置纵向滑动连接于底座的移动台，所述移动台上设置移动块，所述移动块之间设置压辊，所述移动块的上端与所述移动台之间设置升降气缸，所述升降气缸可带动压辊上下移动，所述移动块的下端与所述移动台之间设置支撑弹簧，用于支撑压辊，可减震，同时减少升降气缸对压辊的吊装压力。
优选的，所述工作台内部设置加热板，加热板从预浸料的底部对预浸料进行加热，所述压辊的内部设置加热体，此加热体从预浸料的顶部对预浸料进行加热，工作台的加热板和压辊内部的加热体可从预浸料的上下两侧对预浸料进行加热，保证加热均匀以及加热效率。
优选的，所述移动块在压辊的前端设置预压辊，所述预压辊旋转连接于前辊架，所述前辊架纵向滑动于移动块一端的前固定件，所述前辊架的上端与移动块之间设置前下压弹簧；在前下压弹簧自然伸长状态下，所述预压辊与压辊的最下端在同一水平面。预压辊用于在压辊压制预浸料之前预先将预浸料进行压平，提高压制效率。
优选的，所述移动块在压辊的前端设置防皱辊，所述防皱辊旋转连接于后辊架，所述后辊架纵向滑动于移动块一端的后固定件，所述后辊架的上端与移动块之间设置后下压弹簧；在后下压弹簧自然伸长状态下，所述防皱辊与压辊的最下端在同一水平面。防皱辊用于在压辊压制预浸料之后将预浸料进行下压，防止预浸料粘连压辊以及减少预浸料褶皱的几率。
优选的，所述预压辊的内部设置用于预热预浸料的加热件，可对预浸料进行预热，所述防皱辊内部设置用于冷却预浸料的降温组件，用于预浸料被加热压制后的降温成型。
优选的，所述防皱辊的内部设置空腔，所述防皱辊的外壁设置连通空腔与外部的气孔，所述防皱辊的一端固定设置与空腔连通的空心轴，所述空心轴的外壁固定设置与空心轴空心部连通的凸出环槽，所述凸出环槽的槽口设置环状的旋转盖板，所述旋转盖板与凸出环槽旋转密封连接，所述旋转盖板上固定设置与凸出环槽内部连通的进气管，进气管的一端与风机的出风端连通，风机的风通过进气管、凸出环槽和空心轴进入防皱辊的空腔中，然后从防皱辊的气孔吹向预浸料，用于降温和防粘连。
本发明的有益效果是：
1、本SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法可以很方便的将SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割成各种形状，操作简单，可实现各种异形的精确切割，减少了人工操作带来的误差；通过选用高精度、窄线宽的紫外激光发生器，可实现材料的无碳化精准切割，提高了产品的切割质量；紫外激光无接触切割，没有刀具损耗，也不会出现纤维的滑移、起皱和破碎等问题，保证了纤维的强度。
2、本SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割装置引入加热系统和压辊，在切割前通过预浸料上下加热后，压辊压平可灵活控制输出预浸料的厚度，得到目标厚度的预浸料，使用也十分方便；配合通过控制光斑移动方式，在一定角度范围内进行扫描，可在预浸料的厚度方向层层剥离材料表面的材料，从而达到三维异形切割的目的。
3、本SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割装置在压平前进行预热，提高加热和压平的效率。
4、本SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割装置在压平后进行防粘连、防褶皱和冷却处理，预浸料压平冷却效率高，且压平后的质量有保障。
附图说明
图1为本发明中预浸料切割方法步骤图；
图2为本发明中预浸料切割装置正面的结构示意图；
图3为本发明中预浸料切割装置侧面的结构示意图；
图4为本发明中预浸料切割装置中压辊处的结构示意图；
图5为本发明中预浸料切割装置中防皱辊的结构示意图；
图6为使用本发明中切割装置切割预浸料所得材料微观放大图；
图7为使用常规机械刀具切割预浸料得到材料微观放大图。
