大型水平軸向連續(xù)鋪設纖維纏繞機概述

唐靖義　高晨曉　王曉曼　吳青玉　張勇

摘 要：文章介紹了幾種能夠實現(xiàn)纖維零度纏繞的設備，闡述了這幾種設備的優(yōu)缺點，并與大型水平軸向連續(xù)鋪設纖維纏繞機進行對比。評價大型水平軸向連續(xù)鋪設纏繞機在纖維纏繞領域做出的貢獻和對未來發(fā)展的展望。

關鍵詞：纏繞機；零度纏繞；多向纏繞；連續(xù)纏繞

1 背景和意義

纖維纏繞技術是復合材料重要的成型技術之一，它最突出的優(yōu)點是可以充分發(fā)揮纖維強度和模量的性能優(yōu)勢，能按復合材料制品的載荷需要，沿最佳方向布置增強材料，制成高結構效率制品。特別適于制造內壓容器，固體火箭發(fā)動機殼體，管材和貯罐等復合材料 。目前大多數(shù)纖維纏繞生產(chǎn)設備生產(chǎn)工藝為螺旋纏繞，但螺旋纏繞制品的軸向性能低，從而限制了纏繞設備在某些對軸向性能要求較高的產(chǎn)品中應用。極向纏繞作為螺旋纏繞對軸向性能的改進，能夠進行小角度纏繞，雖然在一定程度上改善了制品的軸向性能，但是與零度纏繞工藝相比存在一定的差距，同時極性纏繞還會在兩端產(chǎn)生封頭，造成浪費。還有一些設備雖擁有了零度纏繞的能力卻舍棄了螺旋纏繞固有的一些優(yōu)點。因此，人們對具有零度纏繞功能的多向纏繞設備產(chǎn)業(yè)化需求十分迫切。

2 零度纏繞設備現(xiàn)狀

90年代初，我國引進的一臺拉擠設備附有了拉擠和纏繞的組合功能，所謂拉擠一纏繞工藝是在拉擠工藝固化成型之前的適當環(huán)節(jié)之間引入纏繞工藝，構成一個以拉擠工藝為主，配以纏繞的復合材料成型系統(tǒng)。拉擠-纏繞工藝可簡示為粗紗-浸漬-預成型-纏繞-二次浸漬-成型-牽引-成品（見圖1）。這一工藝在很大程度上解決了拉擠工藝橫向性能差的缺點。然而該系統(tǒng)還是以拉擠為主，纏繞部分只能進行大角度螺旋纏繞，因此產(chǎn)品性能的可設計性差，且該設備只能做等徑的管狀制品，對于大口徑管道也不宜實現(xiàn)。所以拉擠-纏繞設備擁有很多的局限性，應用并不廣泛。

1.紗團2.分紗板3.浸漬槽及梳子4.芯模5.預成型模

6.左右兩個旋轉方向的纏繞紗團7.二次浸膠8.成型模具

9.牽引裝置10.鋸11.成品

圖1

電纜機式縱環(huán)向纏繞機（見圖2）是一種干法纏繞工藝的纏繞機，通過加熱軟化預浸紗帶后實施纏繞。裝有縱向紗團的轉環(huán)與芯模同步旋轉，并可沿芯模軸向往復運動，完成縱向紗鋪放，環(huán)向紗裝在轉環(huán)兩邊的小車上，當芯模轉動，小車沿芯模軸向作往復運動時，完成環(huán)向紗纏繞。這種設備適用于生產(chǎn)無封頭的筒形容器和各種管道的纏繞制品，但是該設備制品中的纖維只有環(huán)、縱兩個方向，無法實現(xiàn)多向纏繞，產(chǎn)品較為單一?？v向纖維鋪設過程中不能貼緊模具，環(huán)向纏繞的纖維易使其產(chǎn)生皺曲或重疊且張力不易控制。對于不同規(guī)格產(chǎn)品需要不同尺寸的轉環(huán)，且大管徑產(chǎn)品不易實現(xiàn)，只能生產(chǎn)等徑產(chǎn)品。

1.縱向層紗盤2.轉環(huán)3.芯模；4.小車；5.小車絲桿

6.小車導軌7.轉環(huán)旋轉傳動機構8.環(huán)向纏繞紗架

國內某集團設計的立式纏繞機的纏繞方法借鑒了電纜機式縱環(huán)向纏繞機的工作原理，采用模具垂直地面放置的方式，環(huán)形導絲頭牽引環(huán)形紗束進行軸向鋪設，在軸向鋪設的同時進行環(huán)向纏繞，避免了軸向纖維的脫落，實現(xiàn)了零度纏繞，但該工藝環(huán)縱向纖維不連續(xù)并且立式纏繞會產(chǎn)生樹脂流掛現(xiàn)象，使產(chǎn)品的性能不均勻，從而影響了產(chǎn)品的整體性能。

