趙盼, 史耀耀, 康超, 俞濤, 鄧博, 張宏基, 陳振

(西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 陜西 西安 710072)

由于復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度，高比剛度，輕質(zhì)量，耐腐蝕和易于成型大型零件等優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合材料在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色[1]。作為21世紀(jì)最重要的材料之一，尤其是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，其用量成為了產(chǎn)品先進(jìn)程度的重要指標(biāo)[2]。但是，復(fù)合材料加工的高成本仍是阻礙復(fù)合材料大量應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的主要原因，因此產(chǎn)生了眾多的復(fù)合材料低成本加工技術(shù)，例如樹脂模塑轉(zhuǎn)移成型技術(shù)(RTM)，微波固化技術(shù)，纏繞技術(shù)，鋪放技術(shù)等等[3-7]。其中自動(dòng)鋪放技術(shù)能夠低成本，高性能和高效率地加工復(fù)合材料零件。同時(shí)作為自動(dòng)鋪放技術(shù)的一個(gè)重要分支，機(jī)器人纖維鋪放(RFP)技術(shù)將機(jī)器臂與纖維鋪放單元進(jìn)行結(jié)合，為加工大曲率復(fù)合材料零件增添了更多的優(yōu)勢，包括精確厚度控制，實(shí)時(shí)壓力控制，低孔隙率，大范圍的鋪放角度以及減少材料浪費(fèi)。

基于以上的眾多優(yōu)點(diǎn)，越來越多的學(xué)者對(duì)機(jī)器人纖維鋪放技術(shù)進(jìn)行研究，尤其是過程參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響。Khan等人針對(duì)鋪放速度、模具溫度、壓實(shí)力等過程參數(shù)，對(duì)復(fù)合材料質(zhì)量的表征，層間粘結(jié)發(fā)展和過程參數(shù)優(yōu)化方法等方面進(jìn)行了研究[8]。Bendemra等人研究使用力控制單元來設(shè)置和監(jiān)測所施加的壓實(shí)力，并對(duì)自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)的操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示可以實(shí)現(xiàn)壓力低波動(dòng)，壓力控制裝置用于自動(dòng)纖維放置具有可行性[9]。Grouve等人對(duì)帶鋪放過程中工藝參數(shù)、制品質(zhì)量和層間粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在激光器的作用下，可以高速度和低輸入功率獲得優(yōu)良的粘合質(zhì)量[10]。文瓊?cè)A等人針對(duì)自動(dòng)鋪帶成型工藝過程，分析了自動(dòng)鋪帶成型過程中溫度對(duì)預(yù)浸料鋪放效果的影響。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自動(dòng)鋪帶過程中溫度對(duì)預(yù)浸料粘附性和帶寬變形均有影響[11]。段玉剛等人通過實(shí)驗(yàn)研究了復(fù)合材料鋪放過程中壓緊力、預(yù)浸帶加熱溫度及芯模溫度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明壓緊力與加熱溫度對(duì)層間剪切強(qiáng)度影響很大[12]。Zhao等人針對(duì)熱塑性復(fù)合材料機(jī)器人纖維鋪放多層結(jié)構(gòu)零件建模，提出了提高層間粘結(jié)均勻性的方法[13]?？傊?，復(fù)合材料制品性能受到壓輥壓力，鋪放速度，熱氣炬溫度，預(yù)浸料絲束表面粗糙度、芯模溫度等因素的影響。

從以上眾多學(xué)者的研究看出，復(fù)合材料成型過程工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料零件性能影響的研究引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注。但是在實(shí)際零件成型過程中多個(gè)工藝參數(shù)耦合作用影響和優(yōu)化的研究還較少。在實(shí)際加工過程中，除了常規(guī)過程工藝參數(shù)外，針對(duì)不同的零件加工過程，零件形狀與尺寸等參數(shù)也會(huì)對(duì)成型過程以及參數(shù)的選擇有影響。本文通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，分析了影響復(fù)合材料機(jī)器人纖維鋪放圓柱類零件軸向0°鋪放的關(guān)鍵過程參數(shù)，并利用響應(yīng)面法對(duì)多個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)耦合影響進(jìn)行研究，從而得到該零件最佳的復(fù)合材料機(jī)器人纖維鋪放過程工藝參數(shù)。

