1.本技术涉及一种未固化碳纤维预浸料预制体裁切工装及裁切方法，属于复合材料加工以及航空航天技术领域。
背景技术：2.碳纤维复合材料取代金属是趋势，它的密度是钢的1/5，其比强度和比刚度优于任何其它工程材料，而且碳纤维具有优异的抗疲劳和耐腐蚀性能。在减轻重量的同时能够提供更为可靠的安全性。复合材料相比金属的优势之一就是一体化成型，这样可以减少零部件的使用量，降低成本。
3.目前复合材料在飞机主次承力结构件上的用量不断的增加，尤其是在机身及机翼结构处，壁板加筋结构成为主流。而壁板加筋结构的制造过程中，尤其以壁板加筋条的热压罐共固化工艺，在复合材料产品的制造及装配方面拥有极大的优势，可以有效的降低生产及装配成本。
4.共固化工艺中使用的未固化的长桁、筋条及梁为一种未固化的预浸料，其截面形式包括t型，j型，ω型，c型等，长桁、筋条及梁在长度方向上包含耳片等凸起结构，同时长度方向的边含有特定的角度如45
°
。在共固化工艺开始前，需要将该边裁切出特定的形状，保证其可以放入共固化结构的型腔。典型的t型，j型，ω型，c型长桁结构如图1至所示。
5.由于共固化过程中使用的长桁、筋条及梁结构属于未固化预浸料制备，传统的机械铣削加工不能用来加工该类湿软材料，加工铣削力会造成严重的让刀及劈丝现象，特别是在进行未固化预制体复杂轮廓区域的铣切，如图1中ω型预制体凸起1区域、ω型预制体侧边凸起2区域、c型预制体侧边凹陷4区域所示。
技术实现要素：6.本技术要解决的技术问题是常规裁切方式对未固化碳纤维预浸料预制体裁切容易导致预制体变形、或者导致裁切劈丝的问题。
7.为了解决上述技术问题，本技术的技术方案是提供了一种未固化碳纤维预浸料预制体裁切工装，包括上形面板和底部框架，底部框架内设有中空腔体，上形面板固定在底部框架上封闭所述中空腔体；底部框架开设有阵列分布的多个抽气孔，抽气孔连接至负压机使得中空腔体形成负压腔；上形面板表面开设有凹槽，凹槽内开设有通孔连通至负压腔；凹槽内铺设透气的牺牲层；待裁切的预制体铺设在牺牲层上受负压吸附。
8.优选的，所述牺牲层材质为pp毡、羊毛毡、hdpe毡、带孔硅胶、nova毡或vyon毡。
9.优选的，所述中空腔体内设有间隔分布的多个支撑腹板，支撑腹板将负压腔划分为多个独立子负压腔。
10.优选的，所述底部框架的中空腔体底部设有多个间隔分布的分割槽用于定位安装所述支撑腹板。
11.优选的，所述上形面板上设有用于安装靶标球的靶标孔，所述靶标孔的数量至少
三个。
12.本技术还提供了未固化碳纤维预浸料预制体裁切方法，待裁切的预制体铺设在上述的裁切工装上，由超声机床进行裁切，具体包括以下步骤：
13.步骤一、频率调整至20000hz
±
100hz，振幅调整为0.23
±
0.1mm；
14.步骤二、选择刀具，刀具包括长度60mm～100mm的长刃刀片和长度20mm～60mm的短刃刀片；若预制体厚度大于60mm或者预制体存在不平整的凸起则选择长刃刀片；
15.步骤三、设定刀具的偏置深度为0.3mm～2mm；
16.步骤四、刀具对预制体进行裁切，裁切前倾角为5
°
～50
°
；
17.步骤五、裁切过程中，转角速率范围根据转角区域形成大小而定：转角半径r值范围为5mm～150mm时，裁切转角速率控制在0.1
°
/s～15
°
/s；进行直线或者r＞150mm小曲率边界裁切时，刀具的进给速率控制在100mm/min～4000mm/min；直至裁切完成。
18.本技术优点在于，本技术提供的工装和裁切方法，可以用于碳纤维预浸料制备的长桁、隔框及其他异形碳纤维预浸料未固化预制体的裁切，特点在于，配合超声裁切机床，通过设定相应的裁切工艺参数：包括超声切刀频率、超声切刀振幅、裁切刀具偏置深度、裁切前倾角设定、裁切速度设定、裁切方向设定等，最终确保裁切后的预制体毛坯件达到满足要求的外观质量和尺寸精度。整个超声裁切过程中，工装始终起到预制体毛坯件的限位、压实和保形的作用；工装通过真空系统来保证预制体毛坯件的定位与压实，同时工装上设计有靶标球来进行工装与预制体毛坯件的空间位置找正。工装在预制体毛坯件裁切处设计有让刀槽(凹槽)，让刀槽的作用是避免裁切刀具与工装在切割时发生直接接触，从而损坏刀具和工装。让刀槽(凹槽)中铺放可以透气的牺牲层，让刀槽的底部开具大量的透气孔洞，保证负压可以从负压腔传递至待裁切的毛坯件上。
