第《7》章缠绕成型工艺.ppt

1、,第七章 缠绕成型工艺,7 缠绕成型工艺,7.1 概述,7.2 芯模,7.3 缠绕规律,7.4 缠绕工艺设计,1,7.1 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。,决定产品形状的模具,第七章 缠绕成型工艺,2,绕线筒,张力控制器,预浸槽,小车,吐丝嘴,芯模,基本纤维缠绕机,缠绕工艺流程图,第七章 缠绕成型工艺,3,7.1.1.1 干法缠绕,干法缠绕特点：,将预浸纱带(或预浸布)，在缠绕机上经加热软化至粘流状态并缠绕到芯模上的成型工艺过程。,制品质量稳定(预浸纱由专用预浸设备制造，能较严格

2、地控制纱带的含胶量和尺寸)；缠绕速度快(100200m/min); 缠绕设备清洁，劳动卫生条件好；预浸设备投资大。,第七章 缠绕成型工艺,4,7.1.1.2 湿法缠绕,将无捻粗纱(或布带)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；对材料要求不严，便于选材；纱片质量不易控制和检验；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、张力辊等要经常维护刷洗。,第七章 缠绕成型工艺,5,7.1.1.3 半干法缠绕,将无捻粗纱(或布带)浸胶后，随即预烘干，然后缠绕到芯模上的成型工艺方法。,特点：,与湿法相比，增加了烘干工序，除去了溶剂。与干法相比，无需整套

3、的预浸设备，缩短了烘干时间，使缠绕过程可在室温下进行。提高了制品质量。,第七章 缠绕成型工艺,6,7.1.2 纤维缠绕制品的优点,原因：,(i) 材料表面缺陷是影响其强度的重要因素。表面积越大，缺陷率越高。缠绕纤维直径很细，降低了微裂纹存在几率；所用纤维主要是无捻粗纱由于没有经过纺织工序，强度损失大大减少。 (ii) 避免了布纹经纬交织点与短切纤维末端的应力集中 (iii) 可以控制纤维的方向和数量，使产品实现等强度结构 () 增强材料纤维含量高达80%,(1) 比强度高,第七章 缠绕成型工艺,7,所用增强材料大多是无捻粗纱等连续纤维，减少了纺织和其它加工费用，材料成本低。,制品质量高而稳定，

4、可实现机械化、自动化操作，生产效率高，便于大批量生产。,(2) 可靠性高,(3) 生产效率高,(4) 材料成本低,第七章 缠绕成型工艺,8,7.1.3 原材料,主要有纤维增强材料与树脂基体两大类,选择原则,缠绕制品的使用性能要求,工艺性要求,经济性要求,产品的各项设计性能指标,第七章 缠绕成型工艺,9,（1）增强材料,主要是中碱、无碱粗纱。另外有玻璃布带、碳纤维、芳纶纤维等。应根据不同产品对性能的要求进行选用。,(1) 航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的碳纤维和芳纶纤维，民用产品多选用连续玻璃纤维； (2) 满足制品的性能要求； (3) 纤维都必须进行表面处理； (4) 与树脂浸渍性好，浸

5、透速度快； (5) 各股纤维张力均匀； (6) 成带性好，不起毛，不断头。,选用要求：,改善与树脂基体的浸润性和粘附性,第七章 缠绕成型工艺,10,（2）树脂体系,树脂及各种助剂、填料等,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)。,第七章 缠绕成型工艺,11,7.1.4 缠绕制品的应用,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）。,发动机壳体,大型运载火箭的燃料箱,第七章 缠绕成型工艺,12,缠绕复合材料压力容器在航空、航天、造船等领域获得广泛应用。碳纤维和芳纶纤维缠绕的薄壁金属内衬高压容器结构效率高、性价比高，是航天飞机和人造地球

6、卫星的首选。充装介质有氮气、氧气、氢气和氦气，形状多为环形、球形和扁椭球形。,压力容器,球形,椭球形,第七章 缠绕成型工艺,13,民用方面：,化工、石油、环保、建筑等领域的管道、贮罐、压力容器等。,复合材料弯管制品,美国纤维缠绕管道总长占整个运输工具的三分之一，所负担供应的能量 (包括石油、天然气、煤、电) 占全国需用量的一半以上。我国工业生产中也已大量采用纤维缠绕管道。,第七章 缠绕成型工艺,14,立式贮罐,第七章 缠绕成型工艺,15,小型压力容器在个人生命保障系统获得成功应用：消防员、登山队员的供氧器，特点：重量轻、便于携带、高疲劳寿命和高可靠性的综合特性。,压力容器,车用压缩天然气气瓶,

