張洋，姚鋒，鄭廣強，崔郁，包建文

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自動鋪絲用預浸絲束搭接工藝控制技術研究

張洋，姚鋒，鄭廣強，崔郁，包建文

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300；中航工業(yè)復合材料技術中心，北京 101300）

為了研究自動鋪絲用預浸絲束接頭搭接工藝對拉脫力的影響，通過測試搭接長度、貼合溫度及壓力等搭接工藝條件下拉脫力的大小，得到滿足自動鋪絲工藝要求的絲束搭接優(yōu)化參數(shù)，避免自動絲束鋪放過程中絲束斷開，實現(xiàn)穩(wěn)定鋪放。試驗結(jié)果表明，在搭接壓力為0.3～0.4 MPa，溫度為30～60 ℃的條件下，設定預浸絲束搭接長度在30～90 mm變化時，瞬時拉脫力數(shù)值先增加后減小，其中搭接長度在80～85 mm時達到最大值；在搭接長度80 mm，搭接壓力0.3 MPa的條件下，設定貼合溫度為40 ℃時瞬時拉脫力數(shù)值達到最大；預浸絲束接頭搭接瞬時拉脫力大小及絲束斷裂形式與測試速度有關，設定測試速度在5～50 mm/min變化時，瞬時拉脫力數(shù)值逐漸增大，但是測試速度在15～20 mm/min時絲束開裂形狀規(guī)則。

自動鋪絲；預浸絲束；接頭工藝；拉脫力

1 技術背景介紹

高性能復合材料以其獨特優(yōu)異的性能在軍用、民用領域得到快速應用和發(fā)展，復合材料的用量已經(jīng)成為飛機先進性的重要指標，例如第四代機中的F-22復合材料占結(jié)構重量的24%，法國Rafale占40%，瑞典JAS39占30%，歐洲EF2000則大于40%，F(xiàn)35接近50%[1].隨著先進復合材料在主承力及復雜外形結(jié)構制件的廣泛應用，對復合材料自動化成型技術提出了迫切需求。

自動鋪絲成型技術由于對制件的適應性大大增強，鋪放自由度更大，特別適合復雜結(jié)構制件的成型制造[2]，得到了廣泛應用。國外復合材料自動鋪絲技術已經(jīng)成熟[3-4]，在航空典型結(jié)構件的應用包括V-22飛機的后機身、F22及F35戰(zhàn)斗機的復合材料S形進氣道、波音787機身段、A380后機身（如圖1所示）等部件。因此，該技術成為開展復合材料自動化成型制造的必然選擇。

圖1 A380后機身段自動鋪絲成型

自動鋪絲成型技術與手工鋪放最大的不同點是使用特定規(guī)格寬度的窄帶絲束進行自動化鋪疊[5]，為了保證制件連續(xù)成型的需要，絲束的長度必須滿足制件尺寸的需要，為了保證窄帶絲束的長度滿足要求，通常采用絲束續(xù)接的方式制備。為了保證絲束在鋪放過程中不會斷開，需要針對接頭搭接工藝開展研究，優(yōu)化絲束接頭制備工藝參數(shù)，保證絲束質(zhì)量滿足鋪放工藝要求，實現(xiàn)鋪放工藝過程的自動化。

2 實驗材料及方法

2.1 測試材料制備

預浸絲束名稱：國產(chǎn)T800碳纖維增強環(huán)氧樹脂基預浸料；牌號：AC531/CCF800-133-35%；單層厚度為0.125 mm；寬度為6.35±0.125 mm；制造廠家為中航復合材料有限責任公司。

制備預浸絲束搭接試樣時，兩側(cè)絲束長度為100 mm，兩段絲束的搭接距離為，分別設定不同的數(shù)值.

接頭搭接示意如圖2所示，完成不同工藝條件下的絲束搭接試樣制備。按照不同工藝條件制備的待測絲束如圖3所示，待測單根絲束搭接如圖4所示。

圖2 接頭搭接示意注意單位空

2.2 試驗設備及過程

拉脫力測試設備為微機控制電子萬能試驗機；型號為CMT6104；最大測力為10 kN。

使用拉脫力測試設備，將按照不同工藝制備的絲束進行拉脫力測試，將測試得到了拉脫力數(shù)值進行記錄，研究不同工藝條件對絲束接頭拉脫力的影響。

圖3 待測絲束搭接拉脫試樣

圖4 待測單根絲束搭接示意

3 試驗結(jié)果分析

3.1 搭接長度對絲束拉脫力的影響

在預浸絲束接頭壓力分別為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa的情況下，測試搭接長度與拉脫力之間的關系。