附图说明
19.图1为现有常见预制体形状；
20.图2为实施例中提供的裁切工装用于预制体的裁切示意图；
21.图3为实施例中提供的裁切工装结构爆炸图；
22.图4为实施例中提供的支撑腹板与分割槽安装示意图；
23.图5为实施例中提供的两种刀具示意图；
24.图6为实施例中提供的刀具采用前倾角裁切示意图；
25.附图标记：ω型预制体凸起1、ω型预制体侧边凸2起、c型预制体3、c型预制体侧边凹陷4、t型预制体5、j型预制体6、短梯形界面刀柄7、短刃刀片8、长变截面柱形刀柄9、长刃刀片10、上形面板11、牺牲层12、刀盘13、预制体14、凹槽15、靶标孔16、通孔17、中间支撑隔板18、支撑腹板19、分割槽20、抽气孔21、底部框架22。
具体实施方式
26.为使本技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
27.实施例
28.本实施例提供的是未固化碳纤维预浸料预制体裁切工装，主要作用是配合超声波铣切机床用于未固化碳纤维预浸料预制体14的裁切，裁切工装如图2、图3所示，包括上形面
板11和底部框架22，底部框架22内部设置中空腔体，上形面板11固定在底部框架22上表面封闭中空腔体，底部框架22底部开设阵列分布的多个抽气孔21，抽气孔21连接至负压机使得中空腔体形成负压腔。上形面板11上表面开设有凹槽15，凹槽15内铺设牺牲层12，待裁切的预制体14铺设在牺牲层12上，凹槽15底部开设有阵列分布的通孔17，通孔17连通中空腔体用于传递负压。牺牲层12采用透气材料，例如pp毡，羊毛毡，hdpe毡，带孔硅胶，nova毡，vyon毡，牺牲层12透气可传递负压，预制体14铺设在牺牲层12上、受负压吸附，稳定牢固，在裁切过程中，负压吸附可以消除铣削力的影响。牺牲层12分割预制体14和上形面板11，牺牲层12可用于多次裁切，且可以传递真空，同时可以避免裁切刀具直接接触上形面板11，造成刀具或工装损伤。裁切工装安装到铣切机床上，由铣切机床对铺设在裁切工装上的预制体14进行裁切。上形面板11、凹槽15以及负压吸附的设计可以保证未固化的预制体14在裁切过程中的整体形状不发生变形及位移。
29.具体的，为了保证中空腔体的密封性，上形面板11和底部框架22固定后，在拼接位置涂覆硅酮类密封胶，密封胶的涂覆厚度以≥3mm为宜。
30.具体的，用于传递负压的通孔17直径范围设置为2mm～15mm，通孔17之间的间距为10mm～200mm。用于放置牺牲层12的凹槽15深度与牺牲层12厚度保持一致。铺设在牺牲层12上的预制体14在负压下牢牢吸附，可以保证预制体14在裁切过程中的整体形状不发生变形及位移。
31.具体的，图2和图3所示预制体14为ω型预制体，上形面板11的表面形状当然要贴合ω型预制体的形状，即上形面板11中轴位置设有配合ω型预制体形状的凸台，凹槽15的中轴位置设置配合ω型预制体形状的中间支撑隔板18，中间支撑隔板18可以保证工装的刚度，减少工装变形，保证裁切精度。牺牲层12铺设在凹槽15和中间支撑隔板18上，同时中间支撑隔板18将负压区域划分为两侧两个独立的负压区域。
32.具体的，底部框架22可以保证工装的整体刚度，对整个裁切工装及待裁切预制体形成封闭的负压吸附效果，本实施例的真空源通过底部框架22工装底部开口传递负压，传递至工装内部，工装底部开口的形状不做特殊限定，可任意选择，开口面积占工装底部整体面积的比例范围10％～60％。