图中：1、紫外激光发生器；2、龙门架；3、底座；4、工作台；5、加热板；6、压辊；7、移动台；8、预压辊；9、防皱辊；10、控制台；11、横移丝杆；21、外纵移丝杆；71、升降气缸；72、移动块；73、支撑弹簧；74、内纵移丝杆；81、前固定件；82、前下压弹簧；83、前辊架；91、后固定件；92、后下压弹簧；93、后辊架；901、空腔；902、气孔；903、空心轴；904、凸出环槽；905、旋转盖板；906、进气管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1，本实施例中的SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法，其特征在于，包括一下步骤：
S1:通过加热将预浸料进行软化；
S2:根据预浸料的目标厚度对预浸料进行碾压，得到目标厚度的预浸料；
S3:在紫外激光切割装置中输入目标切割图案并确定切割位置，然后根据碳化硅纤维及所使用树脂的热物理特性,选择合适用于切割预浸料的光纤脉冲激光器的激光能量、脉冲宽度、重复频率、切割速度参数；
S4:移动光纤脉冲激光器的扫描头对预浸料进行切割；
S5:对切割后的预浸料进行检查，确定无误后得到目标形状的预浸。
本发明还公开一种基于上述SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法的切割装置，包括：激光器系统、加热系统、扫描系统、光学系统和控制系统，其中的激光器系统用于发出脉冲紫外激光，脉冲紫外激光用于切割预浸料；加热系统用于加热预浸料，使预浸料软化；扫描系统用于驱动激光器的扫描头根据目标图案进行水平面的二维移动，完成对预浸料的切割加工；光学系统用于将紫外激光聚焦形成一个小于0.8微米的光斑，并通过镜面偏转，使光斑在设定角度范围内进行移动；控制系统内置软件，用于控制本装置中系统有序运行。
本装置中采用紫外激光器进行切割，通过光学器件将紫外光聚焦形成一个小于0.8微米的光斑，并通过镜面偏转，使光斑在设定角度范围内进行移动，通过控制光斑移动方式，在一定角度范围内进行扫描，可在预浸料的厚度方向层层剥离材料表面的材料，从而达到切断材料和三维异形切割的目的。
具体的，参考图2，SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割装置包括紫外激光发生器1、龙门架2、底座3、压辊6和控制台10，所述激光发生器1通过横向丝杆11横向活动连接于龙门架2上，所述龙门架2通过外纵向丝杆21纵向活动连接于底座3，所述底座3的顶面设置工作台4，工作台4用于铺放预浸料。紫外激光发生器1可结合扫描系统控制横向丝杆11和外纵向丝杆21，实现紫外激光发生器1在进行水平面的横向和纵向移动的操作，紫外激光发生器1内部设置激光器系统和光学系统，形成高能量紫外激光对预浸料进行切割。
进一步的，参考图2和图3，所述工作台4的上方设置可上下移动和纵向移动的压辊6，压辊6用于将位于工作台4上的预浸料压成设定厚度。具体的，所述底座3的两侧设置纵向滑动连接于底座3的移动台7，所述移动台7通过内纵向丝杆74与底座3纵向滑动连接，所述所述移动台7上设置移动块72，所述移动块72之间设置压辊6，所述移动块72的上端与所述移动台7之间设置升降气缸71，所述升降气缸71可带动压辊6上下移动，所述移动块72的下端与所述移动台7之间设置支撑弹簧73，用于支撑压辊6，可减震，同时减少升降气缸71对压辊6的吊装压力。
本实施例中，所述工作台4内部设置加热板5，加热板5从预浸料的底部对预浸料进行加热，所述压辊6的内部设置加热体，此加热体从预浸料的顶部对预浸料进行加热，工作台4的加热板5和压辊6内部的加热体可从预浸料的上下两侧对预浸料进行加热，保证加热均匀以及加热效率。
本实施例中，参考图4，所述移动块72在压辊6的前端设置预压辊8，所述预压辊8旋转连接于前辊架83，所述前辊架83纵向滑动于移动块72一端的前固定件81，所述前辊架83的上端与移动块72之间设置前下压弹簧82；在前下压弹簧82自然伸长状态下，所述预压辊8与压辊6的最下端在同一水平面。预压辊8用于在压辊6压制预浸料之前预先将预浸料进行压平，提高压制效率。
本实施例中，参考图4，所述移动块72在压辊6的前端设置防皱辊9，所述防皱辊9旋转连接于后辊架93，所述后辊架93纵向滑动于移动块72一端的后固定件91，所述后辊架93的上端与移动块72之间设置后下压弹簧92；在后下压弹簧92自然伸长状态下，所述防皱辊9与压辊6的最下端在同一水平面。防皱辊9用于在压辊6压制预浸料之后将预浸料进行下压，防止预浸料粘连压辊6以及减少预浸料褶皱的几率。
