纏繞成型工藝

1、纏繞成型工藝1.1 纖維纏繞工藝的分類：纏繞工藝：將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化脫模成為復(fù)合材料制品的工藝過程。決定產(chǎn)品形狀的模具基本纖維纏繞機(jī)浸膠膠紗紗錠張力控制固化打模噴漆脫模芯模制造膠液配制紗團(tuán)集束烘干絡(luò)紗加熱粘流縱、環(huán)向纏繞張力控制縱、環(huán)向纏繞成品濕法纏繞成型工藝干法纏繞成型工藝玻璃鋼.高壓儲氣罐/碳纖維球1.1.1 干法纏繞將預(yù)浸紗帶(或預(yù)浸布)，在纏繞機(jī)上經(jīng)加熱軟化至粘流狀態(tài)并纏繞到芯模上的成型工藝過程。干法纏繞特點(diǎn):制品質(zhì)量穩(wěn)定(預(yù)浸紗由專用預(yù)浸設(shè)備制造，能較嚴(yán)格地控制紗帶的含膠量和尺寸)；纏繞速度快(100200m/min); 纏繞設(shè)備清潔，

2、勞動衛(wèi)生條件好；預(yù)浸設(shè)備投資大。干法纏繞制品質(zhì)量較穩(wěn)定，并可大大提高纏繞速度，可達(dá)到100mmin200mmin。纏繞設(shè)備清潔勞動衛(wèi)生條件較好。1.1.2 濕法纏繞將無捻粗紗(或布帶)經(jīng)浸膠后直接纏繞到芯模上的成型工藝過程。此法無須另行配置浸漬設(shè)備。對材料要求不嚴(yán)，便于選材，故比較經(jīng)濟(jì)紗片質(zhì)量及纏繞過程中張力不易控制 。 特點(diǎn)： 不需要預(yù)浸漬設(shè)備，設(shè)備投資少；對材料要求不嚴(yán)，便于選材；紗片質(zhì)量不易控制和檢驗(yàn)；張力不易控制；膠液中存在大量溶劑，固化時易產(chǎn)生氣泡；浸膠輥、張力輥等要經(jīng)常維護(hù)刷洗。 濕法纏繞工藝流程:打磨噴漆膠液配制紗團(tuán)集束固化浸膠脫模張力控制縱、環(huán)向纏繞芯模制造制品 浸 膠 纏 繞

3、 原 材 料增強(qiáng)材料：應(yīng)用最廣、量最大的是玻璃纖維。此外有碳纖維，Kevlar纖維等。纏 繞 設(shè) 備臥式纏繞機(jī)纏繞設(shè)備立式纏繞機(jī)臥式纏繞機(jī)立式纏繞機(jī)纏 繞 機(jī) 構(gòu)紗 架浸 膠 槽張 力 控 制 器1.1.3 半干法纏繞 將無捻粗紗(或布帶)浸膠后，隨即預(yù)烘干，然后纏繞到芯模上的成型工藝方法與濕法相比，增加了烘干工序，除去了溶劑。與干法相比，無需整套的預(yù)浸設(shè)備，縮短了烘干時間，使纏繞過程可在室溫下進(jìn)行。提高了制品質(zhì)量。 1.2 纖維纏繞制品的優(yōu)點(diǎn) (1) 比強(qiáng)度高 FWRP的比強(qiáng)度3倍于鈦，4倍于鋼i) 材料表面缺陷是影響其強(qiáng)度的重要因素。表面積越大，缺陷率越高。纏繞纖維直徑很細(xì)，降低了微裂紋存

