基于工业机器人的编织碳纤维预制件超声刀具修边实验研究

《Journal of Manufacturing Processes》：Experimental investigation on ultrasonic-knife edge trimming of woven carbon fiber preforms using an industrial robot

　　

摘要
本研究调查了机器人超声波刀具修边干碳纤维预成型体过程中的切削力和未切割纤维形成情况。基于刚度准则选择了一种控制切削力下结构刚度的机器人构型，以确保修边过程中的切削稳定性。制备了两个具有不同编织系统的预成型体，且具有两种不同的粘合剂含量。修边实验使用安装在工业机器人上的超声波刀具末端执行器进行，并变化工艺参数、预成型体类型和工装配置。结果显示，通过增强纤维间和层间粘结性来提高的预成型体稳定性，显著减少了未切割纤维的形成。编织结构也会影响缺陷形成，在横向约束有限的经纱区域更频繁地观察到未切割纤维。在工艺参数中，刀具切入角通过控制推力与进给力之比（Ft/Ff），该比率控制切割过程中的纤维固定，其影响比进给速率更显著。确定了从纤维切断到脱落的转变的临界 Ft/Ff 阈值，预成型体 A 的值约为 0.6，预成型体 B 的值约为 0.35。施加额外的 50 N 夹紧力会增加 Ft/Ff 比率，并通过在修边过程中增强纤维固定来显著减少未切割纤维的形成。

引言
非热压罐（OoA）复合材料制造已成为传统热压罐 molding 工艺的一种具有成本效益的替代方案，该工艺消耗大量能量以维持高温高压环境，并且需要昂贵的设备和精确的控制系统 [1], [2]。OoA 工艺可以减少初始资本投资和运营成本，同时能够在不使用热压罐烘烤的情况下制造大规模、复杂的碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料 [3]。大多数 OoA 工艺使用的压力低于热压罐，并在烤箱、闭模或加热毯中固化 CFRP 产品。已报道了许多 OoA 工艺，包括但不限于：真空袋压 [4]、仅真空袋固化 [5]、真空辅助树脂传递模塑 [6], [7]、快速固化 [8]、树脂薄膜浸渍 [9] 和树脂传递模塑 [10], [11]。

树脂传递模塑（RTM）是最受欢迎的 OoA 技术之一，是一种能够同时实现高生产率和高质量 CFRP 产品的工艺 [4], [5]。RTM 使用封闭的双面模具形成 CFRP 组件，将干碳纤维预成型体放置在模具中，通过压力驱动树脂注射进行浸渍，然后进行热固化。在此，干碳纤维预成型体，或干预成型体，被定义为在 CFRP 产品中用作增强的结构化排列、定型的干碳纤维织物组件。RTM 的闭模配置促进了树脂的均匀渗透、增强的纤维润湿以及模具接触面两侧表面质量的提高 [12], [13]。RTM 工艺始于切割干碳纤维织物，将它们堆叠成所需的层压结构，并将堆叠体塑造成近净形状预成型体。在模具中进行树脂传递之前，预成型体必须紧密符合最终 CFRP 部件的几何形状；因此，在模具放置之前通常需要预成型体的修边 [14], [15]。精确修边确保了准确的预成型体几何形状，这对于在 RTM 模腔内的正确放置以及在真空和注射条件下保持有效密封至关重要 [16], [17]。

干碳纤维预成型体修边已采用多种技术进行，包括滚盘切割 [18], [19]、剪切 [20]、激光切割 [21], [22] 和超声波刀具切割 [15]。滚盘切割是一种机械切割过程，其中旋转的圆形刀片施加局部压缩和剪切力，沿规定的切割路径分离织物。由于其简单的机制、连续切割能力和低操作复杂性，它长期以来被用于干碳纤维织物的手动修边，并已被实施在用于自动铺带（ATL）应用中切割 CFRP 预浸料的机器人系统中 [18]。剪切使用两个相对的刀片沿切割线产生集中剪切应力，从而分离干碳纤维。该工艺具有加工时间短、结构简单和成本低等优点；然而，由于磨蚀性碳纤维与刀片之间的物理接触，会发生刀具磨损 [20]。激光切割是一种使用激光束的非接触式切割方法，导致低缺陷率和熔融切割预成型体表面。它的局限性是在高温下产生热影响区，这会对质量产生负面影响 [21], [22]。超声振动辅助加工采用以超声波频率振荡的刀具，通常在 20–40 kHz 范围内，振幅为 10–30 μm [20]。刀具的超声振动使其能够与工件间歇接触，减少切削力和材料损伤 [20], [23]，从而提高尺寸精度和表面质量。然而，由于预成型体与刀具之间的直接接触，刀具磨损仍然不可避免 [24], [25]。在这些干碳纤维预成型体修边技术中，超声波刀具切割以相对较低的投资成本提供高切割质量，使其在工业环境中得到广泛应用 [26], [27]。在许多情况下，人工操作员手动使用超声波刀具切割和修边干碳纤维预成型体，因为它具有灵活性和成本效益。手动预成型体切割在小批量生产或原型制作中可能很有价值；然而，它可能导致在大批量生产环境中效率低下和生产率低 [16], [28]。为了克服这些局限性，已报道了采用预成型体切割自动化技术 [27], [29]。特别是，使用工业机器人的超声波切割由于其较大的工作包络和高自由度而得到越来越多地应用 [18], [30], [31]。