1 機(jī)器人纖維鋪放成型過程分析

1.1 成型過程與接觸粘結(jié)理論分析

如圖1所示，在機(jī)器人纖維鋪放制造工藝中，復(fù)合材料預(yù)浸纖維絲束從卷軸箱經(jīng)過引導(dǎo)輪進(jìn)入鋪放單元，隨后進(jìn)入冷卻室中通過氮?dú)饫鋮s以防止預(yù)浸纖維絲束粘附到引導(dǎo)槽中。經(jīng)過引導(dǎo)槽，預(yù)浸纖維絲束被熱氣炬加熱到黏性狀態(tài)，從而有助于絲束粘附到基材上。最終，黏性狀態(tài)下的預(yù)浸纖維絲束通過壓輥施加的壓力與基底層壓件表面粘合，同時(shí)在接觸界面處擠出層間的空氣，減少層間氣泡的產(chǎn)生。機(jī)器人纖維鋪放過程實(shí)際上是復(fù)合材料預(yù)浸纖維絲束通過機(jī)器臂帶動(dòng)鋪放單元，按照預(yù)定的軌跡逐層地鋪貼粘合到基底層壓材料表面上的過程。

圖1 復(fù)合材料機(jī)器人纖維鋪放成型過程

由于預(yù)浸纖維絲束的特殊制造工藝導(dǎo)致其具有不規(guī)則表面。基于Lee和Springer的基礎(chǔ)模型, Khan提出不規(guī)則復(fù)合材料表面可以由一系列相等大小的矩形組成的表面表示[8]。在鋪放過程中，預(yù)浸纖維絲束通過熱氣炬加熱到給定溫度，并且通過壓輥施加法向壓力進(jìn)行鋪層，因此纖維絲束表面的幾何形狀將變形。圖2給出了在經(jīng)受來自壓輥壓力之前和之后，預(yù)浸纖維絲束和基底表面之間的接觸界面上的幾何形狀變化[14]。

圖2 預(yù)浸纖維受壓前后界面幾何形狀變化

在圖2a)中，c0是預(yù)浸纖維絲束的初始厚度,a0是矩形單元的初始高度,b0是矩形單元的初始寬度,w0是2個(gè)相鄰矩形單元之間的初始距離;圖2b)中,a是經(jīng)歷壓輥壓力之后矩形單元的高度,b是經(jīng)歷壓輥壓力之后矩形單元的寬度,w是經(jīng)歷壓輥壓力之后兩相鄰矩形單元之間的寬度。 參數(shù)w0,a0和b0可以使用預(yù)浸纖維絲束的隨機(jī)橫截面顯微照片測量?；谠撃Ｐ?該界面的緊密接觸程度Dc可以表示如下[4]:

(1)

在鋪放過程中,假設(shè)每個(gè)矩形元件的體積是恒定的[13]:

V0=a0b0=ab

(2)

接觸程度Dc可表示如下[14]:

(3)

式中，Papp是壓輥在接觸區(qū)域中單位面積施加的壓力,μmf是纖維與樹脂混合物在加熱溫度下的粘度。tc是壓力作用的時(shí)間,其可以定義如下:

(4)

式中，V是鋪設(shè)速度,Wc是壓輥和基底之間的接觸寬度。

在預(yù)浸纖維與基底緊密接觸后,樹脂融合過程開始。當(dāng)溫度達(dá)到一個(gè)特定溫度,接觸界面處的樹脂分子鏈穿過接觸面相互糾纏融合[15]。融合程度表示如下[13]:

(5)

式中，ta是融合過程時(shí)間,k為基于溫度的常數(shù)。na為一個(gè)常數(shù)。層間粘結(jié)程度可以作為層間粘結(jié)強(qiáng)度的度量,其表達(dá)如下[8]:

