摘 要

本文借助三维造型软件Pro/Engineer，对碳纤维预浸料切割机进行结构设计，随着现代机械加工业的发展，对切割的质量、精度要求的不断提高，对提高生产效率、降低生产成本、具有高智能化的自动切割功能的要求也在提升。碳纤维预浸料切割机目的在于更有效和准确的加工越来越广泛的应用于航空航天制造领域的复合材料（如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、纸基或铝基蜂窝材料、预浸纤维材料、各种泡沫材料等）。

碳纤维预浸料切割机是集合了数控、监测监控技术和机械加工技术为一体的机电一体化系统。本题目主要完成碳纤维预浸料切割机的机械机构设计，在设计中具体进行各部件系统的选型和计算，比如：滚柱丝杠螺母副的选型计算、齿轮齿条副的设计计算，还进行了对进给传动系统的设计，驱动电机的选型计算，气缸升降系统的设计等。

关键词：碳纤维预浸料；切割机；进给系统

Abstract

This paper uses the three-dimensional modeling software Pro/Engineer to structure the carbon fiber prepreg cutting machine. The cutting equipment is a common processing equipment. The carbon fiber prepreg cutting machine aims at more efficient and accurate processing, which is more and more widely used. Composite materials used in aerospace manufacturing (such as glass fiber, carbon fiber, Kevlar fiber, paper-based or aluminum-based honeycomb material, pre-impregnated fiber material, various foam materials, etc.).

The carbon fiber prepreg cutting machine is a mechatronic system integrating numerical control, monitoring and monitoring technology and machining technology. This topic mainly completes the mechanical design of the carbon fiber prepreg cutting machine. In the design, the selection and calculation of each component system are specifically carried out. For example, the selection calculation of the roller screw nut pair and the design calculation of the rack and pinion pair. The design of the feed transmission system, the selection calculation of the drive motor, and the design of the cylinder lift system were also performed.

Key Words：Carbon fiber prepreg；Cutting machine；feed system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 碳纤维预浸料切割机简介 1

1.1.1 碳纤维预浸料的应用现状 1

1.1.2 碳纤维预浸料的切割方式 1

1.1.3 碳纤维预浸料切割机国内外研究现状 2

1.2 课题研究的目的及意义 3

1.3 主要研究内容 3

第2章 碳纤维预浸料切割机结构设计 4

2.1 横向进给系统设计 4

2.1.1 滚珠丝杠螺母副的设计 5

2.1.2 电动机的选型 6

2.1.3 轴承、联轴器的选型 8

2.1.4 导轨滑块的设计选型 9

2.1.5 螺母支座、基座及工作台的设计 10

2.2 纵向进给系统设计 12

2.2.1 齿轮、齿条的设计 13

2.2.2 电动机的选型 14

2.2.3 减速器的选型 15

2.2.4 其它部件的选型 15

2.3 刀具升降系统的设计 15

2.3.1 气缸选型 15

2.3.2 升降系统工作台设计 16

2.4 刀具旋转系统的设计 17

2.4.1 电动机的选型 17

2.4.2 齿轮传动系统的设计 17

2.4.3 刀具与夹持装置设计 18

2.5 压紧装置的设计 19

2.6 其它结构的设计 20

第3章 碳纤维预浸料切割机三维模型 21

第4章 总结与展望 24

4.1 总结 25

4.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 碳纤维预浸料切割机简介

碳纤维预浸料的应用现状

预浸料是指使用树脂基体在指定条件条件下连续向基体里面融浸纤维或织物，制成加强体与树脂基体的混合物。而碳纤维预浸料是由碳纤维纱、离型纸、环氧树脂等原料，经过诸多工艺加工而成的复合材料，别名为碳纤维预浸布。因为此过程形成的材料只是碳纤维与树脂的简单含浸，而产品成型时是在最终含浸才得到的原因。预浸料是保证复合材料质量和可靠性的重要因素，预浸料又可细分为碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶纤维预浸料等种类^[1]。

碳纤维预浸料由于具有优良的性能，普遍用于各个领域，比如能源设备、航空航天、建筑工程、交通运输、体育休闲等，碳纤维预浸料的主要特点是强度高、密度小，碳纤维预浸料的强度可以达到钢材的6-12倍，但密度只有钢材四分之一；并且塑性好，可根据模具形状做成任何形状，其成型容易，便于加工；耐腐蚀，寿命长。可以根据应用改变碳纤维预浸料制作过程中的碳纤维、胶含量，来改变碳纤维预浸料的性能。

