复合材料铺丝头及其剪切刀的制作方法

本实用新型属于复合材料自动铺放成型技术领域，具体提供一种复合材料铺丝头及其剪切刀。

背景技术：

复合材料具有高比强度、高比模量，耐疲劳，减振性好，工艺性好等优点，非常适合先进飞行器的性能要求，因此，在航天航空工业中已经得到了广泛的应用。同时，在其他行业，如体育器材、船舶、高铁等领域，复合材料的用量也在日益增多。

对高曲率轮廓复材整体构件，如飞机机身段，以及其他诸如喷气发动机整流罩、进气道、喷管、锥形管、压气机叶片、圆形或“C”形通道管等椭圆高曲率轮廓整体复材构件，使用复合材料“自动铺带机”设备将难以满足铺放制造的要求。复合材料“自动铺丝机”由于可以对多束窄根丝带进行单独控制，可根据铺放层轮廓形状对丝束进行独立切断控制，可铺放复杂的、甚至带窗口的曲面。因此，对于此类复杂构件，需要使用自动铺丝机来实现铺放加工制造。

铺丝头是复合材料铺丝机最核心的部件，铺丝头的核心功能装置主要实现对多束复材纤维丝束的独立重送、压紧止动、剪切、导向等功能，这是铺丝机实现对复杂轮廓铺放的保障和前提根件。

现有的铺丝头采用的剪切刀刃形结构通常为直刃形(如公布号为CN103496176A公开的导向剪切刀)或者斜刃形(如公布号为CN102963010A公开的斜口刀片)。采用直刃形剪切刀优点是：剪切时间短，剪切过程丝束受力均匀，剪切后的丝束切口比较整齐。缺点是：需要的剪切力大，剪切过程中容易对丝束产生较大的拉力，不容易切断丝束，总体切断率较低。

采用斜刃形剪切刀的优点是：所需剪切力较小，剪切压强大，对于剪切驱动系统的可获得较好的空间优势，同时还可获得很高的丝束的切断率。缺点是：1、剪切过程中产生侧向分力，会将丝束推向导向槽的边缘，容易导致丝束受挤压变形产生褶皱甚至滑出导向槽。2、剪切时间长，斜刃形切刀完全切断丝束需要在刀片运动方向上走更多的行程，在驱动系统速度一定的前提下，所需时间更长。3、铺丝精度差。由于铺放速度不同，较长的剪切时间会导致不同铺放速度情况下，丝束的切断长度不同，影响铺丝精度。4、切口质量不好。由于采用斜刃形剪切刀是一个逐步切断丝束的过程，切断过程，剪切力的侧向分力将丝束推向斜刃一侧，容易产生非直线切口。此外，当大部分丝束被逐渐切断后，剩余的少量丝束容易被拉断，导致切口不整齐。尤其对于高速铺放剪切时，问题表现比较明显。

相应地，本领域需要一种新的复合材料铺丝头及其切刀来解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有复合材料铺丝头的直刃形剪切刀不容易切断丝束以及斜刃形剪切刀容易使丝束受挤压变形产生褶皱甚至滑出导向槽的问题，本实用新型提供了一种复合材料铺丝头的剪切刀，所述剪切刀包括刀体和刀刃，所述刀体的一端设置有开口，所述刀刃沿所述开口的边缘形成。

在上述剪切刀的优选技术方案中，所述开口是V形开口。

在上述剪切刀的优选技术方案中，所述刀刃包括第一刀刃和第二刀刃，所述第一刀刃沿所述V形开口的第一侧边形成，所述第二刀刃沿所述V形开口的第二侧边形成。

在上述剪切刀的优选技术方案中，所述第一刀刃和所述第二刀刃相交。

在上述剪切刀的优选技术方案中，所述第一刀刃和所述第二刀刃都是通过单面研磨工艺形成。

在上述剪切刀的优选技术方案中，所述第一刀刃和所述第二刀刃沿所述剪切刀的行进方向彼此对称。

在上述剪切刀的优选技术方案中，所述开口为多个。

在上述剪切刀的优选技术方案中，所述剪切刀为片状结构。

此外，本实用新型还提供了一种复合材料铺丝头，所述复合材料铺丝头包括至少一个上述剪切刀的优选技术方案中任一项所述的剪切刀。

在上述复合材料铺丝头的优选技术方案中，所述复合材料铺丝头还包括与所述剪切刀相匹配的副剪切刀。

本领域技术人员能够理解的是，在本实用新型的优选技术方案中，通过在刀体的一端设置开口，在开口的边缘上设置刀刃，使得本实用新型的剪切刀在切断复合材料丝束时，能够先将丝束卡在开口内，然后再通过刀刃将丝束切断。由于丝束的两侧被开口的边缘所限制，所以丝束不会发生侧向滑动，滑出导向槽。进一步，由于刀刃是形成在开口的边缘上的，所以当丝束被卡入开口内与刀刃接触时，丝束势必会沿着刀刃的延伸方向滑动，从而更容易切断丝束。

