纏繞成型工藝

1、第 6 章、纏繞成型工藝§6-1、概述 定義：將浸過(guò)樹(shù)脂膠液的連續(xù)玻璃纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化 脫模成為增強(qiáng)材料制品的工藝過(guò)程。因此三大過(guò)程：預(yù)浸、纏繞、固化脫模。細(xì)節(jié)見(jiàn)圖 7-1§6-1-1、纏繞工藝分類及特點(diǎn)1、干法纏繞 預(yù)浸紗帶(布帶)，加熱粘流后纏繞。 特點(diǎn)：嚴(yán)格控制紗帶含膠量和尺寸，質(zhì)量穩(wěn)定，速度快，勞衛(wèi)條件好，投資大2、濕法纏繞 浸漬無(wú)捻粗紗直接纏繞。特點(diǎn)：材料經(jīng)濟(jì)，質(zhì)量不穩(wěn)。3、半干法纏繞 預(yù)浸漬粗紗(或布帶)隨即纏繞到芯模上。 特點(diǎn)：無(wú)需整套設(shè)備，烘干快，室溫操作。§6-1-2、纏繞制品特點(diǎn)1、比強(qiáng)度高 F： 3Ti， 4St

2、eel。原因：(1)表面缺陷小(2) 避免縱橫交織點(diǎn)和末端的應(yīng)力集中(3) 可控方向與數(shù)量，實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)(4) 纖維含量高 80%2、可靠性高 克服材料的韌性不夠及缺口帶來(lái)的可靠性降低。3、生產(chǎn)率高 機(jī)械化，大批量。4、成本低 無(wú)捻減少了紡織等其它工費(fèi)。 缺點(diǎn)：形狀限制，投資大，必須大批量。§6-1-3、原材料 纖維增強(qiáng)材料，樹(shù)脂基體 選擇原則：滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，工藝性參數(shù)及經(jīng)濟(jì)性要求。1、增強(qiáng)材料 玻纖(無(wú)堿，中堿無(wú)捻粗紗，高強(qiáng)纖維) ，碳纖維，芳綸纖維等。 纖維要求：(1) 高檔產(chǎn)品：碳纖維，芳綸纖維(2) 制品性能要求(3)表面處理(4)與樹(shù)脂浸漬性好(5) 各股張力均勻 (6)成

3、帶性好2、樹(shù)脂基體 指合成樹(shù)脂與各種助劑組成的基體體系。 選用要求：(1) 工藝性好，粘度與適用期最重要，適用量 >4小時(shí)，n=0.351PaS(2) 樹(shù)脂基體的斷裂伸長(zhǎng)率與增強(qiáng)材料相匹配，方能獲得滿意效果。(3) 固化收縮率低和毒性刺激小(4) 來(lái)源廣、價(jià)格低§6-1-4、應(yīng)用航天、導(dǎo)彈、軍用飛機(jī)、水下裝置，高強(qiáng)度、質(zhì)量輕的高壓容器，殼體 民用管道，貯罐，質(zhì)輕，耐腐，費(fèi)低。 形成纏繞工藝的兩部分空間技術(shù)及民用部分。§6-2、纏繞規(guī)律 §6-2-1、纏繞規(guī)律的內(nèi)容 由導(dǎo)絲頭（繞絲嘴）和芯模的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。1、纖維不重疊不離縫，均勻連續(xù)布滿芯模表面。2、纖維在

4、芯模表面位置穩(wěn)定，不打滑。 這是纏繞線型必須滿足的兩點(diǎn)。 所謂纏繞規(guī)律：是描述紗片均勻穩(wěn)定連續(xù)排布芯模表面以及芯模與導(dǎo)絲頭間運(yùn)動(dòng)關(guān)系的 規(guī)律。§6-2-2、纏繞線型的分類 環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞1、環(huán)向纏繞 芯模繞軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)絲頭在筒身區(qū)間作平行于軸線方向運(yùn)動(dòng)。 環(huán)向纏繞參數(shù)關(guān)系：W= nD ctgab二兀 D COSab/D二 nCOSaD:芯模直徑b:紗片寬a：纏繞角W:紗片螺距2、螺旋纏繞芯模繞自軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)絲頭依特定速度沿芯模軸線方向反復(fù)運(yùn)動(dòng)。3、縱向纏繞(平面纏繞)導(dǎo)絲頭在固定平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，芯模繞自軸慢速旋轉(zhuǎn)。圖 7-19-.tg a=(ri+r2)/(l

