缠绕成型课堂教学

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（100～200m/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；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。7.1.2纤维缠绕制品的优点（1）比强度高（比强度高的原因有四点P160）;（2）生产成本低（玻璃纤维用量可达80％）;（3）生产效率高（可实现机械化、自动化操作）。7.1.3原材料主要有纤维增强材料与树脂两大类。（1）增强材料主要是中碱、无碱粗纱。另外有玻璃布带、碳纤维等。应根据不同产品对性能的要求进行选用。一般情况下纤维需进行表面处理。玻璃纤维的选用要求有6条，P161。（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：①工艺性好；②断裂延伸率与纤维匹配；③固化收缩率低并毒性小;④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1～4P163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。7.2.2.2组合式芯模分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式，图7-27-37-47.2.2.3石膏隔板组合式芯模图7-57.2.2.4管道芯模整体式芯模开缩式芯模图7-67-7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P165～169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。7.3.1.2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：W＝πDctgα纱片宽：b＝πDcosα则：b＝wsinα其中α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WπDαDb9080706050402.01.51.00.750.500.250（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：2121eeclllrrtg图7-19平面缠绕参数关系图lcle1le22r12r2baD△θsπDlcbα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。cosDbi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，由速比定义有：在芯模筒段，纱片的有效宽度cosbbni1缠满整个筒体的必要条件是：cosbnbnD=cosib则：cosDbiDbb’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。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。单切点线型双切点线型图7-20单切点与双切点排布图1233124n=3n=4n=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：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θn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θ，导丝头每往返一次芯模转角为θn，则：θn＝θ/nθn的推导：P173-174单切点：θ1=（1+N）360°±Δθ（N=0，1，2，······）其中Δθ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Δθ，导丝头往返一次时应错开Δθ/2。则有：θ2=（1/2+N）360°±Δθ/2三切点：θ3=（1/3+N）360°±Δθ/3n个切点：θn=（1/n+N）360°±Δθ/n则对于θn有：θn＝（K/n+N）360°±△θ/nK值需要使K/n为最简真分数。但是，n≥3时各切点的排序与时间顺序不一定一致，如图7-21，例如θ3有2个值：θ3-1=（1/3+N）360°±Δθ/3θ3-2=（2/3+N）360°±Δθ/3θ5有4个值：θ5-1=（1/5+N）360°±Δθ/5θ5-2=（2/5+N）360°±Δθ/5θ5-3=（3/5+N）360°±Δθ/5θ5-4=（4/5+N）360°±Δθ/5“线型”以导丝头往返一次芯模旋转的转数来表示:S0＝θn/360°＝K/n+N＝M/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、θn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：n＝8K/n＝1/8，3/8，5/8，7/87.3.3螺旋缠绕的转速比00SnMi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：360)(360nNnKin芯模转角微小增量△θ的计算：Db360cosb-纱片宽度；α-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P180~1827.4.2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（Rroarcsin0偏离8～10°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，60～80℃，24h；石蜡浸润剂型纤维，350℃，5～7h（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：0.35～1.0Pa.S缠绕张力的影响：P185～187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0.9m/s小车速度应小于0.75m/s固化制度：P188～190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