4、在幾率；所用纖維主要是無捻粗紗由于沒有經(jīng)過紡織工序，強(qiáng)度損失大大減少。 (ii) 避免了布紋經(jīng)緯交織點(diǎn)與短切纖維末端的應(yīng)力集中(iii) 可以控制纖維的方向和數(shù)量，使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)() 增強(qiáng)材料纖維含量高達(dá)80%(2) 可靠性高 纖維纏繞復(fù)合材料制品基本解決了金屬韌性隨強(qiáng)度的提高而降低這一矛盾。(3) 生產(chǎn)效率高,制品質(zhì)量高而穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化操作，生產(chǎn)效率高，便于大批量生產(chǎn)。 (4) 材料成本低, 所用增強(qiáng)材料大多是無捻粗紗等連續(xù)纖維，減少了紡織和其它加工費(fèi)用，材料成本低。 1.3 原材料主要有纖維增強(qiáng)材料與樹脂基體兩大類:（1）增強(qiáng)材料主要是中堿、無堿粗紗。另外有玻璃布帶、碳纖

5、維、芳綸纖維等。應(yīng)根據(jù)不同產(chǎn)品對性能的要求進(jìn)行選用。 (1) 航空和航天制品多選用性能優(yōu)異價格昂貴的碳纖維和芳綸纖維，民用產(chǎn)品多選用連續(xù)玻璃纖維；(2) 滿足制品的性能要求；(3) 纖維都必須進(jìn)行表面處理；(4) 與樹脂浸漬性好，浸透速度快；(5) 各股纖維張力均勻；(6) 成帶性好，不起毛，不斷頭。（2）樹脂體系樹脂及各種助劑、填料常用： 不飽和聚酯樹脂，環(huán)氧樹脂(雙酚A型)、酚醛環(huán)氧樹脂(環(huán)氧改性酚醛樹脂)。 不飽和聚酯：含有非芳族的不飽和鍵,由不飽和二元羧酸或酸酐、飽和二元羧酸或酸酐與多元醇縮聚而成的具有酯鍵和不飽和雙鍵的相對分子質(zhì)量不高的線型高分子化合物。不飽和聚酯樹脂：在聚酯化縮聚反

6、應(yīng)結(jié)束后，趁熱加入一定量的乙烯基單體，配成粘稠的液體，這樣的聚合物溶液稱之為不飽和聚酯樹脂。2 芯模外形同制品內(nèi)腔形狀尺寸一致，對芯模要求：1)足夠的強(qiáng)度和剛度。制造過程中要求芯模能夠保證制品的結(jié)構(gòu)尺寸及承受張力、固化熱應(yīng)力的載荷等。(2)必須滿足制品的精度要求。(3)制作工藝簡單、周期短，材料來源廣，價格低。(4)制品完成后，要求芯模能順利清除干凈，而不影響制品質(zhì)量。2.1芯模材料 主要是鋼材、木材、塑料、鋁、石膏、水泥、低熔點(diǎn)金屬、低熔點(diǎn)鹽類等，國外較多用低熔點(diǎn)金屬、低熔點(diǎn)鹽，制造芯模時將其熔化澆鑄成殼體，脫模時加入熱水?dāng)嚢枞芙饣蛴谜羝刍?.1.1 芯模材料對制品的影響 膨脹系數(shù)影響產(chǎn)

7、品尺寸精度；彈性模量影響產(chǎn)品力學(xué)性能及尺寸精度；導(dǎo)熱系數(shù)影響產(chǎn)品固化度；芯模中水份影響產(chǎn)品固化，甚至引起分層開裂。 采用易敲碎的材料;可溶或易熔鹽類；將其熔化用鑄造法澆鑄成殼體，脫模時加入熱水溶解低熔點(diǎn)金屬；由可溶或易熔粘結(jié)劑粘起來的集合體。2.1.3 組合式芯模分瓣式采用弓形鋁合金片構(gòu)成回轉(zhuǎn)體，外表面涂刮一層石膏層采用石膏隔板支撐金屬細(xì)管，捆扎后外表刮國外較多用，制造芯模時將其熔化澆鑄成殼體，脫模時加入熱水?dāng)嚢枞芙饣蛴谜羝刍?。石膏，封頭亦用石膏制作用金屬管捆扎成芯模，外表層刮石膏隔板式捆扎式框架裝配式2.1.4 石膏隔板組合式芯模 優(yōu)點(diǎn)：由芯軸、預(yù)制石膏板、鋁管及石膏面層等部分構(gòu)成高溫固化