高性能的碳纤维预浸料材料是国家材料发展的重要部分，关系到国家战略性材料技术发展。碳纤维预浸料的生产行业不能满足于现有技术，以积极抓住国内碳纤维预浸料产业化快速发展的有利时机，提高产业化先进水平，提高自主创新能力，完成行业技术发展，缩小与发达国家的差距，真正实现碳纤维预浸料的国产化自给，改变受制于人的被动局面^[2]。

现今，碳纤维预浸料材料已经成为复合材料里面的不可缺少的一类，并且占据了非常重要的地位，在世界上生产的碳纤维复合材料中有一半以上是经过碳纤维预浸料通过一系列工艺制作而成。虽然在国内碳纤维预浸料的使用逐渐广泛起来，但在国外碳纤维预浸料已经成为碳纤维复合材料行业中下游的产品。在世界范围内，大部分的碳纤维生产地区仍集中在USA、Japan、Taiwan、Europe等地区，并且Japan的碳纤维制造技术在世界的最前沿，产量也达到了世界碳纤维消费的一半，而USA的消费量在世界上占据最大。就目前而言，全世界的碳纤维复合材料市场需求基数大，并且每一年以很高的速率增长。而调查国内的碳纤维预浸料生产厂家，主要集中在东南沿海地区，并且碳纤维预浸料的生产工艺也相对落后，自动化程度较低。

1.1.2 碳纤维预浸料的切割方式

切割加工是碳纤维预浸料制造工艺中的一个重要环节，碳纤维预浸料常用的切割方式有机械刀具切割、高压水切割、激光切割、超声切割。在实现切割过程时，主要目的是切断中间的纤维带，并且尽量不要切到下面的衬纸或者其它铺垫材料，如果切断衬纸或者铺垫材料时，将无法回收再利用^[3]。下面简单的介绍一下这几种常见的切割方式：

（1）激光切割：激光切割技术主要原理为使用高密度、高功率的激光束聚集照射被切割材料，当材料被激光的能量加热至汽化，再通过气体将汽化的熔融物质吹除，激光光束在材料上移动，从而达到切割效果。

（2）普通机械刀具切割：利用切割刀具实现材料的切割。

（3）高压水切割：水射流从加压泵开始，通过高压管，从切割喷头射出，行成巨大的压力，从而对材料进行切割。

（4）超声波切割：超声切割主要是采用超声波震动，将电能转化为机械能，震碎工件，达到切割目的。

碳纤维预浸料具有高强度、低密度、可塑性好、并且易成型的特点，所以碳纤维预浸料的加工性能较差，对切割有一定困难^[4]。

常用的机械刀具切割包括砂轮片切割和带锯切割以及铣削。在采用砂轮片切割时，如果选用的工艺参数合适，碳纤维预浸料不会产生分层并且切口质量较高；带锯切割的切口不平整，切口质量较差，往往切口还会出现纤维毛边，所以带锯切割只用于粗加工；对于复杂外形的零件切割可用铣削。高压水切割可切割复合材料，并且表面质量高，被切割材料不会产生热变形，切割力小，加工效率高，经济效益高；激光切割实质是通过激光能转换为的热能使材料被切割，若提高功率，切割深度增加，但相应的切口表面质量受到影响，而功率小时，则会产生不完全切割；超声切割通过置于超声切割器内的超声-机械转换器，将超声振动转化为机械振动，再通过共振放大，最后将这部分能量传导至超声切割头^[5]。

根据以上几种可供选择的切割方式，由于激光切割和水切割的成本昂贵，水切割使用的水不好处理，不适用于碳纤维预浸料的切割。超声切割需要的设备较为复杂，并且根据经济实用性，本次采用机械刀具切割。

1.1.3 碳纤维预浸料切割机国内外研究现状

在历经了数十年的发展后，切割与数控技术都得到了深入的发展，如今，数控切割机常用的类型有：火焰切割机、等离子切割机、高压水切割机、激光切割机，数控切割机的发展必须要适应现代机械加工业发展的要求^[6]。

从现在而各种类型的切割机应用发展来看，目前我国已经取得了历史性的进步，正在扎实的走向国际前端科技水平，逐步提高其市场竞争率与市场占有率。对于我国科技发展实力不断提升，我国的切割设备发展已经逐渐走向世界前沿，在一些产品技术性能方面，甚至超越了国外的产品^[7]。