5、c+lel+le2)兩封頭極孔相同時(shí)：tg a=2r/(2le + lc)即：a=tg-12r/(2le + lc)平面纏繞的速比：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，芯模旋轉(zhuǎn)軸數(shù)與導(dǎo)絲頭繞芯模旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)比。(即芯模轉(zhuǎn)一周時(shí)，導(dǎo)絲頭繞芯模旋轉(zhuǎn)的圈數(shù))紗片寬度為b，纏繞角為a，則速比為：i=b/ nD cosai=(A/360° 1/t)/(1/t)由圖兀D: 360° 二S: ，S=b/cosa代入 i縱向、環(huán)向纏繞視作螺旋纏繞的特例。纖維在芯模表面上排布規(guī)律的研究是通過(guò)研究切點(diǎn)在極孔周圍上的分布和出現(xiàn)的規(guī)律來(lái)解決。切點(diǎn)法描述纏繞規(guī)律的基本思路。§ 6-3-3、線型線型的定義:即連續(xù)纖維

6、纏繞在芯模表面上的排布形式。完整循環(huán)定義: 由導(dǎo)絲頭在芯模上完成一次不重復(fù)的纖維布線稱為“標(biāo)準(zhǔn)線”線型。完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)紋纏繞稱為一個(gè)完整循環(huán)。1切點(diǎn)及分布規(guī)律每條紗片在芯模極孔圓周上只有一個(gè)切點(diǎn)，在一個(gè)完整循環(huán)中，極孔圓周上只有一個(gè)切 點(diǎn)，稱為單切點(diǎn)。在一個(gè)完整循環(huán)中，有兩個(gè)以上切點(diǎn)稱為多切點(diǎn)。切點(diǎn)排布順序：廠 1單切點(diǎn)：n=1'反應(yīng)規(guī)律的基本n=2“1 n=3,n=4,n=5見(jiàn)圖 7-212、芯模轉(zhuǎn)角與線型關(guān)系導(dǎo)絲頭一個(gè)單程，芯模轉(zhuǎn)角Q導(dǎo)絲頭往返一次，芯模轉(zhuǎn)角0則 0=2 9一個(gè)完整循環(huán)(導(dǎo)絲頭n次往返)，芯模轉(zhuǎn)角0 0=0n(1) 單切點(diǎn)：芯模轉(zhuǎn)角0=1個(gè)完整循環(huán)纏繞的芯模轉(zhuǎn)角 90

7、'=360° 土 A9以后的 0=(1+N) 360°± A9(2) 兩切點(diǎn)：芯模轉(zhuǎn)角 0'1/2 (360°± A 0以后的 也=1/2 (360°± A )+N 360° =(1/2+N) 360° 土 您(3)三切點(diǎn)：四切點(diǎn)：> 見(jiàn)書(shū)P173(5) 五切點(diǎn)：(6) n切點(diǎn)：Eh=(K/n + N)360°± A /nK/n最簡(jiǎn)真分?jǐn)?shù)各切點(diǎn)不同排布順序的個(gè)數(shù)暫不考慮微調(diào)量，線型以導(dǎo)絲頭往返一次時(shí)，芯模旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)表示S0=K/ n + N= On/360

