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1、7. 缠绕成型工艺7.1 概述7.1.1 纤维缠绕工艺的分类缠绕工艺: 将浸过树脂胶液的连续纤维 或布带,按照一定规律缠绕到芯模上,然后固化脱模成为复合材料制品的工艺过程。工艺流程图: P159 图7-1 干法缠绕、湿法缠绕。 7.1.1.1 干法缠绕 将预浸纱带(或预浸布),在缠绕机上经加热至粘流状态并缠绕到芯模上的成型工艺过程。 图7-1 缠绕工艺流程图干法缠绕特点: 制品质量稳定(含胶量、尺寸等);缠绕速度快(100200m/min); 劳动卫 生条件好;预浸设备投资大。 7.1.1.2 湿法缠绕 将无捻粗纱经浸胶后直接缠绕到芯模上的成型工艺过程。 特点: 不需要预浸渍设备 ,设备投资少
2、;便于选材;纱片质量及张力需严格控制,固化时易产生气泡。 7.1.1.3 半干法缠绕 将无捻粗纱浸胶后,随即预烘干,然后缠绕到芯模上的成型工艺方法。 (2)树脂体系 包括树脂及各种助剂、填料等。 常用的有: 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)。 选用要求:工艺性好; 断裂延伸率与纤维匹配; 固化收缩率低并毒性小; 来源广泛,价格低。 7.1.4 缠绕制品的应用范围军工方面: 航空、航天、导弹(发动机壳体、高压容器、导弹发 射筒等)。 民用方面: 化工、石油、环保、建筑等领域的管道、贮罐等。 7.1.3 缠绕工艺的现状及发展 发展方向:高性能材料和功能材料,主
3、要用于高科技领域;军工使用转向民用;提高自动控制水平,提高生产效率;降低生产成本。 7.2 芯模 7.2.1 芯模材料 7.2.1.1 常用材料芯模材料对制品的影响主要有: 膨胀系数对产品尺寸的影响; 弹性模量对产品尺寸精度的影响; 导热系数对产品固化度的影响; 芯模中水份对产品固化的影响。 7.2.1.3 选择芯模材料应注意的问题14 P163 主要是钢材、木材、塑料、铝、石膏、水泥等。水泥、石膏芯模材料的性能见表7-1 。7.2.1.2 芯模材料对制品的影响 石膏模与钢模的比较见表7-2 。 7.2.2 芯模的结构形式7.2.2.1 实心或空心整体式芯模采用易敲碎的材料或可溶性的盐类。7.
4、2.2.2 组合式芯模分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式,图7-2 7-3 7-4 7.2.2.3 石膏隔板组合式芯模 图7-5 7.2.2.4 管道芯模整体式芯模 开缩式芯模 图7-6 7-7 整体式芯模 用于直径小于800mm的管子生产。 开缩式芯模 用于直径大于800mm的管子生产。 要求:1、具有经抛光的高精度表面;2、具有锥度,不小于1/1000(便于脱模)。7.2.3 芯模设计 P165169 自学7.3 缠绕规律7.3.1 概述 7.3.1.1 缠绕规律的内容 对缠绕线形的两点要求: (1)纤维既不重合又不离缝,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。 7
5、.3.1.2 缠绕线型分类环向缠绕 纵向缠绕 螺旋缠绕 所谓缠绕规 律是描述纱片均匀、稳定、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。(1)环向缠绕 芯模自转一周,导丝头 近似移动一个纱片宽度的缠绕,称环向缠绕。(只能缠绕直筒段)图7-15 环向缠绕封头 纱带筒身b纱片螺距: WDctg 纱片宽: bDcos 则:b wsin 其中是纱片与芯模轴线的交角称缠绕角。图7-16 环向缠绕参数关系图WDDb90 80 70 60 50 402.01.51.00.750.500.250(2)螺旋缠绕 定义: 芯模绕自轴匀速转动,导丝头 以特定速度沿芯模轴线方向往复运动的缠绕方式称螺旋缠
6、绕。 此缠绕方式不仅可以缠绕圆 筒段,而且缠绕端头(封头)。图7-17。纤维缠绕轨迹: 由圆筒上的螺旋线和封头上与极孔相切的空间曲线组成。图7-17 螺旋缠绕(3)纵向缠绕 (又称平面缠绕) 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,芯模转动的微小角度近似一个纱片宽度,这种缠绕方法称为平面缠绕。 图7-18 平面缠绕 平面缠绕、缠绕角的正切值为: 图7-19 平面缠绕参数关系图lcle1le22r12r2baDsDlcb平面缠绕的速比: 芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的圈数比。 证明 : 因为芯模转一周时,恰好纱片在芯模上布满一层。设此时丝头转 了n圈,由速比定义
7、有: 在芯模筒段,纱片的有效宽度 缠满整个筒体的必要条件是:=则: bb7.3.2 螺旋缠绕线型 7.3.2.1 纤维在芯模表面均匀布满的条件(1)一个完整循环的概念 螺旋缠绕时 ,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 若干次往返运动后,又缠回到原来的起始点上(空间点)。这样在芯模上所完成的一次(不重复)布线称为“标准线”。完成一个标准线缠绕 称为一个完整循环。 “标准线”是反映缠绕规 律的基本线型。 作业:1、什么是螺旋缠绕? 2、写出平面缠绕速比的表达式并加以证明。 (2)一个完整循环的切点数及分布规律a、切点位置“时序相邻”和“位置相邻”的概念 在极孔圆周上按时间顺