3.1.1 搭接壓力為0.3 MPa

設定預浸絲束接頭搭接壓力為0.3 MPa、貼合溫度為30～40 ℃的條件下，分別制備搭接長度為30～90 mm的待測預浸絲束搭接試樣，利用電子萬能試驗機進行拉脫力測試。試驗結(jié)果表明，隨著絲束搭接長度的增加，拉脫力先增加后減小，其中搭接長度為80 mm時達到最大，貼合溫度為30 ℃時拉脫力為283.9 N，貼合溫度為40 ℃時拉脫力為311.7 N，但是在搭接長度為75 mm時絲束拉脫力出現(xiàn)下降；搭接長度大于80 mm后，拉脫力減小，說明在此過程中搭接長度對拉脫力的大小的影響減弱。

保持預浸絲束接頭搭接壓力為0.3 MPa不變，在貼合溫度為50～60 ℃的條件下，制備搭接長度為30～90 mm的待測預浸絲束搭接試樣。試驗結(jié)果表明，隨著絲束搭接長度的增加，拉脫力開始增加，但是在搭接長度為60 mm時拉脫力開始減小，說明在這種情況下貼合溫度的升高減弱了搭接長度對拉脫力的影響；在搭接長度大于60 mm的情況下，拉脫力隨著搭接長度的增加而繼續(xù)增大。

3.1.2 搭接壓力為0.4 MPa

提高預浸絲束接頭搭接壓力至0.4 MPa、貼合溫度為30～40 ℃條件下，分別制備搭接長度為30～90 mm的待測預浸絲束搭接試樣，利用電子萬能試驗機進行拉脫力測試。試驗結(jié)果表明，隨著絲束搭接長度的增加，拉脫力大小線性增加，其中貼合溫度為40 ℃、搭接長度為90 mm時達到最大343 N；而貼合溫度為30 ℃、搭接長度為85 mm達到最大341 N，兩者幾乎一致；說明預浸絲束搭接壓力在0.4 MPa的情況下，絲束拉脫力大小對貼合溫度不敏感；在此過程中搭接長度對拉脫力的大小起主要影響作用。同理，貼合溫度為50～60 ℃條件下，隨著絲束搭接長度的增加，拉脫力基本線性增加；其中貼合溫度為50 ℃、搭接長度為85 mm的情況下拉脫力達到最大值390.3 N；貼合溫度為60 ℃、搭接長度為80 mm的情況下拉脫力達到最大值418.1 N。

3.1.3 搭接壓力0.5 MPa

提高預浸絲束接頭搭接壓力至0.5 MPa、貼合溫度為30～40 ℃條件下，制備搭接長度為30～90 mm的待測預浸絲束搭接試樣，利用電子萬能試驗機進行拉脫力測試。試驗結(jié)果表明，隨著絲束搭接長度的增加，拉脫力開始線性增加，當搭接長度大于60 mm時拉脫力出現(xiàn)較大波動，其中貼合溫度為30 ℃、搭接長度為85 mm時達到最大值341 N；而貼合溫度為40 ℃、搭接長度為90 mm時達到最大值350 N。

當貼合溫度為50 ℃時，隨著絲束搭接長度的增加，拉脫力線性增加（搭接長度小于70 mm），搭接長度大于70 mm時，拉脫力大小變化劇烈，并在搭接長度為90 mm時拉脫力達到最大值393.6 N；貼合溫度為60 ℃、搭接長度為80 mm的情況下拉脫力達到最大值366.2 N。

3.1.4 小結(jié)

搭接壓力在0.3～0.5 MPa變化時，絲束拉脫力大小總體隨著搭接長度的增加而增大；當貼合溫度較低時（30～40 ℃），在0.4 MP壓力條件下，絲束拉脫力隨著搭接長度的增加線性增加；在0.3 MPa、0.5 MPa貼合壓力條件下，隨著絲束壓力搭接長度增大，拉脫力大小波動劇烈，說明較高或較低的貼合壓力影響了搭接長度對拉脫力的影響。

搭接壓力在0.3～0.5 MPa變化時，當貼合溫度較高時（50～60 ℃），隨著絲束搭接長度增加，拉脫力大小波動劇烈，受到搭接壓力和貼合溫度的雙重影響，絲束搭接長度的增加對拉脫力的大小影響減弱。

