本發(fā)明涉及一種熱塑性復(fù)合材料原位成型，具體涉及一種高溫?zé)崴苄詮?fù)合材料原位成型裝置及加工方法，尤其適用于peek熱塑性復(fù)合材料原位成型加工。

背景技術(shù)：

1、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的復(fù)合材料主要分為熱固性復(fù)合材料與熱塑性復(fù)合材料；其工藝是通過設(shè)備將帶狀材料通過螺旋纏繞的方式纏繞在芯模表面，通過層層堆積的方式成型，雖然，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料應(yīng)用較多，但由于其成型過程需在熱壓罐中進(jìn)行固化，既降低了生產(chǎn)效率，也增加了制造成本；而且熱壓罐的成本隨其體積的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，故無法生產(chǎn)大尺寸的復(fù)合材料部件，極大限制了其應(yīng)用。這使得連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料逐步成為航空航天裝備制造領(lǐng)域的首選材料之一。

2、目前，由于采用自動(dòng)鋪纏成型方法制備的熱塑性復(fù)合構(gòu)件較傳統(tǒng)熱壓成型方法制備的構(gòu)件具有大量缺陷，其層間強(qiáng)度僅為傳統(tǒng)方法的50％-90％。其中，peek碳纖維復(fù)合材料等性能更高，原位成型更困難的材料的缺陷更加突出；如對(duì)peek碳纖維復(fù)合材料的鋪放質(zhì)量不好，鋪放效率不高，給熱塑性復(fù)合材料成型加工帶來不便。

3、目前的熱固性復(fù)合材料是通過纏繞，固化，再纏繞，再固化如此往復(fù)循環(huán)的方式進(jìn)行生產(chǎn)，纏繞需要使用纏繞設(shè)備，固化需要固化爐，所以產(chǎn)品需要在這個(gè)過程中在不同工位往復(fù)切換，極大降低了生產(chǎn)效率與成型精度；為此，需要針對(duì)熱塑性復(fù)合材料，可以在纏繞的同時(shí)完成固化過程，免去傳統(tǒng)工藝切換工位的過程，即稱為原位成型。

4、新型內(nèi)容

5、本發(fā)明的目的是提供一種高溫?zé)崴苄詮?fù)合材料原位成型裝置及加工方法，為熱塑性復(fù)合材料成型加工的過程中，提供一種多重輔助加熱原位成型裝置，能在纏繞的同時(shí)完成固化過程，免去傳統(tǒng)工藝切換工位的過程，提高鋪放質(zhì)量和鋪放效率。

6、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明有如下技術(shù)方案：

7、本發(fā)明的一種高溫?zé)崴苄詮?fù)合材料原位成型裝置，包括：法蘭1，法蘭轉(zhuǎn)接板201，連接板12，以及安裝在連接板上的壓力控制機(jī)構(gòu)3，放卷機(jī)構(gòu)4，張力機(jī)構(gòu)5，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)6，熱電偶加熱機(jī)構(gòu)7，重送機(jī)構(gòu)8，剪切機(jī)構(gòu)9，輥壓機(jī)構(gòu)11，激光加熱機(jī)構(gòu)10；所述法蘭與法蘭轉(zhuǎn)接板201連接，法蘭轉(zhuǎn)接板201與連接板12連接；所述壓力控制機(jī)構(gòu)3位于連接板12背面，用于給輥壓機(jī)構(gòu)提供壓力；所述放卷機(jī)構(gòu)4位于連接板12的端部，用于向高溫?zé)崴苄詮?fù)合材料的鋪纏位置輸送預(yù)浸帶；所述張力機(jī)構(gòu)5位于放卷機(jī)構(gòu)后方，用于調(diào)節(jié)預(yù)浸帶上施加的張力；所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)6位于張力機(jī)構(gòu)5與輥壓機(jī)構(gòu)11中間，用于將預(yù)浸帶從張力機(jī)構(gòu)導(dǎo)入輥壓機(jī)構(gòu)的工位上；所述熱電偶加熱機(jī)構(gòu)7位于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上方，且與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)部分重合，通過接觸式加熱的方式使預(yù)浸帶在通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)緩慢升溫；所述重送機(jī)構(gòu)8位于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中間，用于在剪斷預(yù)浸帶后重新將預(yù)浸帶輸送至輥壓機(jī)構(gòu)下合適的位置；所述剪切機(jī)構(gòu)9位于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中間，重送機(jī)構(gòu)后方，用于在需要經(jīng)過跳點(diǎn)時(shí)將預(yù)浸帶剪斷；所述激光加熱機(jī)構(gòu)通過角度調(diào)整組件安裝在連接板上，加熱預(yù)浸帶使其到達(dá)粘結(jié)溫度；所述輥壓機(jī)構(gòu)10位于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)后，在裝置的末端，用于將由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)引導(dǎo)過來的預(yù)浸帶，通過碾壓的方式貼合到工件表面。

