7缠绕成型工艺及设备

目录•7.1概述•7.2芯模•7.3缠绕规律•7.4缠绕工艺设计•7.5锥体缠绕概述•7.1.1纤维缠绕工艺的分类•7.1.2纤维缠绕增强塑料制品的优点•7.1.3原材料•7.1.4纤维缠绕工艺的应用7.1概述7.1.1纤维缠绕工艺(FilamentWinding)及其分类缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。缠绕工艺流程图干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。1.干法缠绕优点：干法缠绕能够准确地控制产品质量；生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min；缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。缺点：投资较大；制品层间剪切强度较低。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。2.湿法缠绕湿法缠绕是将无捻粗纱（或预浸布带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。优点：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好；③纤维排列平行度好；④缠绕时树脂胶液可减少纤维磨损；⑤生产效率高（达200m/min）⑥此法所用设备较简单，对原材料要求不高。缺点：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③固化时易产生起泡；④缠绕设备如浸胶辊、张力控制辊等要经常维护。3.半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去。与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。半干法使缠绕过程可以在室温下进行，这样既除去了溶剂，又提高了缠绕速度和制品质量。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。缠绕法成型的示意图7.1.2纤维缠绕增强塑料制品的优点纤维缠绕成型的优点①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40-60%。思考题：为什么纤维缠绕制品的强度比其他成型工艺制品的强度都高？1）一般材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素。2）一般材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素。4）缠绕成型，可以控制纤维的方向和数量，使产品实现等强度结构。3）缠绕成型避免了布纹经纬交织点与短切纤维末端的应力集中。5）缠绕成型可使增强材料纤维含量高达80％。③可靠性高④生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快（240m/min），故劳动生产率高；⑤成本低缠绕成型的缺点①缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品；②缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高，因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较大的技术经济效益。7.1.3原材料缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树脂和填料。选择原则：缠绕制品的使用性能要求、工艺性、经济性。1.增强材料缠绕成型用的增强材料，主要是各种纤维纱：如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃纤维纱，碳纤维纱，高强玻璃纤维纱，芳纶纤维纱及表面毡等。选用要求：（1）航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的炭纤维和芳纶纤维。（2）满足制品的性能要求。（3）纤维必须进行表面处理。（4）与树脂浸渍性好。（5）各股纤维张力均匀；（6）成带性好，不起毛不断头。树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。2.树脂基体不饱和聚酯树脂环氧树脂双马来酰亚胺树脂选用要求：(1)工艺性好。(2)树脂基体的断裂伸长率与增强材料相匹配，以便获得满意的力学性能。(3)固化收缩率和毒性刺激性小。(4)来源广、价格低。作用：加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收缩率等。如：在胶液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的刚性，减小密度降低成本等。在生产大口径地埋管道时，常加入30%石英砂，用以提高产品的刚性和降低成本。注：为了提高填料和树脂之间的粘接强度，填料要保证清洁和表面活性处理。3.填料7.1.4纤维缠绕工艺的应用1.缠绕成型技术发展现状纤维缠绕工艺最早是在1947年美国开始研究的。美国宇航局和空军材料实验室研制成功复合材料固体火箭发动机壳体。我国在1962－1963年总结出纤维缠绕规律，设计出可缠绕各种压力容器的链条式缠绕机，揭开了我国缠绕成型技术的历史。80年代以后，我国自行设计制造的缠绕机技术已达到国际水平，现已进入国际市场。2.纤维缠绕工艺的应用（1）军工和空间技术应用应用于军工和空间技术方面的复合材料缠绕制品要求精密、可靠、重量轻及经济等。应用实例：固体火箭发动机壳体；固体火箭发动机烧蚀衬套；火箭发射筒；飞机机头雷达罩等。北极星A1Polaris北极星潜地战略导弹(A1/A2/A3)规格：长９.６米；宽１.３７米射程：２４８４海里,,４６００公里,,发射重量：１５８５０公斤发射方式：二节推进；固态燃料导引系统：惯性弹头：３枚当量各２０万吨多重重返大气层载具弹头北极星A2北极星A3EPKM（“长征二号E远地点发动机”的英文简称）是原中国航天工业总公司河西化工机械公司研制开发的近地点发动机（图1），配合长征二号E捆绑式火箭承担外星发射任务。燃烧室壳体材料为玻璃纤维增强塑料，采用纤维缠绕方式。随着复合材料的发展，固体火箭发动机壳体大量采用新型增强纤维/树脂复合材料缠绕成型。未来反舰导弹将采用合金钢/纤维缠绕复合壁，以减轻重量，增加强度，改善导弹目标红外特性。（2）民品方面的应用主要表现为轻质、高强、防腐、耐久、实用、经济等方面，已开发的产品有高压气瓶、防腐管道、贮罐、撑竿、汽车板簧等。