自动铺带超声切割技术研究

　　自动铺带技术集预浸带剪裁、定位、铺叠、压实等功能于一体，具有工艺参数控制和质量检测功能的复合材料集成化数控成型技术。自动铺带技术己经被欧美航空制造商广泛采用，应用于多种航空航天构件生产，如机翼（F―22）、全复合材料尾翼（Boeing777）、水平安定面蒙皮（A330/A340）中央翼盒380）11国内自动铺带技术研究较晚，南京航空航天大学和北京航空制造工程研究所先后研制成功了具有自主知识产权的国产自动铺带装备121.航天材料及工艺研究所、南京航空航天大学、北京航空制造工程研究所、北京航空材料研究院和哈尔滨飞机工业公司等单位均对自动铺带工艺技术进行了研究探索134.武汉理工大学和天津工业大学在自动铺带机机构设计分析、控制系统架构与仿真等基础研究方面开展了诸多有益探索141.其中，自动铺带切割技术作为铺带装备的关键技术受到各研究单位的普遍关注。

　　本文以超声切割技术在国产自动铺带机中应用为背景开展研究，并结合实际工况进行超声切割系统极限工况下稳定性和可靠性的评价研究。

　　1自动铺带切割技术自动铺带的核心技术在于铺带过程中预浸带剪裁、定位、铺叠、压实等功能的实现，如何高效高质量实现预浸带的切割操作，是自动铺带技术研究的关键。

　　自动铺带机预浸带有两种切割模式：一是分离剪切模式，即先将预浸带与背衬纸分离，用剪切方式完成预浸带的切割后，再将预浸带与背衬纸重新贴合；一是精密切割模式，即通过精确控制切割深度m利用旋片刀或超声刀完成预浸带的切割，不伤及背衬纸。

　　分离剪切方式难以保证背衬纸与切割后的预浸带重新贴合质量，旋片刀则存在粉尘和噪音污染严重、切割精度较低等问题，且两者难以切割折线边界；超声切割不仅可控性好、切割质量高，且可通过三轴进给系统轻易实现曲面边界的切割，故超声切割己成为自动铺带机预浸带切割的必备技术，在国内外各类型的铺带设备上广泛采用。

　　2超声切割系统超声切割方法利用超声换能器，将电能转化为高频高压的电驱动信号，通过激励压电陶瓷形成机械振动信号，并通过变幅杆放大机械振动位移或速度，从而使变幅杆前端的切割刀附加机械能，利用附加机械作用切断纤维材料。和传统的机械刀具切割、激光切割、水喷射切割相比，超声切割具有纤维切边干净整齐、纤维的损伤程度小、无污染等优点，并可精确控制切割深度，适于具有背衬的预浸带切割。

　　自动铺带超声切割系统主要由超声发生器、超声切割刀和超声切割机械装置三个部分组成。

　　其中，超声振幅由超声发生器、超声切割刀以及控制气缸等共同确定，可通过千分测微器微调切割深度，以适应不同厚度背衬的预浸带的切割；超声切割机械装置具有横向进给W轴、切刀旋转V轴与送带进给U轴3个运动轴，控制超声切割刀的线性运动和角度旋转定位，从而实现各种预浸带边界的切割。

　　3自动铺带过程在复合材料自动铺带成型过程中，首先将铺带头移至铺放轨迹起点，并将预浸带切割成相应形状；预浸带首端切割完成后，再将预浸带首端送至铺带头主压辊处；主压辊将预浸带压实在铺放表面上，此后，铺带头便开始沿轨迹线运动；在铺带头运动至轨迹线上某指定点时，超声切刀转动至特定角度，并下压，开始预浸带末端切割操作；末端切割完成后，主辅压辊进行交换，改用辅压辊压实，并继续铺带至轨迹线末端。

　　铺带头脱离铺放表面，并根据此条预浸带末端切割边界和下一条始端边界的异同，或将预浸带直接输送主压辊处，或将预浸带回卷至指定位置，进行下一条预浸带的首端切割。如所示，铺带轨迹1末端切割角度与轨迹2首端切割角相同，即边界相同，可直接将预浸带输送至主压辊处，而轨迹2和3间的边界不同，则必须将预浸带回卷切割后，再送至主压辊处。

　　最后，将铺带头移至下一铺放轨迹起始点，以便开始新的铺带过程。由自动铺带过程可知，超声切刀工作机制是间歇性的，并不用长时间连续运行。

　　4，各铺层断口光滑，无毛刺。

　　42工况试验为了解超声切割系统在自动铺带过程中的稳定性和可靠性，根据实际工况，自行设计物理仿真试验平台，模拟自动铺带机超声切割的工作状态，如所示。此超声切割仿真平台具有切刀横向移动轴，切刀旋转轴和刀架旋转轴3个运动自由度，且以美国DELTATAU公司的UMAC为平台搭建控制系统，实现超声切刀切割点动操作和各进给轴的运动控制，以及两者间的协调控制致电源频率随切刀温度迅速上升急剧下降；当切割次数在40―80之间，电源频率随切割次数增加，其变化趋势趋于和缓，即切刀刀体温度趋于平衡；当超过80次，刀体温度基本达到热平衡，故超声电源频率不再变化。据此可知，采用风冷降温的措施，可有效控制超声刀体温升问题，保证超声切割系统的稳定性。

　　切割次数风冷状态下电源频率随切割次数的变化42.2可靠性试验为验证自动铺带超声切割系统的可靠性，根据自动铺带机实际工况，在物理仿真平台上进行超声切割刀程控间歇性往复切割试验，相邻切割时间间隔为8S经试验验证，在连续间歇切割1 400次，超声切割系统仍处于稳定工作状态。此程控间歇性往复切割试验每200次切割为一组，共进行了7组。其每次切割完成后，切割电源稳定频率基本上处于同一位置，最大偏差为士10Hz具有较好重复性和可靠性。

　　5结论超声切割是自动铺带切割技术的发展方向。基于自动铺带工况，对超声切割系统的性能进行了实验研究，尤其是对超声切割系统的稳定性进行较深入的分析研究；最终通过超声切割系统可靠性试验，获得了满足自动铺带极限工况需求的超声切割系统控制方案。另外，此超声切割系统的性能仍需在自动铺带机实际工作状态下进行更为深入的研究，使其稳定性和可靠性得以进一步提高。