缠绕成型工艺.docx
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缠绕成型工艺
环绕成型工艺
1.1纤维环绕工艺的分类:
环绕工艺:
将浸过树脂胶液的连续纤维或布带,依据必定规律环绕到芯模上,
而后固化脱模成为复合资料制品的工艺过程。
决定产品形状的模具
基本纤维环绕机
胶液配制
纱团
集束
浸胶
烘干
络纱
胶纱纱锭
湿
干
张力控制
张力控制
法
法
纵、环向环绕
加热粘流
缠
缠
芯模制造
纵、环向环绕
绕
绕
固化
脱模
打模喷漆
成品
玻璃钢.高压储气罐/碳纤维球
干法环绕
将预浸纱带(或预浸布),在环绕机上经加热融化至粘流状态并环绕到芯模上的
成型工艺过程。
干法环绕特色:
制质量量稳固(预浸纱由专用预浸设施制造,能较严格地控制纱带的含胶量和
尺寸);环绕速度快(100~200m/min);环绕设施洁净,劳动卫生条件好;
预浸设施投资大。
干法环绕制质量量较稳固,并可大大提升环绕速度,可达
到100m/min~200m/min。
环绕设施洁净.劳动卫生条件较好。
湿法环绕
将无捻粗纱(或布带)经浸胶后直接环绕到芯模上的成型工艺过程。
此法不必另
行配置浸渍设施。
对资料要求不严,便于选材,故比较经济纱片质量及环绕
过程中张力不易控制。
特色:
不需要预浸渍设施,设施投资少;对资料要求不严,便于选材;纱片质量不
易控制和查验;张力不易控制;胶液中存在大量溶剂,固化时易产生气泡;
浸胶辊、张力辊等要常常保护洗刷。
湿法环绕工艺流程:
胶液配制
浸胶
张力控制
纵、环
芯模制造
纱团集束
脱模固化
打磨喷漆制品
浸胶缠绕
原材料
加强资料:
应用最广、量最大的是玻璃纤维。
别的有碳纤维,Kevlar纤维等。
缠绕设备
卧式环绕机
环绕设施
立式环绕机
卧式环绕机
立式环绕机
缠绕机构
纱架
浸胶槽
张力控制器
半干法环绕
将无捻粗纱(或布带)浸胶后,随即预烘干,而后环绕到芯模上的成型工艺方法
与湿法对比,增添了烘干工序,除掉了溶剂。
与干法对比,无需整套的预浸
设施,缩短了烘干时间,使环绕过程可在室温下进行。
提升了制质量量。
1.2纤维环绕制品的长处
(1)比强度高FWRP的比强度3倍于钛,4倍于钢
i)资料表面缺点是影响其强度的重要要素。
表面积越大,缺点率越高。
环绕纤维直径很细,降低了微裂纹存在几率;所用纤维主假如无捻粗纱因为没有经过纺织工序,强度损失大大减少。
(ii)防止了布纹经纬交叉点与短切纤维尾端的应力集中
(iii)能够控制纤维的方向和数目,使产品实现等强度结构
(ⅳ)加强资料纤维含量高达80%
(2)靠谱性高纤维环绕复合资料制品基本解决了金属韧性随强度的提升而降低这一矛盾。
(3)生产效率高,制质量量高而稳固,可实现机械化、自动化操作,生产效率高,便于大量量生产。
(4)资料成本低,所用加强资料大多是无捻粗纱等连续纤维,减少了纺织和其余加工花费,资料成本低。
1.3原资料
主要有纤维加强资料与树脂基体两大类:
(1)加强资料
主假如中碱、无碱粗纱。
此外有玻璃布带、碳纤维、芳纶纤维等。
应依据不
同产品对性能的要求进行采纳。
(1)航空和航天制品多项选择用性能优秀价钱昂贵的碳纤维和芳纶纤维,民用
产品多项选择用连续玻璃纤维;
(2)知足制品的性能要求;
(3)纤维都一定进行表面办理;
(4)与树脂浸渍性好,浸透速度快;
(5)各股纤维张力平均;
(6)成带性好,不起毛,不停头。