附图说明

下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式，附图中：

图1是本实用新型的剪切刀的应用效果示意图；

图2是在本实用新型第一实施例中剪切刀的结构示意图；

图3是在本实用新型第二实施例中剪切刀的结构示意图；

图4是现有技术中斜刃形剪切刀的受力示意图；

图5是在本实用新型第一实施例中剪切刀的受力示意图；

图6是在本实用新型第二实施例中剪切刀的受力示意图。

附图标记列表：

1、剪切刀；11、刀体；12、V形开口；13、第一侧边；14、第二侧边；15、第一刀刃；16、第二刀刃；2、副剪切刀；3、丝束。

具体实施方式

本领域技术人员应当理解的是，本节实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非用于限制本实用新型的保护范围。例如，虽然附图中的各部件之间是按一定比例关系绘制的，但是这种比例关系并非一成不变，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合，调整后的技术方案仍将落入本实用新型的保护范围。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本实用新型的复合材料铺丝头主要包括剪切刀1和副剪切刀2。其中，剪切刀1和副剪切刀2相匹配。当丝束3需要被切断时，剪切刀1沿图1中向下的方向移动，逐渐靠近副剪切刀2，通过剪切刀1和副剪切刀2对丝束3的挤压将丝束3切断。

需要说明的是，由于复合材料铺丝头是本领域技术人员所熟知的装置，所以本实用新型不再对复合材料铺丝头的其他结构进行介绍。

本领域技术人员能够理解的是，本实用新型的复合材料铺丝头能够同时铺设几根丝束3，本实用新型的复合材料铺丝头就具有几个剪切刀1和几个副剪切刀2。或者本领域技术人员也可以根据需要，使一个剪切刀1对应多个副剪切刀2，或使多个剪切刀1对应一个副剪切刀2。或者本领域技术人员也可以对剪切刀1进行适当变形(下文将进行详细描述)，使一个剪切刀1能够同时剪切多根丝束3。从而使得复合材料铺丝头上剪切刀1的数量少于丝束3的数量。

如图2所示，在本实用新型的第一实施例中，本实用新型的剪切刀1主要包括刀体11、V形开口12和刀刃(15和16)。其中，V形开口12沿剪切刀1的行进方向(图2中剪切刀1的竖向)对称地形成在刀体11的下端。换句话说，V形开口12包括形成在刀体11上的第一侧边13和第二侧边14。进一步，刀刃包括第一刀刃15和第二刀刃16。其中，第一刀刃15形成在第一侧边13上，第二刀刃16形成在第二侧边14上，并且，如图2所示地第一刀刃15的一端和第二刀刃16的一端相交。

在本实施例的优选实施方案中，第一刀刃15和第二刀刃16都是通过单侧研磨工艺使第一侧边13和第二侧边14形成倒角而制成。

继续参阅图2，在本实施例的优选实施方案中，本实用新型的剪切刀1呈片状结构。此外，本领域技术人员也可以根据需要，将剪切刀1设置成其他任意结构，例如，圆柱结构、方形柱结构、梯形柱结构等。

如图3所示，在本实用新型的第二实施例中，与第一实施例不同的是，剪切刀1包括两个V形开口12，并且每一个V形开口12都由上文所述的第一侧边13和第二侧边14形成。进一步，每一个第一侧边13上都形成有上文所述的第一刀刃15，每一个第二侧边14上都形成有上文所述的第二刀刃16。

继续参阅图3，在两个V形开口12中，一个的第一侧边13与另一个的第二侧边14相接，以便减少剪切刀1的宽度。或者本领域技术人员也可以根据需要，使两个V形开口12间隔开来。

