一维延伸的等截面复合材料构件预浸料铺放装置与加工方法与流程

1.本发明属于复合材料设计与加工技术领域，涉及预浸料连续化自动铺放技术，特别涉及一维延伸的等截面复合材料构件的连续自动铺放技术。
技术背景
2.复合材料构件以其高比强度、高比模量、良好抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点在航空、航天、兵器等工业领域得到越来越广泛应用，目前，先进复合材料构件主要采用热压罐和压机热压成型技术制造，其中预浸料铺叠是复合材料成型工艺过程中重要的一步。为提高复合材料构件铺放质量、可靠性和生产效率，降低产品废品率和辅助材料消耗，自动铺放技术得到快速发展。
3.自动铺放设备基本原理是，预浸料放入铺带/丝头中，在软件控制下，铺带/丝头沿设计好的铺叠路线，在模具或已铺叠预浸料表面的不同部位和方向进行预浸料铺叠。其中，自动铺带主要用于平面型或小曲率曲面构件(如翼面、壁板)的自动铺叠，长度达几米到十几米，厚度几毫米；而自动铺丝侧重于实现复杂形状的大型制件(如机身、翼身融合体)的自动铺叠。
4.自动铺带/铺丝机的核心部件是铺带头，自动铺放技术的绝大部分功能是由铺带头实现的。典型的自动铺带/丝机需要配置9～11个数控轴以上的多坐标联动控制cnc系统，需要专用的控制软件、编程系统和后置处理。典型的铺丝头类似一个机器人手臂，集成了移动、铺放、裁割等功能，在程序控制下完成逐层铺叠。
5.典型的自动铺带机铺放预浸带采用逐层铺放，铺丝/带头往复运动。自动铺放设备采用高度集成化、功能化、自动化的铺带/铺丝头，适用于大型薄壁异形构件的加工；受场地和铺丝/带头的运动半径限制，对于铺放预浸料层数较多、结构简单的大厚度复合材料构件，这种铺带/丝头即不经济，铺放效率也较低。
6.具有多铺带头结构的自动铺放设备是针对板材的结构特点发展起来的，通常被称为多复材薄板层迭铺放加工机床(fcl:flatcharge laminator)。适用型atl机床主要用于快速铺放制造各种不同规格的窄长热固性复材多层板叠合构件。和典型的自动铺带机相比，fcl的铺带头是一种由若干可独立控制的紧凑简易型铺带头集成复合在一起应用的“模块化铺放头装置”，其实际铺带头数量由制造复合材料一次所需要的复材预浸带层数所决定。
7.美国accudync system公司和mag cincinnati公司合作为vought航空公司开发了一种用户化多铺放头结构的适用型atl机床，用于各种不同长度的热固性复材层压板构件的快速铺放制造(图1)。工作台面为钢板制造的整体真空台面，真空用于层压板开始层压成型时固定住板料。机床全长约18.5m，一个全闭环伺服控制系统可实现移动托架从机床一端到另一端运动，行程约15m。可生产300mm宽最长约11m规格的窄长复材层压板。这种设备受到机床长度的限制，只能制造一定长度的复材层压板。
8.具有多铺带头结构的自动铺放设备虽然解决了简单结构复合材料制件铺叠设备
结构复杂的问题，但无法实现连续预浸料坯料的铺叠，同时负重的移动托架沿机床的移动对设备的精度提出了新的要求。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提出一种以小尺寸大厚度/多层数等截面复合材料构件为客体的预浸料连续化自动铺放装置与方法。