8、，石膏脫水對制品質(zhì)量有影響，不適于加壓固化；一個芯模使用一次，僅適用于單件和小批量生產(chǎn)成型工藝簡單、成本低，適用于大型芯模，尺寸精度高缺點(diǎn)：2.2 圓筒芯模開縮式芯模 整體式芯模 開縮式芯模：芯模有中心軸，沿軸一定距離有一組可伸縮輻條式機(jī)構(gòu)支撐輪狀環(huán)。用于支撐芯模外殼。脫模時，通過液壓的機(jī)械裝置，使芯模收縮并從固化的制品中脫下來、然后再將芯模恢復(fù)到原始位置。整體式芯模：1、具有經(jīng)拋光的高精度表面2、具有錐度，不小于1/1000(便于脫模)2.3纏繞規(guī)律纏繞規(guī)律：描述紗片均勻、穩(wěn)定、連續(xù)、排布在芯模表面，以及芯模與導(dǎo)絲頭間運(yùn)動關(guān)系的規(guī)律。要求：(1) 纖維既不重疊又不離縫，均勻連續(xù)布滿芯模表面。

9、 (2) 纖維在芯模表面位置穩(wěn)定，不打滑。 2.3.1 纏繞線型分類(1) 環(huán)向纏繞芯模繞自軸勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭在筒身區(qū)間作平行于軸線方向運(yùn)動。芯模自轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)絲頭近似移動一個紗片寬度的纏繞。(只能纏繞直筒段)纏繞角通常為85-90°封頭紗帶筒身b(2) 螺旋纏繞 ：芯模繞自軸勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭依特定速度沿芯模軸線方向往復(fù)運(yùn)動?？梢岳p繞圓筒段，也可纏繞端頭(封頭)。纖維纏繞軌跡：由圓筒上的螺旋線和封頭上與極孔相切的空間曲線組成。（3）縱向纏繞 （又稱平面纏繞） 導(dǎo)絲頭在固定平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，芯模繞自軸慢速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)絲頭轉(zhuǎn)一周，芯模轉(zhuǎn)動微小角度，反映在芯模表面上近似一個紗片寬度。 紗片與

10、芯模軸線間成0° 25°交角，纖維軌跡是一條單圓平面封閉曲線。平面纏繞、纏繞角的正切值： 平面纏繞參數(shù)關(guān)系圖紗片與芯模的交角lcle1le22r12r2baDsDlcb平面纏繞的速比： 單位時間內(nèi)，芯模旋轉(zhuǎn)周數(shù)與導(dǎo)絲頭繞芯模旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)比或繞絲頭轉(zhuǎn)一圈時導(dǎo)絲頭繞芯模旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。紗片寬度纏繞角2.3.1螺旋纏繞線型連續(xù)纖維纏繞在芯模表面上的排布型式（1）一個完整循環(huán)的概念螺旋纏繞時，由導(dǎo)絲頭引入的纖維自芯模上某點(diǎn)開始(空間點(diǎn))，導(dǎo)絲頭經(jīng)過若干次往返運(yùn)動后，又纏回到原來的起始點(diǎn)上(空間點(diǎn))。這樣在芯模上所完成的一次(不重復(fù))布線稱為“標(biāo)準(zhǔn)線”。完成一個標(biāo)準(zhǔn)線纏繞稱為一個完整循環(huán)。

