自動鋪帶技術(shù)集預(yù)浸帶剪裁、定位、鋪疊、壓實等功能于一體，具有工藝參數(shù)控制和質(zhì)量檢測功能的復合材料集成化數(shù)控成型技術(shù)。自動鋪帶技術(shù)己經(jīng)被歐美航空制造商廣泛采用，應(yīng)用于多種航空航天構(gòu)件生產(chǎn)，如機翼（F―22）、全復合材料尾翼（Boeing777）、水平安定面蒙皮（A330/A340）中央翼盒380）11國內(nèi)自動鋪帶技術(shù)研究較晚，南京航空航天大學和北京航空制造工程研究所先后研制成功了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)自動鋪帶裝備121.航天材料及工藝研究所、南京航空航天大學、北京航空制造工程研究所、北京航空材料研究院和哈爾濱飛機工業(yè)公司等單位均對自動鋪帶工藝技術(shù)進行了研究探索134.武漢理工大學和天津工業(yè)大學在自動鋪帶機機構(gòu)設(shè)計分析、控制系統(tǒng)架構(gòu)與仿真等基礎(chǔ)研究方面開展了諸多有益探索141.其中，自動鋪帶切割技術(shù)作為鋪帶裝備的關(guān)鍵技術(shù)受到各研究單位的普遍關(guān)注。

　　本文以超聲切割技術(shù)在國產(chǎn)自動鋪帶機中應(yīng)用為背景開展研究，并結(jié)合實際工況進行超聲切割系統(tǒng)極限工況下穩(wěn)定性和可靠性的評價研究。

　　1自動鋪帶切割技術(shù)自動鋪帶的核心技術(shù)在于鋪帶過程中預(yù)浸帶剪裁、定位、鋪疊、壓實等功能的實現(xiàn)，如何高效高質(zhì)量實現(xiàn)預(yù)浸帶的切割操作，是自動鋪帶技術(shù)研究的關(guān)鍵。

　　自動鋪帶機預(yù)浸帶有兩種切割模式：一是分離剪切模式，即先將預(yù)浸帶與背襯紙分離，用剪切方式完成預(yù)浸帶的切割后，再將預(yù)浸帶與背襯紙重新貼合；一是精密切割模式，即通過精確控制切割深度m利用旋片刀或超聲刀完成預(yù)浸帶的切割，不傷及背襯紙。

　　分離剪切方式難以保證背襯紙與切割后的預(yù)浸帶重新貼合質(zhì)量，旋片刀則存在粉塵和噪音污染嚴重、切割精度較低等問題，且兩者難以切割折線邊界；超聲切割不僅可控性好、切割質(zhì)量高，且可通過三軸進給系統(tǒng)輕易實現(xiàn)曲面邊界的切割，故超聲切割己成為自動鋪帶機預(yù)浸帶切割的必備技術(shù)，在國內(nèi)外各類型的鋪帶設(shè)備上廣泛采用。

　　2超聲切割系統(tǒng)超聲切割方法利用超聲換能器，將電能轉(zhuǎn)化為高頻高壓的電驅(qū)動信號，通過激勵壓電陶瓷形成機械振動信號，并通過變幅桿放大機械振動位移或速度，從而使變幅桿前端的切割刀附加機械能，利用附加機械作用切斷纖維材料。和傳統(tǒng)的機械刀具切割、激光切割、水噴射切割相比，超聲切割具有纖維切邊干凈整齊、纖維的損傷程度小、無污染等優(yōu)點，并可精確控制切割深度，適于具有背襯的預(yù)浸帶切割。

　　自動鋪帶超聲切割系統(tǒng)主要由超聲發(fā)生器、超聲切割刀和超聲切割機械裝置三個部分組成。

　　其中，超聲振幅由超聲發(fā)生器、超聲切割刀以及控制氣缸等共同確定，可通過千分測微器微調(diào)切割深度，以適應(yīng)不同厚度背襯的預(yù)浸帶的切割；超聲切割機械裝置具有橫向進給W軸、切刀旋轉(zhuǎn)V軸與送帶進給U軸3個運動軸，控制超聲切割刀的線性運動和角度旋轉(zhuǎn)定位，從而實現(xiàn)各種預(yù)浸帶邊界的切割。

