低成本纤维缠绕机的设计与制造外文翻译资料

低成本纤维缠绕机的设计与制造

摘要

通常，复合管是用玻璃纤维和聚酯树脂基体通过手工铺网以及两轴纤维缠绕机制造的。在这项工作中，设计并开发了一种用于缠绕圆管和圆形试样的绕线机。在该机器的设计中使用了车床式机器和湿式缠绕法。它提供了生产内径最大为100 mm，长度最大为1000 mm的管道样品的能力。缠绕角度或纤维取向角度的范围从20°到90°开始，具体取决于所使用的芯轴直径，芯轴速度保持恒定，为每分钟13.6转（rpm），而输送装置的螺杆速度则从0 rpm到最大250 rpm不等。在所用的纤维缠绕工艺中，将一根玻璃粗纱穿过预先催化的树脂胶液，该树脂胶液通过旋转的芯轴安装在丝杠上。控制单元用于控制整个过程，并实现规则的缠绕和良好的表面光洁度。使用此机器生产的试管样品和其他尺寸不同的圆形样品可用于不同的机械测试和应用。

关键字：纤维缠绕； 复合管； 玻璃纤维； 矩阵; 纤维取向角

1.简介

纤维缠绕已经成为低成本制造复合圆柱结构的主要工艺。在此过程中，复合材料层依次缠绕在旋转的芯轴上，如图1所示。这些层可以以不同的角度缠绕，从垂直于圆柱轴的环向与圆柱轴成一定角度的螺旋层缠绕。用纤维缠绕法制造复合材料圆筒的过程包括三个主要步骤[1]，第一是设计，包括材料，几何形状和纤维取向的选择，第二是纤维放置，纤维的排列是机械方式，纤维需放置在正确的位置。第三个是在制造过程中必须保持的条件的选择和控制。有一种制造复合结构的方法，将预先用基质材料浸渍或在缠绕过程中浸渍的连续增强材料（细丝，金属丝，纱线，带子或其他）按照规定的方式放置在可旋转的可移动模板或芯轴上，以满足某些应力条件。 增强纤维通常由玻璃，凯夫拉尔纤维或碳制成。 由于过程简单，硬件配置是标准的，通常涉及两个主要子系统：旋转组件和输送系统。

旋转组件由两个结构块组成；一个固定和另一个可线性移动的单元，其中一个2轴机械驱动芯轴安装在其支架上。在固定端，支架连接到旋转轴，该旋转轴连接到齿轮、链条或皮带减速系统，或者直接连接到电机单元。通常，使用AC或伺服电动机是因为它在重载条件下运行时具有更大的扭矩和更高的精度。对于输送系统，将连续的纤维送入树脂胶液中，该树脂胶液通常安装在头顶的滑架导轨上，以提供更大的工作室。通常，形状是旋转的表面，可以包括也可以不包括端盖。当施加所需数量的层时，将缠绕的形式固化并移除芯轴。每层中的材料属性是恒定的，但各层可能不同。芯轴由具有均匀有效壁厚的空心圆柱体表示。芯轴和圆柱体的长度相等，并且轴对称，因此几何形状和特性在圆周方向上均不会改变。纤维缠绕被定义为[2]所示的一种技术，即“生产高强度和轻质的产品；基本上由两种成分组成：细丝或胶带类型的增强材料以及基质或树脂的材料。缠绕工艺的概念是在40年代初提出的，并且首次尝试开发缠绕设备。 50年代设计的设备非常基础。仅使用两个运动轴（主轴旋转和水平滑架）执行最简单的任务。到70年代中期，机器设计再次发生了巨大变化。这次，伺服技术的进步进入了机械设计领域。高速计算机可以快速的进行数据处理，从而使运动更平稳，纤维放置的准确性更高。 80年代和90年代，计算机技术的使用有所增加。计算机和运动控制芯片已成为几乎每台机器都包含的基本硬件。机器速度控制得到极大改善；计算机控制系统可以以更高的精度跟踪位置和速度，附加的运动轴也已合并到机器设计中，允许四个，五个甚至六个控制轴运动。

2.制造技术

复合产品的特性不仅取决于纤维和树脂基体的特性，还取决于它们的加工方式。 有多种加工技术可用于制造复合零件或结构： 树脂转移成型，高压灭菌成型，拉挤成型和纤维缠绕。 在这些过程中，纤维缠绕成本低廉，是制造纤维增强圆柱形部件（如高压管和罐）最快的技术。

3.缠绕方式

有两种不同的缠绕方法：（I）湿法缠绕，其纤维通过树脂胶液并缠绕到旋转芯轴上（II）预浸料坯缠绕，其将预浸渍纤维束放在旋转芯轴上。在这些缠绕方法中，湿法缠绕更为普遍，并广泛用于制造纤维增强的热固性基体复合材料圆柱体。与预浸料缠绕相比，湿法缠绕具有以下优点：材料成本低、缠绕时间短以及可以轻松更改以满足特定要求的树脂配方。

