謝林杉，陳浩然，王浩宇

航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))責(zé)任有限公司，成都 610073

自動(dòng)鋪絲技術(shù)是由集成了放卷、導(dǎo)向、傳輸、切割、輥壓等功能的鋪絲頭將數(shù)根預(yù)浸絲束在柔性鋪放壓輥下集束成一條寬度可變的預(yù)浸窄帶，且沿鋪絲軌跡精確鋪放并壓實(shí)定型的復(fù)合材料自動(dòng)化成型工藝技術(shù)[1]。該技術(shù)通過(guò)減小帶寬以增加轉(zhuǎn)向性能從而適應(yīng)復(fù)雜零件的鋪放，主要適用于成型尺寸較大、外形復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件。通過(guò)該技術(shù)可以提高生產(chǎn)效率和零件質(zhì)量，減少變化和不穩(wěn)定性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。由于其優(yōu)異的功能，自動(dòng)鋪絲技術(shù)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家航空復(fù)合材料構(gòu)件首選的先進(jìn)制造技術(shù)[3]。

盡管自動(dòng)鋪絲具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其也有自身的局限性。鋪放零件的復(fù)雜程度、鋪放溫度、鋪放速度、鋪放壓力和纖維張力等工藝參數(shù)對(duì)鋪放質(zhì)量和鋪放效率有很大的影響[4]。特別是雙曲率復(fù)雜回轉(zhuǎn)體，模具曲率的存在導(dǎo)致路徑規(guī)劃中纖維轉(zhuǎn)向值低于一般材料的極限轉(zhuǎn)向半徑，甚至低于1 000 mm，使得鋪放過(guò)程中，絲束出現(xiàn)大量的內(nèi)側(cè)纖維屈曲和氣泡，外側(cè)翻邊等缺陷[5-6]。這些缺陷的存在會(huì)造成富脂或貧膠、厚度超差和強(qiáng)度降低等現(xiàn)象，降低零件的性能及質(zhì)量。阻止大多數(shù)鋪放缺陷形成的關(guān)鍵機(jī)制在于降低材料的極限轉(zhuǎn)向半徑，然而，材料適應(yīng)的極限轉(zhuǎn)向半徑很大程度上取決于預(yù)浸料自身的層間黏結(jié)力、剛性以及鋪放工藝參數(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于自動(dòng)鋪絲工藝參數(shù)及粘性已開(kāi)展過(guò)學(xué)術(shù)研究。李勇等[7]對(duì)NY9200GA環(huán)氧樹(shù)脂體系預(yù)浸料自動(dòng)鋪放粘結(jié)性工藝特性進(jìn)行了研究，探究了溫度、壓力、放置時(shí)間對(duì)粘結(jié)性的影響。馬志濤等[4]以大曲率回轉(zhuǎn)形零件為對(duì)象，研究了鋪絲壓輥性能和鋪絲滾壓力對(duì)絲束鋪放的影響。黃新杰等[8-9]對(duì)NY9200GA材料的工藝參數(shù)對(duì)平面曲線半徑的影響規(guī)律做了研究，且提出了一種鋪放質(zhì)量評(píng)價(jià)方法以表征工藝參數(shù)對(duì)鋪放質(zhì)量的影響。Nima等[5]采用了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究方法以及不同的工藝參數(shù)和轉(zhuǎn)向半徑對(duì)鋪放轉(zhuǎn)向過(guò)程中的缺陷形成過(guò)程進(jìn)行了深入研究。Crossley等[10]研究了工藝參數(shù)、材料粘性以及褶皺缺陷之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)提高溫度、降低速率均可增加粘性，從而提高鋪放質(zhì)量。Zhang等[11]建立了模具表面自動(dòng)鋪絲的鋪放適宜性準(zhǔn)則，從而確定鋪放過(guò)程中的鋪帶寬度。Zhao等[12]研究了工藝參數(shù)與缺陷的關(guān)系，并提出了一種鋪放評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)以滿足圓錐體的鋪放適宜性。雖然目前已對(duì)材料鋪放適應(yīng)性及鋪放缺陷等進(jìn)行過(guò)大量研究，但不同的材料所適應(yīng)的極限轉(zhuǎn)向半徑不同。且國(guó)內(nèi)外缺少面向雙曲率帶凹陷的復(fù)雜回轉(zhuǎn)體的T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料自動(dòng)鋪放性能以及材料性能對(duì)鋪放質(zhì)量影響的研究。同時(shí)受技術(shù)和設(shè)備的限制，大多數(shù)是以平板直線實(shí)驗(yàn)作為研究對(duì)象。雖然部分研究人員[13-14]開(kāi)展過(guò)鋪放工藝參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向半徑影響的研究，但其僅基于預(yù)浸料與鋁板間，而非預(yù)浸料鋪層間。其對(duì)于雙曲率的復(fù)雜回轉(zhuǎn)制件的工程應(yīng)用指導(dǎo)性不大。

