自動鋪帶超聲切割技術(shù)研究

　　自動鋪帶技術(shù)集預(yù)浸帶剪裁、定位、鋪疊、壓實等功能于一體，具有工藝參數(shù)控制和質(zhì)量檢測功能的復(fù)合材料集成化數(shù)控成型技術(shù)。自動鋪帶技術(shù)己經(jīng)被歐美航空制造商廣泛采用，應(yīng)用于多種航空航天構(gòu)件生產(chǎn)，如機翼（F―22）、全復(fù)合材料尾翼（Boeing777）、水平安定面蒙皮（A330/A340）中央翼盒380）11國內(nèi)自動鋪帶技術(shù)研究較晚，南京航空航天大學(xué)和北京航空制造工程研究所先后研制成功了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)自動鋪帶裝備121.航天材料及工藝研究所、南京航空航天大學(xué)、北京航空制造工程研究所、北京航空材料研究院和哈爾濱飛機工業(yè)公司等單位均對自動鋪帶工藝技術(shù)進行了研究探索134.武漢理工大學(xué)和天津工業(yè)大學(xué)在自動鋪帶機機構(gòu)設(shè)計分析、控制系統(tǒng)架構(gòu)與仿真等基礎(chǔ)研究方面開展了諸多有益探索141.其中，自動鋪帶切割技術(shù)作為鋪帶裝備的關(guān)鍵技術(shù)受到各研究單位的普遍關(guān)注。

　　本文以超聲切割技術(shù)在國產(chǎn)自動鋪帶機中應(yīng)用為背景開展研究，并結(jié)合實際工況進行超聲切割系統(tǒng)極限工況下穩(wěn)定性和可靠性的評價研究。

　　1自動鋪帶切割技術(shù)自動鋪帶的核心技術(shù)在于鋪帶過程中預(yù)浸帶剪裁、定位、鋪疊、壓實等功能的實現(xiàn)，如何高效高質(zhì)量實現(xiàn)預(yù)浸帶的切割操作，是自動鋪帶技術(shù)研究的關(guān)鍵。

　　自動鋪帶機預(yù)浸帶有兩種切割模式：一是分離剪切模式，即先將預(yù)浸帶與背襯紙分離，用剪切方式完成預(yù)浸帶的切割后，再將預(yù)浸帶與背襯紙重新貼合；一是精密切割模式，即通過精確控制切割深度m利用旋片刀或超聲刀完成預(yù)浸帶的切割，不傷及背襯紙。

　　分離剪切方式難以保證背襯紙與切割后的預(yù)浸帶重新貼合質(zhì)量，旋片刀則存在粉塵和噪音污染嚴重、切割精度較低等問題，且兩者難以切割折線邊界；超聲切割不僅可控性好、切割質(zhì)量高，且可通過三軸進給系統(tǒng)輕易實現(xiàn)曲面邊界的切割，故超聲切割己成為自動鋪帶機預(yù)浸帶切割的必備技術(shù)，在國內(nèi)外各類型的鋪帶設(shè)備上廣泛采用。

　　2超聲切割系統(tǒng)超聲切割方法利用超聲換能器，將電能轉(zhuǎn)化為高頻高壓的電驅(qū)動信號，通過激勵壓電陶瓷形成機械振動信號，并通過變幅桿放大機械振動位移或速度，從而使變幅桿前端的切割刀附加機械能，利用附加機械作用切斷纖維材料。和傳統(tǒng)的機械刀具切割、激光切割、水噴射切割相比，超聲切割具有纖維切邊干凈整齊、纖維的損傷程度小、無污染等優(yōu)點，并可精確控制切割深度，適于具有背襯的預(yù)浸帶切割。

　　自動鋪帶超聲切割系統(tǒng)主要由超聲發(fā)生器、超聲切割刀和超聲切割機械裝置三個部分組成。

　　其中，超聲振幅由超聲發(fā)生器、超聲切割刀以及控制氣缸等共同確定，可通過千分測微器微調(diào)切割深度，以適應(yīng)不同厚度背襯的預(yù)浸帶的切割；超聲切割機械裝置具有橫向進給W軸、切刀旋轉(zhuǎn)V軸與送帶進給U軸3個運動軸，控制超聲切割刀的線性運動和角度旋轉(zhuǎn)定位，從而實現(xiàn)各種預(yù)浸帶邊界的切割。