33.具体的，上形面板11上的凹槽15设计以可嵌入牺牲层12为准，其中涉及未固化预浸料预制体14关键尺寸位置处需要保留模具形面，可不填充牺牲层，如图3中中间支撑隔板18处，该区域是预制体阴模角，是裁切保形的关键处，因此不能被牺牲层覆盖。牺牲层12与上形面板11的组装，可以使用简单的填充，或者在凹槽15内喷洒一定的环氧喷胶用于固定牺牲层12。
34.在可能的实现方式中，底部框架22内部的中空腔体内设置有间隔分布的支撑腹板19，多个支撑腹板19将负压腔划分为多个独立子负压腔，避免单个子负压腔由于结构漏气等因素失效影响吸附预制体14。具体的，底部框架22的中空腔体底部刻有多个间隔分布的分割槽20用于定位支撑腹板19，支撑腹板19安装在分割槽20内，如图4所示，安装后支撑腹板19与底部框架22拼接处用硅酮密封胶实现密封，使得中空腔体划分为多个独立的子负压腔，各子负压腔不会发生相互影响；当局部未固化的预制体14被裁断造成真空泄露后，其余独立的子负压腔依然可保证负压的传递和有效的吸附力。支撑腹板19的顶部也涂抹密封胶，用于密封支撑腹板19和上形面板11之间的缝隙。
35.在可能的实现方式中，上形面板11上设计有靶标孔16，用于安装靶标球，靶标孔的直径根据标准靶标球的直径进行设计，本实施例选取的直径值为6mm及6.35mm两种规格。靶标孔16及靶标球用于模具空间位置的确定，靶标孔16的数量至少需要三个。
36.基于前述裁切工装，本实施例还提供了未固化碳纤维预浸料预制体裁切方法，使用带超声波发声装置的机床进行加工，同时刀具选择扁平阔刃刀进行裁切，利用合适的裁切参数如超声裁切频率、刀具振幅、裁切刀具偏置、裁切前倾角、裁切速度、裁切角度、裁切方向等来完成未固化结构件的裁切，结合前述的特定工装来保证裁切过程中的支撑及裁切精度的要求。未固化预浸料超声裁切过程中涉及到的问题主要包括：未固化预制体能否裁断，裁断后断口质量包括毛丝、劈丝、翻边等，平面裁切最小回转角度，立体裁切时阴角及阳角的质量情况，尺寸精度的要求等。
37.解决满足裁切过程中的工艺可行性，本实施例采用的技术方案为：
38.步骤一、频率调整至20000hz
±
100hz，振幅调整为0.23
±
0.1mm。
39.步骤二、选择刀具，刀具包括长度60mm～100mm的长刃刀片和长度20mm～60mm的短刃刀片；若预制体14厚度大于60mm或者预制体14存在不平整的凸起则选择长刃刀片。
40.刀具选取的依据为保证刀片及刀柄不与裁切工装发生干涉，为解决裁切过程中的裁切刀具、设备与待裁切预制体及裁切工装的干涉问题，本发明通过选取特定长度的刀片配合超声裁切刀柄来避免干涉。对于裁切未固化预浸料的刀片种类整体分为两类，为长刃刀片和短刃刀片，如图5中的短刃刀片8和长刃刀片10所示，长刃刀片10的长度范围为60mm～100mm，短刃刀片的长度范围为20mm～60mm。刀柄分为短梯形界面刀柄7和长变截面柱形刀柄9，如图2所示。该类超声刀片的厚度范围为0.2mm～1.2mm，厚度超厚会影响裁切轮廓及切边质量。
41.步骤三、设定刀具的偏置深度为0.3mm～2mm。
42.为解决未固化预浸料制备的长桁、筋条及梁的超声裁断问题，本实施例通过增加裁切刀具的偏置深度进行解决，具体的裁切深度与裁切角度、刀具长度及牺牲层种类相关，偏置深度范围从0.3mm～2mm进行实际调节，裁切角度越大需要的偏置深度越大，裁切牺牲层越柔软需要的刀具偏置深度越大。
43.步骤四、刀具对预制体进行裁切，裁切前倾角为5
°
～50
°
。
44.为解决裁切过程中的劈丝、毛丝及翻边问题，本实施例通过增加刀具裁切过程中的前倾角来克服。前倾角的大小与刀具长度，刀具与模具的干涉情况，裁切结构的复杂性相关，前倾角的调节范围在5
°
～50
°
之间，当刀具长度较大，前倾角需要增加；刀具与工装存在干涉时，需要减小前倾角来避免干涉；当裁切结构复杂性增加时，前倾角需要增加，裁切倾角如图6所示。
45.步骤五、裁切过程中，转角速率范围根据转角区域形成大小而定：转角半径r值范围为5mm～150mm时，裁切转角速率控制在0.1
°
/s～15
°