搭接壓力在0.3～0.5 MPa變化時，最大拉脫力平均值逐漸增大并趨于平穩(wěn)，具體結(jié)果如表1所示。

3.2 貼合溫度對絲束拉脫力的影響

前述通過測試，設定貼合壓力為0.3～0.5 MPa，貼合溫度在30～60 ℃區(qū)間變化時，最大拉脫力及相應搭接長度如表1所示。

通過分析表1可知，搭接長度在80～90 mm區(qū)間范圍內(nèi)時，絲束搭接拉脫力最大，因此，下面重點研究搭接長度在80 mm范圍內(nèi)，貼合溫度與拉脫力大小之間的關系。測試結(jié)果表明，當貼合壓力為0.3 MPa時，隨著貼合溫度的升高，拉脫力大小出現(xiàn)先增加后減小，最后又增加的趨勢，拉脫力大小波動變化明顯；當貼合壓力為0.4 MPa時，隨著貼合溫度的升高，拉脫力先減小，隨后線性增加；當貼合壓力為0.5 MPa時，貼合溫度升高時，拉脫力先減小，隨后增加，但是此時由于貼合壓力與溫度的共同作用下，拉脫力增加幅度變?。毁N合溫度在30～50 ℃范圍變化時，拉脫力在貼合壓力0.4 MPa下最大；例如貼合溫度為40 ℃、貼合壓力為0.4 MPa時，拉脫力最大值為309.7 N。因此，預浸絲束拉脫力的大小與貼合溫度的關系會受到貼合壓力大小的影響。

表1 貼合壓力、溫度對最大拉脫力的影響

貼合壓力/MPa貼合溫度/℃最大拉脫力/N平均值/N搭接長度/mm 0.330283.9282.780 40311.780 50217.185 60318.190 0.430341373.185 4034390 50390.385 60418.180 0.530341362.785 4035090 50393.690 60366.280

3.3 貼合壓力對絲束拉脫力的影響

設定絲束搭接溫度為30～50 ℃，搭接長度為80 mm，絲束貼合壓力在0.1～0.5 MPa變化時，測試絲束拉脫力的大小。測試結(jié)果表明，當貼合溫度為30 ℃時，隨著貼合壓力的增加，拉脫力先減小后增大，說明在貼合壓力較小時（0.1～0.3 MPa），貼合壓力的增大不能保證層間有效貼合，引起拉脫力下降；貼合壓力大于0.3 MPa時，貼合壓力的增加引起拉脫力增加，但是過大的壓力反而引起拉脫力下降；提高貼合溫度為40 ℃時，隨著貼合壓力的增加，拉脫力減小的幅度變小，說明在此貼合溫度范圍內(nèi)，貼合壓力的變化會引起拉脫力太大變化；進一步提高貼合溫度至50 ℃，貼合壓力在0.1～0.3 MPa之間變化時，拉脫力急劇降低，但是貼合壓力在0.3～0.5 MPa時，拉脫力又急劇增加，說明此時拉脫力受到貼合溫度、貼合壓力的雙重作用，拉脫力大小變化劇烈，狀態(tài)很不穩(wěn)定。

3.4 測試速度對絲束拉脫力的影響

在絲束拉脫力測試過程中，發(fā)現(xiàn)測試時的運動速度會對拉脫力的大小產(chǎn)生影響，因此，下面設定貼合壓力為0.3 MPa，絲束搭接溫度為40 ℃，在絲束搭接長度為70 mm、75 mm、80 mm，測試速度在5～50 mm/min區(qū)間變化時，完成絲束拉脫力大小數(shù)值的記錄，測試結(jié)果表明，隨著測試速度的增加，拉脫力逐漸增大；在測試速度較低時（5～15 mm/min），拉脫力與測試速度表現(xiàn)出線性關系，測試速度越大拉脫力越大；測試速度為15～20 mm/min時，拉脫力變化幅度穩(wěn)定；測試速度＞20 mm/min，拉脫力繼續(xù)增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，但是，測試速度過快時，會造成纖維撕裂、錯位等，因此測試速度一般選擇5～15 mm/min較為理想。

4 結(jié)論

得出的結(jié)論如下：①搭接壓力為0.3～0.5 MPa時，絲束拉脫力大小總體隨著搭接長度的增加而增大；當貼合溫度較低時（30～40 ℃），在0.4 MP壓力條件下，絲束拉脫力隨著搭接長度的增加線性增加；在0.3 MPa、0.5 MPa貼合壓力條件下，隨著絲束壓力搭接長度增大，拉脫力大小波動劇烈，說明較高或較低的貼合壓力對拉脫力產(chǎn)生了影響；②當貼合溫度較高時（50～60 ℃），隨著絲束搭接長度增加，受到搭接壓力和貼合溫度的雙重影響，拉脫力大小波動劇烈，絲束搭接長度的增加對拉脫力的大小影響減弱；③搭接壓力在0.3～0.5 MPa變化時，最大拉脫力平均值逐漸增大并趨于平穩(wěn)；④搭接壓力在0.3～0.5 MPa，貼合溫度在30～50 ℃范圍變化時，拉脫力先減小后增加，最后趨于平穩(wěn)；⑤絲束拉脫力大小受到測試速度的影響，拉脫力與測試速度基本呈線性關系，測試速度為15～20 mm/min，拉脫力測試結(jié)果穩(wěn)定。

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2095－6835（2018）24－0022－03

V261.97

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.022

張洋，工學碩士，主要從事先進樹脂基復合材料自動絲束鋪放技術研究工作。

〔編輯：嚴麗琴〕