Db=DcDh

(6)

總之,通過改變壓輥壓力、鋪放速度、熱氣焰炬溫度來直接改變層間粘結(jié)強(qiáng)度。

1.2 圓柱芯模對(duì)鋪放工藝過程的影響

在鋪放過程中,壓輥壓力由RFP鋪放單元的壓實(shí)缸提供,并通過橡膠壓輥施加到預(yù)浸絲束表面。圖3、圖4給出了由于壓力作用橡膠壓輥與圓柱零件接觸變形而形成的鋪放區(qū)域。

圖3 鋪放過程中壓輥與基體的接觸區(qū)域徑向剖面圖

圖4 鋪放過程中壓輥與基體的接觸區(qū)域軸向剖面圖

其中Dr是壓輥的直徑,d是壓輥安裝軸直徑,L是壓輥長度,Lc是壓輥與芯軸接觸弧長在水平方向的投影長度,h是壓輥在壓力法向方向上的變形長度,Rm是圓柱形芯軸半徑,α是變形邊界與法向的夾角。由于壓輥材料本身的特殊性,壓輥在壓力作用下的變形,隨著下壓力的增大而增大,當(dāng)橡膠達(dá)到最大的壓縮量時(shí),不再變形。

橡膠壓輥由硅橡膠制成。由于這種材料的非線性特性,壓輥的變形形狀是不規(guī)則的。圓柱芯模的直徑不同也將影響壓輥與芯模接觸區(qū)域的大小。針對(duì)某尺寸芯模,利用玻璃纖維預(yù)浸材料的黏性和透明性,通過實(shí)驗(yàn)可得到鋪放接觸區(qū)域如圖5a)所示,通過不同壓力實(shí)驗(yàn)可得到壓輥?zhàn)冃螀^(qū)域橢圓形接觸面的長Lc、寬Wc與壓輥壓力之間的關(guān)系如圖5b)所示。

圖5 壓輥與基體接觸面形狀及與壓力的關(guān)系

從圖5b)中能得出壓輥接觸面積隨壓輥壓力的增大而增大,達(dá)到一定壓縮極限后趨于穩(wěn)定。接觸橢圓的長、寬邊長度的擬合曲線方程為:

Lc=pLc1H3+pLc2H2+pLc3H+pLc4

(7)

Wc=pWc1H3+pWc2H2+pWc3H+pWc4

(8)

式中,pLc1為0.037 7,pLc2為-0.987 8,pLc3為8.430 5,pLc4為1.522 8;pWc1為0.049 2,pWc2為-1.152 4,pWc3為8.934 5,pWc4為-3.775 3。

基于方程(4)和(8),機(jī)器人纖維鋪放圓柱類零件的緊密接觸程度可表示如下:

(9)

根據(jù)上述機(jī)器人纖維鋪放層間粘結(jié)過程理論分析,圓柱零件0°纖維鋪放制品的層間粘結(jié)強(qiáng)度,由熱氣炬溫度,壓輥壓力,鋪放速度來耦合影響。因此,本文對(duì)熱氣炬溫度,壓輥壓力,鋪放速度對(duì)其粘結(jié)質(zhì)量的影響規(guī)律進(jìn)行研究,并進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參數(shù)優(yōu)化

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品與設(shè)備

該實(shí)驗(yàn)采用的復(fù)合材料為玻璃纖維/聚丙烯樹脂預(yù)浸料絲束,其平均寬度為 3.175 mm,平均纖維束厚度為0.25 mm。從顯微照片,可以測量2個(gè)單元之間的初始高度,長度和間隙。使用尼康ECLIPSE E200光學(xué)顯微鏡,可以獲得預(yù)浸絲束的橫截面顯微照片,如圖6所示。