本文以平板曲率實(shí)驗(yàn)和復(fù)雜回轉(zhuǎn)體為基礎(chǔ)進(jìn)行材料鋪放性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并獲得最佳T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料。與此同時(shí)，開(kāi)展材料工藝參數(shù)優(yōu)化，研究其工藝參數(shù)(鋪放溫度T、鋪放壓力F、鋪放速度v)在不同轉(zhuǎn)向半徑下對(duì)鋪放質(zhì)量的影響。并提出一種新的鋪放質(zhì)量評(píng)定方法——數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法，從而定量研究材料的層間黏結(jié)力及剛性對(duì)鋪放質(zhì)量的影響，獲得適應(yīng)復(fù)雜回轉(zhuǎn)體的最佳鋪放工藝參數(shù)和極限轉(zhuǎn)向半徑，為復(fù)雜回轉(zhuǎn)體零件高質(zhì)量、高效率制造提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

自動(dòng)鋪絲材料采用單絲寬6.35 mm，單層厚0.125 mm以及含膠量33%的T700級(jí)碳纖維/雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料，背襯為塑料薄膜。用于材料對(duì)比實(shí)驗(yàn)的3種材料的成分一樣，具體差異如下：

T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1：T700級(jí)碳纖維/雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料；T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2：改進(jìn)T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1樹(shù)脂配比工藝以提高其材料自身剛性而來(lái)；T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3：改進(jìn)T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2樹(shù)脂浸潤(rùn)度工藝以提高材料自身層間黏結(jié)力而來(lái)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備分為鋪絲設(shè)備和性能測(cè)試設(shè)備。鋪絲設(shè)備采用的是具有紅外裝置且被動(dòng)送料的八絲六軸自動(dòng)鋪絲機(jī)，共分為鋪絲頭機(jī)構(gòu)、原材料補(bǔ)給機(jī)構(gòu)、模具支撐機(jī)構(gòu)、運(yùn)行導(dǎo)軌和控制系統(tǒng)等部分。性能測(cè)試設(shè)備分為T型剝離測(cè)試儀和懸垂測(cè)試設(shè)備。T型剝離測(cè)試儀采用的是英斯特朗3366拉力機(jī)(10 kN)，數(shù)顯游標(biāo)卡尺(ZGLU0005)，精度為0.000 1。 懸垂測(cè)試直接采用自動(dòng)鋪絲設(shè)備。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

對(duì)3種T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料進(jìn)行懸垂測(cè)試及剝離強(qiáng)度測(cè)試。懸垂測(cè)試采用懸臂120 mm測(cè)試方法，共有8道出絲口，其中1～3道 為T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2，4～6道為T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1，7～8道為T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3。在測(cè)試溫度20 ℃ 和測(cè)試濕度48 %的環(huán)境下，通過(guò)調(diào)整鋪絲頭位置與地面平行，并主動(dòng)送出120 mm預(yù)浸料，靜置1 min，測(cè)量其向下偏移距離或角度，以此來(lái)表征材料的剛性。

剝離強(qiáng)度是通過(guò)T型剝離實(shí)驗(yàn)在測(cè)試溫度21.1 ℃、測(cè)試濕度50.3%、測(cè)試速度200 mm/min、最大位移限制500 mm下測(cè)試所得，以此表征材料的層間黏結(jié)力[15]，測(cè)試方式如圖1所示。

剝離強(qiáng)度公式為

(1)

式中：S為剝離強(qiáng)度，kN/m；f為剝離力，N；d為絲束寬度，mm。

1.2.2 平板曲率實(shí)驗(yàn)