10.本发明的目的是这样实现的，利用一维延伸的等截面结构平行剖层相同的特点，采用连续预浸带、定位固定铺放头直接放带复合的方法，通过平行设置多组固定的放带组件，合理匹配放带速度和预浸料叠层移动速度，辅以压实工序完成预浸带逐层铺放与压实；匹配适宜的刀具，实现预浸料叠层在线剪裁，提高工作效率。
11.本发明涉及的一维延伸的等截面复合材料构件预浸料铺放装置，由预浸料叠层支撑结构、铺放组件、切割组件和控制系统组成，其特征在于：预浸料叠层支撑结构为输送传送带或柔性对辊和/或牵引导辊，n组铺放组件沿传送/或牵引方向依次平行设置，n组铺放组件的相对位置与预浸料叠层的相应平行剖层对应；切割组件为与预浸料叠层同步运动的刀具10；控制系统控制n组铺放组件铺放速度与预浸料叠层支撑结构牵引速度相同，结构如附图2所示。
12.本发明涉及的一维延伸的等截面复合材料构件的预浸料铺放装置，由预浸料叠层支撑结构、铺放组件、切割组件和控制系统组成，其特征在于：铺放组件与切割组件之间设置与预浸料叠层结构匹配的柔性压辊8。
13.本发明涉及的一维延伸的等截面复合材料构件的预浸料铺放装置，由预浸料叠层支撑结构、铺放组件和控制系统组成，其特征在于：n组铺放组件的预浸带叠层厚度方向定位基准面平行。
14.本发明涉及的一维延伸的等截面复合材料构件的预浸料铺放装置，由预浸料叠层支撑结构、铺放组件、切割组件和控制系统组成，其特征在于：n组铺放组件的预浸带叠层厚度方向定位基准面共面。
15.本发明涉及的一维延伸的等截面复合材料构件的预浸料铺放装置，由预浸料叠层支撑结构、铺放组件和控制系统组成，其特征在于：所述切割组件为安装在与预浸料叠层同步运动的小车11上的刀具10，并匹配控制切割长度的定位感应器13。
16.本发明涉及的一维延伸的等截面复合材料构件的预浸料铺放装置，由预浸料叠层支撑结构、铺放组件和控制系统组成，其特征在于：所述定位感应器13为红外定位感应器或光电定位感应器。
17.本发明涉及的一维延伸的等截面复合材料构件的预浸料铺放方法，包括备料、设备参数设置、上卷、铺放与切割工序，其特征在于：铺放过程各铺层在动力牵引下依次通过固定的铺放组件铺放；经压实后，采用与预浸料叠层同步运行的刀具切割。
18.本发明涉及的一维延伸的等截面复合材料构件的预浸料铺放装置，采用固定铺放组件的方式，结构简单，易于控制，效费比高；可实现一维等截面复合材料构件的连续化快速生产；铺层精度高，可靠性好，适用于横截面形状固定的带状、层数较多的连续复合材料预浸料铺叠，特别适用于小尺寸多层数的连续复合材料预浸料铺叠。
19.本发明的装置不同于现有的自动铺带/铺丝设备，把定长、等截面的预浸料叠层块
的逐层铺叠，改为连续化自动铺叠，再裁剪成定长尺寸叠层块，预浸料铺叠效率和准确度显著提高。
附图说明
20.图1accudync system公司fcl
‑
atl
21.图2本发明涉及的铺层装置结构示意图
22.图3实施例一铺放组件结构示意图
23.图4实施例二铺层装置结构示意图
24.图5实施例二铺放组件结构示意图
25.图6实施例二中定位辊3
26.其中：1
‑
放料轴，2
‑
铺放导向辊，3
‑
定位辊，4
‑
加热烘道，5
‑
柔性对辊，6
‑
隔离膜分离导向辊，7
‑
隔离膜收卷辊，8
‑
柔性压辊，9
‑
夹具，10
‑
刀具，11
‑
小车，12
‑
托辊，13
‑
定位感应器，14
‑
支撑板，15
‑
工作台，16
‑
输送带主动轮，17
‑
输送带从动轮，18
‑
输送带，19
‑
切割设备支撑架，20
‑
定位环，21
‑
固定螺丝
具体实施方式
