自动铺丝成型中的铺放温度控制技术研究

张洋，姚锋，郑广强，周晓芹，黄威



自动铺丝成型中的铺放温度控制技术研究

张洋，姚锋，郑广强，周晓芹，黄威

（中航复合材料有限责任公司，北京 101300；中航工业复合材料技术中心，北京 101300）

通过研究自动铺丝过程中不同加热功率对铺放温度的影响，测试加热功率设定引起的铺放温度的变化情况。在设定加热功率的情况下，研究了加热功率速度与铺放温度的关系，完成自动铺丝成型铺放温度控制技术研究。试验结果表明，提高加热功率，铺放平均温度增加；设定加热功率60%（900 W）时，提高加热功率速度，铺放温度平均值趋于平稳。

复合材料；自动铺丝；铺放温度；控制技术

1 技术背景介绍

先进树脂基复合材料由于具有高比强度和比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、便于大面积整体成型等特点，已经成为继铝合金、钛合金之后最重要的一类航空航天结构材料[1，3]。这种材料应用在飞机上时，可实现15%～30%的减重效益，其用量已经成为判断航空结构先进性的重要指标与评判标准。先进树脂基复合材料在航空结构中的应用部位，从最初的次承力结构逐渐扩展到机翼、机身等航空主承力结构，其用量和减重效果已经成为评价飞机先进性的重要因素。国外先进复合材料在大型飞机结构上的用量已经达到甚至超过50%，例如波音787飞机复合材料用量为50%，其机身和机翼主要结构几乎全部由复合材料制造；空客A350复合材料用量从最初的37%提高到52%，主要应用在机翼、机身、垂尾、平尾等结构中[2]。随着复合材料的大量应用，大型整体化结构制件的数量和复杂程度不断增加，原有的手工铺放工艺在制造效率及质量稳定性控制等方面已经无法满足大尺寸复杂结构制件的成型需求，对复合材料自动化成型制造技术提出了迫切的需求，成为世界强国竞相发展的核心技术。

自动铺丝成型技术是目前先进复合材料自动化制造技术的典型代表，是在纤维缠绕技术和自动铺带技术的基础上发展起来的一种独特的复合材料全自动化成型制造技术[4]，特别适合大型复杂复合材料结构的高精度自动化成型制造，可以显著提高复合材料制造的成型效率及质量稳定性，例如国外B787和A350的机身均是采用自动铺丝成型技术制造，随着飞机主承力构件上自动化工艺应用比例的不断提高，大尺寸复杂结构部件的高效稳定制备成为可能，因此，自动铺丝技术成为目前最有效的自动化成型工艺手段。目前国内复合材料自动铺丝成型制造技术处在起步阶段[5-6]，为了实现高效铺放及提高铺放质量，需要进一步优化铺放工艺参数，特别是铺放温度参数的优化，现有的铺丝设备主要通过调节铺丝头前端加热源的加热功率来间接调节铺放温度，为了保证铺放工艺过程的平稳，有必要针对铺放加热功率大小及速度与铺放温度的关系开展研究，为后续开展自动化铺放工程应用，奠定良好基础。

2 实验材料及方法

2.1 测试材料制备

材料名称及牌号：CYCOM，X850高温环氧铺丝预浸料；材料规格：6.35 mm×800 m；数量：32筒。

2.2 试验设备及过程

选择国内首台高架桥式铺丝机为铺放温度控制测试平台，设备型号为ATLAS FP，最大调用丝束为32束（单束宽为6.35 mm）。

3 试验结果分析

3.1 加热功率对铺放温度的影响

选择X850高温环氧预浸丝束为铺放原材料，利用大型高架桥结构铺丝设备进行验证，设定铺放速度为100 mm/s，加热功率速度为15 m/min，铺放长度为1 000 mm，通过铺丝设备自带控制软件，分别设定加热功率为600～1 500 W。开展铺放工艺测试，观察铺放运动工艺过程中铺放温度的变化情况，其中铺放温度通过铺丝头前端温度传感器实施测量并显示，通过设定不同的加热功率，在铺放测试过程中实时测量铺放温度的大小并记录。