在平板上進(jìn)行材料對(duì)比和工藝優(yōu)化2種實(shí)驗(yàn)。材料對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為了滿足大多數(shù)真實(shí)工裝軌跡規(guī)劃曲率2 000 mm，同時(shí)為了滿足對(duì)復(fù)雜回轉(zhuǎn)體90°典型軌跡的最小轉(zhuǎn)向半徑約900 mm(紅色區(qū)域)的鋪放，如圖2所示。在測(cè)試溫度20 ℃和測(cè)試濕度48%的環(huán)境下，在800 mm×800 mm的平板上進(jìn)行鋪放半徑為800、1 000、1 200、1 500、2 000 、2 500 mm的平板曲率實(shí)驗(yàn)，通過(guò)鋪放質(zhì)量評(píng)定方法對(duì)比3種材料的鋪放性能。

圖1 T型剝離法

圖2 復(fù)雜回轉(zhuǎn)體90°典型軌跡

工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，采用單一變量法研究不同工藝參數(shù)(鋪放溫度T、鋪放速度v、鋪放壓力F)在不同轉(zhuǎn)向半徑下對(duì)鋪放質(zhì)量的影響。據(jù)研究表明鋪放溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致鋪放質(zhì)量的下降，故實(shí)驗(yàn)鋪放溫度T選用20、40、60 ℃[9, 16]。而鋪絲設(shè)備提供的最大鋪放壓力為800 N，實(shí)驗(yàn)鋪放壓力F則選用200、400、600、800 N。與此同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]提供的T700級(jí)碳纖維雙馬來(lái)酰亞胺復(fù)合材料在20～60 mm/s的速度下鋪放效果良好，鋪放速度v選用16、32、48、64、80 mm/s。為了滿足對(duì)復(fù)雜回轉(zhuǎn)體90°典型軌跡的最小轉(zhuǎn)向半徑的鋪放，工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)僅對(duì)轉(zhuǎn)向半徑為800、1 000、1 200 mm的鋪放軌跡進(jìn)行研究。

1.2.3 復(fù)雜回轉(zhuǎn)體驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在復(fù)雜回轉(zhuǎn)體上進(jìn)行材料和工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。針對(duì)材料對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用統(tǒng)一變量法，在相同環(huán)境下，同時(shí)對(duì)3種材料進(jìn)行90°的滿鋪覆實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展放置時(shí)長(zhǎng)對(duì)鋪放質(zhì)量的影響研究，以及3種材料的鋪放性能對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。針對(duì)工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，采用平板曲率實(shí)驗(yàn)所得的最佳工藝參數(shù)基于復(fù)雜回轉(zhuǎn)體進(jìn)行90°滿鋪覆鋪放質(zhì)量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證平板曲率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于復(fù)雜回轉(zhuǎn)體的鋪放的適應(yīng)性[12]。

1.3 鋪放質(zhì)量評(píng)定方法

為了直觀、定量的表達(dá)各種材料的鋪放性能和不同工藝的鋪放質(zhì)量，提出一種新的鋪放質(zhì)量評(píng)定方法，即數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法。實(shí)驗(yàn)存在3種缺陷：氣泡、纖維屈曲和架橋，其中氣泡缺陷通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同轉(zhuǎn)向半徑上出現(xiàn)的氣泡數(shù)量，作為表征材料間黏結(jié)牢固程度的方法之一。其中氣泡個(gè)數(shù)根據(jù)Muhsan和Mehdi[17]采用的“紙膠帶”加“人工”方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，先將紙膠帶沿轉(zhuǎn)向半徑方向粘貼，再經(jīng)過(guò)人工對(duì)貫穿半絲束寬的拱起的氣泡進(jìn)行標(biāo)記計(jì)數(shù)，即對(duì)尺寸大于9×10-6m2的氣泡進(jìn)行了計(jì)數(shù)。架橋缺陷采用架橋率來(lái)表征，纖維屈曲缺陷采用纖維屈曲率來(lái)表征。架橋率和纖維屈曲率均是通過(guò)軟尺進(jìn)行測(cè)量后，再將其依據(jù)式(2) 的統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算：

(2)

式中：P為架橋率(纖維屈曲率)；Di為絲束第i個(gè)架橋(纖維屈曲)缺陷的長(zhǎng)度，mm；n為絲束架橋(纖維屈曲)缺陷總數(shù)；L為鋪放一層所用總長(zhǎng)度，mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 材料對(duì)比實(shí)驗(yàn)

