碳纤维预浸带切割剪裁平台系统研究

自动铺带技术是碳纤维复合材料的重要成型技术。根据最新提出的预浸带切割和铺放分离的"两步法"铺带技术,详细探讨预浸带切割平台的设计方案。设计方案包括预浸带双刀切割试验平台设计和搭建,基于自动铺带轨迹规划软件的双刀切割轨迹算法的研究和切割信息的植入,以及试验探究切割平台双刀切割典型边界所存在的问题及试验误差分析,以期为"两步法"铺带的研究提供基础。     

约束阻尼型镗杆的优化及减振性能

孔加工过程中镗杆的切削颤振影响着表面加工质量和加工精度,约束阻尼型镗杆可有效抑制这种切削振动,但其作用机理未被完全研究清楚,导致其抑制振动的效果一般。对约束阻尼型镗杆的结构优化、材料优选及减振性能进行了理论和实验研究。首先,根据Kelvin-Voigt粘弹性力学模型理论建立了镗杆的动力学模型,研究证实增大镗杆的静刚度和结构损耗因子能提高其减振性能从而提高孔加工质量;其次,基于建立的约束阻尼型镗杆静刚度和结构损耗因子理论公式,对其进行结构优化、材料优选。结果显示:存在一个最佳尺寸范围可减小镗杆在主要工作频域段上的振动,同时所选用的阻尼层应具有较小的弹性模量和较大的材料损耗因子,约束层材料应具有较大的弹性模量;最后,设计制造4种不同材料的约束阻尼型镗杆,通过模态实验获得静刚度、结构损耗因子,并与理论计算结果进行对比分析,同时研究切削过程中约束阻尼型镗杆的材料及切削参数对减振性能的影响。结果显示:约束阻尼型镗杆能有效减小径向振动以提高加工质量,不同材料的约束阻尼型镗杆在切削过程中径向振动差别较大,优化后的钢-PMMA-硬质合金镗杆在不同切深及转速下的径向振动加速度较小且更加稳定。     

高速铣削系统稳定性动态优化新方法

考虑铣削过程中的自激振动和强迫振动,基于延迟微分方程的稳定性判定准则和强迫振动共振区的半带宽理论,提出一种铣削系统稳定性动态优化新方法.该方法通过选择切削参数和修改系统结构参数,在保证加工表面精度的前提下,获得大的稳定性材料去除率.其目标函数是材料去除率,约束条件是铣削过程稳定且非共振,动态优化变量是铣削系统的切削参数和结构参数.优化程序被阐明,实例分析结果显示,系统在稳定非共振条件下,加工时的材料去除率相比于优化前提高了18.86%.另外,为获得最大的稳定材料去除率和较好的表面精度,在铣削系统优化过程中,应同时考虑颤振稳定性和共振的影响.     

约束阻尼型减振镗杆

机械加工过程中刀具的切削颤振是影响加工质量和加工精度的关键因素。为了提高孔的加工质量,设计出一种新型抗振镗杆——约束阻尼型镗杆,该镗杆由镗刀头、基体层、阻尼层和约束层组成。针对约束阻尼型减振镗杆,首先从切削稳定性角度分析,增大镗杆的固有频率、静刚度及阻尼比,能有效提高镗杆的减振性能;其次利用ANSYS有限元分析软件得到各材料层厚度参数对镗杆减振性能的影响因子大小;随后对各参数进行优化分析获得优化的减振镗杆,优化减振镗杆的固有频率和阻尼比均大于普通镗杆,且相同激励下减小振幅可达34%;最后通过实际切削实验检验所设计镗杆的抗振性能,在相同切削条件及刀具悬伸长径比(L/D=6)下,优化减振镗杆所得到的表面粗糙度值较普通镗杆降低50%以上,由此说明约束阻尼型减振镗杆具有更好的抗振性能。     