8、 序相继出现的两个切点称为时序相邻的两切点。 时序相邻的切点的位置只能有两种情况: 1)、两切点紧密排布,中间不能再加入其他切点,则 称为两切点“位置相邻”。 2)、两切点之间还可以加入其他切点,称此两切点位 置不相邻。 b、单切点与多切点的概念 完成一个完整循环缠绕 ,极孔圆周上只有一个切点的情况称单切点缠绕。 完成一个完整循环缠绕 ,极孔圆周上有多个切点的情况称多切点缠绕。完成一个完整的循环缠绕有两种情况: 1)时序相邻的两切点位置也相邻。即在出现与初始切点位置相邻的切点以前,极孔上只有一个切点,这种缠绕线 形称单切点线型。2)在出现与起始切点位置相邻的切点以前,极孔上已经出现了两个或两个
9、以上切点,即时序相邻切点位置不相邻,这种缠绕线 形称为多切点线型。 在极孔上的切点线型排布见图7-20,7-21。 单单切点线线型 双切点线线型图7-20 单切点与双切点排布图1233124n=3 n=4 n=5图7-21 多切点的排布图1231231234123412345142531352415432c、一个完整循环的n个切点必将等分极孔圆周 由于芯模匀速转动,丝嘴每往返一次的时间又相同。因此,一个完整循环的n点切点必将等分极孔圆周。 3)、纤维在芯模表面均匀布满的条件 a、一个完整循环的诸切点均布在极孔圆周上。b、位置相邻的两切点所对应的纱片在筒身段错开的距 离等于一个纱片宽度。作业:
10、1、什么是“标准线”缠绕? 2、在螺旋缠绕中什么是切点的“时序相邻”?什么是“位置 相邻”? 3、螺旋缠绕中,纤维均匀布满芯模的充要条件是什么? 4、芯模转角n的公式推导。7.3.2.2 纤维缠绕芯模转角(即缠绕中心角)与线型的关系 设完成一个n切点的完整循环缠绕 ,芯模转角为,导丝头 每往返一次芯模转角为n,则: n/n n的推导: P173-174 单切点: 1=(1+N)360 (N=0,1,2,) 其中是使位置相邻的两切点,对应的纱片在筒身段错开一个纱片的距离。两切点:一个完整循环导丝头 往返2次才错过一个,导丝头往返一次时应错开/2。则有: 2=(1/2+N)360/2三切点: 3=
11、(1/3+N)360/3 n个切点: n=(1/n+N)360/n 则对于n有:n(K/n +N)360/nK值需要使K/n为最简真分数。 但是,n3时各切点的排序与时间顺 序不一定一致,如图7-21,例如3有2个值: 3-1=(1/3+N)360/3 3-2=(2/3+N)360/35有4个值: 5-1=(1/5+N)360/5 5-2=(2/5+N)360/5 5-3=(3/5+N)360/5 5-4=(4/5+N)360/5“线型”以导丝头 往返一次芯模旋转的转数来表示:S0 n /360 K/n + NM/nM=K + nNS0-表示线形; M一个完整循环芯模转数;n切点数,也是一个完
12、整循环导丝头往返次数。表7-3 给出了6切点以内的S0所对应的n、K、N、n值。由上述分析可知: 在一个完整循环中,切点数不同,纤维缠绕 的线型不同;如果在一个完整的循环中,切点数相同而切点排布顺序不同,则线型也不相同;切点数相同,而切点排布顺序也相同,导丝头 往返一次芯模旋转的N值不同,线型也不相同。 例: n8K/n1/8,3/8,5/8,7/87.3.3 螺旋缠绕的转速比芯模转数与导丝头 往返次数之比。 考虑到速比微调部分(即纱片宽度对应角度)的影响,实际转 速比: 芯模转角微小增量的计算: b-纱片宽度;-缠绕角。7.3.4 线型设计7.4 缠绕工艺设计7.4.1 内压容器的结构选型
13、P1801827.4.2 缠绕类型的选择 平面缠绕适合于球形,扁球形制品。长形管状制品一般采用螺旋缠绕。 缠绕内压容器时,极少采用纯螺旋缠绕,多采用螺旋缠绕与环向缠绕的组合缠绕。 原因: (1)几何条件的限制,即封头测地线要求,难 以完全实现。(2)纯螺旋缠绕纤维 交叉程度大,易产生分层。 7.4.3 螺旋缠绕线型参数选择 (1)实际缠绕 角应控制在测地线缠绕 角(偏离810以内。 )(2)切点数不易过多,切点过多时,切点处纤维交叉次数 多,极孔附近容易出现架空。(3)螺旋缠绕与环向缠绕应交替进行。(4)封头应逐渐扩大,减少应力集中。7.4.4 工艺参数纤维热处理: 增强型浸润剂无捻纱,608
14、0,24h; 石蜡浸润剂型纤维, 350, 57h (除去纤维表面蜡类物质)。 浸胶方式:两种 P185,图33,34 胶含量控制: 20左右胶液粘度: 0.351.0 Pa.S 缠绕张 力的影响: P185187 张力过小,制品强度偏低,容器充压时变 形大,疲劳性能差;张力过大纤维磨损大,使纤维强度损失制品强度下降。张力大小应适中、均匀。缠绕速度:(对湿法缠绕) 纱线速度应小于0.9 m/s 小车速度应小于0.75 m/s 固化制度:P188190 考虑树脂聚合反应的时间和传热时间 ,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。 P189,图7-39 酚醛环氧玻璃钢气瓶的固化制度曲线。 图7-33 沉浸式浸胶图7-34 表面带胶式浸胶胶槽纤维挤胶辊胶槽纤维刮刀胶辊