最具代表性的为：①压力容器有受内压容器(如各种气瓶)和受外压容器(如鱼雷)两种。目前压力容器应用广泛，如宇航、火箭、飞机、舰艇等运载工具及医疗等方面都有应用。②化工管道用于输送石油、水、天然气、化工流体介质等，它可部分代替不锈钢，具有轻质、高强、防腐、耐久、方便的特点。③贮罐槽车各种用以运输或贮存酸、碱、盐、油介质的贮罐、槽车，具有耐腐蚀性好、重量轻、成型方便等优点。焦化厂用的泡罩塔PVC-FRP意大利迪利亚斯达的葡萄酒酿造设备大庆乙烯工程制造的盐酸聍槽法国SB公司设计制造的FRP-PP武钢冷轧回收塔是依DIN标准设计制造的受压容器按NF标准为法国SB公司设计制造的秦皇岛中阿磷铵洗涤塔玻璃钢大型贮罐岳化1000立方米贮罐制作现场7.2芯模（Mandrel）7.2.1芯模材料7.2.2芯模的结构形式7.2.3芯模设计成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出。7.2.1芯模材料芯模设计的基本要求①要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；②能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；③保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；④制造简单，造价便宜，取材方便。缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材料是指石蜡，水溶性聚乙烯醇，低熔点金属等。1.常用芯模材料组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还有内衬材料，内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。ThishugealuminummandrelisusedtofilamentwindthepayloadfairingfortheBoeingDeltaIVlaunchvehicle.2.芯模材料对纤维缠绕制品的影响芯模材料的膨胀系数影响制品固化后的尺寸精度；芯模材料的弹性模量影响制品的力学性能及尺寸精度；芯模材料的导热高低将影响制品的固化度；芯模中的水分，严重影响树脂系统的固化。石膏芯模与金属芯模相比有如下特点：缺点：强度低、导热性差；优点：价格低廉、成型工艺简单、容易制成各种复杂的形状，特别对不宜进行机械加工的大型制品更为适宜。3.选择和使用芯模材料时注意的问题(1)选定芯模材料应根据制品的生产批量、尺寸形状及性能要求来确定。(2)芯模材料不能被树脂腐蚀，不能影响树脂系统固化。(3)多孔性材料使用前必须烘干。(4)芯模材料的成分应均匀。二、芯模的结构形式1.实心或空心整体式芯模2.组合装配式芯模有分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式等。3.石膏隔板组合式芯模它由金属芯轴、石膏封头、石膏隔板、铝管及石膏面层组成，也可以用铝金属型块组合封头代替石膏封头(如下图)。石膏隔板式组合芯模1－芯轴；2－金属嵌嘴；3－石膏封头；4－麻绳；5－铝管；6－石膏隔板；7－石膏面层优点：制作简单，成本低、拆除方便，这种芯模最适用于精度要求高的大、中型单件或少件制品，其尺寸精度可达1mm以内。缺点：高温固化石膏脱水对制品质量有影响；一个芯模仅用一次；仅适用于单件和小批量生产。管道芯模分为整体式和开缩式两种，整体式芯模适用于直径小于800mm的玻璃钢管生产。整体式芯模是用钢板卷筒焊接而成．4.管道芯模整体式管道芯模对其要求：一是具有经过抛光的高精度表面；二是具有锥度，不小于1/1000.大于800mm直径的管芯模，采用开缩式芯模，芯模壳体由经过酸洗的优质钢板卷制而成，表面经过抛光、打磨，具有高精度和高光洁度。开缩式管道芯模为了提高生产效率，减少缠绕过程中装、卸管芯模的时间，在缠管机上增设多轴芯模装置，它是一个圆盘回转架，架上可同时装3～6根相同或不同直径的芯模。多轴芯模7.2.3芯模设计1.芯模设计需满足的基本要求(1)能够承受缠绕过程的工作载荷、自重及加工时的机械荷载。(2)具有一定刚度、强度，在使用期间保持合乎要求的尺寸。(3)能经受固化温度的作用。(4)易于脱模(5)制造简单、造价便宜、取材方便。2.芯模设计的内容(1)芯模材料及结构型式的选定；(2)脱模方法及程序的制定；(3)总体结构与芯模零部件设计，包括刚度、强度计算。(4)芯模制造的技术经济指标分析。3.芯模强度、刚度计算(1)芯模受力分析芯模在使用过程中，通常承受以下几种力：缠绕张力、自重、机械加工切削力、惯性力及热应力。1）缠绕张力纤维缠绕通常由环向缠绕和螺旋缠绕组成。张力对芯模表面产生压力，分为径向压力和轴向压力两部分。径向压力：是由环向和螺旋缠绕纤维的缠绕张力引起的。芯模所承受的径向压力pr1(Pa)计算公式：41110rnFpRa这里n－环向缠绕层数F1－每层纱片缠绕张力(N)R－芯模半径(cm)a－环向纱片宽(cm)螺旋缠绕张力对芯模表面产生的径向压力pr2：2422sin10rmFpaRb其中，F2－螺旋缠绕每层纱片张力的平均值（N);α—缠绕角；b—螺旋缠绕纱片宽(cm)注：缠绕纤维与芯模旋转轴线相交的夹角，称为缠绕角。由n层环向缠绕和m层螺旋缠绕张力对芯模表面产生的总径向压力为：24122sin10rnbFmaFpRab轴向压力：缠绕张力对芯模产生的轴向压力（仅螺旋缠绕张力的轴向分量）。2422cos10rmFpb2）机械加工切削力（2）芯模强度计算（3）芯模刚度计算7.3缠绕规律7.3.1概述•7.3.1概述•7.3.2线型•7.3.3转速比•7.3.4线型设计7.3.1概述缠绕线型必须满足两点要求：（1）纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满芯模表面。（2）纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。1.缠绕规律的内容纤维缠绕规律是研究导丝头（绕丝嘴）和芯模之间相对运动关系的规律，使纱带能均匀排布在芯模表面。纤维缠绕就筒形压力容器的缠绕规律而言可分为环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕三种类型，而螺旋缠绕是重点，环向缠绕和纵向缠绕也是在特定条件下的螺旋缠绕。分析容器的缠绕规律有标准线法和切点法两种。2.缠绕线型的分类（1）环向缠绕（HoopWinding）环向缠绕是芯模绕自身轴线匀速旋转，绕丝嘴沿芯模筒身轴线平行方向移动，芯模每转一周，绕丝嘴移动一个个纱片宽度。环向缠绕只在筒身段进行，不能缠封头，邻近纱片之间相接而不相