圖6 預(yù)浸纖維絲束橫截面纖維照片

絲束表面不均勻,因此進(jìn)行若干隨機(jī)測量以獲得這些元素的平均值,如表1所示。

表1 a0, b0, w0測量值

機(jī)器人纖維鋪放實(shí)驗(yàn)設(shè)備是將6自由度的Yaskawa Motoman SK120工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手與纖維鋪放單元進(jìn)行組合。該機(jī)械手的可達(dá)空間從896 mm到2 573 mm,最大允許有效載荷為120 kg。在纖維鋪放單元和端部執(zhí)行器之間,安裝力/扭矩傳感器單元用以測量在機(jī)器人纖維鋪放過程期間的壓輥壓力,其也可以用作反饋裝置以檢查施加到基體表面的實(shí)際壓輥壓力。針對(duì)工藝要求,用于分析的樣品采用0°層疊鋪放,實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為(19±2)℃,濕度為(32±3)%。由于2層間粘合的緊密程度,直接反映了粘結(jié)的質(zhì)量。所以利用剝離力來量化反應(yīng)機(jī)器人纖維鋪放制品的粘結(jié)性能。作為2層之間粘合的剝離測試平臺(tái)由具有2 kN壓力傳感器的Mini-Instron 5848和專用夾具組成,如圖7所示。楔形物的厚度為1.5 mm,其用于以50 mm/min速度對(duì)測試樣品進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)。

圖7 剝離實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)以圓柱零件0°纖維鋪放制品的層間粘結(jié)強(qiáng)度為目標(biāo),鋪放過程中的熱氣炬溫度,壓輥壓力,鋪放頭鋪放速度為變量,使用響應(yīng)面法原理中的Box-Behnken Design原理對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。響應(yīng)面的建模與分析使用Design Expert 8.0.6.1軟件。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的17組獨(dú)立實(shí)驗(yàn)與結(jié)果如表2所示。

根據(jù)響應(yīng)面法設(shè)計(jì)的17組實(shí)驗(yàn)所得的層間粘結(jié)強(qiáng)度結(jié)果,得出各參數(shù)對(duì)層間粘結(jié)強(qiáng)度影響的二次回歸模型如下所示:

(10)

表3 響應(yīng)面二次多項(xiàng)式回歸模型方差分析

方差分析的結(jié)果如表3所示,其中模型項(xiàng)p值小于0.05,說明此模型中y值與回歸方程的關(guān)系顯著。并且失擬項(xiàng)大于0.05,說明所得方程與實(shí)際擬合中非正常誤差所占比例小。從表3中得出,此模型有效,且誤差較小。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值與中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行t-檢驗(yàn),T統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明,中心實(shí)驗(yàn)點(diǎn)層間剝離力(22.9)和部分重復(fù)實(shí)驗(yàn)層間剝離力(15.4)差異極顯著(p<0.01),說明實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

2.3 多參數(shù)耦合優(yōu)化分析

在壓力較小的情況下,預(yù)浸纖維與基體表面無法緊密貼合,即使鋪放速度很低也很難提高其結(jié)合強(qiáng)度。隨著壓力的升高,試件的層間粘結(jié)強(qiáng)度明顯增加,但過高的鋪放壓力會(huì)將熔融狀態(tài)下的樹脂基體擠出,使預(yù)浸纖維產(chǎn)生較大變形,最終產(chǎn)生纖維接觸現(xiàn)象,影響產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量。在鋪放壓力適宜的情況下,鋪放速度過快會(huì)減少鋪放壓力的作用時(shí)間,不能有效地使預(yù)浸纖維粘合在基體表面,制品層間孔隙率過高,影響最終制品質(zhì)量。而過慢的鋪放速度,雖能明顯增加壓力作用在預(yù)浸纖維和基體接觸面上的時(shí)間,提高層與層之間的粘結(jié)強(qiáng)度,但會(huì)顯著降低加工效率。壓輥壓力與鋪放速度耦合作用對(duì)層間粘結(jié)強(qiáng)度影響的響應(yīng)面與等高線如圖8所示,當(dāng)鋪放壓力在10～14 N,鋪放速度在100～145 mm/min時(shí),其層間粘結(jié)強(qiáng)度最佳。