本实施例中，所述预压辊8的内部设置用于预热预浸料的加热件，可对预浸料进行预热，所述防皱辊9内部设置用于冷却预浸料的降温组件，用于预浸料被加热压制后的降温成型。
参考图5，本实施例中所述防皱辊9的内部设置空腔901，所述防皱辊9的外壁设置连通空腔901与外部的气孔902，所述防皱辊9的一端固定设置与空腔901连通的空心轴903，所述空心轴903的外壁固定设置与空心轴903空心部连通的凸出环槽904，所述凸出环槽904的槽口设置环状的旋转盖板905，所述旋转盖板905与凸出环槽904旋转密封连接，所述旋转盖板905上固定设置与凸出环槽904内部连通的进气管906，进气管906的一端与风机的出风端连通，风机的风通过进气管906、凸出环槽904和空心轴903进入防皱辊9的空腔901中，然后从防皱辊9的气孔902吹向预浸料，用于降温和防粘连。
本切割装置还包括控制台10，所述控制台10上可进行切割图案的输入、激光脉冲能量、激光波长、电流强度、脉冲重复频率、离焦量、切割速度的设置和控制功能。
实施例1
本实施例以切割增强纤维为二代碳化硅纤维，基体树脂为酚醛树脂，纤维体积含量为40％，预浸料为单向带，平均厚度为0.2mm为例，切割形状为圆形为例，对本发明的切割步骤进行详细介绍。
具体实现步骤如下：
1)操作人员将预浸料整的放置在工作台4上，启动加热系统，工作台4的加热板5对预浸料的底部进行软化。
2)启动升降气缸71和内纵向丝杆74，内纵向丝杆74推动压辊两端的选择轴接近预浸料，升降气缸71根据所需预浸料厚度调整好压辊6与工作台4之间的距离，打开压辊6内部加热体，使加热体对预浸料的顶面进行加热，内纵向丝杆74带动压辊6在预浸料上滚动，将预浸料压平，压平后将升降气缸71和内纵向丝杆74复位，拉回压辊6，完成预浸料压平工作。
3)操作人员在控制台10的电脑软件上导入需要划线的图案，启动红光预览，确定划线的位置。位置确定后取消预览，点击启动。激光器为10W窄脉宽紫外，波长355nm，电流强度为140A，脉冲宽度为12ns，脉冲重复频率为40kHz，离焦量设置为0.8mm。
4)确定激光扫描速度为30mm/s，龙门架2和横向丝杆11带着紫外激光发生器1的扫描头按导入的图形走对应的轨迹，完成加工后，紫外激光发生器1的扫描头回到原位。
5)加工完成后，操作人员听到蜂鸣器响起，确认划线的效果，确定无误后，取下工件。
6)待操作人员换上下一张预浸料后，继续加工，如此循环。
通过上述切割方式和装置可以很方便的将SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割成各种形状，通过加热后压辊压平可灵活控制输出预浸料的厚度，通过选用高精度、窄线宽的紫外激光发生器，可实现材料的无碳化精准切割，提高了产品的切割质量。
经检测，本实施例所得预浸料切割件，经铺层、固化、裂解及渗硅工艺后，得到的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料，其极限拉伸强度为110MPa，弹性模量为65GPa，断裂模量为67MPa。
对比例1：
使用常规机械刀具进行切割得到预浸料切割材料，经与实例1同样的铺层、固化、裂解及渗硅工艺后，得到碳化硅纤维增强碳化硅复合材料，经检测，其极限拉伸强度为95MPa，弹性模量为58GPa，断裂模量为55MPa。
二者切割所得材料微观放大对比图及制备成构件后性能对比如下：
Figure GDA0002937855760000131
从上图可得出，使用紫外激光切割SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料可以得到边缘质量非常好的铺层胚料，这对于保证构件的力学性能起到非常重要的作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:通过加热将预浸料进行软化；
S2:根据预浸料的目标厚度对预浸料进行碾压，得到目标厚度的预浸料；