(2)树脂系统
树脂及各样助剂、填料
常用:
不饱和聚酯树脂,环氧树脂(双酚A型)、酚醛-环氧树脂(环氧改性酚
醛树脂)。
不饱和聚酯:
含有非芳族的不饱和键,由不饱和二元羧酸或酸酐、饱和二元羧
酸或酸酐与多元醇缩聚而成的拥有酯键和不饱和双键的相对分子质量不高的
线型高分子化合物。
不饱和聚酯树脂:
在聚酯化缩聚反响结束后,趁热加入必定量的乙烯基单体,
配成黏稠的液体,这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。
2芯模
外形同制品内腔形状尺寸一致,对芯模要求:
1)足够的强度和刚度。
制造过程中要求芯模能够保证制品的结构尺寸及蒙受
张力、固化热应力的载荷等。
(2)一定知足制品的精度要求。
(3)制作工艺简单、周期短,资料根源广,价钱低。
(4)制品达成后,要求芯模能顺利消除洁净,而不影响制质量量。
2.1芯模资料
主假如钢材、木材、塑料、铝、石膏、水泥、低熔点金属、低熔点盐类等,
外国许多用低熔点金属、低熔点盐,制造芯模时将其融化浇铸成壳体,脱模时
加入热水搅拌溶解或用蒸汽融化。
芯模资料对制品的影响
膨胀系数影响产品尺寸精度;
弹性模量影响产品力学性能及尺寸精度;
导热系数影响产品固化度;
芯模中水份影响产品固化,甚至惹起分层开裂。
采纳易敲碎的资料;
可溶或易熔盐类;将其融化用锻造法浇铸成壳体,脱模时加入热水溶解
低熔点金属;由可溶或易熔粘结剂粘起来的会合体。
组合式芯模
采纳弓形铝合金片
构成展转体,表面
分瓣式
隔板式
捆扎式
采纳石膏隔板支撑
金属细管,捆扎后
用金属管捆扎成芯
模,表面层刮石膏
框架装置式
石膏隔板组合式芯模
长处:
成型工艺简单、
弊端:
成本低,合用于高温固化,石膏脱
水对制质量量有影
由芯轴、预制石膏板、铝管
响,不适于加压固
及石膏面层等部分构成
2.2圆筒芯模
整体式芯模
开缩式芯模
开缩式芯模:
芯模有中心轴,沿轴必定距离有一组可伸缩辐条式机构
支撑轮状环。
用于支撑芯模外壳。
脱模时,经过液压的机械装置,使芯模缩短
并从固化的制品中脱下来、而后再将芯模恢复到原始地点。
整体式芯模:
1、拥有经抛光的高精度表面
2、拥有锥度,不小于1/1000(便于脱模)
2.3环绕规律
环绕规律:
描绘纱片平均、稳固、连续、排布在芯模表面,以及芯模与导丝
头间运动关系的规律。
要求:
(1)纤维既不重叠又不离缝,平均连续充满芯模表面。
(2)纤维在芯模表面地点稳固,不打滑。
环绕线型分类
(1)环向环绕芯模绕自轴匀速转动,导丝头在筒身区间作平行于轴线方向运
动。
芯模自转一周,导丝头近似挪动一个纱片宽度的环绕。
(只好环绕直筒段)
环绕角往常
为85-90°
封头纱带筒身
b
(2)螺旋环绕:
芯模绕自轴匀速转动,导丝头依特定速度沿芯模轴线方向来去运动。
能够环绕圆筒段,也可环绕端头(封头)。
纤维环绕轨迹:
由圆筒上的螺旋线和封头上与极孔相切的空间曲线构成。
(3)纵向环绕(又称平面环绕)
导丝头在固定平面内做匀速圆周运动,芯模绕自轴慢速旋转,导丝头转一周,
芯模转动细小角度,反应在芯模表面上近似一个纱片宽度。
纱片与芯模轴线间成0°~25°交角,纤维轨迹是一条单圆平面关闭曲线。
s
2r
a
2r
D△θ
1
π
2
b
b
lc
le1
le2
α
lc
纱片与芯平面环绕参数关系图
r1
r2
平面环绕、环绕角的正切值:
tg
le2
lcle1
平面环绕的速比:
单位时间内,芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的圈数比或绕丝头转一圈时导丝头绕芯模旋转的圈数。
i
b
纱片宽度
Dcos
环绕角
2.3.1螺旋环绕线型
连续纤维环绕在芯模表面上的排布型式
(1)一个完好循环的看法
螺旋环绕时,由导丝头引入的纤维自芯模上某点开始(空间点),导丝头经过若
干次来回运动后,又缠回到本来的开端点上(空间点)。
这样在芯模上所达成的一次(不重复)布线称为“标准线”。
达成一个标准线环绕称为一个完好循环。
“标准线”是反应环绕规律的基本线型。
纤维在芯模表面平均充满的条件
(2)一个完好循环的切点数及散布规律
a、切点地点“时序相邻”和“地点相邻”的看法
在极孔圆周上准时间次序接踵出现的两个切点称为时序相邻的两切点。
时序相邻的切点的地点只好有两种状况:
1)两切点密切排布,中间不可以再加入其余切点,称为两切点“地点相邻”。
2)两切点之间还能够加入其余切点,称两切点地点不相邻。
b、单切点与多切点的看法
单切点环绕:
达成一个完好循环环绕,极孔圆周上只有一个切点的状况。
多切点环绕:
达成一个完好循环环绕,极孔圆周上有多个切点的状况
达成一个完好的循环环绕有两种状况:
1)时序相邻的两切点地点也相邻。
即在出现与初始切点地点相邻的切点从前,极孔上只有一个切点,这类环绕线形称单切点线型。
2)在出现与开端切点地点相邻的切点从前,极孔上已经出现了两个或两个以上切点,即时序相邻切点地点不相邻,这类环绕线形称为多切点线型。
在极孔上的切点线型排布
3
1
321
2
1绕到
4
纤维从切点
与它时序相邻的
单切点线型
切点2时,芯模转
双切点线型
1
1
1
1
5
2
4
3
3
4
2
5
2
3
4
3
2
1
1
1
2
1
3
42
5
2
4
3
5
2
3
4
3
n=3
n=4
n=5
c、一个完好循环的n个切点势必平分极孔圆周
因为芯模匀速转动,丝嘴每来回一次的时间又同样。
所以,一个完好循环的n
点切点势必平分极孔圆周。
3)纤维在芯模表面平均充满的条件
a、一个完好循环的诸切点均布在极孔圆周上。
b、地点相邻的两切点所对应的纱片在筒身材错开的距离等于一个纱片宽度。
2.3.2纤维环绕芯模转角(即环绕中心角)与线型的关系
设达成一个n切点的完好循环环绕,芯模转角为θ,导丝头每来回一次芯模
转角为θn,则:
当从切点1绕到切点2或从切点2绕到切点3时,芯模转过中心角将是360°
土Δθ,或许再加上360°的整数倍。
θn的推导:
单切点:
θ1=(1+N)360°±Δθ(N=0,1,2,····)
此中Δθ是使地点相邻的两切点对应的纱片在筒身材错开一个纱片的
距离。
321
两切点:
一个完好循环导丝头来回2次才错过一个Δθ,导丝头来回一次时应错开Δθ/2。
θ2=[(1+N)360°±Δθ]/2=(1/2+N)360°±Δθ/2
3
1
2
4
三切点:
θ3=[(1+N)360°±Δθ]/3=(1/3+N)360°±Δθ/3
1
32
1
23
n=3
可是,n≥3时各切点的排序与时间次序不必定一致,比如θ3有2个值:
θ3-1=(1/3+N)360°±Δθ/3
θ3-2=(2/3+N)360°±Δθ/3
θ5
有
4个值:
θ5-1=(1/5+N)360°±Δθ
θ5-2=(2/5+N)360°±Δθ
θ5-3=(3/5+N)360°±Δθ
θ5-4=(4/5+N)360°±Δθ