8、76; =M/n其中M=K + nNM :一個(gè)完整循環(huán)的芯模轉(zhuǎn)數(shù)則六切點(diǎn)以內(nèi)的線型S0所對(duì)應(yīng)的n, K, N,併值由表7-3表示。 例如：4切點(diǎn)的線型S0n=4, K=3, N=3芯模轉(zhuǎn)角併=1350°M/N=15/4芯模轉(zhuǎn)數(shù)為15,導(dǎo)絲頭往返數(shù)為4。§ 6-3-3、轉(zhuǎn)速比1、轉(zhuǎn)速比定義：簡(jiǎn)稱速比，單位時(shí)間內(nèi)，芯模轉(zhuǎn)數(shù)與導(dǎo)絲頭往返次數(shù)之比。i0=M/n考慮速比微調(diào)部分，實(shí)際轉(zhuǎn)速為：i= en/360°±A/(n 360° )=(K/n + N) ± A /(n 360° )2、i0與S0的關(guān)系i0S0共同點(diǎn)同層纏繞規(guī)律問(wèn)題不

9、同點(diǎn)纖維在芯模表面的排布型式芯模與導(dǎo)絲頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系關(guān)系一一對(duì)應(yīng)，i是S0的代號(hào)，數(shù)值上i0 =S03、i的計(jì)算的計(jì)算較不方便，采用直觀的工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即：轉(zhuǎn)化為與紗片寬度、纏繞角、 芯模尺寸等直觀參數(shù)相關(guān)聯(lián)的式子。如圖7-22AC=BC/coa=b/cos a /360° =AC/tD = AC- 360° / tD= b/(n)cosa)X 360°i= io± 4=(K/n+N)土 b/(n n - cos a), 二 4/n這里把各物理量歸納一下：b:紗片設(shè)計(jì)寬度a：纏繞角n：切點(diǎn)數(shù)N：正整數(shù)D:芯模圓筒段直徑K:使K/N為最簡(jiǎn)真分?jǐn)?shù)，各切點(diǎn)

10、不同排布順序數(shù)取0時(shí)，紗片滯后，脫線。取0時(shí)，紗片超前，壓線。為避免打滑， 0。§ 6-3-4、線型設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的纏繞成型，對(duì)應(yīng)于某個(gè)纏繞角，除滿足前面的不重疊、不離縫，均勻布滿芯模 表面纖維位置穩(wěn)定，不打滑，還必須滿足封頭不滑線的條件，要求纏繞在表面上的 每條纖維都是相應(yīng)曲面的測(cè)地線。封頭曲面上，由微分幾何的克列絡(luò)定理，測(cè)地線方程為:Sin a=ro/r(7-19)a：測(cè)地線與封頭曲面上子午線夾角ro:圭寸頭極孔圓半徑r:測(cè)地線與子午線交點(diǎn)處平行圓半徑r= ro,測(cè)地線與子午線交點(diǎn)處的平行圓就是極孔圓，此時(shí)a=n2。r T, Sinaj,直小到筒身段時(shí)，Sina最小，再往下Sina不變

11、。說(shuō)明:(1) 封頭曲面上滿足 (7-19)式的就是測(cè)地線。(2) 在筒身段，由于纏繞纖維的連續(xù)性，筒身段的任意纏繞角螺旋線都是測(cè)地線。(3) 通過(guò)上式求得的纏繞角所確定的纖維位置，無(wú)論在封頭和筒身段都是測(cè)地線，且是穩(wěn) 定纏繞。(4) 以均勻、布滿且穩(wěn)定纏繞時(shí)，芯模的轉(zhuǎn)角也相應(yīng)固定。1 、由測(cè)地線求芯模轉(zhuǎn)角芯模轉(zhuǎn)角通過(guò)單程線芯模轉(zhuǎn)角來(lái)得到，山'&'。丫(進(jìn)et由單程初始的封頭纏繞轉(zhuǎn)過(guò)的角度(包角)和單程后期的筒身纏繞轉(zhuǎn)過(guò)的角度角)。e' b+ 丫(7-20)(1) Y的求解Wy=IiWyIYl/W=l/W X 360°W= dD/tg aY=l tg