3.1.1 加热功率为600～900 W

设定铺放加热功率在600～900 W之间变化时，在铺放过程中通过铺丝头前端传感器测试铺放温度并记录，试验结果表明，在起始铺放阶段（1～5 s），铺放温度变化波动较大，这是由于在铺放开始阶段，铺丝头依次经历接触模具、加热灯启动、切送纱动作协调等阶段，这时铺放速度较低，较易引起铺放温度波动剧烈；其中加热功率较低（600 W）时，铺放温度增幅较为平稳，加热功率较高（900 W）时，铺放温度增幅明显；在平稳铺放阶段（7～11 s），铺放温度波动减小，完成铺放并且铺放运动停止后加热灯关闭存在一定的时间差，因此在铺放结束阶段铺放温度均小幅增加。其中设定的加热功率越大，在平稳铺放阶段铺放温度越高，波动性越小。

3.1.2 加热功率为1 050～1 500 W

调节加热功率在1 050～1 500 W变化时，在起始铺放阶段（1～5 s），铺放温度增幅较大；在后续稳定铺放阶段（7～11 s），铺放温度波动减小；当加热功率设定为1 050～1 200 W时，在平稳铺放阶段铺放温度差异减少，说明加热功率在此范围内调节时，铺放温度差异变化较小；与前述低功率测试结果相同，在铺放运动停止的瞬间，铺放温度均小幅增加。其中设定加热功率越大，稳定铺放阶段平均铺放温度越高。

3.2 加热功率速度对铺放温度的影响

在开展加热功率大小对铺放温度影响的试验过程中发现，加热功率不同，加热速度（即加热功率速度）会对铺放温度的大小产生影响；其中，加热功率速度指在加热功率不变的情况下，铺放过程中加热至指定功率所需要的时间。设定加热功率速度越大，表示铺丝设备达到设定功率需要的时间越短；反之越长。因此在确定加热功率的情况下，通过优化加热功率速度，可以提高铺放效果，实现稳定铺放。

设定铺放速度为100 mm/s，加热功率为60%（900 W），铺放长度为1 000 mm，研究加热功率速度在5～60 m/min区间变化时引起的铺放温度变化情况；同理，铺放温度通过铺丝头前端温度传感器进行测量，下面分别针对低速（5～15 mm/min）、中速（20～30 mm/min）、中高速（35～45 mm/min）及高速（50～60 mm/min）四种情况进行讨论。

3.2.1 低加热功率速度（5～15 mm/min）

设定加热功率速度为5～15 mm/min时，记录铺放过程中温度的变化。试验结果表明：不同的加热功率速度条件下，在起始铺放阶段（1～6 s），铺放温度均先增加后减小，其中加热功率速度越小（例如5 mm/min），铺放温度增幅越大（例如5 mm/min情况下铺放温度增加约55 ℃），而加热功率速度越大时（例如15 mm/min），铺放温度增幅减小（例如15 mm/min情况下铺放温度增加约40 ℃）；在稳定铺放阶段（7～11 s）铺放时，不同的加热功率速度引起的铺放温度变化基本一致，与前述分析原因一致，在停止铺放的瞬间，由于运动的停止，加热停止存在时间差，引起铺放温度在铺放最后阶段小幅增加，其中不同的加热功率速度引起的铺放温度变化基本一致。

3.2.2 中加热功率速度为（20～30 mm/min）

设定加热功率速度为20～30 mm/min时，记录铺放过程中温度的变化。试验结果表明：设定中加热功率速度为20～30 mm/min时，在起始铺放阶段（1～6 s），铺放温度同样表现为先增加后减小，其中加热功率速度不同，引起的铺放温度增幅差异减小，例如加热功率速度为20 mm/min时，铺放温度增加约34 ℃；加热功率速度为25 mm/min时，铺放温度增加约31 ℃，加热功率速度为30 mm/min时，铺放温度增加约32 ℃，说明在中加热功率速度为20～30 mm/min的条件下，铺放温度增幅差异基本保持在3 ℃范围内，说明在此范围内设定加热功率速度时对铺放温度的影响较小。