11、“標(biāo)準(zhǔn)線”是反映纏繞規(guī)律的基本線型。纖維在芯模表面均勻布滿的條件（2）一個完整循環(huán)的切點(diǎn)數(shù)及分布規(guī)律a、切點(diǎn)位置“時序相鄰”和“位置相鄰”的概念 在極孔圓周上按時間順序相繼出現(xiàn)的兩個切點(diǎn)稱為時序相鄰的兩切點(diǎn)。 時序相鄰的切點(diǎn)的位置只能有兩種情況： 1) 兩切點(diǎn)緊密排布，中間不能再加入其他切點(diǎn)， 稱為兩切點(diǎn)“位置相鄰”。 2) 兩切點(diǎn)之間還可以加入其他切點(diǎn)，稱兩切點(diǎn)位置不相鄰。 b、單切點(diǎn)與多切點(diǎn)的概念 單切點(diǎn)纏繞：完成一個完整循環(huán)纏繞，極孔圓周上只有一個切點(diǎn)的情況。 多切點(diǎn)纏繞: 完成一個完整循環(huán)纏繞，極孔圓周上有多個切點(diǎn)的情況完成一個完整的循環(huán)纏繞有兩種情況： 1) 時序相鄰的兩切點(diǎn)位置也相

12、鄰。即在出現(xiàn)與初始切點(diǎn)位置相鄰的切點(diǎn)以前，極孔上只有一個切點(diǎn)，這種纏繞線形稱單切點(diǎn)線型。2) 在出現(xiàn)與起始切點(diǎn)位置相鄰的切點(diǎn)以前，極孔上已經(jīng)出現(xiàn)了兩個或兩個以上切點(diǎn)，即時序相鄰切點(diǎn)位置不相鄰，這種纏繞線形稱為多切點(diǎn)線型。 在極孔上的切點(diǎn)線型排布1233124 單切點(diǎn)線型 雙切點(diǎn)線型纖維從切點(diǎn)1繞到與它時序相鄰的切點(diǎn)2時，芯模轉(zhuǎn)過中心角為360o/2n=3 n=4 n=51231231234123412345142531352415432c、一個完整循環(huán)的n個切點(diǎn)必將等分極孔圓周 由于芯模勻速轉(zhuǎn)動，絲嘴每往返一次的時間又相同。因此，一個完整循環(huán)的n點(diǎn)切點(diǎn)必將等分極孔圓周。 3）纖維在芯模表面均勻

13、布滿的條件 a、一個完整循環(huán)的諸切點(diǎn)均布在極孔圓周上。b、位置相鄰的兩切點(diǎn)所對應(yīng)的紗片在筒身段錯開的距離等于一個紗片寬度。2.3.2 纖維纏繞芯模轉(zhuǎn)角(即纏繞中心角)與線型的關(guān)系 設(shè)完成一個n切點(diǎn)的完整循環(huán)纏繞，芯模轉(zhuǎn)角為，導(dǎo)絲頭每往返一次芯模轉(zhuǎn)角為n，則： 當(dāng)從切點(diǎn)1繞到切點(diǎn)2或從切點(diǎn)2繞到切點(diǎn)3時，芯模轉(zhuǎn)過中心角將是360°土，或者再加上360 °的整數(shù)倍。n的推導(dǎo)：單切點(diǎn)： 1=(1+N)360°± （N=0，1，2，······） 其中是使位置相鄰的兩切點(diǎn)對應(yīng)的紗片在筒身段錯開一個紗片的

14、距離。123兩切點(diǎn)：一個完整循環(huán)導(dǎo)絲頭往返2次才錯過一個，導(dǎo)絲頭往返一次時應(yīng)錯開/2。2=(1+N)360°±/2=(1/2+N) 360°±/23124三切點(diǎn)：3=(1+N)360°±/3 =(1/3+N) 360°±/3n=3123123但是，n3時各切點(diǎn)的排序與時間順序不一定一致，例如3有2個值：3-1=（1/3+N）360°±/3 3-2=（2/3+N）360°±/35有4個值： 5-1=（1/5+N）360°±/5 5-2=（2/5+N）360&