我国的切割技术长期处于落后状态，但在近30年来却有了飞速的发展。如今对于复合材料切割机甚至碳纤维预浸料切割机的发展已经非常的飞速，其中碳纤维预浸料的切割方式更是涌现出了很多类型，从起初单一的机械刀具切割，到现在激光切割、超声切割、等离子切割等方式的出现，碳纤维预浸料的切割方式更加多样化、人性化、更环保，切割的效率也越来越高。目前，碳纤维预浸料切割机由于切割材料尺寸，切割方式限制等因素，国内碳纤维预浸料切割机大多使用振动刀切割技术，通过伺服电机带动丝杠控制模式，通过数控技术把事先编好的加工程序，自动地对加工材料切割，其广泛应用于服装行业、箱包行业、包装印刷行业、汽车内饰行业等。

国外的切割技术于我们国内较为领先，由于国外的切割机以及其工艺生产线的自动化程度、制造质量均领先于国内，其切割产品占据世界更大比重。就目前而言，日本、欧洲、美国等地区，碳纤维预浸料切割技术已经遥遥领先，且碳纤维更多的应用在国防、军事以及航空航天等领域，其它国家已经禁止对我国出口碳纤维材料，所以我国需要更多的培养人才，研究高新技术。

对于碳纤维产业的发展，国家也高度重视，在国家“十二五”规划纲要中，明确指出要大力发展战略性新兴产业，这将大幅度提升我国生产效率与工业领域水平。因此，对于切割机来说，性能更优越、更自动化的数控碳纤维预浸料切割机将会慢慢登上碳纤维切割领域的大舞台。

1.2 课题研究的目的及意义

鉴于碳纤维预浸料在制造业逐渐广泛的使用，并且传统人工切割效率低，从而通过数控技术将碳纤维预浸料的机械切割达到高效率、高精度、低成本、多样式等特点，本次碳纤维预浸料切割机的设计致力于提高碳纤维预浸料的切割精度、效率，即通过本次碳纤维预浸料结构设计，完成数控系统与切割技术的结合，从而提高切割效率，以及切割的多样性。国内研究的碳纤维预浸料切割机大多采用价格较高的超声切割机和激光切割机，本设计既可以达到碳纤维预浸料的切割目的，并且成本较低，搭载数控技术，更能简便的完成切割操作。

1.3 主要研究内容

本课题的设计目标是设计一套碳纤维预浸料的切割装置，能够控制碳纤维预浸料的路径切割，从而切割出各种形状的碳纤维预浸料材料，具体的研究内容包括：

1. 切割刀具装配在工作台上移动，并且横向和纵向的移动互不影响，在此需要设计横纵两方向的进给系统。
2. 刀具旋转是根据数控程序的控制，控制电机带动齿轮的转动，齿轮带动刀具的旋转；刀具升降是根据数控程序控制气缸工作，从而带动刀具的升降，在此需要设计刀具的升降、旋转系统。
3. 碳纤维预浸料铺放在切割机工作平面上，需要固定其位置，在此需要设计压紧装置系统。

第2章 碳纤维预浸料切割机结构设计

本文设计的碳纤维预浸料切割机的结构包括横向进给系统的结构设计，纵向进给系统的结构设计，刀具升降系统的结构设计，刀具旋转系统的结构设计，压紧装置的结构设计五大部分。常见的切割机结构有移动桥式和悬臂式结构。

1. 图为移动桥式结构，工作台1固定，桥2可以移动，导轨3和桥上的滑块组成导轨滑块运动副，可以进行X轴向的移动，滑块4与桥Y轴的导轨组成导轨滑块副，可以进行Y轴的运动，5和6组成刀具的升降系统。此结构切割机切割空间较大，同时结构较为紧凑，适用于中小型切割设备。
2. 图为悬臂式结构，工作台1固定，横向进给系统2可以沿X轴移动，纵向进给系统3可以沿Y轴移动，刀具升降系统4可以做Z向的上下移动，5为切割刀具。悬臂式切割机优点有工作的空间较大，运动的范围也比较大，但主要的缺点是工作过程中悬臂梁的变形较大，所以设计此结构时纵向行程不易过大。

(a) (b)

图2.1切割机结构

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