7、供养瓶,第七章 缠绕成型工艺,16,电气工程中应用,纤维缠绕技术制造输配电电线杆、天线杆及工程车臂杆,纤维缠绕车用飞轮转子,纤维缠绕天线杆,第七章 缠绕成型工艺,17,7.1.5 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。,作业：1、干法缠绕、湿法缠绕的特点分别是什么？ 2、缠绕制品比强度高的原因是什么？,第七章 缠绕成型工艺,18,7.2 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承受张力、固化热应力的载荷等。 (2)必须满足制

8、品的精度要求。 (3)制作工艺简单、周期短，材料来源广，价格低。 (4)制品完成后，要求芯模能顺利清除干净，而不影响制品质量。,第七章 缠绕成型工艺,19,7.2.1 芯模材料,7.2.1.1 常用材料,主要是钢材、木材、塑料、铝、石膏、水泥、低熔点金属、低熔点盐类等,国外较多用，制造芯模时将其熔化浇铸成壳体，脱模时加入热水搅拌溶解或用蒸汽熔化。,第七章 缠绕成型工艺,20,7.2.1.2 芯模材料对制品的影响,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，甚至引起分层开裂。,石膏芯模同金属材料相比优缺点：,优点：,缺点：,

9、强度低，导热系数差。特别是在高温下强度降低并放出水分。,价格低廉；成型工艺简单，容易成型各种复杂形状；特别是不宜进行机械加工的大型制品更为适宜；脱模容易。,第七章 缠绕成型工艺,21,7.2.1.3 选择芯模材料应注意的问题,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) 芯模材料不为树脂腐蚀，不能影响树脂系统固化； (3) 多孔性材料有吸湿性，使用前必须烘干； (4) 为保证缠绕制品尺寸均匀，芯模材料的成分亦应均匀。,第七章 缠绕成型工艺,22,7.2.2 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; 可溶或易熔盐类； 低熔点金属； 由可溶或

10、易熔粘结剂粘起来的集合体。,将其熔化用铸造法浇铸成壳体，脱模时加入热水溶解。,加热熔化铸造成空心壳体，脱模时采用蒸汽熔化,第七章 缠绕成型工艺,23,7.2.2.2 组合式芯模,分瓣式,采用弓形铝合金片构成回转体，外表面涂刮一层石膏层,采用石膏隔板支撑金属细管，捆扎后外表刮石膏，封头亦用石膏制作,用金属管捆扎成芯模，外表层刮石膏,全部采用金属构件装配，外表层刮石膏,隔板式,捆扎式,框架装配式,第七章 缠绕成型工艺,24,7.2.2.4 管道芯模,整体式芯模,开缩式芯模,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,整体式芯模的要求：,1、具有经抛光

11、的高精度表面,2、具有锥度，不小于1/1000(便于脱模),芯模有中心轴，沿轴一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，通过液压的机械装置，使芯模收缩并从固化的制品中脱下来、然后再将芯模恢复到原始位置。,第七章 缠绕成型工艺,25,7.2.3 芯模设计,基本要求,(1) 能够承受缠绕过程的工作荷载、自重及加工时的机械荷载； (2) 具有定刚度，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。,第七章 缠绕成型工艺,26,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(大型组装式芯模)； (3) 总体结

12、构与芯模零部件设计，包括刚度、强度设计计算； (4) 芯模制造的技术经济指标分析。,7.2.3.3 芯模强度、刚度计算,第七章 缠绕成型工艺,27,学习内容,7.3 缠绕规律,7.3.1 概述,7.3.2 螺旋缠绕线型,7.3.3 转速比,第七章 缠绕成型工艺,28,7.3.1 概述,1. 缠绕规律的内容,2. 缠绕线型分类,？,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。,第七章 缠绕成型工艺,29,(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。,注意,2. 缠绕线型分类,环向缠绕,纵向缠绕,螺旋缠绕,芯模绕自轴

13、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，导丝头近似移动一个纱片宽度的缠绕。(只能缠绕直筒段),环向缠绕,缠绕角通常为85-90,封头,纱带,筒身,b,第七章 缠绕成型工艺,30,纱片螺距：,WDctg,纱片宽：,bWsin = Dctgsin Dcos,环向缠绕参数关系图,第七章 缠绕成型工艺,31,(2) 螺旋缠绕,芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方向往复运动。,可以缠绕圆筒段，也可缠绕端头(封头)。,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。,螺旋缠绕,第七章 缠绕成型工艺,32,（3）纵向缠绕 （又称平面缠绕）,导丝头在固定平面