12、a/ 冗DX 360°(7-21)(2) B的求解由圖7-25,上極圈，轉(zhuǎn)過(guò) +90°相應(yīng)下極圈0+90°3=2(+90 ° )(7-22)a、過(guò)D點(diǎn)作平面U/平面HBCDF(平面U n平面HBQb、過(guò)D點(diǎn)作平面I與筒體相切DE(平面I n平面HBC, DG(平面I n平面U)c、過(guò)G點(diǎn)作平面EFGL DGEG (平面EFGH平面I) , FG(平面EFG平面U),EF (平面HBCn平面EFGd、/ FDGN HBC=ao'一平面與兩平行平面交角相同，/ EDG=a纖維在赤道圓處的纏繞角，/ EGF玄 互余角,平面與兩平行線交角轉(zhuǎn)換。e、tg

13、a'=FG/DG二EG/DG FG/EG= tg(o - cos當(dāng)0=0時(shí)，a'=a，就是平面FDG與平面EDG重合，即a'=a代表截平面與軸線夾角等 于纖維在赤道圓的纏繞角，此時(shí)3=180°而 Sin=(h tg a'-ro)/R=(h tg ao cos-ro)/R(7-23)轉(zhuǎn)化成一個(gè)三角方程求解問(wèn)題。工程上常用近似式計(jì)算：0=Sin1 (h tg a0-r0)/R(7-24)將(7-21)， (7-24)代入 (7-2o)Q'二 l - tg a/ tDX 360° +290° + Sin'1 (h tg a

14、-r0)/R併'=2 Q'2、線型的確定 在實(shí)際生產(chǎn)中，用控制線型和轉(zhuǎn)數(shù)比這兩個(gè)宏觀參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)正常的生產(chǎn)。已知極孔半徑r。，芯模半徑R,設(shè)計(jì)一定切點(diǎn)的線型，求出Q再算出Q',與該切點(diǎn)的線型對(duì)照，再進(jìn)行調(diào)整。(1) 變長(zhǎng)不變角，適用于芯模還未設(shè)計(jì)之前l(fā)'= y- (Q' Q) n / (360°- tga0)或者 l'=l 丫- (Q'- Q) / 丫(2) 變角不變長(zhǎng)容器尺寸不許變，而濕法纏繞角根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)略偏離時(shí)，纖維仍不至滑移。6t= l - tg a360° +290° + Sin-1 (h tg a-

15、ro)/R變徑，不變長(zhǎng)變徑，a也相應(yīng)變Sin ao=ro/RGt= l - tg ao/ tDX 360° +290° + Sir-1 (h tga-ro)/R3、標(biāo)準(zhǔn)線展開(kāi)在實(shí)際纏繞前進(jìn)行模擬，高級(jí)的用計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬。(1) 交叉點(diǎn)數(shù)，交帶數(shù)交叉點(diǎn)定義：交叉點(diǎn)數(shù)：Xr=(M-1)r交帶定義：交帶數(shù)：Yr=M-1(2) 交叉點(diǎn)及交帶分布規(guī)律a、筒身被K等分b、交帶間距相等例題：§ 6-4、纏繞工藝?yán)p繞工藝內(nèi)容包含：1、產(chǎn)品的使用、設(shè)計(jì)、技術(shù)質(zhì)量要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)造型、纏繞線型和芯模設(shè)計(jì)2、選擇原材料3、產(chǎn)品強(qiáng)度、原材料性能及纏繞線型進(jìn)行纏繞層數(shù)計(jì)算4、選定的原材料和工

16、藝方法，為工藝流程制定工藝參數(shù)5、由線型選設(shè)備，為設(shè)備設(shè)計(jì)提供參數(shù)§ 6-4-1、內(nèi)壓容器的結(jié)構(gòu)選型屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，目的是高比強(qiáng)度。1、形狀筒球形理論上結(jié)構(gòu)效率最高，最省料身圓筒形理論上 縱環(huán)向壓力不均，不充分利用材料實(shí)際上線型、設(shè)備復(fù)雜，不易一實(shí)際上可設(shè)計(jì)性、成型工藝簡(jiǎn)單，易等強(qiáng)度2、筒形容器的封頭外形封頭：均衡型等張力封頭，均衡型平面纏繞封頭，扁橢球形封頭（1）均衡型等張力封頭特點(diǎn)：纖維沿該封頭曲面測(cè)地線纏繞并與極孔相切，各點(diǎn)經(jīng)緯向等強(qiáng)度亦能同時(shí)得到滿 足，材料用量最少，重量最輕，較理想。工藝條件：a封頭曲線必須是等張力封頭曲線 b、纖維纏繞軌跡必須是測(cè)地線（測(cè)地線決定纏繞角） 等張