3.1.缠绕模式

在纤维缠绕过程中，缠绕张力很容易控制。可以改变每层增强层中的缠绕张力，缠绕角度和树脂含量，直到获得复合材料的所需厚度和强度。完成的复合材料的性能可以根据所选的缠绕图案类型而变化。通常，有以下三种基本的丝状缠绕模式。

3.1.1.环向缠绕

也称为周长或周向缠绕，在环向绕组中，大角度螺旋绕组接近90°角。芯轴每旋转一圈将频带传送推进一个完整的带宽。

3.1.2螺旋缠绕

在螺旋缠绕中，芯轴以恒定速度旋转，而纤维喂入架以可调节的速度来回横切以产生所需的螺旋角。

3.1.3.极性缠绕

在极性缠绕中，纤维与腔室一端的极孔相切，然后反向，在切线方向上与极孔的另一端相切。 换句话说，当芯轴臂绕纵轴旋转时，纤维从一根到另一根缠绕，如图4所示。它用于在圆顶型压力容器上缠绕几乎轴向的纤维。 在具有平行边的容器上，将进行随后的圆周缠绕。

4.建议的纤维缠绕机

拟议的缠绕机的硬件配置示意图如图5所示。它由三个主要单元组成：旋转装配单元，输送单元和控制单元。

图5.建议的缠绕机示意图

4.1.旋转组装单元

旋转组件由两个支柱块组成，两个支柱块固定在水平框架上，电动机带有齿轮箱。 两个模块之一固定并用作参考，另一个模块可移动并可以线性调整以改变芯轴长度。 一旦将芯轴正确地放入两个可自由旋转的杯架中，然后将可移动的柱形块锁定。 在固定的立柱末端，支架通过皮带轮和皮带系统与电动机变速箱相连。 电动机和变速箱之间的齿轮比选择为1:60，皮带轮之间的减速比选择为1：2，这样芯轴的速度固定为13.6 rpm。

4.2.输送单元

输送单元由纤丝支架，滑架和带有导向轴的导螺杆组成。导螺杆由可逆变速电动机驱动。纤维束支架只是一个带有两个轴的桌子，一个轴用于承载一个或多个纤维束，而另一根在制造过程中用作纤维束的导向。托架包括一个容器和一个抛光的导向销系统。该容器用于承载树脂混合物，而销钉则用于将纤维引导至树脂胶液，并在树脂胶液后从润湿的纤维上涂抹过量的树脂。同样，在到达芯轴之前，用销钉在湿纤维中产生张力。使用一种简单的机制将涂抹过的树脂从湿纤维中带回容器中，并再次使用，以减少用于制备产品消耗的树脂量。通过这项工作已使用了10 N的最佳张力，这给出了相当稳定的纤维体积分数。已发现[3]，当纤维充分润湿时，在树脂路径的后期产生张力很重要，以避免纤维损坏。湿纤维上较大的张力会产生过度的纤维损伤，而较低的张力会产生标本中纤维含量较小的样品。

4.3．控制单元

控制单元由继电器，限位开关，计时器和计数器组成，如图7所示。控制单元的功能是控制缠绕过程，以获取正确的缠绕顺序（很难手动达到），并在运行期间保护电动机。控制单元还控制收尾时的风量，以防止横移时粗纱的打滑和芯轴分度，以确保每条粗纱与前一条略微重叠以产生均匀铺网的纤维。

5.样品制作

样品在缠绕机上的设置如图6所示。制造过程包括以下五个步骤：第一个步骤是固定芯轴，该芯轴可以是铝或塑料PVC管，也可以是任何其他圆柱形芯轴，在机器上使用末端固定装置。 第二步是使用特定比例制备树脂胶液，该树脂胶液是环氧树脂和固化剂的混合物，并将其放入容器中。 本研究中使用的环氧树脂和固化剂分别为MW 215 TA和MW 215 TB。

它们分别以4∶1的比例混合。第三步是使纤维束穿过树脂胶液，然后通过一系列销钉穿过芯轴。这些销使纤维伸直，并减少了纤维中的树脂量。第四步是控制螺杆的速度以给出建议的缠绕角度。第五步是在将纤维层缠绕到芯轴上之后，在室温下将样品在芯轴上旋转3小时以防止树脂滴落，固化后将样品从芯轴上拉出，然后切割到所需的长度。

缠绕角度与直径为12.7 mm的芯轴螺钉的速度之间的关系如图8所示。这是使用下面的关系式

计算的； （1）其中，h是缠绕角，r是芯轴半径，Nm

是芯轴速度，V_c是滑架线速度。

其中N_S是螺杆速度，d是螺杆距离。

已经发现[4]，特别是对于介于0°和90°之间的角度，该图案被认为是芯轴上玻璃的完全覆盖。这是在滑架前后移动几次之后获得的，因此一个盖将由plusmn;U组成，这意味着一个盖实际上由两层组成。加工和加工后最终尺寸不同的样品。