2.1.1 懸垂實(shí)驗(yàn)

圖3為懸臂120 mm的懸垂性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，從圖中可以看出：T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1頂端下垂30 mm，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2和T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3頂端下垂一致，均為10 mm。向下懸垂幅度越大，材料剛性越差，進(jìn)一步說(shuō)明T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2由T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1提高剛性而來(lái)。

圖3 懸垂測(cè)試

2.1.2 T型剝離實(shí)驗(yàn)

圖4為同一工藝條件下3種材料的剝離強(qiáng)度大小關(guān)系圖。從圖中可以看出，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3的剝離強(qiáng)度最大，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1和T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2次之。剝離力的大小與材料的層間黏結(jié)力有關(guān)，剝離力越大，層間黏結(jié)力越大。而材料組成成分一致，則層間黏結(jié)力僅與材料制造工藝有關(guān)，進(jìn)一步佐證T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3由T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2提高層間黏結(jié)力而來(lái)。

圖5為不同鋪放溫度下3種材料的剝離強(qiáng)度。從圖中可以看出，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3的在不同溫度下的剝離強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于另外兩種材料，即黏性最強(qiáng)。且隨著溫度的升高，剝離強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，故溫度鋪放工藝參數(shù)范圍選取在40 ℃左右最佳。

圖4 3種T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料剝離強(qiáng)度

圖5 3種T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料在不同溫度下的剝離強(qiáng)度

2.1.3 平板曲率實(shí)驗(yàn)

圖6為3種材料的纖維屈曲率隨轉(zhuǎn)向半徑的變化曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)向載荷>臨界載荷時(shí)，纖維發(fā)生屈曲。由文獻(xiàn)[17]提出的轉(zhuǎn)向載荷式(3)可知，材料和工藝參數(shù)一定，即α、h、b、E一定，轉(zhuǎn)向半徑越大，轉(zhuǎn)向載荷越小。當(dāng)轉(zhuǎn)向載荷<臨界載荷時(shí)，缺陷消失。而臨界屈曲載荷由材料本身決定。故如圖6所示，對(duì)于同一材料而言，隨著轉(zhuǎn)向半徑的增加，其纖維屈曲率減少。

(3)

式中：Pm為施加在纖維邊緣的最大壓縮載荷；R為轉(zhuǎn)向半徑；b和h分別為纖維絲束的寬度和厚度；E為纖維絲束的楊氏模量；α為分布因子。

對(duì)于不同材料而言，在同一轉(zhuǎn)向半徑下，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2的纖維屈曲率低于T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1，其主要與材料的楊氏模量有關(guān)，而楊氏模量與剛性成正比，剛性越好，楊氏模量越高，轉(zhuǎn)向載荷越大，纖維屈曲缺陷越不容易產(chǎn)生。通常使用轉(zhuǎn)向載荷和臨界載荷來(lái)定義極限轉(zhuǎn)向半徑。從圖6中可以看出，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1和T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2的極限轉(zhuǎn)向半徑均為2 500 mm，說(shuō)明適當(dāng)?shù)脑黾觿傂詫?duì)材料鋪放性能有所改善但影響甚微。而T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3的極限轉(zhuǎn)向半徑降至1 500 mm，這是由于T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3的層間黏結(jié)力最大，在纖維轉(zhuǎn)向中，釋放載荷后，能夠抵抗樹(shù)脂收縮而帶來(lái)的纖維屈曲缺陷，限制纖維收縮變形，故纖維屈曲率急速下降，極限轉(zhuǎn)向半徑急速下降[5]。

圖7為3種材料的氣泡數(shù)量隨轉(zhuǎn)向半徑的變化。由于受纖維屈曲影響，對(duì)于轉(zhuǎn)向半徑低于1 500 mm 以下的氣泡缺陷數(shù)量不進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖7中可以看出，對(duì)于同一材料而言，隨著轉(zhuǎn)向半徑的增加其氣泡數(shù)量呈下降的趨勢(shì)。其中氣泡缺陷是指在一組給定的工藝參數(shù)下，曲率鋪放時(shí)，受壓一側(cè)纖維為釋放過(guò)多的壓縮載荷，減小過(guò)多的儲(chǔ)存內(nèi)能，而在絲束內(nèi)側(cè)形成的一個(gè)由多余材料構(gòu)成的未粘附在底層襯底材料上的拱形缺陷[6, 18]，且該缺陷可以通過(guò)預(yù)壓抽真空或熱封壓進(jìn)行消除[14]。而隨著轉(zhuǎn)向半徑的增大，材料靠近曲率中心一側(cè)的壓縮載荷減小，導(dǎo)致氣泡數(shù)量減少。對(duì)于不同材料而言，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3的氣泡數(shù)量遠(yuǎn)小于T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1和T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2，這與材料自身的層間黏結(jié)力有關(guān)，層間黏結(jié)力越大，在同一轉(zhuǎn)向半徑下，可承載的壓縮載荷越多。