S3:在紫外激光切割装置中输入目标切割图案并确定切割位置，然后根据碳化硅纤维及所使用树脂的热物理特性,选择合适用于切割预浸料的光纤脉冲激光器的激光能量、脉冲宽度、重复频率、切割速度参数；
S4:移动光纤脉冲激光器的扫描头对预浸料进行切割；
S5:对切割后的预浸料进行检查，确定无误后得到目标形状的预浸料；
所述切割方法通过SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割装置实现，所述SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割装置包括紫外激光发生器(1)、龙门架(2)、底座(3)、压辊(6)和控制台(10)，所述激光发生器(1)横向活动连接于龙门架(2)上，所述龙门架(2)纵向活动连接于底座(3)，所述底座(3)的顶面设置工作台(4)，所述工作台(4)的上方设置可上下移动和纵向移动的压辊(6)；
所述底座(3)的两侧设置纵向滑动连接于底座(3)的移动台(7)，所述移动台(7)上设置移动块(72)，所述移动块(72)之间设置压辊(6)，所述移动块(72)的上端与所述移动台(7)之间设置升降气缸(71)，所述移动块(72)的下端与所述移动台(7)之间设置支撑弹簧(73)；
所述移动块(72)在压辊(6)的前端设置预压辊(8)，所述移动块(72)在压辊(6)的前端设置防皱辊(9)，所述预压辊(8)的内部设置用于预热预浸料的加热件，所述防皱辊(9)内部设置用于冷却预浸料的降温组件。
2.根据权利要求1所述的SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法，其特征在于，包括：
激光器系统，用于发出脉冲紫外激光，用于切割预浸料；
加热系统，用于加热预浸料，使预浸料软化；
扫描系统，驱动激光器的扫描头根据目标图案进行水平面的二维移动，完成对预浸料的切割加工；
光学系统，用于将紫外激光聚焦形成一个小于0.8微米的光斑，并通过镜面偏转，使光斑在设定角度范围内进行移动；
控制系统，内置软件，用于控制本装置中系统有序运行。
3.根据权利要求2所述的SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法，其特征在于，所述工作台(4)内部设置加热板(5)，所述压辊(6)的内部设置加热体。
4.根据权利要求3所述的SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法，其特征在于，所述预压辊(8)旋转连接于前辊架(83)，所述前辊架(83)纵向滑动于移动块(72)一端的前固定件(81)，所述前辊架(83)的上端与移动块(72)之间设置前下压弹簧(82)；
在前下压弹簧(82)自然伸长状态下，所述预压辊(8)与压辊(6)的最下端在同一水平面。
5.根据权利要求3所述的SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法，其特征在于，所述防皱辊(9)旋转连接于后辊架(93)，所述后辊架(93)纵向滑动于移动块(72)一端的后固定件(91)，所述后辊架(93)的上端与移动块(72)之间设置后下压弹簧(92)；
在后下压弹簧(92)自然伸长状态下，所述防皱辊(9)与压辊(6)的最下端在同一水平面。
6.根据权利要求1所述的SiCf/SiC陶瓷基复合材料预浸料切割方法，其特征在于，所述防皱辊(9)的内部设置空腔(901)，所述防皱辊(9)的外壁设置连通空腔(901)与外部的气孔(902)，所述防皱辊(9)的一端固定设置与空腔(901)连通的空心轴(903)，所述空心轴(903)的外壁固定设置与空心轴(903)空心部连通的凸出环槽(904)，所述凸出环槽(904)的槽口设置环状的旋转盖板(905)，所述旋转盖板(905)与凸出环槽(904)旋转密封连接，所述旋转盖板(905)上固定设置与凸出环槽(904)内部连通的进气管(906)。
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