六，结论

在纤维缠绕过程中，将连续的树脂浸渍粗纱或单纤维带缠绕在旋转的芯轴上，然后在室温或在烤箱中固化以生产最终产品。该技术提供了用于放置许多复合层的高速且精确的方法。芯轴可以是圆柱形，圆形或不具有凹角的任何形状。纤维缠绕的应用包括圆柱形和球形压力容器、管道。现代化的缠绕机具有较高的自由度，可通过数字方式控制，以准确布置钢筋的层数。细丝缠绕部件的机械强度不仅取决于组成材料的成分，还取决于诸如缠绕角，纤维张力，树脂化学性质和固化周期的工艺参数。使用该机器可以生产出各种尺寸的优质产品。

分析纤维缠绕工艺和潜在的设备

纤维缠绕技术是复合材料最古老的制造技术之一。纵观其历史，通过采用车床原理[1]，生产工艺主要用于制造压力罐等旋转形状。随着时间的流逝，所使用的机械和电子控制装置已经发展为允许更多的自由度，从而实现了更复杂的形状和缠绕图案。特别地，工业机器人技术的出现使新颖的缠绕方法得以实现，从旋转形状转向框架结构。在这些方法中，纤维要么通过纤维导向器围绕转折点的平移拉动，要么通过芯轴绕多个轴的旋转运动来拉动，而不是传统的仅绕一个轴旋转的方式拉动。

1.纤维缠绕方法之间的区别

为了简化针对特定零件设计的有利缠绕设备的选择，现有的纤维缠绕工艺通过细分为工艺簇来缩小范围。可以考虑缠绕操作本身，而忽略任何后处理操作。

正如最新研究表明的那样，根据细分方法的性质，需要进行区分。可以观察到两种不同的缠绕方式：

周长缠绕：将纤维缠绕在工具的圆周上。

交叉缠绕：将纤维缠绕在工具的缝隙之间。

纤维缠绕在制造高级增强纤维中的应用

8.2纤维缠绕

8.2.1工艺技术

纤维缠绕被认为是制造纤维增强聚合物（FRP）复合材料的最古老的机械过程。它起源于1950年代，是制造火箭发动机外壳的先进技术（Koussios，2004年）。如图8.1所示，它由将树脂浸渍的纤维或胶带缠绕到旋转的芯轴上组成。与其他制造技术相比，它具有许多优势。它的特点是纤维体积分数高（在60％至80％之间），并且成品质量稳定。可以通过控制放线头相对于旋转芯轴的速度来调整放置纤维的角度，并且可以获得各种缠绕：圆周缠绕和螺旋缠绕。当芯轴具有三个旋转自由度时，可以同时独立控制三个旋转，则可以得到如图8.2所示的第三种缠绕，称为极性缠绕。纤维缠绕也是从计算机技术和机器人技术中受益最大的过程。如今，纤维缠绕系统可用于复杂的轴对称和非轴对称组件

8.1纤维缠绕机

周向 螺旋 极性

8.2不同类型的纤维缠绕

纤维或粗纱的放置可以通过CAD系统进行。计算出测地路径的坐标数据，在测地路径上纤维带稳定且即使张紧也不会滑动，然后将其输入到机器微型计算机中进行放置（Scholliers和Van Brussel，1994）。更复杂的配置，例如锥形轴，T形零件和非轴对称零件，可以成功地进行纤维缠绕。但是，当前的发展集中在提高缠绕效率以实现高生产率上。这是由于汽车领域对压力容器的需求不断增加所致（Pauml;szlig;ler和Schledjewski，2012年）。许多天然气动力汽车都使用传统的压力容器（350巴），而汽车原型中所用的氢气存储则需要高压容器（700巴）。
8.2.2材料

迄今为止，不饱和聚酯树脂是纤维缠绕中使用最广泛的树脂。但是，只要在加工温度下其粘度不超过12泊（1.2 Pa.s），大多数热固性树脂都适用。纤维通常以带或粗纱的线轴的形式提供。粗纱的用途最广泛，因为它们为纤维提供了最佳的拉伸强度。因此，这确保了在缠绕过程中产生的用以压实纤维的张力消除了对高压釜固化的需要，而高压釜固化通常涉及大量的资本支出。另一方面，未来的发展集中在开发使用热塑性塑料进行纤维缠绕的工艺上（Bannister，2001）。的确，热塑性塑料具有广泛的优势，例如：

• 优异的耐化学性；
• 更高的允许应变
• “一种材料的概念”：衬里，结构层和涂层都是相同的热塑性材料，从而消除了任何界面问题
• 更高耐冲击性和更高的耐用性
• 更高的允许工作温度
• 通过在线整合的能力来加快制造过程

主要的困难是要确保树脂正确地浸渍纤维，而树脂的粘性要比热固性树脂高一个数量级。结果，润湿过程通常与缠绕过程是分开的，并且使用预浸料形式的中间产品，并且基质已经熔化以浸渍纤维（Lauke and Friedrich，1993）。但是，与纤维和基体的价格相比，它们的生产成本很高（Henninger和Friedrich，2002）。为了加快制造过程并降低总成本，已经提出了在线浸渍的概念。 Aring;strouml;mand Pip

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