圖6 3種T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料的纖維屈曲率隨轉(zhuǎn)向半徑的變化

圖7 3種T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料的氣泡數(shù)量隨轉(zhuǎn)向半徑的變化

2.1.4 復(fù)雜回轉(zhuǎn)體驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

圖8為材料的架橋率隨靜置時(shí)長(zhǎng)的變化曲線。架橋是由于在曲率鋪放時(shí)，遠(yuǎn)離曲率中心一側(cè)的纖維受拉，難以完全粘附在模具凹面上、R角或斜面上，導(dǎo)致受拉一側(cè)纖維在凹形曲率表面與絲束之間形成翻邊而非拱起的間隙[6]。如圖9真實(shí)鋪放的局部架橋示意圖，其中紅色部分為嚴(yán)重架橋區(qū)域。材料抵抗架橋缺陷出現(xiàn)的時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，下一層的鋪放質(zhì)量和鋪放效率越高，且鋪放操作難度越小[19]。如圖8所示，對(duì)于同一材料而言，隨著靜置時(shí)長(zhǎng)增加，架橋比率呈線性上升趨勢(shì)。這是由于材料表面的黏結(jié)力隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，一方面預(yù)浸料內(nèi)的樹(shù)脂含有固化劑，會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生交聯(lián)，導(dǎo)致預(yù)浸料表層樹(shù)脂逐漸變干，樹(shù)脂流動(dòng)性降低，難以浸潤(rùn)預(yù)浸料間的界面，預(yù)浸料層間的貼合程度降低，黏結(jié)性下降；另一方面，預(yù)浸料置于室溫條件下，碳纖維表面的極性基團(tuán)易與水分子形成氫鍵，導(dǎo)致水分子很容易聚集在聚合物/纖維界面，引起界面脫粘，從而降低預(yù)浸料層間黏結(jié)性[16]。故在室溫下存放的時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)浸料層間黏結(jié)性越小，當(dāng)層間黏結(jié)力小于纖維在轉(zhuǎn)向半徑方向的拉應(yīng)力時(shí)，材料架橋增加。對(duì)于不同材料而言，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3的架橋率小于T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料2和T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料1，即T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3具有更長(zhǎng)的靜置時(shí)長(zhǎng)，這是由于材料3的層間黏結(jié)力更大，可承載更大的拉應(yīng)力，故T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3在保證鋪放的情況下具有更長(zhǎng)的靜置時(shí)長(zhǎng)，更有利于鋪放成型，提高生產(chǎn)效率。

圖10為3種材料在復(fù)雜回轉(zhuǎn)體上的纖維屈曲率的變化。從圖中可以看出，對(duì)于復(fù)雜回轉(zhuǎn)體的鋪放，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3產(chǎn)生的纖維屈曲缺陷最少，這與材料自身的剛性和層間黏結(jié)力有關(guān)。因此，在相同條件下，T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3的鋪放缺陷更少，可靜置時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)，且具有更小轉(zhuǎn)向半徑，極限轉(zhuǎn)向半徑低至1 500 mm。 一方面更符合鋪放復(fù)雜回轉(zhuǎn)體90°典型軌跡極小轉(zhuǎn)向半徑的條件，提高設(shè)計(jì)靈活性；另一方面，對(duì)于后續(xù)鋪層的鋪放質(zhì)量、鋪放效率的提高以及操作難度的降低起到了積極作用。故選用T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3作為鋪放材料，并對(duì)其進(jìn)行工藝參數(shù)研究，獲得鋪放復(fù)雜回轉(zhuǎn)體的最優(yōu)工藝條件。

圖8 3種T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料的架橋比率隨靜置時(shí)長(zhǎng)的變化