干碳纤维预成型体的刀具切割机制的研究主要是为了优化工艺条件并提高尺寸精度和边缘质量。Kim 等人 [32] 调查了使用工业机器人对编织碳纤维预成型体进行超声波刀具切割。他们报告说，进给速率和刀具切入角（刀具边缘与预成型体之间的角度）非线性地增加进给力。相比之下，随着刀具切入角的增加，推力减小，导致束丝内部切割不均匀。他们指出，预成型体稳定性不足可能导致相对较低的推力和较高的进给力，导致束丝切割不均匀。Snape 等人 [15] 通过在对 3D 编织预成型体进行超声波刀具修边时施加粉末粘合剂、热塑性粘合剂纱线和缝合，广泛研究了织物稳定技术。使用热塑性粘合剂纱线稳定织物在修边后产生最低纤维异常值面积方面优于其他两种方法。缝合允许束丝在切割过程中移动，导致无论切割方法如何，异常纤维的数量最多。Fuchs 等人 [21] 认为，纤维在机械切割过程中的变形和位移可能导致预成型体不希望的结构变化。因此，专门关注使用刀具进行干碳纤维切割机制的研究是有限的；然而，自 Koplev 等人 [35] 发现单向 CFRP 切屑形成中的纤维方向依赖性以来，CFRP 层板的切割机制已被研究了数十年 [33], [34]。随后的研究进一步证明，与各向同性金属不同，CFRP 切割受各向异性纤维 - 基体断裂机制控制，其中纤维方向强烈影响切屑形成、切削力、亚表面损伤、分层和表面完整性 [36], [37]。值得注意的是，Wang 等人 [38] 将 CFRP 切屑形成分类为沿纤维/基体界面的断裂、沿纤维方向的纤维压缩断裂和界面剪切、压缩诱导的纤维断裂以及在切割方向与纤维角度分别为 0°、45°、90° 和 135° 时跨越纤维轴的间歇性断裂。更近期的分析和数值研究已将 CFRP 切屑形成机制深化为与纤维张力、纤维压缩、基体张力和基体压缩相关的失效模式，涵盖广泛的纤维方向和加工过程条件 [39], [40]。这些发现提供了当基体机械约束增强纤维时 FRP 切割过程中刀具 - 纤维相互作用的广泛知识；然而，干碳纤维预成型体提出了额外的挑战，因为纤维尚未被固化的基体约束。因此，切割干预成型体可能涉及纤维移动、纱线拉出和预成型体变形，需要将与加工 consolidated CFRP 层板不同的干预成型体切割机制进行单独研究。

在干预成型体切割过程中，未切割或突出纤维的形成被认为是修边中最重大的质量问题，导致 CFRP 在成型过程中纤维错位和变形。在此，未切割纤维被定义为在切割过程中未完全切断的碳纤维或纤维束，随后脱落，并沿刀具切割工具路径延伸。修边预成型体中的这种未切割纤维会阻碍树脂流动，导致 CFRP 内部出现未浸渍区域和空隙 [41]。此外，预成型体中的未切割纤维缺陷会降低机械强度 [11], [27]，增加吸湿性，并对整体 CFRP 质量产生负面影响 [42]。以前的研究试图通过控制刀具切割工艺参数来减轻未切割纤维的形成。Bj?rnsson 等人 [30] 使用超声波刀具进行了机器人预成型体切割。他们发现，虽然机器人的进给速度没有显著影响，但使用背板和减小切割角减少了未切割纤维的发生。Kim 等人 [32] 报告说，在使用工业机器人使用超声波刀具切割器修边时，随着进给速率降低，相对较低的刀具切入角可以减少碳束的脱落。尽管有先前的努力，干预成型体修边过程中未切割纤维形成的基本机制仍未得到充分了解。过去的研究主要关注单个工艺参数与预成型体切割质量之间的经验相关性，而未明确调查预成型体纺织结构的作用，特别是预成型体系统内经纱和纬纱之间的相互作用。此外，在机器人修边生产环境中，将修边工艺参数与形成未切割纤维的潜在切削力生成和纤维 - 刀具相互作用机制联系起来仍然有限。