27.结合附图进一步详细说明本发明涉及的装置及方法，但不作为对本发明涉及装置及方法的限制，任何基于本发明技术方案并可以实现的一维延伸等截面预浸料的具体实施方式均构成本发明的一部分。
28.实施例1
29.以一侧厚0.25mm、另一侧厚4mm，宽40mm、长度280mm的楔形单元作为目标产品，楔形单元由40mm、35mm、30mm、25mm、20mm、15mm、10mm和5mm 8个宽度的预浸带依次叠加铺成，预浸带为碳纤维织物/环氧预浸布带，厚度0.25mm。以由八组铺放组件组成的设备为例对本发明涉及的铺放装置进行详细说明，包括机架、8组铺放组件(包括输送系统与压实、加热系统)、切割系统，以及控制系统，结构如附图2所示。
30.机架为带垂直定位功能支撑板14和工作台15。支撑板14为5000mm
×
800mm
×
10mm的钢板。工作台15为6000mm
×
400mm
×
600mm。支撑板14与工作台15工作面垂直。
31.铺放组件由依次平行设置的放料轴1、铺放导向辊2、加热烘道4、定位辊3、柔性对辊5、隔离膜分离导向辊6和隔离膜收卷辊7组成，铺放导向辊2和定位辊3之间设置加热烘道4，定位辊3上辊面高于柔性对辊5上辊的下辊面，结构如附图3所示，
32.放料轴1为直径76mm的碳钢轴，轴芯长度65mm，采用机械阻尼方式，旋转被动放卷。
33.铺放导向辊2和隔离膜分离导向辊6为直径32mm的碳钢辊，长度50mm。
34.定位辊3为工字型碳钢辊，长度50mm，外缘直径36mm，凹槽直径32mm、宽度对应铺层宽度，基准侧凸缘宽度2mm。以定位辊3靠近支撑板14的凸缘内侧面为基准面，基准面距离支撑板145mm。
35.加热烘道4红外加热，尺寸为300mm
×
150mm
×
100mm，预浸带居中穿过。
36.柔性对辊5为间隙可调的聚四氟乙烯辊，直径80mm，长50mm。辊间隙随层数递增。
37.隔离膜收卷辊7为直径32mm橡胶辊，采用力矩电机，保持5n张力自动收卷。
38.8组铺放组件按带宽40mm、35mm、30mm、25mm、20mm、15mm、10mm和5mm的顺序自左向
右依次固定在支撑板14上，第一组铺放组件不设置加热通道4、柔性对辊5、隔离膜分离导向辊6和隔离膜收卷辊7。定位辊3基准面与柔性对辊5内侧共面(叠层厚度方向基准)，七个柔性对辊5下辊的上辊面共面(铺层方向基准)；第二组铺放组件柔性对辊的间隙为0.45mm，以后每组辊间距增加0.25mm；第一组铺放组件放料轴1逆时针旋转放料，其余铺放组件顺时针旋转放料(放料轴1放料旋转方向与其他组放料轴旋转方向相反，将第一层的隔离膜置于预浸带下面)。
39.柔性压辊8为一对聚四氟乙烯辊，上辊为锥台状，内侧小端(基准端)直径76mm，大端直径80mm，两端面距离40mm，角度2.86
°
。下辊为直径80mm的圆柱辊，其上辊面与水平基准共面，固定在第8组铺放组件右侧的支撑板14上。上辊采用压力辊，施加5
‑
10n的压力，压实楔形预浸料叠层。
40.采用单向调速电机，通过同步带连接方式控制七组柔性对辊5和柔性压辊8等速，牵引速度为2m/min。
41.切割装置由固定在小车11上的无齿锯10和匹配的光电定位感应器13组成，切割长度280mm(与目标产品结构长度相同)。
42.小车11，长250mm，安装在工作台面上，可往复运动，小车11两端对称设置一对由光电定位感应器控制开合的橡胶对辊夹具9(直径32mm，长度为45mm)，下辊上表面以系统基准定位面定位，光电感应信号控制对辊夹具9锁紧、带动小车11与预浸料叠层同步运动、并运行无齿锯10切割预浸料叠层，完成切割后，夹具9弹开、小车11复位。
