缠绕成型
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• (6)球形缠绕机 球形缠绕机有4个运动轴, 球形缠绕机的绕丝嘴转动,芯模旋转和芯 模偏摆,基本上和摇臂式缠绕机相同,第 四个轴运动是利用绕丝嘴步进实现纱片缠 绕,减少极孔外纤维堆积,提高容器臂厚 的均匀性。芯模和绕丝嘴转动,使纤维布 满球体表面。芯模轴偏转运动,可以改变 缠绕极孔尺寸和调节缠绕角,满足制品受 力要求。
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• (8)新型缠管机 新型缠管机与现行缠绕机 的区别在于,它是靠管芯自转,并同时能 沿管长方向作往复运动,完成缠绕过程。 这种新型缠绕机的优点是,绕丝嘴固定, 为工人处理断头、毛丝以及看管带来很大 方便;多路进纱可实现大容量进丝缠绕, 缠绕速度快,布丝均匀,有利于提高产品 重量和产量。
影响玻璃钢缠绕容器 质量的几个技术问题
• 2、缠绕机 缠绕机是实现缠绕成型工艺的主 要设备,对缠绕机的要求是:①能够实现 制品设计的缠绕规律和排纱准确;②操作 简便;③生产效率高;④设备成本低。 • 缠绕机主要由芯模驱动和绕丝嘴驱动两 大部分组成。为了消除绕丝嘴反向运动时 纤维松线,保持张力稳定及在封头或锥形 缠绕制品纱带布置精确,实现小缠绕角 (0°~15°)缠绕,在缠绕机上设计有垂 直芯轴方向的横向进给(伸臂)机构。为 防止绕丝嘴反向运动时纱带转拧,伸臂上 设有能使绕丝嘴翻志的机构。
• 缠绕张力应该逐层递减。这是因为后缠上的一层 纤维由于张力作用会使先缠上的纤维层连同内衬 一起发生压缩变形,使内层纤维变松。假若采用 不变的张力制度,将会使容器上的纤维呈现内松 外紧状态,使内外纤维的初应力有很大差异,容 器充压时纤维不能同时均匀受力。严重者可使内 层纤维产生皱褶、内衬鼓泡、变形等屈服状态。 这样将大大降低容器强度和疲劳性能。来用逐层 递减的张力制度后,虽然后缠上的纤维对先缠上 的纤维仍有削减作用,但因本身的张力较小,就 和先一层被削减后的张力相同,这样就可保证所 有缠绕层自内至外都具有相同的变形和初张力。 容器充压时,纤维能同时受力,使得容器强度得 到提高。使纤维强度能更好发挥。
• 3、玻璃钢容器分层固化的工艺制度 • 分层固化的工艺方法是这样进行的。在 内衬上先成型一定厚度的玻璃钢壳体,使 其固化,冷至室温经表面打磨再缠绕第二 次。这样依此类推,直至缠到满足强度设 计要求的层数为止。 • 厚壁容器的强度低于薄壁容器,这一事 实已从理论上得到了证实。随着容器容积 的增加,压力的提高,壁厚也随之增加。 造成玻璃钢厚壁容器与薄壁容器的强度差 异。除力学分析的原因外,从玻璃钢容器 制造角度看还有以下几点:
• 1、玻璃钢容器缠绕工艺中的增股减层问题 • 缠绕工艺中,适当增加纤维股数,减少缠绕层 数,是提高容器生产效率的措施之一。但是,在 应用时要全面考虑,不可一味追求生产效率。纤 维股数增多后,在缠绕线型的交叉点和极孔切点 处“架空”现象将随之加剧。使得在架空部位的 纤维与内衬之间形成孔隙。容器充压时,铝内衬 承受不了压力的作用将被挤入架空部位,严重影 响容器的疲劳性能。纤维股数增多后,纵向缠绕 层数相应减少,包络圆直径的数目也将减少,使 得纤维在头部不能均衡分布,造成头部强度下降。 因此增股减层的措施应该慎重采用。应用不当会 造成制品质量下降。
• 2、玻璃钢容器逐层递减的张力制度 • 纤维缠绕制品获得高强度的重要前提是 使每束纤维受到均匀的张力,即容器受内 压时,所有纤维同时受力。假若纤维有松 有紧,则充压时不能使所有纤维同时受力, 这将影响纤维强度的发挥。张力大小也直 接影响制品的胶含量、比重和孔隙率。张 力制度不合理还会使纤维发生皱褶、使内 衬产生屈服等,将严重影响容器的强度和 疲劳性能。
• 缠绕成型常用设备 • 1、芯模 成型中空制品的内模称芯模。一 般情况下,缠绕制品固化后,芯模要从制 品内脱出。芯模设计的基本要求 :①要有 足够的强度和刚度,能够承受制品成型加 工过程中施加于芯模的各种载荷,如自重、 制品重,缠绕张力,固化应力,二次加工 时的切削力等;②能满足制品形状和尺寸 精度要求,如形状尺寸,同心度、椭圆度、 锥度(脱模),表面光洁度和平整度等; ③保证产品固化后,能顺利从制品中脱出; ④制造简单,造价便宜,取材方便。