本研究旨在调查机器人修边工艺参数如何影响切削力，从而最终影响干碳纤维预成型体中未切割纤维的形成。考察了两个预成型体系统，2×2 斜纹和 5 枚缎纹，以评估不同的经 - 纬纺织结构和粘结机制对纤维切断行为的作用。在机器人修边实验期间，超声波刀具被安装在工业机器人上。与手动修边或传统 CNC 加工不同，机器人修边引入了依赖于构型的结构柔度，可能影响切割稳定性和边缘质量。为了解决这个问题，在修边实验之前，基于刚度准则分析并选择了机器人构型。实验研究考虑了三个工艺参数：进给速率、刀具切入角和夹紧方法。我们分析了修边过程中产生的进给、横向和推力，并从经纱和纬纱系统中的未切割纤维方面检查了修边预成型体的边缘质量。结果建立了工艺参数、切削力和纺织结构之间的关系，并确定了控制未切割纤维形成的关键因素。研究结果表明影响未切割纤维发生的主要因素以及在机器人超声波刀具切割过程中减少每个预成型体系统未切割纤维缺陷的潜在方法。

章节片段
基于刀具的干碳纤维预成型体修边的机器人构型选择
机器人加工过程中的精度受机器人结构刚度的强烈影响 [43], [44]。由于工业机器人的刚度相对较低，外部施加的切削力可能会引起结构变形，导致刀具中心点（TCP）位移，从而降低加工精度 [45]。这种现象在机器人 CFRP 加工应用中也已被观察到 [46]。工业机器人的刚度高度依赖于

干碳纤维预成型体系统
本研究采用了两个干碳纤维预成型体系统，称为预成型体 A 和 B，由一家航空航天制造商提供。预成型体 A 由四片±45° 2×2 斜纹织物层和十二片 0°/90° 2×2 斜纹织物层组成，铺层顺序为 [(0°/90°) F/±45 °F/(0°/90°) F/±45 °F/(0°/90°) F/±45 °F]s。预成型体 B 由四片±45° 5 枚缎纹织物层和十二片 0°/90° 5 枚缎纹织物层组成，铺层顺序为 [±45 °F/(0°/90°)F3/±45 °F/(0°/90°)F3]s。

2. 工艺参数对切削力的影响 在 FT 传感器坐标系中测得的力（FXF、FYF、FZF）根据刀具攻角 α 转换为作用于工件上的力，即进给力 FXW 或 Ff、侧向力 FYW 或 Fl 以及推力 FZW 或 Ft。图 3 (c) 显示了在预成型体顶层切割一根碳纤维纱时的三个分力分量。力的转换使用式（1）、（2）、（3）进行。三个力的合力使用式（4）计算。Ff=FXW=FXFsinα?FZFcosα Fl=F

结论
在本研究中，通过实验研究了干碳纤维预成型体在机器人超声刀具修整过程中未切割纤维形成的机理。基于构型相关刚度分析，选择了一种高刚度机器人构型，以确保修整过程中的切削稳定性。系统地分析了工艺参数、预成型体类型和夹紧条件对修整力和未切割纤维形成的影响。主要发现如下

CRediT 作者贡献声明
Hyeong Gu Kim：写作 – 初稿、验证、方法论、调查、概念化。Taehwa Hong：验证、调查。Dave Kim：写作 – 审阅与编辑、概念化。Seong Hyeon Kim：写作 – 审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能会影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了贸易、工业和能源部（MOTIE）在“高产率和高质量 RTM（树脂传递模塑）工艺预成型体制造工作单元开发”项目（20018553）以及韩国工业技术研究院在“高风险、高难度管道生产工艺远程制造系统开发”项目（kitech EH-25-0004）下的支持。
Hyeong Gu Kim|Taehwa Hong|Dave Kim|Seong Hyeon Kim