15、#176;±/5 5-3=（3/5+N）360°±/5 5-4=（4/5+N）360°±/5則對于n有n（K/n +N）360°±/n K值需要使K/n為最簡真分?jǐn)?shù)。 在一個完整循環(huán)中，切點(diǎn)數(shù)不同，纖維纏繞的線型不同，導(dǎo)絲頭往返一次芯模轉(zhuǎn)角不同；如果在一個完整的循環(huán)中，切點(diǎn)數(shù)相同而切點(diǎn)排布順序不同，則線型也不相同，導(dǎo)絲頭往返一次的芯模轉(zhuǎn)角也不同。導(dǎo)絲頭往返一次的轉(zhuǎn)數(shù)作為纏繞線型的“代號”。1n=3 n=4 n=5123123123412341234514253352415432“線型”以導(dǎo)絲頭往返一次芯模旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)來表示:S

16、0 n /360°M=K + nNS0-表示線型；M一個完整循環(huán)芯模轉(zhuǎn)數(shù)；n切點(diǎn)數(shù)，也是一個完整循環(huán)導(dǎo)絲頭往返次數(shù)。不考慮芯模轉(zhuǎn)角微調(diào)量n(K/n +N)360°±/nS0 K/n + NM/n連續(xù)纖維纏繞在芯模表面上的排布型式2.3.3 螺旋纏繞的轉(zhuǎn)速比 單位時間內(nèi)，芯模轉(zhuǎn)數(shù)與導(dǎo)絲頭往返次數(shù)之比，完成一個完整循環(huán)，芯模轉(zhuǎn)數(shù)與導(dǎo)絲頭往返次數(shù)之比。一個完整循環(huán)的芯模轉(zhuǎn)數(shù)一個完整循環(huán)中導(dǎo)絲頭往返數(shù)不同的線型嚴(yán)格對應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)速比定義線型在數(shù)值上等于轉(zhuǎn)速比 考慮到速比微調(diào)部分(即紗片寬度對應(yīng)角度)的影響，實(shí)際轉(zhuǎn)速比： n=(K/n+N)360°±/n

17、2.4 纏繞工藝設(shè)計(jì)纏繞工藝設(shè)計(jì)包含內(nèi)容：(1) 根據(jù)產(chǎn)品使用和設(shè)計(jì)要求、技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)造型、纏繞線型和芯模設(shè)計(jì)；(2) 選擇原材料；(3) 根據(jù)產(chǎn)品強(qiáng)度要求、原材料性能及纏繞線型進(jìn)行纏繞層數(shù)計(jì)算；(4) 根據(jù)選定的原材料和工藝方法，確定工藝流程及工藝參數(shù)；(5) 根據(jù)纏繞線型選定纏繞設(shè)備，或?yàn)槔p繞設(shè)備設(shè)計(jì)提供參數(shù)。2.4.1纏繞類型選擇考慮因素(1) 制品的結(jié)構(gòu)形狀和幾何尺寸: 平面纏繞適合于球形、扁橢球形、長徑比小于4的筒形制品。也適用于兩封頭不等極孔容器的纏繞。長形管狀制品一般采用螺旋纏繞。為防止纖維打滑，平面纏繞通常采用預(yù)浸紗纏繞，同時，極孔直徑一般不超過筒體直徑的30%。(2