圖8 壓力與速度耦合作用對(duì)層間剝離力的影響

在適宜的鋪放速度下,較低的熱氣炬溫度無法使樹脂聚合物基體達(dá)到熔融狀態(tài),影響預(yù)浸纖維絲束和基體表面的聚合物分子鏈的擴(kuò)散程度,即使鋪放速度很慢也很難提高接觸面上的粘結(jié)強(qiáng)度。隨著熱氣炬溫度升高,試件的層間粘結(jié)強(qiáng)度顯著提高,但過高的溫度會(huì)使樹脂變質(zhì),影響制品性能。鋪放頭速度與熱氣炬溫度耦合作用對(duì)層間粘結(jié)強(qiáng)度影響的響應(yīng)面與等高線如圖9所示,當(dāng)溫度在200～275 ℃,鋪放速度在100～145 mm/min時(shí),制品的層間粘結(jié)強(qiáng)度最佳。

圖9 溫度與速度耦合作用對(duì)層間剝離力的影響

在熱氣炬溫度較低的情況下,樹脂粘度高,過小的鋪放壓力無法有效地將接觸過程中產(chǎn)生的氣泡從結(jié)合處擠出,制品孔隙率升高,導(dǎo)致層間粘結(jié)強(qiáng)度明顯下降。隨著熱氣炬溫度的升高,樹脂粘度不斷降低,當(dāng)熱氣炬溫度過高且鋪放壓力過大時(shí),會(huì)將樹脂從層間結(jié)合面的兩側(cè)擠出,使纖維絲束的厚度變小且寬度增加。伴隨著樹脂擠出過多,最終兩層的增強(qiáng)纖維接觸,2層預(yù)浸纖維絲束層間粘結(jié)強(qiáng)度顯著降低。鋪放壓力與熱氣炬溫度耦合作用對(duì)層間粘結(jié)強(qiáng)度影響的響應(yīng)面與等高線如圖10所示,當(dāng)溫度為200～275 ℃,壓輥壓力為10～14 N時(shí),其層間粘結(jié)強(qiáng)度較好。

圖10 溫度與壓力耦合作用對(duì)層間剝離力的影響

通過響應(yīng)面法進(jìn)行多參數(shù)耦合分析,結(jié)合回歸函數(shù)模型,對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,機(jī)器人纖維鋪放圓柱形零件0°成型過程中,達(dá)到零件層間粘結(jié)強(qiáng)度最優(yōu)的工藝條件為:壓輥壓力11.5 N,熱氣炬溫度215.3℃,鋪放速度126.6 mm/min。根據(jù)此模型預(yù)測的表征層間粘結(jié)強(qiáng)度的層間剝離力為23.4 N,據(jù)此優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行5次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),結(jié)果為23.5,23.8,24.2,23.9,24.7 N,平均層間剝離力為24.1 N,最大偏差為5 %。

3 結(jié) 論

1) 針對(duì)圓柱類零件加工過程,綜合分析了機(jī)器人纖維鋪放工藝過程參數(shù)熱氣炬溫度T,壓輥壓力F,鋪放速度V對(duì)制品層間粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

2) 對(duì)橡膠壓輥與圓柱類零件0°接觸過程進(jìn)行分析研究,得出接觸壓力與接觸區(qū)域之間的變化關(guān)系。

3) 利用響應(yīng)面法3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)鋪放質(zhì)量的耦合作用進(jìn)行分析,驗(yàn)證了二次回歸模型的準(zhǔn)確性,對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:以層間粘結(jié)強(qiáng)度為目標(biāo),在本實(shí)驗(yàn)條件下的最優(yōu)鋪放工藝參數(shù)為壓輥壓力11.5 N,熱氣炬溫度215℃,鋪放速度126 mm/min時(shí)鋪放制品層間粘結(jié)強(qiáng)度最好,其平均層間剝離力為24.1 N。