则关于θn有
θn=(K/n+N)360°±△θ
/5
/5
/5
/5
/n
K值需要使
K/n
为最简真分数。
在一个完好循环中,切点数不一样,纤维环绕的线型不一样,导丝头来回一次芯模转角不一样;假如在一个完好的循环中,切点数同样而切点排布次序不一样,则线型也不同样,导丝头来回一次的芯模转角也不一样。
导丝头来回一次的转数作为
环绕线型的“代号”。
1111
5
2
4
3
3
4
2
5
2
3
1
3
4
1
2
1
2
1
3
42
5
4
2
3
2
4
5
3
3
n=3
n=4
n=5
连续纤维环绕
在芯模表面上
不考虑芯模
转角微调量
“线型”以导丝头来回一次芯模旋转的转数来表示:
S0=θn/360°θn=(K/n+N)360°±△θ/n
S0=K/n+N=M/n
M=K+nN
S0-表示线型;M——一个完好循环芯模转数;
n——切点数,也是一个完好循环导丝头来回次数。
2.3.3螺旋环绕的转速比
单位时间内,芯模转数与导丝头来回次数之比,达成一个完好循环,芯模转数与导丝头来回次数之比。
一个完好循环的芯模转数
i0
M
S0
n
一个完好循环中导丝头来回数
不一样的线型严格对
应着不一样的转速比
定义线型在数值
上等于转速比
考虑到速比微调部分(即纱片宽度对应角度)的影响,实质转速比:
θn=(K/n+N)360°±Δθ/n
n
i
360n360
i(KN)
n
n360
2.4环绕工艺设计
环绕工艺设计包括内容:
(1)依据产品使用和设计要求、技术质量指标,进行结构造型、环绕线型和芯模设计;
(2)选择原资料;
(3)依据产品强度要求、原资料性能及环绕线型进行环绕层数计算;
(4)依据选定的原资料和工艺方法,确立工艺流程及工艺参数;
(5)依据环绕线型选定环绕设施,或为环绕设施设计供给参数。
2.4.1环绕种类选择考虑要素
(1)制品的结构形状和几何尺寸:
平面环绕合适于球形、扁椭球形、长径比小于4的筒形制品。
也合用于两封头不等极孔容器的环绕。
长形管状制品一般采纳螺旋环绕。
为防备纤维打滑,平面环绕往常采纳预浸纱环绕,同时,极孔直径一般不超出筒体直径的30%。
(2)强度要求:
螺旋环绕:
纤维在筒身上交错程度相当大,从强度看法看是不利的。
因为交
叉点处的纤维在承载状态下有被拉直的趋向,纤维交错程度大就简单产生疏层
和破坏;其次,因为纤维交错孔隙率偏高,而孔隙率是使制品剪切强度降低的
主要原由。
平面环绕:
纤维在筒体是不交错的,而以完好的环绕层挨次逐层重叠,摆列
较好。
所以,平面环绕可望获取高强度,并因此减少制质量量。
封头纱带筒身
环向环绕
b
平面环绕
螺旋环绕
(3)载荷特征
平面和环向组合环绕:
当制品遇到内压之外的荷载,设计灵巧性较大。
只需
改变各方向玻璃纤维的数目就能独立和方便地调变纵向和环向强度。
螺旋环绕:
在设计和工艺上关于内压之外荷载的适应性较差。
(4)环绕设施:
2.4.2螺旋环绕线型参数选择
纱片与芯模轴线的交角
1,环绕角:
选定线型的环绕角应等于或靠近测地线环绕角,曲面上两点之
间的短程线,是在一个曲面上,每一点处测地曲率均为零的曲线。
湿法环绕,
实质环绕角应控制在与测地线环绕角()偏离8~
10°之内。
2,切点数:
选少切点线型。
切点数越多,纤维交错次数越多,使极孔邻近区
域的纤维聚积架空现象严重,以致应力集中,影响纤维强度的发挥。
3,封头包络圆:
极孔包络圆应渐渐扩大,使纤维在极孔四周排布平均,