17、力封頭曲線方程：3d2020p, p，Z整化值f=r/RP=ro/R，p=0 “零周向應(yīng)力”封頭曲線ZZ/R（2）均衡型平面纏繞封頭特點(diǎn)：傾斜平面和封頭曲面相截的交線。R?/Ri=2-tg2 aRi：封頭曲面經(jīng)線方向的曲率半徑庫(kù)：封頭曲面緯線方向（平行圓）的曲率半徑a：封頭纏繞角，封頭纖維與經(jīng)線（子午線）交點(diǎn)處的纖維切線與該點(diǎn)經(jīng)線切線的夾角（參閱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）2(3) 扁橢球形封頭方程:§ 642、纏繞類型的選擇1制品的結(jié)構(gòu)形狀與幾何尺寸螺旋纏繞一一長(zhǎng)管狀制品平面纏繞一一球形、扁橢球、長(zhǎng)徑比小于1/4的筒形容器通常用預(yù)浸紗(干法)纏繞，極孔直徑不超過(guò)筒體的30%。2、強(qiáng)度螺旋纏繞：剪切強(qiáng)

18、度降低平面纏繞：高強(qiáng)度，質(zhì)輕3、荷載特性螺旋：對(duì)內(nèi)壓以外的荷載適應(yīng)性差，多用螺旋加環(huán)向的組合纏繞。平面：減輕適應(yīng)性差的情況。4、設(shè)備螺旋、螺旋加環(huán)：臥式小車環(huán)鏈?zhǔn)嚼p繞機(jī)平面及平面加環(huán)：搖臂式或跑道式纏繞機(jī)§ 6-4-3、螺旋纏繞型參數(shù)選擇1、纏繞角等于或接近測(cè)地線纏繞角。濕法纏繞實(shí)際纏繞角可控制在測(cè)地線纏繞角Sina=ro/R的偏離810°內(nèi)2、切點(diǎn)數(shù)選可切點(diǎn)線型3、封頭包絡(luò)圓極孔包絡(luò)圓應(yīng)逐漸擴(kuò)大，纖維在極孔周圍排布均勻，減輕極孔周圍附近纖維堆積。4、纏繞順序螺旋向與環(huán)向交替進(jìn)行。5、鏈條長(zhǎng)度 小車環(huán)鏈?zhǔn)嚼p繞機(jī)，纏繞角不宜選太小(否則鏈長(zhǎng)增大，設(shè)備笨重)§6-4-

19、4、纏繞工藝參數(shù) 纏繞工序組成：芯模與內(nèi)襯制造，膠液配制，纖維烘干和熱處理，浸膠，膠紗烘干，纏 繞，固化，檢測(cè)等。主要纖維熱處理和烘干，浸膠與膠液含量，纏繞，固化。1、纖維熱處理和烘干通常無(wú)捻紗在6080C烘干24h。例如：石蠟乳劑型浸潤(rùn)劑除油用熱處理法時(shí)，處理?xiàng)l件與殘油量，處理?xiàng)l件與強(qiáng)力關(guān)系 如圖 7-31， 7-32 所示。同時(shí)時(shí)間，熱處理溫度越高，殘油量越低；熱處理時(shí)間越長(zhǎng)，相同處理溫度條件下，殘 油量越低，但相對(duì)應(yīng)強(qiáng)力也降低。處理?xiàng)l件適中：溫度350±5C,處理時(shí)間6± 1S。處理結(jié)果：殘油量 <0.3%，強(qiáng)力損失 <15%。2、浸膠與膠液含量(1) 含