• 1)随着容器厚度增加,内外质量不均匀性 增大; • 2)随着容器壁厚增加、缠绕层数增多, 要求纤维的缠绕张力愈来愈小,使整个容 器中纤维的初张力偏低,这将影响容器的 变形能力和强度。
• 为有效地发挥厚壁容器中的纤维强度,分 层固化是一个有效的技术途径。分层固化 的容器,好象把一个厚壁容器变成几个紧 紧套在一起的薄壁容器组合体。在内压作 用下,他们有同一的变形,承受相同的应 力,而又无层与层之间的约束,彼此能自 由滑移。这样就充分发挥了薄壁容器在强 度方面的优越性。 • 由于容器是分几次固化的,所以纤维在 容器中的位置能及时得到固定,不致使纤 维发生皱褶和松散,使树脂不致在层间流 失,从而提高了容器内外质量的均匀性。
• 2)湿法缠绕 湿法缠绕是将纤维集束(纱式 带)浸胶后,在张力控制下直接缠绕到芯 模上。湿法缠绕的优点为:①成本比干法 缠绕低40%;②产品气密性好,因为缠绕 张力使多余的树脂胶液将气泡挤出,并填 满空隙;③纤维排列平行度好;④湿法缠 绕时,纤维上的树脂胶液,可减少纤维磨 损;⑤生产效率高(达200m/min)。湿法 缠绕的缺点为:①树脂浪费大,操作环境 差;②含胶量及成品质量不易控制;③可 供湿法缠绕的树脂品种较少。
• 缠绕成型芯模材料分两类:熔、溶性材料和组装 式材料。熔、溶性材料是指石蜡,水溶性聚乙烯 醇型砂,低熔点金属等,这类材料可用浇铸法制 成空心或实心芯模,制品缠绕成型后,从开口处 通入热水或高压蒸汽,使其溶、熔,从制品中流 出,流出的溶体,冷却后重复使用。组装式芯模 材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。 另外还有内衬材料,内衬材料是制品的组成部分, 固化后不从制品中取出,内衬材料的作用主要是 防腐和密封,当然也可以起到芯模作用,属于这 类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。
• 3)半干法缠绕 半干法缠绕是纤维浸胶后, 到缠绕至芯模的途中,增加一套烘干设备, 将浸胶纱中的溶剂除去,与干法相比,省 却了预浸胶工序和设备;与湿法相比,可 使制品中的气泡含量降低。 • 三种缠绕方法中,以湿法缠绕应用最为 普遍;干法缠绕仅用于高性能、高精度的 尖端技术领域。
工艺流程图
• 缠绕成型的优点 • ①能够按产品的受力状况设计缠绕规律,使能 充分发挥纤维的强度; ②比强度高:一般来讲,纤维缠绕压力容器与 同体积、同压力的钢质容器相比,重量可减轻 40~60%; ③可靠性高:纤维缠绕制品易实现机械化和自 动化生产,工艺条件确定后,缠出来的产品质量 稳定,精确④生产效率高:采用机械化或自动化 生产,需要操作工人少,缠绕速度快 (240m/min),故劳动生产率高; ⑤成本低:在同一产品上,可合理配选若干种 材料(包括树脂、纤维和内衬),使其再复合, 达到最佳的技术经济效果。
• 缠绕成型的缺点 • ①缠绕成型适应性小,不能缠任意结构 形式的制品,特别是表面有凹的制品,因 为缠绕时,纤维不能紧贴芯模表面而架空; ②缠绕成型需要有缠绕机,芯模,固化 加热炉,脱模机及熟练的技术工人,需要 的投资大,技术要求高,因此,只有大批 量生产时才能降低成本,才能获得较的的 技术经济效益。
• 缠绕成型填料 • 填料种类很多,加入后能改善树脂基体 的某些功能,如提高耐磨性,增加阻燃性 和降低收缩率等。在胶液中加入空心玻璃 微珠,可提高制品的刚性,减小密度降低 成本等。在生产大口径地埋管道时,常加 入30%石英砂,借以提高产品的刚性和降 低成本。为了提高填料和树脂之间的粘接 强度,填料要保证清洁和表面活性处理。
缠绕成型工艺
• 纤维缠绕成型是一种快捷高效的方法。在 模具上铺放树脂和加固物,经缠绕后制造 出坚固,轻质的复合材料产品。缠绕物的 形状大小受模具和旋转芯模的限制。如果 生产的部件所需芯模的直径大于30米,那 么就需在安装现场进行缠绕成型。纤维缠 绕成型的零部件具有很高的纤维含量(高 达80%)以及精准可控制的纤维取向。