18、) 強(qiáng)度要求: 螺旋纏繞: 纖維在筒身上交叉程度相當(dāng)大，從強(qiáng)度觀點(diǎn)看是不利的。因?yàn)榻徊纥c(diǎn)處的纖維在承載狀態(tài)下有被拉直的趨勢，纖維交叉程度大就容易產(chǎn)生分層和損壞；其次，由于纖維交叉孔隙率偏高，而孔隙率是使制品剪切強(qiáng)度降低的主要原因。平面纏繞: 纖維在筒體是不交叉的，而以完整的纏繞層依次逐層重疊，排列較好。因此，平面纏繞可望獲得高強(qiáng)度，并因而減輕制品質(zhì)量。封頭紗帶筒身b平面纏繞環(huán)向纏繞螺旋纏繞(3) 載荷特性平面和環(huán)向組合纏繞: 當(dāng)制品受到內(nèi)壓以外的荷載，設(shè)計(jì)靈活性較大。只要改變各方向玻璃纖維的數(shù)量就能獨(dú)立和方便地調(diào)變縱向和環(huán)向強(qiáng)度。螺旋纏繞：在設(shè)計(jì)和工藝上對于內(nèi)壓以外荷載的適應(yīng)性較差。(4) 纏

19、繞設(shè)備：2.4.2 螺旋纏繞線型參數(shù)選擇紗片與芯模軸線的交角1，纏繞角：選定線型的纏繞角應(yīng)等于或接近測地線纏繞角 ，曲面上兩點(diǎn)之間的短程線，是在一個曲面上，每一點(diǎn)處測地曲率均為零的曲線。濕法纏繞，實(shí)際纏繞角應(yīng)控制在與測地線纏繞角 ( )偏離810°以內(nèi)。 2，切點(diǎn)數(shù)：選少切點(diǎn)線型。切點(diǎn)數(shù)越多，纖維交叉次數(shù)越多，使極孔附近區(qū)域的纖維堆積架空現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致應(yīng)力集中，影響纖維強(qiáng)度的發(fā)揮。3，封頭包絡(luò)圓：極孔包絡(luò)圓應(yīng)逐漸擴(kuò)大，使纖維在極孔周圍排布均勻，減輕纖維在極孔附近的堆積。減弱應(yīng)力集中程度，不致使封頭外形曲線發(fā)生過大變化，有利纖維強(qiáng)度的發(fā)揮。4，纏繞程序：對于小車環(huán)鏈?zhǔn)嚼p繞機(jī)，纏繞角不宜

20、選大小。否則，將使鏈條長度增大，設(shè)備笨重。同時超越長度也增大，使纏繞張力難以控制。5，鏈條長度：沉浸式浸膠表面帶膠式浸膠2.4.3浸膠方式：通過擠膠輥壓力來控制含膠量通過控制刮刀與膠輥距離，以改變膠輥表面膠層厚度，從而控制含膠量。膠槽纖維擠膠輥膠槽纖維刮刀膠輥浸膠槽應(yīng)裝備恒溫水浴，以控制膠液溫度(粘度)。膠含量控制： 20左右膠液粘度： 0.351.0 Pa.S 2.4.4纏繞張力的影響：（纖維纏繞過程中所受的張緊力）1，制品機(jī)械性能：張力過小，制品強(qiáng)度偏低，容器充壓時變形大，疲勞性能差；張力過大纖維磨損大，使纖維強(qiáng)度損失，制品強(qiáng)度下降。張力大小應(yīng)適中、均勻。采用低捻度、張力均勻的纖維，并應(yīng)盡量保持紗片內(nèi)各束纖維是平行的剪切強(qiáng)度與張力的關(guān)系 2，制品密實(shí)度：接觸成型壓力：纏繞在曲面上的纖維，其纏繞張力產(chǎn)生的垂直于芯模表面的法向力。T0纏繞張力， N/cm；r芯模半徑，cm； 纏繞角使制品致密4 8 12 1680 70 60 50N (0.1MPa)H0 (%)體積密度與成型壓力關(guān)系3，含膠量：隨著纏繞張力增大，含膠量降低。濕法纏繞中，由于纏繞張力的徑向分量法向壓力的作用，膠液將由內(nèi)層被擠向外層，出現(xiàn)膠液含量沿壁厚不均勻內(nèi)低外高現(xiàn)象。采用分層固化或預(yù)浸材料可減輕或避免這種現(xiàn)象。單紗張力