43.小车11两边、在系统基准面上各设置一组由3个直径32mm，长度50mm的碳钢导辊组成的托辊12。
44.使用时，设置主动辊线速度2m/min，小车的运动速度2m/min，柔性对辊压力5n，无齿锯转速4000转/min，下行上行速度10cm/min。准备并安装等长度的八种宽度的预浸带，开机预热使加热通道4达到预定温度30℃(加热温度与预浸料基体树脂有关)。
45.第一铺层单元(40mm)隔离膜朝下，依次经铺放导向辊2
‑
1、定位辊3
‑
1的凹槽、第二铺层单元的加热烘道4
‑
2引入第二铺层单元的柔性对辊5
‑
2；
46.第二铺层单元(35mm)隔离膜朝上，经铺放导向辊2
‑
2后通过加热烘道4
‑
2、定向辊3
‑
2的凹槽，预浸带与第一铺层单元基准对齐引入柔性对辊5
‑
2，经隔离膜分离导向辊6
‑
2将隔离膜向上牵引到隔离膜收卷辊7
‑
2收卷；
47.第三至第八铺层单元与第二铺层单元相同，依次复合在前一铺层单元上，所有铺层单元复合后，铺层复合结构经过柔性压辊8在5n压力下进一步压实复合，继续向前穿过两组对辊夹具9，当端头触碰到光电定位感应器13后，对辊夹具9夹紧预浸料叠层，使预浸料叠层与无齿锯10同步运行，同时启动无齿锯10切割。完成切割后，对辊夹具9打开，小车带动切割装置复位，完成一个定长尺寸楔形预浸料叠层的铺叠。
48.铺叠过程中，通过光电感应定位的无齿锯10重复切割复位过程，得到一组经连续铺叠并准确切割的定长预浸料叠层(目标产品)。
49.采用该设备和方法制备的预浸料叠层，铺叠整齐、尺寸精度高、无夹杂隔离膜，与手工铺叠相比，废品率低，制品质量显著提高，铺叠效率提高25倍以上。
50.实施例2
51.以横截面等腰梯形的制件为目标产品，其上底宽为60mm，下底为80mm，高为
10.5mm，长度为400mm，由最大宽度为80mm、逐层递减1mm，最小宽度60mm的21个宽度的预浸带依次叠加铺成，预浸带为玻璃纤维/酚醛预浸布带(无隔离膜)，厚度0.5mm。
52.以由21组铺放组件组成的设备为例对本发明涉及的铺放装置进行详细说明，包括机架、21组铺放组件、传送系统，切割系统，以及控制系统，结构如附图4所示。
53.机架为带定位功能和设置了水平输送带18的垂直支撑板14，工作台15，以及切割装置的支撑架。支撑板14为12000mm
×
900mm
×
15mm的钢板。工作台15为12000mm
×
400mm
×
500mm。支撑板14与工作台15工作面垂直。切割装置的支撑架高度为900mm，台面1000mm
×
300mm。
54.铺放组件由依次平行设置的放料轴1、铺放导向辊2、加热烘道4、定位辊3和柔性对辊5组成。铺放导向辊2和定位辊3之间设置加热烘道4，定位辊3上辊面高于柔性对辊5上辊的下辊面，结构如附图5所示，
55.放料轴1为直径76mm的碳钢轴，轴芯长度120mm，采用机械阻尼方式，旋转被动放卷。
56.铺放导向辊2为直径32mm的碳钢辊，长度120mm。