14、内做匀速圆周运动，芯模绕自轴慢速旋转，导丝头转一周，芯模转动微小角度，反映在芯模表面上近似一个纱片宽度。,平面缠绕,纱片与芯模轴线间成0 25交角，纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线。,第七章 缠绕成型工艺,33,纵向（平面）缠绕、缠绕角的正切值：,平面缠绕参数关系图,纱片与芯模的交角,r1、r2两封头极孔半径； lc筒身段长度； le1、le2两封头高度。,第七章 缠绕成型工艺,34,纵向（平面）缠绕的速比：,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。,纱片宽度,缠绕角,第七章 缠绕成型工艺,35,平面缠绕,证明 ：,因为芯模转一周时，恰好纱片在芯

15、模上布满一层。设此时导丝头转了n圈，由速比定义有：,在芯模筒段，纱片的有效宽度,第七章 缠绕成型工艺,36,缠满整个筒体的必要条件：,=,则：,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。,第七章 缠绕成型工艺,37,7.3.2 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。,连续纤维缠

16、绕在芯模表面上的排布型式,第七章 缠绕成型工艺,38,机器缠绕芯模数个来回后的纤维分布,弯管芯模，灰色为圆环面，绿色为柱面,第七章 缠绕成型工艺,39,复合材料弯管成品,导丝头缠绕芯模一层后的纤维分布,第七章 缠绕成型工艺,40,（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， 称为两切点“位置相邻”。,2) 两切点之间还可以加入其他切点，称两切点位置不相邻。,第七章 缠绕成型工艺,41,b、单切点与多切点的概念

17、,多切点缠绕,单切点缠绕,完成一个完整循环缠绕，极孔圆周上只有一个切点的情况。,完成一个完整循环缠绕，极孔圆周上有多个切点的情况,第七章 缠绕成型工艺,42,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,单切点与双切点排布图,单切点线型 双切点线型,纤维从切点1绕到与它时序相邻的切点2时，芯模转过中心角为360o/2,第七章 缠绕

18、成型工艺,43,多切点的排布图,n=3 n=4 n=5,1,2,3,1,2,3,1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4,5,1,4,2,5,3,1,3,5,2,4,1,5,4,3,2,第七章 缠绕成型工艺,44,c、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。,第七章 缠绕成型工艺,45,7.3.2.2 纤维缠绕芯模转角(即缠绕中心角)与线型的关系,设完

19、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：,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。,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，或者再加上360 的整数倍。,第七章 缠绕成型工艺,46,两切点：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。,2=(1+N)360/2 =(1/2+N) 360/2,第七章 缠绕成型工艺,47,三切点：,n个切点：,3=(1+N)360/3 =(1/3+N) 360/3,n=(1+N)36

20、0/n =(1/n+N) 360/n,则对于n有：,n（K/n +N）360/n,K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，例如3有2个值：,3-1=（1/3+N）360/3 3-2=（2/3+N）360/3,5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,第七章 缠绕成型工艺,48,在一个完整循环中，切点数不同，纤维缠绕的线型不同，导丝头往返一次芯模转角不同；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，导丝头往返一次的芯模转角也不

21、同。,导丝头往返一次的转数可作为缠绕线型的“代号”。,第七章 缠绕成型工艺,49,“线型”以导丝头往返一次芯模旋转的转数来表示:,S0 n /360,M=K + nN,S0-表示线型；M一个完整循环芯模转数； n切点数，也是一个完整循环导丝头往返次数。,不考虑芯模转角微调量,n(K/n +N)360/n,S0 K/n + NM/n,第七章 缠绕成型工艺,50,连续纤维缠绕在芯模表面上的排布型式,7.3.3 螺旋缠绕的转速比,单位时间内，芯模转数与导丝头往返次数之比，完成一个完整循环，芯模转数与导丝头往返次数之比。,一个完整循环的芯模转数,一个完整循环中导丝头往返数,不同的线型严格对应着不同的转

22、速比,定义线型在数值上等于转速比,第七章 缠绕成型工艺,51,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：,n=(K/n+N)360/n,第七章 缠绕成型工艺,52,7.4 缠绕工艺设计,缠绕工艺设计包含内容：,根据产品使用和设计要求、技术质量指标，进行结构造型、缠绕线型和芯模设计； 选择原材料； 根据产品强度要求、原材料性能及缠绕线型进行缠绕层数计算； 根据选定的原材料和工艺方法，确定工艺流程及工艺参数； 根据缠绕线型选定缠绕设备，或为缠绕设备设计提供参数。,第七章 缠绕成型工艺,53,7.4.2 缠绕类型的选择,缠绕类型选择考虑因素,制品的结构形状和几何尺寸,强度要求,载荷