在稳定铺放阶段（7～11 s）铺放时，与低加热功率速度下结论基本一致，不同的加热功率速度引起的铺放温度变化差异不大，同理，在停止铺放的瞬间，由于运动的停止，加热功率的关闭存在时间差，因此铺放温度在最后出现小幅增加，不同的加热功率速度引起的铺放温度变化基本一致。

3.2.3 中高加热功率速度（35～45 mm/min）

设定加热功率速度在35～45 mm/min区间变化时，记录铺放过程中温度的变化。试验结果表明：当设定加热功率速度为35～45 mm/min时，在起始铺放阶段（1～6 s），加热功率速度为35/45 mm/min时，铺放温度出现先增加后减小，其中加热功率速度为35 mm/min时，铺放温度增加约36 ℃；加热功率速度为45 mm/min时，铺放温度增加约30 ℃；加热功率速度为40 mm/min时，铺放温度增幅约15 ℃；说明加热功率速度设定为40 mm/min时不会引起铺放温度的较大波动。

在稳定铺放阶段（7～11 s）铺放时，加热功率速度为40 mm/min时铺放温度波动最小，铺放温度基本保持在42 ℃；同理，在停止铺放的瞬间，由于运动的停止，加热功率的停止存在时间差，因此铺放温度在最后出现小幅增加，不同的加热功率速度引起的铺放温度变化基本一致。

3.2.4 高加热功率速度（50～60 mm/min）

设定加热功率速度为50～60 mm/min时，记录铺放过程中温度的变化。试验结果表明，设定加热功率速度（50～60 mm/min）时，在起始铺放阶段（1～6 s），加热功率速度为55/60 mm/min时，铺放温度出现先增加后减小的现象，其中加热功率速度为55 mm/min时，铺放温度增加约35 ℃；加热功率速度为60 mm/min时，铺放温度增加约35 ℃，两者基本一致；加热功率速度为50 mm/min时，铺放温度基本保持不变，说明此时的加热功率速度引起的铺放温度变化很小。在稳定铺放阶段（7～11 s）铺放时，设定加热功率速度为55 mm/min时铺放温度波动最小，铺放温度保持在35 ℃左右；同理，在停止铺放的时，铺放运动与加热功率存在时间差，引起铺放温度在最后阶段出现小幅增加，不同的加热功率速度引起的铺放温度变化基本一致。

4 结论

通过研究得出以下结论：①加热功率在600～1 500 W变化时，起始阶段铺放温度波动剧烈，平稳铺放阶段铺放温度变化趋于平稳，其中加热功率较高时（900～1 500 W），平稳铺放时铺放温度波动更为平稳；②加热功率速度的大小对铺放温度会产生影响，在起始铺放阶段，中低速（5～35 m/min）及高速（45～60 m/min）情况下，铺放温度均出现先增大后减小的现象，波动幅度较大；中速（40 m/min）时，铺放温度增幅平稳，波动幅度较小；在平稳铺放阶段，中低速（5～30 m/min）时，稳定铺放温度趋于一致；中高速（35～60 m/min）时，稳定铺放温度差异较大。

［1］邢丽英，包建文，礼嵩明，等.先进树脂基复合材料发展现状和面临的挑战［J］.复合材料学报，2016（7）：1327-1338.

［2］吴志恩.A350的复合材料构件制造［J］.航空制造技术，2013（13）：32-35.

［3］李斌太，邢丽英，包建文，等.先进复合材料国防科技重点实验室的航空树脂基复合材料研发进展［J］.航空材料学报，2016（3）：92-100.

［4］张洋，钟翔屿，包建文.先进树脂基复合材料自动丝束铺放技术研究现状及发展方向［J］.航空制造技术，2013（Suppl 2）：131-136，140.

［5］黄文宗，孙容磊，张鹏，等.国内复合材料自动铺放技术发展［J］.航空制造技术，2014（16）：84-89.

［6］文立伟，肖军，王显峰，等.中国复合材料自动铺放技术研究进展［J］.南京航空航天大学学报，2015（5）：637-649.

2095－6835（2019）02－0001－02

TB33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.001

张洋，工学硕士，主要从事先进树脂基复合材料自动丝束铺放技术研究工作。

〔编辑：严丽琴〕