纖維鋪放技術類似于多自由度纏繞成形，纖維鋪放設備由旋轉芯模和多自由度的鋪放頭（機器人）構成。按結構設計所確定的鋪層方向和鋪層厚度，用多自由度鋪放頭將多組纖維預浸紗束自動鋪放在可旋轉的芯模表面，鋪放過程中同時加熱軟化預浸紗束，壓實形成制品型面。其優(yōu)點是可精確的控制鋪放厚度，工藝中可及時加壓密實，空隙率低，纖維鋪放角度不受控制，材料浪費少。但該設備成本很高，主要用于對產(chǎn)品精度要求很高的軍事和航天領域，在民用復合材料產(chǎn)品中并不適用。

3 大型水平軸向連續(xù)鋪設纖維纏繞機工作過程簡述

大型水平軸向連續(xù)鋪設纖維纏繞機的螺旋纏繞方式與普通纖維纏繞機相似；在軸向與環(huán)向交替時利用設備的多齒蓖環(huán)將紗片方向進行改變；軸向纏繞時導絲頭沿芯模軸線方向移動，此時芯模不轉動，當導絲頭行至芯模的另一端后，芯模轉動，通過多齒蓖環(huán)進行掛紗，進行反向鋪設。為提高纖維致密性，本設備設計了涂層致密器，用來提高產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本。

4 技術要點

大型水平軸向連續(xù)鋪設纖維纏繞機通過纖維張緊裝置與捆綁緊固裝置，能夠將軸向纖維箍在芯模表面，解決了零度纏繞的纖維懸垂問題并經(jīng)過涂層致密器進行壓實，提高了纖維之間的密實度，保證了產(chǎn)品的質量；導絲頭能夠按照芯模形狀調節(jié)高度，解決了變徑管道的零度纏繞問題；芯模兩端擁有可調的多齒蓖環(huán)能夠使紗片自由的轉變方向，并能保證紗片的密度和張力的連續(xù)性；導絲頭的設計能夠使設備實現(xiàn)多向纏繞提高了工藝的可設計性。

5 大型水平軸向連續(xù)鋪設纖維纏繞機的優(yōu)勢

與其余幾種設備相比大型水平軸向連續(xù)鋪設纖維纏繞機有以下幾點優(yōu)勢：（1）除了環(huán)軸向以外還能夠實現(xiàn)多角度螺旋纏繞，能夠根據(jù)產(chǎn)品載荷要求自由設計工藝。（2）能夠纏繞變徑管道，使它在玻璃鋼桿塔、風電塔筒等有錐度要求的領域能夠占有一席之地。（3）擁有涂層致密器，能夠使纖維更加密實，提高了產(chǎn)品的強度和剛度，降低了成本。（4）工作狀態(tài)下，環(huán)向纏繞與零度纏繞能夠實現(xiàn)連續(xù)性，使纖維張力均衡，很大程度上保證了產(chǎn)品各項性能的穩(wěn)定性。（5）設備造價低，適用于民用產(chǎn)品的生產(chǎn)與開發(fā)。（6）能夠實現(xiàn)大口徑和多規(guī)格產(chǎn)品的纏繞。

6 結論

綜上所述，目前一些設備已經(jīng)能夠實現(xiàn)零度纏繞，在一定程度上解決了纏繞工藝軸向性能弱的缺點，但是大部分設備局限性較大，無法實現(xiàn)產(chǎn)品力學性能的自由設計。纖維鋪放技術雖能很好的解決問題，但我國的纖維鋪放技術發(fā)展并不成熟，且成本很高，這類設備適合對產(chǎn)品精度要求很高的航天和軍工產(chǎn)品。大型水平軸向連續(xù)鋪設纖維纏繞機由于能夠在實現(xiàn)零度纏繞的基礎上進行多向纏繞，擁有很大的可設計性，且成本較低，在軸向性能要求較高的民用產(chǎn)品如：電線桿、風電塔筒、煙囪、架空管道等方面擁有很大的發(fā)展空間，彌補了纖維復合材料纏繞產(chǎn)品軸向性能不足的缺點，并很好的保留了螺旋纏繞設備本有的優(yōu)勢，填補了纖維纏繞機的技術空白。因此隨著纖維纏繞復合材料產(chǎn)品應用領域的不斷擴大，大型水平軸向連續(xù)鋪設纖維纏繞機具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻

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作者簡介：唐靖義（1990- ），男，河北浩正檢測服務有限公司，研究方向：復合材料檢測及工藝。