　　3自動鋪帶過程在復(fù)合材料自動鋪帶成型過程中，首先將鋪帶頭移至鋪放軌跡起點，并將預(yù)浸帶切割成相應(yīng)形狀；預(yù)浸帶首端切割完成后，再將預(yù)浸帶首端送至鋪帶頭主壓輥處；主壓輥將預(yù)浸帶壓實在鋪放表面上，此后，鋪帶頭便開始沿軌跡線運動；在鋪帶頭運動至軌跡線上某指定點時，超聲切刀轉(zhuǎn)動至特定角度，并下壓，開始預(yù)浸帶末端切割操作；末端切割完成后，主輔壓輥進行交換，改用輔壓輥壓實，并繼續(xù)鋪帶至軌跡線末端。

　　鋪帶頭脫離鋪放表面，并根據(jù)此條預(yù)浸帶末端切割邊界和下一條始端邊界的異同，或?qū)㈩A(yù)浸帶直接輸送主壓輥處，或?qū)㈩A(yù)浸帶回卷至指定位置，進行下一條預(yù)浸帶的首端切割。如所示，鋪帶軌跡1末端切割角度與軌跡2首端切割角相同，即邊界相同，可直接將預(yù)浸帶輸送至主壓輥處，而軌跡2和3間的邊界不同，則必須將預(yù)浸帶回卷切割后，再送至主壓輥處。

　　最后，將鋪帶頭移至下一鋪放軌跡起始點，以便開始新的鋪帶過程。由自動鋪帶過程可知，超聲切刀工作機制是間歇性的，并不用長時間連續(xù)運行。

　　4，各鋪層斷口光滑，無毛刺。

　　42工況試驗為了解超聲切割系統(tǒng)在自動鋪帶過程中的穩(wěn)定性和可靠性，根據(jù)實際工況，自行設(shè)計物理仿真試驗平臺，模擬自動鋪帶機超聲切割的工作狀態(tài)，如所示。此超聲切割仿真平臺具有切刀橫向移動軸，切刀旋轉(zhuǎn)軸和刀架旋轉(zhuǎn)軸3個運動自由度，且以美國DELTATAU公司的UMAC為平臺搭建控制系統(tǒng)，實現(xiàn)超聲切刀切割點動操作和各進給軸的運動控制，以及兩者間的協(xié)調(diào)控制致電源頻率隨切刀溫度迅速上升急劇下降；當切割次數(shù)在40―80之間，電源頻率隨切割次數(shù)增加，其變化趨勢趨于和緩，即切刀刀體溫度趨于平衡；當超過80次，刀體溫度基本達到熱平衡，故超聲電源頻率不再變化。據(jù)此可知，采用風冷降溫的措施，可有效控制超聲刀體溫升問題，保證超聲切割系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　切割次數(shù)風冷狀態(tài)下電源頻率隨切割次數(shù)的變化42.2可靠性試驗為驗證自動鋪帶超聲切割系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)自動鋪帶機實際工況，在物理仿真平臺上進行超聲切割刀程控間歇性往復(fù)切割試驗，相鄰切割時間間隔為8S經(jīng)試驗驗證，在連續(xù)間歇切割1 400次，超聲切割系統(tǒng)仍處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。此程控間歇性往復(fù)切割試驗每200次切割為一組，共進行了7組。其每次切割完成后，切割電源穩(wěn)定頻率基本上處于同一位置，最大偏差為士10Hz具有較好重復(fù)性和可靠性。

　　5結(jié)論超聲切割是自動鋪帶切割技術(shù)的發(fā)展方向。基于自動鋪帶工況，對超聲切割系統(tǒng)的性能進行了實驗研究，尤其是對超聲切割系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行較深入的分析研究；最終通過超聲切割系統(tǒng)可靠性試驗，獲得了滿足自動鋪帶極限工況需求的超聲切割系統(tǒng)控制方案。另外，此超聲切割系統(tǒng)的性能仍需在自動鋪帶機實際工作狀態(tài)下進行更為深入的研究，使其穩(wěn)定性和可靠性得以進一步提高。