20、膠量：膠量過(guò)高制品復(fù)合強(qiáng)度降低。 膠量過(guò)低制品孔隙率增加，氣密性、耐老化、剪切強(qiáng)度下降。最佳樹(shù)脂含量約為20%,粘度0.351.0PaS。(2) 浸膠a、機(jī)理：兩階段： 第一、表面涂敷， 第二、內(nèi)部擴(kuò)散、滲透b、方式：浸膠式(圖 7-33)表面帶膠式(圖7-34),(高溫固化樹(shù)脂基體，膠槽水溫參數(shù) 40C左右，常溫固化樹(shù)脂基 體，水溫參數(shù)20 E左右)3、纏繞張力 纏繞張力定義：在纖維纏繞過(guò)程中，纖維所受的緊張力稱為纏繞張力。(1) 張力制品機(jī)械性能(強(qiáng)度、疲勞性能) 張力?。簭?qiáng)度低，疲勞低。張力大：纖維強(qiáng)度損失大，制品溫度下降。 張力均勻：束間、束內(nèi)纖維張力均勻。 工藝措施：低捻度，張力均勻

21、的纖維，紗片內(nèi)各束纖維平行。(2) 張力制品密實(shí)程度 纏繞張力將產(chǎn)生垂直于芯模表面使制品致密的向心力，工藝上稱接觸成型壓力。N=T0/r Sin2 aX 104(Pa)To:纏繞張力N/cmr ：芯模半徑 cma：纏繞角使制品致密的成型壓力與纏繞張力成正比，但并非成型壓力越大越好，某種玻璃鋼管的 成型壓力大到一定值時(shí)，體積密度則不再有明顯變化。因此，干法生產(chǎn)密實(shí)制品要控制張力。濕法生產(chǎn)中，樹(shù)脂粘度影響大，粘度越低，成型 壓力越小，粘度越高，成型壓力越大。孔隙率與密實(shí)程度成正比。(3) 張力含膠量張力大，含膠量低。 濕法中存在外高內(nèi)低的膠液現(xiàn)象，用分層固化或預(yù)浸可減輕或避免。(4) 張力的施加

22、最佳張力與芯模結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)材料強(qiáng)度，膠液粘度及芯模加熱等有關(guān)。4、膠紗烘干作用：(1) 除去樹(shù)脂膠液中溶劑揮發(fā)份，防止起泡。(2) 產(chǎn)生初凝，提高制品強(qiáng)度。表 7-11 說(shuō)明一定溫度及一定時(shí)間下，試件性能最好。5、纏繞速度 兩個(gè)基本運(yùn)動(dòng)：芯模旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)絲頭往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。紗線速度纏繞速度濕法： 0.9m/s干法：小車速度 <0.75m/s6、固化制度(1) 加熱：從高分子聚合反應(yīng)角度看，隨聚合進(jìn)行，分子量增大，分子運(yùn)動(dòng)困難，位阻增 大，活化能較高。加熱比常溫強(qiáng)度提高2025%提高10 C,速度加快2倍。(2) 升溫速度平穩(wěn)，通常0.51°C /min(3) 恒溫最高固化溫度由DTA DSC決定。一是樹(shù)脂聚合反應(yīng)所需時(shí)間二是傳熱時(shí)間(4) 降溫緩冷(5) 固化制度樹(shù)脂系統(tǒng)性質(zhì)和制品的物化性能。固化程度超過(guò) 85%認(rèn)為制品已固化。(6) 分層固化 分層固化優(yōu)點(diǎn)： 力學(xué)角度：抵消壓應(yīng)力，使初始應(yīng)力保持一致。工藝角度：提高質(zhì)量均勻性。(7)環(huán)境溫度環(huán)境溫度15C表面溫度40C§6-4-5、纏繞張力制度1、概述 后上去的纖維對(duì)前面的纖維產(chǎn)生徑向壓力，內(nèi)外