/s；进行直线或者r＞150mm小曲率边界裁切时，刀具的进给速率控制在100mm/min～4000mm/min；直至裁切完成。
46.为解决裁切过程中设备刀具铣切方向对铣切质量的影响，尤其是对转角区域质量的影响，本技术通过由内往外去除多余材料的铣切方式，即从小角度往大角度进行变化。结合特定的转角切削速率来保证带弧度区域未固化材料的铣切质量，如图2所示，转角速率范围视转角区域形成大小而定，即取决于转角半径的r值，当r值的范围为5mm～150mm时，铣切
转角速率可以控制在0.1
°
/s～15
°
/s。当进行直线或者小曲率(r＞150mm)边界铣切时，超声刀具的进给速率需要控制在100mm/min～4000mm/min之间，过快的速度会引起铣切边出现翻边，毛丝及劈裂现象。
47.按照上述步骤以及工艺参数进行裁切，可以减少断口毛丝、劈丝、翻边的问题，提高裁切阴角及阳角的质量，达到足够的尺寸精度。
技术特征：1.一种未固化碳纤维预浸料预制体裁切工装，其特征在于，包括上形面板(11)和底部框架(22)，底部框架(22)内设有中空腔体，上形面板(11)固定在底部框架(22)上封闭所述中空腔体；底部框架(22)开设有阵列分布的多个抽气孔(21)，抽气孔(21)连接至负压机使得中空腔体形成负压腔；上形面板(11)表面开设有凹槽(15)，凹槽(15)内开设有通孔(17)连通至负压腔；凹槽(15)内铺设透气的牺牲层(12)；待裁切的预制体(14)铺设在牺牲层(12)上受负压吸附。2.根据权利要求1所述的一种未固化碳纤维预浸料预制体裁切工装，其特征在于，所述牺牲层(12)材质为pp毡、羊毛毡、hdpe毡、带孔硅胶、nova毡或vyon毡。3.根据权利要求1所述的一种未固化碳纤维预浸料预制体裁切工装，其特征在于，所述中空腔体内设有间隔分布的多个支撑腹板(19)，支撑腹板(19)将负压腔划分为多个独立子负压腔。4.根据权利要求3所述的一种未固化碳纤维预浸料预制体裁切工装，其特征在于，所述底部框架(22)的中空腔体底部设有多个间隔分布的分割槽(20)用于定位安装所述支撑腹板(19)。5.根据权利要求1所述的一种未固化碳纤维预浸料预制体裁切工装，其特征在于，所述上形面板(11)上设有用于安装靶标球的靶标孔(16)，所述靶标孔(16)的数量至少三个。6.一种未固化碳纤维预浸料预制体裁切方法，其特征在于，待裁切的预制体铺设在权利要求1-5任一项所述的裁切工装上，由超声机床进行裁切，具体包括以下步骤：步骤一、频率调整至20000hz
±
100hz，振幅调整为0.23
±
0.1mm；步骤二、选择刀具，刀具包括长度60mm～100mm的长刃刀片和长度20mm～60mm的短刃刀片；若预制体厚度大于60mm或者预制体存在不平整的凸起则选择长刃刀片；步骤三、设定刀具的偏置深度为0.3mm～2mm；步骤四、刀具对预制体进行裁切，裁切前倾角为5
°
～50
°
；步骤五、裁切过程中，转角速率范围根据转角区域形成大小而定：转角半径r值范围为5mm～150mm时，裁切转角速率控制在0.1
°
/s～15
°
/s；进行直线或者r＞150mm小曲率边界裁切时，刀具的进给速率控制在100mm/min～4000mm/min；直至裁切完成。
技术总结本申请公开了一种未固化碳纤维预浸料预制体裁切工装及裁切方法，包括上形面板和底部框架，底部框架内设有中空腔体，上形面板固定在底部框架上封闭所述中空腔体；底部框架开设有阵列分布的多个抽气孔，抽气孔连接至负压机使得中空腔体形成负压腔；上形面板表面开设有凹槽，凹槽内开设有通孔连通至负压腔；凹槽内铺设透气的牺牲层；待裁切的预制体铺设在牺牲层上受负压吸附；由超声机床进行裁切。使用本申请提供的工装，预制体在整个裁切过程中都被牢牢吸附在工装表面，裁切不会导致预制体变形。形。形。
技术研发人员：齐磊 孙杰 武子珺
受保护的技术使用者：中建材（上海）航空技术有限公司
技术研发日：2022.07.08
技术公布日：2022/11/1