23、特性,缠绕设备,第七章 缠绕成型工艺,54,(1) 制品的结构形状和几何尺寸,平面缠绕适合于球形、扁椭球形、长径比小于4的筒形制品。也适用于两封头不等极孔容器的缠绕。 长形管状制品一般采用螺旋缠绕。,为防止纤维打滑，平面缠绕通常采用预浸纱缠绕，同时，极孔直径一般不超过筒体直径的30%。,第七章 缠绕成型工艺,55,纤维在筒身上交叉程度相当大，从强度观点看是不利的。,螺旋缠绕,因为交叉点处的纤维在承载状态下有被拉直的趋势，纤维交叉程度大就容易产生分层和损坏；其次，由于纤维交叉孔隙率偏高，而孔隙率是使制品剪切强度降低的主要原因。,纤维在筒体是不交叉的，而以完整的缠绕层依次逐层重叠，排列较好。因此，

24、平面缠绕可望获得高强度，并因而减轻制品质量。,平面缠绕,(2) 强度要求,第七章 缠绕成型工艺,56,(3) 载荷特性,当制品受到内压以外的荷载，设计灵活性较大。只要改变各方向玻璃纤维的数量就能独立和方便地调变纵向和环向强度。,平面和环向组合缠绕,螺旋缠绕,在设计和工艺上对于内压以外荷载的适应性较差。,(4) 缠绕设备,第七章 缠绕成型工艺,57,7.4.3 螺旋缠绕线型参数选择,缠绕角,切点数,封头包络圆,缠绕程序,链条长度,纱片与芯模轴线的交角,第七章 缠绕成型工艺,58,湿法缠绕，实际缠绕角应控制在与测地线缠绕角 ( )偏离810以内。,缠绕角,选定线型的缠绕角应等于或接近测地线缠绕角,

25、不滑线的稳定要求 封头的等强度要求,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。,第七章 缠绕成型工艺,59,切点数,封头包络圆,选少切点线型。切点数越多，纤维交叉次数越多，使极孔附近区域的纤维堆积架空现象严重，导致应力集中，影响纤维强度的发挥。,极孔包络圆应逐渐扩大，使纤维在极孔周围排布均匀， 减轻纤维在极孔附近的堆积。,减弱应力集中程度，不致使封头外形曲线发生过大变化，有利纤维强度的发挥。,第七章 缠绕成型工艺,60,缠绕程序,链条长度,螺旋缠绕与环向缠绕应交替进行,对于小车环链式缠绕机，缠绕角不宜选太小。否则，将使链条长度增大，设备笨重。同时超越长度也增大，使缠

26、绕张力难以控制。,第七章 缠绕成型工艺,61,7.4.4 缠绕工艺参数,缠绕工艺过程：,芯模或内衬制造、胶液配制、纤维烘干和热处理、浸胶、胶纱烘干、缠绕、固化、检测等。,石蜡浸润剂型纤维， 350， 57h（除去纤维表面蜡类物质）。,纤维热处理：,增强型浸润剂无捻纱，6080，24h；,第七章 缠绕成型工艺,62,热处理条件与残油量的关系,热处理条件与强力的关系,第七章 缠绕成型工艺,63,浸胶与胶液含量,影响制品质量和厚度；影响制品的强度：含胶量过高，制品复合强度降低，含胶量过低，制品孔隙率增加，制品气密性、耐老化性及剪切强度下降。胶液含量过大的变化会引起不均匀的应力分布，并在某些区域引起破

27、坏。,第七章 缠绕成型工艺,64,沉浸式浸胶,表面带胶式浸胶,浸胶方式：,通过挤胶辊压力来控制含胶量,通过控制刮刀与胶辊距离，以改变胶辊表面胶层厚度，从而控制含胶量。,浸胶槽应装备恒温水浴，以控制胶液温度(粘度)。,胶含量控制： 20左右,胶液粘度： 0.351.0 Pa.S,第七章 缠绕成型工艺,65,缠绕张力的影响：,纤维缠绕过程中所受的张紧力,制品机械性能,制品密实度,含胶量,第七章 缠绕成型工艺,66,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。,制品机械性能,采用低捻度、张力均匀的纤维，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,第七章 缠绕成型工艺,67,制品密实度,缠绕在曲面上的纤维，其缠绕张力产生的垂直于芯模表面的法向力。,接触成型压力,T0缠绕张力，N/cm；r芯模半径，cm； 缠绕角,使制品致密,体积密度与成型压力关系,第七章 缠绕成型工艺,68,含胶量,湿法缠绕中，由于缠绕张力的径向分量法向压力的作用，胶液将由内层被挤向外层，出现胶液含量沿壁厚不均匀内低外高现象。采用分层固化或预浸材料可减轻或避免这种现象。,缠绕张力对含胶量影响,随着缠绕张力增大，含胶量降低。,第七章 缠绕成型工艺,69,胶纱烘干：,烘干温度不宜过高或过低。温度过高，溶剂来不及除去，树脂