8、其中，所述壓力控制機(jī)構(gòu)固定在固定底板202上，為氣動(dòng)裝置，同時(shí)其上集成了陀螺儀，能在設(shè)備角度改變時(shí)保持壓力恒定；所述固定底板202與連接板12連接，所述法蘭1一端連接在法蘭轉(zhuǎn)接板201上，另一端能安裝機(jī)械臂；法蘭轉(zhuǎn)接板201與固定底板202固連，為保持強(qiáng)度，使用加強(qiáng)筋203分別與壓力機(jī)構(gòu)3、法蘭轉(zhuǎn)接板201固連。

9、其中，所述放卷機(jī)構(gòu)，通過放卷固定板405與固定底板相連，力矩電機(jī)403安裝在電機(jī)安裝板402上，再通過電機(jī)支撐板401固定在放卷固定板405上，力矩電機(jī)的工作端依次安裝著扭矩傳感器404，轉(zhuǎn)接軸406與氣漲軸407連接，支撐軸承411外圈被放卷固定板405與軸承擋塊410固定，內(nèi)側(cè)與轉(zhuǎn)接軸406接觸，用以輔助支撐氣漲軸。

10、其中，所述張力機(jī)構(gòu)，通過托舉輥輪501固定在托舉軸502上并通過軸固定板ⅰ503與連接板12相連，使通過托舉輥輪501上的預(yù)浸帶抬升至合適的位置；固定軸512一端連接固定輪ⅰ511，另一端與軸固定板ⅱ513相連并通過軸固定板ⅱ513與連接板12連接；同樣的，固定輪ⅱ514通過固定軸ⅱ515固定在連接板上；張力底板504通過張力底板支撐座522與連接板12相連，直線導(dǎo)軌506固定在張力底板504兩側(cè)，導(dǎo)軌擋塊505固定在直線導(dǎo)軌506右側(cè)，張力氣缸516通過氣缸固定板517與張力底板504相連，在張力氣缸516上，從左到右依次連接浮動(dòng)接頭518，轉(zhuǎn)接法蘭519，壓力傳感器520，活動(dòng)軸轉(zhuǎn)接板ⅲ521，活動(dòng)軸轉(zhuǎn)接板ⅰ509，活動(dòng)軸508；活動(dòng)輥輪507固定在活動(dòng)軸508上，活動(dòng)軸轉(zhuǎn)接板ⅱ510分別與活動(dòng)軸轉(zhuǎn)接板ⅰ509和直線導(dǎo)軌506連接，使活動(dòng)輥輪507只能沿直線導(dǎo)軌方向移動(dòng)，且活動(dòng)輥輪507與固定輪ⅰ511和固定輪ⅱ514構(gòu)成的輪組使預(yù)浸帶通過時(shí)，活動(dòng)輥輪507上下的預(yù)浸帶保持平行；張力機(jī)構(gòu)工作時(shí)，通過比例閥改變氣壓，使張力氣缸輸出的力為設(shè)定張力的兩倍，同時(shí)輥輪受到的張力造成的壓力為實(shí)際張力的兩倍且與張力氣缸輸出的力反向，通過檢測(cè)輥輪在兩者共同作用下的位移方向，就能判斷實(shí)際張力相對(duì)于設(shè)定張力的大小并反饋給放卷電機(jī)調(diào)節(jié)張力。