基于机器视觉与UMAC的自动铺丝成型构件缺陷检测闭环控制系统

为保证自动铺丝成型构件的性能,实现对成型构件表面质量的高效检测,本文基于机器视觉检测技术,自行研发自动铺丝成型构件表面缺陷检测闭环控制系统,使自动铺丝过程中预浸纱之间的间隙或重叠在允许范围内,从而保证铺丝精度。研究主要分为三个部分:铺丝成型构件表面图像提取与缺陷检测,检测数据传输,运动轴反馈控制,实现在自动铺丝过程中对成型构件表面缺陷检测实时闭环控制。针对电荷耦合相机采集到的预浸纱图像存在运动模糊和信噪比低等问题,将图像预处理划分为图像复原和降噪两大功能,根据不同类型的噪声采用对应滤波法进行降噪处理,提高了图像的信噪比,为后续检测提供高质量图像;预浸纱缺陷主要由其边缘直线这一几何特征进行表征,因此通过对预浸纱边缘检测实现缺陷识别;利用工控机向图像采集控制器发送命令实现图像采集,同时通过工控机与运动控制器之间信息流和数据流的交换实现检测数据的传输。探讨模糊控制理论用于闭环控制的研究,在反模糊化环节后面,加入自适应参数调节,以适应加工过程的突变,并成功地应用到自动铺丝缺陷检测闭环控制系统中,提高了伺服跟踪精度和跟踪实时性,从而提高铺丝精度。     

预浸料厚坯超声切割工艺研究

 预浸料厚坯超声切割技术,具有无刀具磨损、加工速度快、加工精度高、无粉尘污染等优势,切割质量优异,在国外已得到了广泛应用,而国内目前仍处于初期研究阶段。本文以航空航天应用为主的碳纤维预浸料厚坯为实验材料,研究了切割温度、切割速度以及切割能量等切割工艺参数对切割质量的影响。研究结果表明,对于一定厚度的预浸料厚坯,最优的切割工艺参数组合:切割温度为5℃,切割速度为1.0 m/min,切割能量为8级。该研究方法与研究成果为超声切割技术在预浸料切割中的应用奠定了基础。     

热塑性树脂基复合材料自动铺带技术

随着热塑性树脂基复合材料在航空航天、汽车及其他领域应用的不断发展,热塑性树脂基复合材料逐渐被认识,并成为复合材料研究开发的重点之一。本研究介绍了国内外热塑性树脂基复合材料的发展现状和趋势,分析了国内外在热塑性树脂基复合材料自动铺带方面的研究现状及其关键技术。     

预浸带的快速热压接技术及其搭接性能研究

为解决预浸带缠绕过程中手工搭接效率低的问题,针对原有缠绕设备,设计了一套预浸带自动快速热压接系统。首先分析了预浸带搭接面张力的重要性,并结合基体树脂的粘流特性,从热力学、动力学角度分析了影响搭接界面层搭接性能的主要因素,通过物理实验,分析了时间、温度及搭接长度对预浸带拉伸剪切强度的影响机制。据此,获得适于热压接系统的工艺参数;并对比手工缝接实验,说明该方案的优越性,对复合材料的自动化成型技术具有一定的指导意义。     

热塑性复合材料原位成型过程铺层间结合强度

连续纤维增强热塑性复合材料自动铺放原位成型可以实现结构件在制造过程中一次成型，而不需进入热压罐后处理，属于"非热压罐"制造技术，故原位成型过程中铺层间的结合强度将直接决定最终结构件的性能。通过建立铺层间紧密接触模型及高温高压下分子链扩散模型，预测原位成型过程中铺层间的结合强度与成型工艺参数之间的关系，对原位成型工艺参数进行优化，并通过试验验证模型的正确性。试验结果表明，模型预测结果与试验结果基本相符，通过计算发现，压辊压力达到1500 N时，铺层间的紧密接触度才能达到1；通过提高升温速率的方式缩短分子链的扩散时间；原位成型试片的层间剪切强度（ILSS）仅达到热压罐成型的70%左右，因此还需对原位成型试片性能的其他影响因素进行分析。