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?qū)崿F(xiàn)纖維零度纏繞的設(shè)備，闡述了這幾種設(shè)備的優(yōu)缺點，并與大型水平軸向連續(xù)鋪設(shè)纖維纏繞機(jī)進(jìn)行對比。評價大型水平軸向連續(xù)鋪設(shè)纏繞機(jī)在纖維纏繞領(lǐng)域做出的貢獻(xiàn)和對未來發(fā)展的展望。

關(guān)鍵詞：纏繞機(jī)；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(shù)是復(fù)合材料重要的成型技術(shù)之一，它最突出的優(yōu)點是可以充分發(fā)揮纖維強(qiáng)度和模量的性能優(yōu)勢，能按復(fù)合材料制品的載荷需要，沿最佳方向布置增強(qiáng)材料，制成高結(jié)構(gòu)效率制品。特別適于制造內(nèi)壓容器，固體火箭發(fā)動機(jī)殼體，管材和貯罐等復(fù)合材料 。目前大多數(shù)纖維纏繞生產(chǎn)設(shè)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(shè)備在某些對軸向性能要求較高的產(chǎn)品中應(yīng)用。極向纏繞作為螺旋纏繞對軸向性能的改進(jìn)，能夠進(jìn)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(shè)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(shè)備產(chǎn)業(yè)化需求十分迫切。

2 零度纏繞設(shè)備現(xiàn)狀

90年代初，我國引進(jìn)的一臺拉擠設(shè)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(dāng)環(huán)節(jié)之間引入纏繞工藝，構(gòu)成一個以拉擠工藝為主，配以纏繞的復(fù)合材料成型系統(tǒng)。拉擠-纏繞工藝可簡示為粗紗-浸漬-預(yù)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(jìn)行大角度螺旋纏繞，因此產(chǎn)品性能的可設(shè)計性差，且該設(shè)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(shè)備擁有很多的局限性，應(yīng)用并不廣泛。

1.紗團(tuán)2.分紗板3.浸漬槽及梳子4.芯模5.預(yù)成型模

6.左右兩個旋轉(zhuǎn)方向的纏繞紗團(tuán)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(jī)式縱環(huán)向纏繞機(jī)（見圖2）是一種干法纏繞工藝的纏繞機(jī)，通過加熱軟化預(yù)浸紗帶后實施纏繞。裝有縱向紗團(tuán)的轉(zhuǎn)環(huán)與芯模同步旋轉(zhuǎn)，并可沿芯模軸向往復(fù)運動，完成縱向紗鋪放，環(huán)向紗裝在轉(zhuǎn)環(huán)兩邊的小車上，當(dāng)芯模轉(zhuǎn)動，小車沿芯模軸向作往復(fù)運動時，完成環(huán)向紗纏繞。這種設(shè)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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?qū)蛹啽P2.轉(zhuǎn)環(huán)3.芯模；4.小車；5.小車絲桿

6.小車導(dǎo)軌7.轉(zhuǎn)環(huán)旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)8.環(huán)向纏繞紗架

國內(nèi)某集團(tuán)設(shè)計的立式纏繞機(jī)的纏繞方法借鑒了電纜機(jī)式縱環(huán)向纏繞機(jī)的工作原理，采用模具垂直地面放置的方式，環(huán)形導(dǎo)絲頭牽引環(huán)形紗束進(jìn)行軸向鋪設(shè)，在軸向鋪設(shè)的同時進(jìn)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(shù)類似于多自由度纏繞成形，纖維鋪放設(shè)備由旋轉(zhuǎn)芯模和多自由度的鋪放頭（機(jī)器人）構(gòu)成。按結(jié)構(gòu)設(shè)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(yù)浸紗束自動鋪放在可旋轉(zhuǎn)的芯模表面，鋪放過程中同時加熱軟化預(yù)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(shè)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(lǐng)域，在民用復(fù)合材料產(chǎn)品中并不適用。

3 大型水平軸向連續(xù)鋪設(shè)纖維纏繞機(jī)工作過程簡述

大型水平軸向連續(xù)鋪設(shè)纖維纏繞機(jī)的螺旋纏繞方式與普通纖維纏繞機(jī)相似；在軸向與環(huán)向交替時利用設(shè)備的多齒蓖環(huán)將紗片方向進(jìn)行改變；軸向纏繞時導(dǎo)絲頭沿芯模軸線方向移動，此時芯模不轉(zhuǎn)動，當(dāng)導(dǎo)絲頭行至芯模的另一端后，芯模轉(zhuǎn)動，通過多齒蓖環(huán)進(jìn)行掛紗，進(jìn)行反向鋪設(shè)。為提高纖維致密性，本設(shè)備設(shè)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(shù)要點

大型水平軸向連續(xù)鋪設(shè)纖維纏繞機(jī)通過纖維張緊裝置與捆綁緊固裝置，能夠?qū)⑤S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(jìn)行壓實，提高了纖維之間的密實度，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量；導(dǎo)絲頭能夠按照芯模形狀調(diào)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(diào)的多齒蓖環(huán)能夠使紗片自由的轉(zhuǎn)變方向，并能保證紗片的密度和張力的連續(xù)性；導(dǎo)絲頭的設(shè)計能夠使設(shè)備實現(xiàn)多向纏繞提高了工藝的可設(shè)計性。

5 大型水平軸向連續(xù)鋪設(shè)纖維纏繞機(jī)的優(yōu)勢

與其余幾種設(shè)備相比大型水平軸向連續(xù)鋪設(shè)纖維纏繞機(jī)有以下幾點優(yōu)勢：（1）除了環(huán)軸向以外還能夠?qū)崿F(xiàn)多角度螺旋纏繞，能夠根據(jù)產(chǎn)品載荷要求自由設(shè)計工藝。（2）能夠纏繞變徑管道，使它在玻璃鋼桿塔、風(fēng)電塔筒等有錐度要求的領(lǐng)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(qiáng)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?qū)崿F(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(shè)備造價低，適用于民用產(chǎn)品的生產(chǎn)與開發(fā)。（6）能夠?qū)崿F(xiàn)大口徑和多規(guī)格產(chǎn)品的纏繞。

6 結(jié)論

綜上所述，目前一些設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)崿F(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(shè)備局限性較大，無法實現(xiàn)產(chǎn)品力學(xué)性能的自由設(shè)計。纖維鋪放技術(shù)雖能很好的解決問題，但我國的纖維鋪放技術(shù)發(fā)展并不成熟，且成本很高，這類設(shè)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(shè)纖維纏繞機(jī)由于能夠在實現(xiàn)零度纏繞的基礎(chǔ)上進(jìn)行多向纏繞，擁有很大的可設(shè)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(fēng)電塔筒、煙囪、架空管道等方面擁有很大的發(fā)展空間，彌補(bǔ)了纖維復(fù)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(shè)備本有的優(yōu)勢，填補(bǔ)了纖維纏繞機(jī)的技術(shù)空白。因此隨著纖維纏繞復(fù)合材料產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，大型水平軸向連續(xù)鋪設(shè)纖維纏繞機(jī)具有良好的發(fā)展前景。

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