11、其中，所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與熱電偶加熱機(jī)構(gòu)，通過導(dǎo)向底板ⅰ61與導(dǎo)向底板ⅱ63上有凹槽供預(yù)浸帶通過，且與加熱板ⅰ71通過螺釘連接，導(dǎo)向連接座62一端連接連接板12，另一端連接導(dǎo)向底板ⅰ61，導(dǎo)向底板ⅱ63與加熱板ⅱ73通過螺釘連接；所述熱電偶72安裝在加熱板ⅰ71與加熱板ⅱ73的孔上，且兩端分別用擋片ⅰ74與擋片ⅱ75固定；加熱板ⅰ71與加熱板ⅱ73上有與導(dǎo)向底板ⅰ61與導(dǎo)向底板ⅱ63凹槽形狀相同的凸模，可以在預(yù)浸帶通過導(dǎo)向板時(shí)將熱電偶72的熱量傳遞給預(yù)浸帶。

12、其中，所述重送機(jī)構(gòu)8，通過重送電機(jī)801與重送減速機(jī)802相連，然后通過電機(jī)固定板803與電機(jī)連接板804固定在連接板12上，同步帶輪ⅰ805固定在重送減速機(jī)802的軸上，被動(dòng)輪固定板808左側(cè)固定在連接板12上，右側(cè)與重送固定板812固連，然后通過連接光軸813固定在連接板12上，上面安裝有兩個(gè)軸承座811，被動(dòng)輪軸810穿過兩個(gè)軸承座811，左側(cè)與同步帶輪ⅱ807固連，中間固定有被動(dòng)輪809，通過同步帶806由重送電機(jī)801驅(qū)動(dòng)；重送氣缸819被氣缸支撐板ⅰ818與氣缸支撐板ⅱ820固定在連接板12上，主動(dòng)輪814被軸套ⅰ815固定在主動(dòng)輪軸816上，主動(dòng)輪軸816通過主動(dòng)輪支撐座817與重送氣缸819相連；重送機(jī)構(gòu)工作時(shí)，重送氣缸推動(dòng)被動(dòng)輪壓在主動(dòng)輪表面來夾緊位于中間的預(yù)浸帶，然后重送電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，通過摩擦力帶動(dòng)預(yù)浸帶沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前進(jìn)。

13、其中，所述剪切機(jī)構(gòu)9，是剪切氣缸901通過剪切固定板903固定在連接板12上，刀片ⅰ904被固定在剪切固定板903上，刀片ⅱ905通過導(dǎo)向座902與剪切氣缸901連接，導(dǎo)向座902中間有一個(gè)導(dǎo)向孔，刀片ⅱ位于導(dǎo)向孔正上方，預(yù)浸帶從導(dǎo)向孔中穿過；剪切機(jī)構(gòu)工作時(shí)，刀片ⅱ和導(dǎo)向座902在剪切氣缸的驅(qū)動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，將預(yù)浸帶下壓，刀片ⅰ的位置不變，從而將預(yù)浸帶剪斷，然后剪切氣缸回收，預(yù)浸帶在導(dǎo)向孔的帶動(dòng)下回到剪切前的位置。

14、其中，所述輥壓機(jī)構(gòu)，是由輥輪底座1001通過底座連接塊1002與連接板12相連，輥壓輪1009通過軸承1008與輥壓輪軸1007相連，輥壓輪軸1007通過頂絲固定在輥輪轉(zhuǎn)接板ⅱ1005上并通過輥輪轉(zhuǎn)接板ⅱ1005與輥輪轉(zhuǎn)接板ⅰ1003固定在輥輪底座1001上，風(fēng)冷固定塊1010安裝在輥輪轉(zhuǎn)接板ⅰ1003上，用來固定給輥壓輪降溫的風(fēng)冷管道，擴(kuò)展塊1004固定在輥輪轉(zhuǎn)接板ⅱ1005上。