• 缠绕成型增强材料 • 缠绕成型用的增强材料,主要是各种纤 维纱:如无碱玻璃纤维纱,中碱玻璃纤维 纱,碳纤维纱,高强玻璃纤维纱,芳纶纤 维纱及表面毡等。
• 缠绕成型树脂 • 树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。 缠绕制品的耐热性,耐化学腐蚀性及耐自然老化 性主要取决于树脂性能,同时对工艺性、力学性 能也有很大影响。缠绕成型常用树脂主要是不饱 和聚酯树脂,在上海浦东机场给排水玻璃钢管道 工程中使用时也有用环氧树脂和双马来酰亚胺树 脂等。对于一般民用制品如管、罐等,多采用不 饱和聚酯树脂。对力学性能的压缩强度和层间剪 切强度要求高的缠绕制品,则可选用环氧树脂。 航天航空制品多采用具有高断裂韧性与耐湿性能 好的双马来酰亚胺树脂。
• 缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤 维(或布带、预浸纱)按照一定规律缠绕 到芯模上,然后经固化、脱模,获得制品。 根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学 状态不同,分为干法缠绕、湿法缠绕和半 干法缠绕三种。
• 1)干法缠绕 干法缠绕是采用经过预浸胶处 理的预浸纱或带,在缠绕机上经加热软化 至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸纱 (或带)是专业生产,能严格控制树脂含 量(精确到2%以内)和预浸纱质量。因此, 干法缠绕能够准确地控制产品质量。干法 缠绕工艺的最大特点是生产效率高,缠绕 速度可达100~200m/min,缠绕机清洁, 劳动卫生条件好,产品质量高。其缺点是 缠绕设备贵,需要增加预浸纱制造设备, 故投资较大此外,干法缠绕制品的层间剪 切强度较低。
• (4)轨道式缠绕机 轨道式缠绕机分立式和 卧式两种。纱团、胶槽和绕丝嘴均装在小 车上,当小车沿环形轨道绕芯模一周时, 芯模自身转动一个纱片宽度,芯模轴线和 水平面的夹角为平面缠绕角α。从而形成平 面缠绕型,调整芯模和小车的速度可以实 现环向缠绕和螺旋缠绕。轨道式缠绕机适 合于生产大型制品。
• (5)行星式缠绕机 芯轴和水平面倾斜成α 角(即缠绕角)。缠绕成型时,芯模作自 转和公转两个运动,绕丝嘴固定不动。调 整芯模自转和公转速度可以完成平面缠绕、 环向缠绕和螺旋缠绕。芯模公转是主运动, 自转为进给运动。这种缠绕机适合于生产 小型制品。
• (7)电缆式纵环向缠绕机 纵环向电缆式缠 绕机适用于生产无封头的筒形容器和各种 管道。装有纵向纱团的转环与芯模同步旋 转,并可沿芯模轴向往复运动,完成纵向 纱铺放,环向纱装在转环两边的小车上, 当芯模转动,小车沿芯模轴向作往复运动 时,完成环向纱缠绕。根据管道受力情况, 可以任意调整纵环向纱数量比例。
• (2)滚翻式缠绕机 这种缠绕机的芯模由两 个摇支承,缠绕时芯模自身轴旋转,两臂 同步旋转使芯模翻滚一周,芯模自转一个 与纱片宽相适应的角度,而纤维纱由固定 的伸臂供给,实现平面缠绕,环向缠绕由 附加装置来实现。由于滚翻动作机构不宜 过大,故此类缠绕机只适用于小型制品, 且使用不广泛。
• 3)卧式缠绕机 这种缠绕机是由链条带动小 车(绕丝嘴)作往复运动,并在封头端有 瞬时停歇,芯模绕自身轴作等速旋转,调 整两者速度可以实现平面缠绕、环向缠绕 和螺旋缠绕,这种缠绕机构造简单,用途 广泛,适宜于缠绕细长的管和容器。
• 我国60年代研制成功链条式缠绕机,70年 代引进德国WE-250数控缠绕机,改进后实 现国产化生产,80年代后我国引进了各种 型式缠绕机40多台,经过改进后,自己设 计制造成功微机控制缠绕机,并进入国际 市场。
• 机械式缠绕机类型 • (1)绕臂式平面缠绕机 其特点是绕臂(装有 绕丝嘴)围绕芯模做均匀旋转运动,芯模绕自身 轴线作均匀慢速转动,绕臂(即绕丝嘴)每转一 周,芯模转过一个小角度。此小角度对应缠绕容 器上一个纱片宽度,保证纱片在芯模上一个紧挨 一个地布满容器表面。芯模快速旋转时,绕丝嘴 沿垂直地面方向缓慢地上下移动,此时可实现环 向缠绕,使用这种缠绕机的优点是,芯模受力均 匀,机构运行平稳,排线均匀,适用于干法缠绕 中小型短粗筒形容器。