Nomex蜂窝夹层复合材料自动铺丝成型工艺研究

发布时间：2020-08-20 19:31

【摘要】：Nomex蜂窝芯-碳纤维面板夹层结构复合材料作为结构效率最高的构件形式之一广泛应用于航空、航天、轨道交通领域。从国内外的研究现状可知国外已有开展Nomex蜂窝夹层结构复合材料自动铺放成型的案例;国内目前尚未开展相关的研究,对于此类构件的成型大多是采用手糊成型工艺。本文以直升机的应用为背景对Nomex蜂窝夹层结构复合材料的自动铺丝成型工艺进行研究,针对蜂窝芯侧压变形和蜂窝斜削边缘预浸料丝束架桥两个问题,主要研究内容包括:(1)分析Nomex蜂窝芯侧压变形的成因和影响因素,并探索避免侧压变形的解决方案。从Nomex蜂窝芯的各向异性和自动铺放压力、施压倾角等角度分析了蜂窝芯侧压变形的成因;探索胶膜预粘接工艺以增强阳模成型工艺中蜂窝芯的侧向承压能力,并获得了铺放压力窗口;提出阴模成型工艺避免了蜂窝芯的侧压变形。(2)分析蜂窝芯斜削边缘预浸料丝束架桥的成因和影响因素,并探索减小或避免丝束架桥的解决方案。对丝束架桥的影响因素:铺放压力、铺放张力和压辊弹性模量进行了单因素实验和正交实验设计,确定其对架桥尺寸影响的主次顺序;获得了阳模成型的最佳铺放工艺方案以减小架桥尺寸,并提出阴模工装倒角处理方案以避免丝束架桥。(3)根据蜂窝芯材料外形尺寸和预浸料厚度精确设计加工了阴模工装,探索局部零张力铺放技术,确定内蒙皮的铺放压辊宽度。对自动铺丝轨迹点进行判定处理,并用圆柱螺线拟合送丝长度,实现了局部零张力铺放技术;针对45度铺层更加复杂的架桥,采用有限元分析确定内蒙皮的最佳铺放压辊宽度。(4)采用两种工装进行自动铺丝实际铺放验证。为研究丝束架桥对最终制件质量的影响,并验证阴模成型工装对于避免侧压变形和丝束架桥的效果,对两种工艺最终制件的表面质量、斜削区截面和斜削位置的弯曲力学性能进行对比,确定适合自动铺丝成型Nomex蜂窝夹层结构复合材料的成型工艺。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332
【图文】：

蜂窝夹层结构,复合材料

由于装配或是局部刚度和强度的增强需要，蜂窝夹层结构Nomex 蜂窝夹层结构复合材料，因其比刚度高、质量轻等优点，成之一，尤其是斜削蜂窝夹层结构复合材料在航空领域应用更为广泛强国为纲领的新时代，国内航空制造业需要快步发展对航空结构材的要求。而从国内外的生产和研究现状可知，国外已有开展 Nome铺丝成型的案例；国内目前尚未开展相关的研究，对于此类构件成艺，实现该结构形式的自动化成型具有重要的工程意义[3]。蜂窝夹层结构复合材料的特点结构复合材料是由刚度和强度比较高的两块复合材料蒙皮之间夹放为支撑，使用专用胶膜或树脂粘接成一体的整体结构，如图 1.1 高，所以长时间以来受到航天、航空、轨道交通等领域的关注[5]，ex 蜂窝夹层结构复材已经在飞机的主要构件中广泛应用，如机翼罩等部件。

蜂窝芯

（a）A380 中使用的 Nomex 蜂窝材料（b）飞机残骸中的蜂窝夹层碎片图 1. 2 Nomex 蜂窝芯在飞机上的应用1.1.3 蜂窝夹层结构复合材料的成型方法1.1.3.1 蒙皮的铺放成型Nomex 蜂窝斜削边是常见的外形形式，蜂窝毛坯的加工可使用带锯片的专用切机或是铣床加工到所需厚度[19]。如果所需蜂窝型面复杂，则采用高速铣头、无齿铣刀的数控铣床加工。对蜂窝厚度不大的曲面，可采用内热弯成形，不同蜂窝芯的热弯成形温度范围不尽相同，一般在180~200℃范围。蜂窝芯边缘一般应倒角，以避免侧压变形。蜂窝芯加工完成后，其在外蒙皮表面的定位可以通过激光投影设施来辅助完成[20]。蜂窝夹层结构蒙皮（面板）的成型过程是将预浸单向带或是预浸织物按照铺层设计要求逐层铺叠在模具表面或是蜂窝芯表面后完成固化或是胶接。由于 Nomex 蜂窝芯材是典型的各向异性材料，为自动铺放成型增加了难度，目前国内夹层复合材料自动化成型技术也没有足够的工程经验，从国内的生产和研究现状来看，国内的飞机制造商对于 Nomex 蜂窝夹层结构的蒙皮成型大多采用

示意图,铺丝,示意图,铺放

结合了自动缠绕技术和自动铺带技术的优势改进而来的一自动铺丝装备系统的核心是铺丝头和 CAD/CAM/CAE 软各式机床或是机器人外加控制系统作为自动铺丝的硬件部根预浸窄带分别进行夹持、切断和重送操作，这个特点使时的增减铺放预浸窄带的根数，更加适合于具有边界不规至之间边缘时可以通过切断所有纱束来避免材料的浪费；丝束紧密排列的丝带，输送到压辊下方，在加热装置和压辊面的铺层上，如图 1.3 所示。自动铺丝用预浸纱丝束的宽实际铺放的使用宽度为 3.175mm（1/8 英寸）、6.35mm 条轨迹通常可以同时完成数根预浸纱束的铺放，目前的自的同时铺放。目前，商用自动铺丝机最大的直线铺放速度 2m/s2，铺放效率最高可达 50kg/h 以上。自动铺丝的 CA关键模块，CAD 部分可以实现数模软件（如 CATIA）到机床需要实现路径转为 NC 程序；CAE 部分可实现自动铺

【参考文献】