15、其中，所述激光加熱機(jī)構(gòu)：是由激光頭1106通過激光頭固定板ⅰ1101，激光頭固定板ⅱ1102，激光頭固定板ⅲ1103安裝在連接板12上，其中，激光頭固定板ⅱ1102與激光頭固定板ⅲ1103上的安裝孔都為u型孔，能根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)激光頭的焦距與入射角度，激光頭1106上安裝有測(cè)溫計(jì)1105，能監(jiān)測(cè)加熱區(qū)域預(yù)浸帶的溫度，激光頭與加熱區(qū)域中間安裝有散熱板1107，散熱板1107通過散熱板固定座1108與旋轉(zhuǎn)連桿1109鉸接在擴(kuò)展塊1004上，固定組件1110通過螺絲與擴(kuò)展塊1004連接，一端通過手?jǐn)Q螺絲壓在旋轉(zhuǎn)連桿上，能通過擰開手?jǐn)Q螺絲手動(dòng)調(diào)節(jié)散熱板1107的角度再固定的方式保證激光光束從兩個(gè)散熱板中間通過，保證激光不直射到除加熱區(qū)域以外的位置。

16、本發(fā)明的一種高溫?zé)崴苄詮?fù)合材料原位成型裝置的加工方法，有以下步驟：

17、預(yù)浸帶料盤固定在被動(dòng)放卷機(jī)構(gòu)上，手動(dòng)牽引預(yù)浸帶經(jīng)過張力機(jī)構(gòu)的輥輪，沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將預(yù)浸帶送入重送機(jī)構(gòu)；

18、重送機(jī)構(gòu)中重送輪夾緊預(yù)浸帶，并通過重送電機(jī)帶動(dòng)重送輪使預(yù)浸帶沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)輸送，預(yù)浸帶從導(dǎo)向機(jī)構(gòu)末端送出并到達(dá)末端壓輥時(shí)，重送機(jī)構(gòu)停止工作；

19、重送機(jī)構(gòu)停止工作后，剪斷機(jī)構(gòu)將預(yù)浸帶末端剪斷，末端預(yù)浸帶沿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)滑出，此時(shí)預(yù)浸帶位置與剪斷機(jī)構(gòu)刀刃保持平齊；

20、鋪纏開始后，熱電偶加熱機(jī)構(gòu)開始對(duì)預(yù)浸帶進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)重送機(jī)構(gòu)夾緊預(yù)浸帶并沿導(dǎo)向板ⅰ與導(dǎo)向板ⅱ輸送至末端壓輥下方，到達(dá)末端壓輥下方指定位置后，激光加熱機(jī)構(gòu)啟動(dòng)對(duì)預(yù)浸帶進(jìn)行加熱，重送機(jī)構(gòu)停止工作，同時(shí)機(jī)械臂開始移動(dòng)使末端壓輥將預(yù)浸帶壓在工件表面，遇到需要跳過的點(diǎn)位時(shí)，剪斷機(jī)構(gòu)將預(yù)浸帶剪斷，設(shè)備移到下一點(diǎn)位后重復(fù)以上步驟直至鋪纏完成。

21、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

22、1、本發(fā)明中使用了力矩電機(jī)為張力輸出設(shè)備，與現(xiàn)有磁粉制動(dòng)器輸出張力相比，可在張力突變尤其是變小時(shí)，起到反向轉(zhuǎn)動(dòng)平抑張力波動(dòng)的作用，提升了張力控制的精度；

23、2、本發(fā)明中使用了熱電偶加熱機(jī)構(gòu)作為預(yù)熱，提升了預(yù)浸帶的融化速度，增加了成型構(gòu)件的強(qiáng)度，提升了鋪放速度；

24、3、本發(fā)明使用了兩段加熱方式，使第二段激光加熱的溫升區(qū)間減小，降低了激光加熱控溫的難度，使預(yù)浸帶的加熱溫度更容易控制在peekpeek熱塑性復(fù)合材料的融化區(qū)間內(nèi)而不產(chǎn)生過燒；

25、4、本發(fā)明使用了帶陀螺儀的壓力控制機(jī)構(gòu)，保證了在設(shè)備工作時(shí)纏繞角度發(fā)生變化的同時(shí)保證壓輥對(duì)材料的壓力穩(wěn)定，確保工藝參數(shù)穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路