圖9 復(fù)雜回轉(zhuǎn)體局部架橋

圖10 3種T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料在復(fù)雜回轉(zhuǎn)體上的纖維屈曲率

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

為了滿足對(duì)復(fù)雜回轉(zhuǎn)體90°典型軌跡的最小轉(zhuǎn)向半徑的鋪放，工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)僅對(duì)轉(zhuǎn)向半徑800 mm、1 000 mm和1 200 mm進(jìn)行了研究。根據(jù)文獻(xiàn)[20]指出：絲束轉(zhuǎn)向半徑高于極限轉(zhuǎn)向半徑時(shí)，影響鋪放質(zhì)量的主要因素為氣泡缺陷；低于極限轉(zhuǎn)向半徑，影響鋪放質(zhì)量的主要缺陷是纖維屈曲缺陷。而材料對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，材料3的極限轉(zhuǎn)向?yàn)? 500 mm，故工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的鋪放質(zhì)量采用纖維屈曲率判定。

2.2.1 鋪放溫度對(duì)鋪放質(zhì)量的影響

圖11為T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3在不同轉(zhuǎn)向半徑R下隨不同鋪放溫度的纖維屈曲率變化曲線圖。溫度不僅會(huì)改變材料的黏性，同時(shí)還會(huì)影響材料的剛性與鋪覆性[21]，室溫不加熱，(20 ℃)時(shí)纖維屈曲率高，其原因是低溫時(shí)樹(shù)脂流動(dòng)性差，材料黏性差，樹(shù)脂的低黏度會(huì)使纖維偏離規(guī)定的曲線路徑并導(dǎo)致樹(shù)脂和纖維的剪切，從而導(dǎo)致絲束在轉(zhuǎn)向鋪放時(shí)缺陷占比較多[22]。隨著鋪放溫度的升高，樹(shù)脂的黏性有所改善，在壓輥?zhàn)饔孟?，有利于?shù)脂沿預(yù)浸料橫向流動(dòng)，使得纖維更好地固定于模具表面，限制纖維收縮變形，纖維屈曲率減小。隨著溫度持續(xù)上升，樹(shù)脂的失效形式發(fā)生轉(zhuǎn)變導(dǎo)致黏性斷崖式下降，導(dǎo)致纖維屈曲率上升[23]。

圖11 不同轉(zhuǎn)向半徑下纖維屈曲率隨鋪放溫度的變化

2.2.2 鋪放壓力對(duì)鋪放質(zhì)量的影響

圖12為不同轉(zhuǎn)向半徑在不同鋪放壓力下的纖維屈曲率變化曲線圖。隨著鋪放壓力的增加，纖維屈曲率呈下降的趨勢(shì)。主要因素在于低壓實(shí)力難以提供層間貼合壓緊所需的浸潤(rùn)接觸，導(dǎo)致纖維偏移轉(zhuǎn)向而帶來(lái)的屈曲。隨著壓力的不斷增大，樹(shù)脂浸潤(rùn)鋪層，材料的黏性增加，預(yù)浸料之間的貼合能力增強(qiáng)，纖維屈曲率減少。當(dāng)鋪放壓力超過(guò)600 N時(shí)，其纖維屈曲缺陷變化不明顯。

圖12 不同轉(zhuǎn)向半徑下纖維屈曲率隨鋪放壓力的變化

2.2.3 鋪放速度對(duì)鋪放質(zhì)量的影響

圖13為不同轉(zhuǎn)向半徑在不同鋪放速度下的纖維屈曲率變化曲線圖。從圖中可以看出，隨著鋪放速度的降低，纖維屈曲率降低。當(dāng)v<32 mm/s時(shí)，纖維屈曲率降至零。其原因是鋪放速度越快，其響應(yīng)鋪放過(guò)程的時(shí)間越少，載荷作用時(shí)間越短，根據(jù)文獻(xiàn)[24]并結(jié)合文獻(xiàn)[25]提出的樹(shù)脂流動(dòng)公式與“樹(shù)脂島”擴(kuò)散模型推導(dǎo)出自動(dòng)鋪放工藝下，樹(shù)脂面積變化率及其影響因素關(guān)系為

(4)