减少纤维在极孔邻近的聚积。
减弱应力集中程度,不以致封头外形曲线发生
过大变化,有益纤维强度的发挥。
4,环绕程序:
关于小车环链式环绕机,环绕角不宜选大小。
不然,将使链条
长度增大,设施粗笨。
同时超越长度也增大,使环绕张力难以控制。
5,链条长度:
2.4.3浸胶方式:
挤胶辊
经过挤胶辊压力来控制
纤维
含胶量
胶槽
浸胶槽应装备恒温水浴,以控
制胶液温度(粘度)。
沉醉式浸胶胶含量控制:
20%左右
胶液粘度:
0.35~1.0Pa.S
胶辊刮刀
经过控制刮刀与胶辊距
纤维
离,以改变胶辊表面胶层
胶槽
厚度,进而控制含胶量。
表面带胶式浸胶
2.4.4环绕张力的影响:
(纤维环绕过程中所受的张紧力)
1,制品机械性能:
张力过小,制品强度偏低,容器充压时变形大,疲惫性能
差;张力过大纤维磨损大,使纤维强度损失,制品强度降落。
张力大小应适中、
平均。
采纳低捻度、张力平均的纤维,并应尽量保持纱片内各束纤维是平行的
剪切强度与张力的关系
2,制品密实度:
接触成型压力:
环绕在曲面上的纤维,其环绕张力产生的垂直于芯模
表面的法向力。
N
T0
sin2
104
r
T0—环绕张力,
N/cm;r—芯模半径,cm;α—环绕角
80
使制品致密H0
(
70
48
N
体积密度与成型压力关系
3,含胶量:
跟着环绕张力增大,含胶量降低。
湿法环绕中,因为环绕张力的径向重量—法向压力的作用,胶液将由内层被挤向外层,出现胶液含量沿壁厚不平均—内低外高现象。
采纳分层固化或预浸资料可减少或防止这类现象。
单纱张力(g)含胶量(%)
0~533.88
5~1030.38
15~2026.20
25~3024.05
4,环绕速度:
湿法环绕:
受纤维浸胶过程的限制,芯模转速很高,会出现胶液在离心力作
用下,从环绕结构向外迁徙和溅洒的可能。
纱线速度应小于0.9m/s
干法环绕:
保证预浸纤维的树脂经过加热装置后能达到必需的粘流状态;
防止空气杂质被吸入环绕结构。
5,固化制度:
常温固化、加热固化加热的温度范围,考虑树脂聚合反响的时间和传热时间,
固化制度主要由树脂系统性能和制品要求的物化性能决定。
固化制度确实定由
树脂系统性能和制品要求的物化性能决定。
升温速率
恒温温度
保温时间
降温冷却
6,升温速度:
升温阶段要安稳,升温速度不该太快。
(1)化学反响强烈,低分子物质易急剧逸出形成大量气泡。
特别在低沸点组分沸点以下时,为了赶出气泡,升温应慢些。
过了沸点后,升温可合适快些。
(2)纤维环绕玻璃钢制品的导热系数仅为金属的1/150,升温速度快,结构各
部分温差很大。
特别是为使制品内部达到反响温度而又不使表面层温度过高甚
至固化,升温速度应严格控制。
7,恒温:
使树脂固化完好,并使制品各部分固化缩短平均均衡,防止由内应
力惹起的变形和开裂。
1)树脂聚合反响所需时间;
(2)传热时间,即经过不稳固导热使制品内部达到最高固化温度所需的时间。
8,降温冷却:
要迟缓,不可以骤冷
纤维环绕制品结构中,顺纤维方向与垂直纤维方向的线膨胀系数相差近4倍,若冷却较快,各方向各部位缩短不一致,特别是垂直纤维方向的树脂基体将蒙受拉应力。
垂直纤维方向的拉伸强度低,可能发生开裂破坏。
9环境温度:
15℃以上保证胶纱在绕制过程中的浸渍成效、防止某些固化剂的
低温析出。
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