摘 要

碳纤维因其具备许多优良性能，已被广泛用于航空航天、汽车制造、医疗等众多领域, 在各行各业中起着非常重要的作用。由于碳纤维的越来越广泛的应用，自动铺放技术也显得越来越重要，对铺放技术的研发投入也越来越大，铺放技术也随之进一步发展。但是，我国的自动铺放技术的发展开始较晚，目前还不够成熟，与发达国家相比还存在较大差异，因此大力发展铺放技术，制造出先进的纤维铺放设备在我国显得格外重要。

纤维带铺放机在现代碳纤维制品和纤维强化制品中有着广泛应用，其核心部件铺放头决定了整个设备的铺放效率。本项目对纤维铺放设备中的剪切机构进行设计研究，达到快速、有效、合理的剪切效果。碳纤维预浸带有许多不同的切割方式，本课题对普通刀片切割和超声波切割两种不同的切割方式进行分析比较，再经过计算设计出符合要求的剪切刀，然后通过三维建模等对设计结果进行分析、优化。从而设计出合理的预浸带剪切刀。主要工作内容如下：

1. 设计剪切刀的传动机构，包括驱动装置、连杆机构等。
2. 驱动装置采用气缸为动力源，对驱动装置中所选用的气缸进行分析计算，根据计算结果对气缸进行选型。
3. 分别对物理剪切刀和超声波剪切刀进行分析比较，掌握两种不同剪切方式的原理。
4. 对设计剪切机构进行三维建模，并进行分析优化。

关键词：碳纤维预浸带；剪切机构；剪切刀

Abstract

Carbon fiber because of its many excellent properties, are widely used in aviation, missile, rocket, aircraft. Owing to the fact that carbon fiber is widely used, automatic placement technology attracts more and more investment and research. However, the development of automatic placement in China started relatively late. There is a gap when compared with developed countries. Placement in modern carbon fiber products and is widely used in fiber reinforced products, placement head determines the overall performance of its core elements. This project aims to develop the placement head cutting knives, to enable specific design, quick, effective and rational shearing effect. This work introduce a kind of method using the normal blade cut and ultrasonic cutting as two different cutting patterns. Analysing these two different ways of cutting, calculating shear knife designed to meet the requirements, modeling the results were carried out. Main tasks are listed as follows:

1. Design shear cutter bodies, including drives, drive mechanism, and so on.
2. Drive cylinder is used as a power source, needs to drive the selection of the cylinder is calculated, according to the results of the cylinder selection.
3. Respectively, to analyze the physical cutting knives, and ultrasonic shear knives, then according to their performance, choosing the best cutting knife.
4. Modeling the structure of the design.

Key Words：Carbon fiber; Prepreg tape；Plain blade cutting；Ultrasonic cutting； Shearing tool

目 录

第1章 绪论 1

1.1 碳纤维铺放成型工艺的简介 1

1.1.1 碳纤维应用现状 1

1.1.2 铺放设备国内外现状 1

1.1.3 铺放工艺 2

1.2 碳纤维铺放过程中切割工艺 4

1.3 课题研究的目的及意义 5

1.4 主要研究内容 6

第2章 剪切机构设计 7

2.1 驱动机构的设计 7

2.1.1 气缸选型 7

2.1.2 传动机构设计 9

2.2 物理剪切刀的设计 10

2.2.1 剪切方式的介绍 10

2.2.2 剪切刀的运动过程 10

2.2.3 剪切刀的设计 11

2.3 超声波剪切刀的选型 12

2.3.1 超声波极其特性 12

2.3.2 超声切割的原理 13

2.3.3 超声波切割的运动过程 14

2.3.4 超声波切割装置相关部件的选择 15

2.3.5 超声波剪切刀的设计 15

第3章 建立三维模型 17

3.1 三维建模的概述 17

3.2 剪切装置建模 17

3.2.1 气缸建模 17

3.2.2 连杆机构建模 18

3.2.3 剪切刀建模 21

第4章 总结 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1碳纤维铺放成型工艺的简介

1.1.1碳纤维应用现状

碳纤维是一种新型的高强度、高模量的纤维材料^[1]，其含碳量超过95%。它是由片状的石墨微小晶粒等有机纤维沿着纤维的轴向方向堆积而成的微晶石墨材料，它的密度比金属铝小，但强度比钢铁高，并且具有耐腐蚀、高模量的特点^[2]，它不仅具有碳材料的众多基本特性，又具有纤维纺织材料的柔韧可加工性，是一种新型的纤维复合材料，在许多领域都有着广泛的应用。

由于碳纤维具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、传热、比重小、热膨胀系数小等优良性能^[3]，采用碳纤维制造机器零部件，不仅可以提高机器的强度，从而增加其使用寿命，还可以减轻机器的重量，这在航空航天领域显得格外重要，因为采用碳纤维制品，可以提高飞行设备的强度，从而提高飞行设备的可靠性与安全性，而且还可以减轻飞行设备的重量，从而大幅度节省能源。