57.定位辊3为直径32mm、长度120mm的碳钢辊，采用两个可以移动位置的定位环20形成定位的凹槽，定位环20内径33mm，外径41mm，厚4mm，宽20mm，环面上中心线上加工一个m5内螺纹通孔，采用前端平头的m5螺丝21固定环的位置，结构如附图6所示。以预浸料叠层(梯形目标产品)对称面为基准(叠层厚度方向)，与支撑板14距离为70mm，调整两个定位环20之间的距离使凹槽与相应预浸带宽度相同，21组定位环20之间的凹槽中线共面，定位环20之间的距离分别为80mm、79mm、78mm、77mm、76mm、75mm、74mm、73mm、72mm、71mm、70mm、69mm、68mm、67mm、66mm、65mm、64mm、63mm、62mm、61mm和60mm。
58.加热烘道4，长宽高为200mm
×
150mm
×
100mm，预浸料带居中穿过，电阻丝加热。
59.柔性对辊5为间隙可调的尼龙辊，直径100mm，长120mm。上对辊向下施加5n压力。
60.21组铺放组件按从80mm到60mm带宽，每组带宽比前一组减少1mm的顺序自左向右依次固定在支撑板14上，第一组铺放组件不包括加热通道4和柔性对辊5。
61.第二组铺放组件柔性对辊5
‑
2的间隙为5.95mm，以后每组辊间距增加0.5mm，20个柔性对辊5下辊的上辊面共面(铺层方向基准)；
62.输送带主动轮16、从动轮17和输送带18组成预浸带/料叠层支撑传送结构。输送带18水平穿过加热烘道4和柔性对辊5。
63.输送带主动轮16、从动轮17，直径200mm，长120mm，距离为11000mm，通过水平微调距离，保证输送带张紧。主动轮16、从动轮17的上表面与柔性对辊5下辊的上表面共面。
64.输送带18为回型pvk输送带，厚5mm，宽100mm，总长22160mm。
65.切割装置由固定在小车11上的平圆刀片(刀具10)和匹配的红外定位感应器13组成，切割长度400mm(待加工工件结构长度)。
66.小车11，长230mm，安装在切割装置支撑架19上，可往复运动，小车11两端对称设置一对由红外定位感应器13控制开合的橡胶夹具9(长宽高100mm
×
30mm
×
30mm)，下辊上表面以系统基准定位面定位，红外感应信号控制对辊夹具9锁紧带动小车11与预浸料叠层同步运动、并运行平圆刀片切割预浸料叠层，完成切割后，夹具9弹开、小车11复位。
67.小车11两边、在系统基准面上各设置一组由5个直径32mm，长度120mm的碳钢导辊
组成的托辊12。
68.使用时，设置主动辊线速度3m/min，小车运行速度为3m/min，平圆刀片转速5000转/min、下行上行速度15cm/min。准备并安装等长度的21种宽度的预浸带，开机预热使加热烘道4达到预定温度50℃(与预浸料基体树脂有关)。
69.第一铺层单元(80mm)，经定位辊3
‑
1的凹槽、铺层导向辊2
‑
1后通过第二铺层单元的加热通道4
‑
2引入第二铺层单元的柔性对辊5
‑
2；
70.第二铺层单元(79mm)，经铺层导向辊2
‑
2后通过加热烘道4
‑
2、定位轮3
‑
2的凹槽，预浸带与第一铺层单元基准对齐引入柔性对辊5
‑
2；
71.第三至第二十一铺层单元与第二铺层单元相同依次复合在前一铺层单元上，所有铺层单元复合后，继续向前穿过两组对辊夹具9，当端头触碰到红外定位感应器13后，对辊夹具9夹紧预浸料叠层，使预浸料叠层与平圆刀片同步运行，同时启动圆刀锯10切割。完成切割后，对辊夹具9打开，小车11带动切割装置复位。
72.铺叠过程中，通过红外定位感应器13定位的平圆刀片重复切割复位过程，得到一组连续铺叠并准确切割的横截面为等腰梯形的定长预浸料叠层(目标产品)。
73.采用该设备和方法制备的预浸料叠层，铺叠整齐，与手工铺叠相比，废品率低，制品质量显著提高，效率提高32倍以上。