式中：A(t)為樹(shù)脂貼片在t時(shí)刻的面積；A(0)和H(0)為樹(shù)脂貼片在0時(shí)刻的幾何形狀；μ為樹(shù)脂牛頓黏度；Fa為施加在樹(shù)脂貼片上的應(yīng)力。明顯可見(jiàn)，載荷作用的時(shí)間影響貼合質(zhì)量，載荷時(shí)間越短，樹(shù)脂擴(kuò)散不充分，鋪放質(zhì)量下降。且如圖13所示，v=32 mm/s時(shí)T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3的極限轉(zhuǎn)向半徑為1 200 mm，v=16 mm/s時(shí)極限轉(zhuǎn)向半徑降為1 000 mm，接近復(fù)雜回轉(zhuǎn)體最小轉(zhuǎn)向半徑。

2.2.4 復(fù)雜回轉(zhuǎn)體驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過(guò)在平板上的工藝參數(shù)研究可以發(fā)現(xiàn)，鋪放壓力和鋪放溫度的改變對(duì)纖維屈曲缺陷有所改善，但結(jié)合工程應(yīng)用，其調(diào)整范圍窄，纖維屈曲缺陷變化不明顯，且該缺陷的存在會(huì)降低零件的力學(xué)性能，工程上絕不允許。同時(shí)，在上述實(shí)驗(yàn)中的極限轉(zhuǎn)向半徑大于1 500 mm，無(wú)法滿足復(fù)雜回轉(zhuǎn)體90°典型軌跡的最小轉(zhuǎn)向半徑900 mm[26]。再結(jié)合零件鋪放效率，復(fù)雜回轉(zhuǎn)體上僅進(jìn)行鋪放速度對(duì)鋪放質(zhì)量的研究與驗(yàn)證。為了減少架橋缺陷對(duì)鋪放成型、鋪放效率的影響，提出架橋出現(xiàn)時(shí)間以此研究?jī)蓪又g的最佳鋪放間隔時(shí)長(zhǎng)。架橋出現(xiàn)時(shí)間指鋪放完成到首次出現(xiàn)架橋缺陷的時(shí)間間隔。如圖14所示，架橋出現(xiàn)時(shí)間隨著鋪放速度增加而減小，最長(zhǎng)時(shí)間間隔為鋪后2 h，其原因是鋪放速度越快，響應(yīng)鋪放過(guò)程的時(shí)間越少，纖維間無(wú)法得到完全浸潤(rùn)，黏性降低，缺陷增加；另一方面，速度越快，載荷作用時(shí)間越短，缺陷產(chǎn)生的概率越大。經(jīng)90°滿鋪覆驗(yàn)證，如圖15所示，鋪放速度小于32 mm/s時(shí)無(wú)纖維屈曲缺陷產(chǎn)生，與平板實(shí)驗(yàn)基本一致。

圖13 不同轉(zhuǎn)向半徑下纖維屈曲率隨鋪放速度的變化

圖14 不同鋪放速度下的屈曲率和架橋出現(xiàn)時(shí)間

圖15 鋪放效果

3 結(jié) 論

1) 材料的鋪放質(zhì)量與材料自身的剛性和層間黏結(jié)力有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高材料的剛性和層間黏結(jié)力，可以提高材料的鋪放質(zhì)量，其中層間黏結(jié)力對(duì)改善鋪放效果的影響更為顯著。并確定T700級(jí)碳纖維/雙馬樹(shù)脂材料3作為復(fù)雜回轉(zhuǎn)體的鋪放材料。

2) 通過(guò)平板曲率工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究表明，材料的鋪放質(zhì)量與工藝參數(shù)有關(guān)。通過(guò)優(yōu)化鋪放工藝參數(shù)，可以提高材料的鋪放質(zhì)量，降低極限轉(zhuǎn)向半徑。且在鋪放工藝為F=800 N、T=40 ℃、v=16 mm/s的情況下，鋪放適宜的極限轉(zhuǎn)向半徑降至1 000 mm，從而放寬軌跡設(shè)計(jì)的要求，提高材料的設(shè)計(jì)性。

3) 通過(guò)復(fù)雜回轉(zhuǎn)體工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最佳鋪放工藝參數(shù)為F=800 N、T=40 ℃、v=32 mm/s，且在2 h內(nèi)進(jìn)行下層鋪放，以此提高鋪放質(zhì)量及鋪放效率，解決工程化應(yīng)用問(wèn)題。