此外，虽然图中并未示出，但是，本实用新型的剪切刀1上的V形开口12的数量还可以是其他任意多个，例如三个、五个、八个等。

本领域技术人员能够理解的是，本实用新型的剪切刀1上的V形开口12还可以被其他任意形式的开口替代，例如U形开口、弧形开口、L形开口等。此外，本领技术人员也可以根据需要，将本实用新型的V形开口12以及其他任意形式的开口设置成非对称的形式。这种技术手段的改变并未偏离本实用新型的技术原理，因此都应落入本实用新型的保护范围。

下面参照图4至图6来对本实用新型的剪切刀1的剪切原理进行详细说明。

在此之前需要说明的是：

剪切刀1上每一个刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)的数量之和定义为n；

剪切刀1的刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)的剪切角度定义为ai；

剪切刀1的刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)高度定义为hi；

剪切刀1的刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)宽度定义为di；

剪切刀1的运动速度定义为V切；

剪切刀1切断丝束3的剪切时间定义为t切i；

剪切刀1的剪切行程定义为Li；

丝束3的铺放速度定义为V铺；

剪切时间内丝束3产生的铺丝行程定义为S铺切i；

每个刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)的剪切力定义为Fi；

在x和y方向的分力定义为Fix和Fiy。

其中，i表示第i个刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)。

对剪切刀1切断丝束3时丝束3产生的铺丝行程进行分析：

如图4所示，对于现有技术中的单斜刃形切刀，剪切行程L1＝h，丝束3的切断时间t切1＝L1/V切＝h/V切。飞行剪切时，下切时间产生的铺丝行程为S铺切1＝V铺×t切1＝(V铺/V切)×h。

如图5所示，对于第一实施例中的剪切刀1，剪切行程L2＝h/2，丝束3的切断时间t切2＝L2/V切＝0.5×(h/V切)；飞行剪切时，下切时间产生的铺丝行程为S铺切2＝V铺×t切2＝0.5×(V铺/V切)×h。

如图6所示，对于第二实施例中的剪切刀1，剪切行程L3＝h/4，丝束3的切断时间t切3＝L3/V切＝0.25×(h/V切)；飞行剪切时，下切时间产生的铺丝行程为S铺切3＝V铺×t切3＝0.25×(V铺/V切)×h。

根据上述结果分析，可知t切1＝2t切2＝4t切3，S铺切1＝2S铺切2＝4S铺切3。

对于采用相同剪切速度V切的剪切刀1，V形开口12的数量越多，剪切刀1切断丝束3的时间越短，能够成倍数提高复合材料铺丝头剪切丝束效率。

对于采用相同铺放速度V铺的剪切刀1，V形开口12的数量越多，剪切刀1切断丝束3时，丝束3产生的铺放行程越小，铺放误差越小，提高了复合材料铺丝头的铺放精度。

对于进行高速铺放和飞行剪切的情况，采用多刃形结构(V形开口12上形成的刀刃)的剪切刀1能够有效降低复合材料铺丝头的铺放误差。

对剪切刀1切断丝束3时丝束3所受的剪切力进行分析：

如图4至图6所示，剪切刀1上刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)的切角度为ai＝arctg(hi/di)，在刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)的宽度di保持不变的情况下，减小刀刃的高度hi，可以减小水平方向的分力Fix，有效增加剪切分力Fiy。其中，di＝d/n。

如图4所示，对于现有技术中的单斜刃形切刀，水平方向的分力Fix无法平衡，会对丝束3产生横向推力，容易使丝束3滑出丝束导向槽。

如图5和图6所示，对于第一实施例和第二实施例中的剪切刀1，水平方向的分力Fix能够被左右抵消从而实现平衡，从原理上解决的了丝束3滑出丝束导向槽的问题。

因此，刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)采用相同剪切力Fiy时，角度ai越大，刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)与丝束3的接触面就越小，能够获得的剪切压强就越大，有效提高了丝束切断率。

综上所述，本实用新型通过增大每一个刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)的角度ai，能够增加剪切刀1对丝束3的剪切压强；在剪切刀1的整体宽度不变的情况下，通过设置多个对称刀刃的组合(即第一刀刃15和第二刀刃16所构成的V形刀刃)，能够减小每一个刀刃(第一刀刃15或第二刀刃16)的高度，进而能够缩短整个剪切刀1的剪切行程Li，进而本实用新型的剪切刀1在采用与现有技术中剪切刀相同的剪切速度V切时，能够缩短切断丝束3的剪切时间t切i，并能够优化丝束3的切口质量。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。