　　3自動鋪帶過程在復合材料自動鋪帶成型過程中，首先將鋪帶頭移至鋪放軌跡起點，并將預(yù)浸帶切割成相應(yīng)形狀；預(yù)浸帶首端切割完成后，再將預(yù)浸帶首端送至鋪帶頭主壓輥處；主壓輥將預(yù)浸帶壓實在鋪放表面上，此后，鋪帶頭便開始沿軌跡線運動；在鋪帶頭運動至軌跡線上某指定點時，超聲切刀轉(zhuǎn)動至特定角度，并下壓，開始預(yù)浸帶末端切割操作；末端切割完成后，主輔壓輥進行交換，改用輔壓輥壓實，并繼續(xù)鋪帶至軌跡線末端。

　　鋪帶頭脫離鋪放表面，并根據(jù)此條預(yù)浸帶末端切割邊界和下一條始端邊界的異同，或?qū)㈩A(yù)浸帶直接輸送主壓輥處，或?qū)㈩A(yù)浸帶回卷至指定位置，進行下一條預(yù)浸帶的首端切割。如所示，鋪帶軌跡1末端切割角度與軌跡2首端切割角相同，即邊界相同，可直接將預(yù)浸帶輸送至主壓輥處，而軌跡2和3間的邊界不同，則必須將預(yù)浸帶回卷切割后，再送至主壓輥處。

　　最后，將鋪帶頭移至下一鋪放軌跡起始點，以便開始新的鋪帶過程。由自動鋪帶過程可知，超聲切刀工作機制是間歇性的，并不用長時間連續(xù)運行。

　　4，各鋪層斷口光滑，無毛刺。

　　42工況試驗為了解超聲切割系統(tǒng)在自動鋪帶過程中的穩(wěn)定性和可靠性，根據(jù)實際工況，自行設(shè)計物理仿真試驗平臺，模擬自動鋪帶機超聲切割的工作狀態(tài)，如所示。此超聲切割仿真平臺具有切刀橫向移動軸，切刀旋轉(zhuǎn)軸和刀架旋轉(zhuǎn)軸3個運動自由度，且以美國DELTATAU公司的UMAC為平臺搭建控制系統(tǒng)，實現(xiàn)超聲切刀切割點動操作和各進給軸的運動控制，以及兩者間的協(xié)調(diào)控制致電源頻率隨切刀溫度迅速上升急劇下降；當切割次數(shù)在40―80之間，電源頻率隨切割次數(shù)增加，其變化趨勢趨于和緩，即切刀刀體溫度趨于平衡；當超過80次，刀體溫度基本達到熱平衡，故超聲電源頻率不再變化。據(jù)此可知，采用風冷降溫的措施，可有效控制超聲刀體溫升問題，保證超聲切割系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　切割次數(shù)風冷狀態(tài)下電源頻率隨切割次數(shù)的變化42.2可靠性試驗為驗證自動鋪帶超聲切割系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)自動鋪帶機實際工況，在物理仿真平臺上進行超聲切割刀程控間歇性往復切割試驗，相鄰切割時間間隔為8S經(jīng)試驗驗證，在連續(xù)間歇切割1 400次，超聲切割系統(tǒng)仍處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。此程控間歇性往復切割試驗每200次切割為一組，共進行了7組。其每次切割完成后，切割電源穩(wěn)定頻率基本上處于同一位置，最大偏差為士10Hz具有較好重復性和可靠性。

　　5結(jié)論超聲切割是自動鋪帶切割技術(shù)的發(fā)展方向。基于自動鋪帶工況，對超聲切割系統(tǒng)的性能進行了實驗研究，尤其是對超聲切割系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行較深入的分析研究；最終通過超聲切割系統(tǒng)可靠性試驗，獲得了滿足自動鋪帶極限工況需求的超聲切割系統(tǒng)控制方案。另外，此超聲切割系統(tǒng)的性能仍需在自動鋪帶機實際工作狀態(tài)下進行更為深入的研究，使其穩(wěn)定性和可靠性得以進一步提高。