第6章缠绕成型工艺.docx

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第6章缠绕成型工艺

第6章、缠绕成型工艺

§6-1、概述

定义：

将浸过树脂胶液的连续玻璃纤维或布带，按照一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强材料制品的工艺过程。

因此三大过程：

预浸、缠绕、固化脱模。

细节见图7-1

§6-1-1、缠绕工艺分类及特点

1、干法缠绕

预浸纱带（布带），加热粘流后缠绕。

特点：

严格控制纱带含胶量和尺寸，质量稳定，速度快，劳卫条件好，投资大。

2、湿法缠绕

浸渍无捻粗纱直接缠绕。

特点：

材料经济，质量不稳。

3、半干法缠绕

预浸渍粗纱（或布带）随即缠绕到芯模上。

特点：

无需整套设备，烘干快，室温操作。

§6-1-2、缠绕制品特点

1、比强度高

F：

3Ti，4Steel。

原因：

（1）表面缺陷小

（2）避免纵横交织点和末端的应力集中

（3）可控方向与数量，实现等强

（4）纤维含量高80%

2、可靠性高

克服材料的韧性不够及缺口带来的可靠性降低。

3、生产率高

机械化，大批量。

4、成本低

无捻减少了纺织等其它工费。

缺点：

形状限制，投资大，必须大批量。

§6-1-3、原材料

纤维增强材料，树脂基体

选择原则：

满足设计性能指标，工艺性参数及经济性要求。

1、增强材料

玻纤（无碱，中碱无捻粗纱，高强纤维），碳纤维，芳纶纤维等。

纤维要求：

（1）高档产品：

碳纤维，芳纶纤维

（2）制品性能要求

（3）表面处理

（4）与树脂浸渍性好

（5）各股张力均匀

（6）成带性好

2、树脂基体

指合成树脂与各种助剂组成的基体体系。

选用要求：

（1）工艺性好，粘度与适用期最重要，适用量>4小时,η=0.35~1Pa·S。

（2）树脂基体的断裂伸长率与增强材料相匹配，方能获得满意效果。

（3）固化收缩率低和毒性刺激小

（4）来源广、价格低

§6-1-4、应用

航天、导弹、军用飞机、水下装置，高强度、质量轻的高压容器，壳体。

民用管道，贮罐，质轻，耐腐，费低。

形成缠绕工艺的两部分——空间技术及民用部分。

§6-2、缠绕规律

§6-2-1、缠绕规律的内容

由导丝头（绕丝嘴）和芯模的相对运动实现。

1、纤维不重叠不离缝，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。

这是缠绕线型必须满足的两点。

所谓缠绕规律：

是描述纱片均匀稳定连续排布芯模表面以及芯模与导丝头间运动关系的规律。

§6-2-2、缠绕线型的分类

环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕

1、环向缠绕

芯模绕轴匀速转动，导丝头在筒身区间作平行于轴线方向运动。

环向缠绕参数关系：

W=πDctgα

b=πDcosα

b/D=πcosα

D：

芯模直径

b：

纱片宽

α：

缠绕角

W：

纱片螺距

2、螺旋缠绕

芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方向反复运动。

3、纵向缠绕（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。

图7-19

α

tgα=（r1+r2）/（lc+le1+le2）

两封头极孔相同时：

tgα=2r/（2le+lc）

即：

α=tg-12r/（2le+lc）

平面缠绕的速比：

单位时间内，芯模旋转轴数与导丝头绕芯模旋转的圈数比。

（即芯模转一周时，导丝头绕芯模旋转的圈数）

纱片宽度为b，缠绕角为α，则速比为：

i=b/πDcosα0

i=（Δθ/360°·1/t）/（1/t）

由图πD：

360°=S：

Δθ，S=b/cosα代入i

纵向、环向缠绕视作螺旋缠绕的特例。

纤维在芯模表面上排布规律的研究是通过研究切点在极孔周围上的分布和出现的规律来解决。

——切点法描述缠绕规律的基本思路。

§6-3-3、线型

线型的定义：

——即连续纤维缠绕在芯模表面上的排布形式。

完整循环定义：

——由导丝头在芯模上完成一次不重复的纤维布线称为“标准线”。

——反应规律的基本线型。

完成一个标准纹缠绕称为一个完整循环。

1、切点及分布规律

每条纱片在芯模极孔圆周上只有一个切点，在一个完整循环中，极孔圆周上只有一个切点，称为单切点。

在一个完整循环中，有两个以上切点称为多切点。

切点排布顺序：

1

单切点：

n=1

n=21

n=3,n=4,n=5见图7-212

2、芯模转角与线型关系

导丝头一个单程，芯模转角θt

导丝头往返一次，芯模转角θn

则θn=2θt

一个完整循环（导丝头n次往返），芯模转角θ，θn=θ/n

（1）单切点：

芯模转角θ1=1个完整循环缠绕的芯模转角θ

θ1’=360°±Δθ

以后的θ1=（1+N）360°±Δθ

（2）两切点：

芯模转角θ2’=1/2·（360°±Δθ）

以后的θ2=1/2·（360°±Δθ）+N·360°=（1/2+N）360°±Δθ/2

（3）三切点：

见书P173

（4）四切点：

（5）五切点：

（6）n切点：

θn=（K/n+N）360°±Δθ/n

K/n最简真分数

各切点不同排布顺序的个数

暂不考虑微调量，线型以导丝头往返一次时，芯模旋转的转数来表示。

S0=K/n+N=θn/360°=M/n

其中M=K+nN

M：

一个完整循环的芯模转数

则六切点以内的线型S0所对应的n，K，N，θn值由表7-3表示。

例如：

4切点的线型S0

n=4，K=3，N=3

芯模转角θn=1350°

M/N=15/4

芯模转数为15，导丝头往返数为4。

§6-3-3、转速比

1、转速比定义：

简称速比，单位时间内，芯模转数与导丝头往返次数之比。

i0=M/n

考虑速比微调部分，实际转速为：

i=θn/360°±Δθ/（n·360°）=（K/n+N）±Δθ/（n·360°）

2、i0与S0的关系

i0

S0

共同点

同层缠绕规律问题

不同点

纤维在芯模表面的排布型式

芯模与导丝头相对运动关系

关系

一一对应，i是S0的代号，数值上i0=S0

3、i的计算

Δθ的计算较不方便，采用直观的工艺参数进行计算，即：

Δθ转化为与纱片宽度、缠绕角、芯模尺寸等直观参数相关联的式子。

如图7-22

AC=BC/cosα0=b/cosα0

Δθ/360°=AC/πD

Δθ=AC·360°/πD=b/（πD·cosα0）×360°

i=i0±Δi=（K/n+N）±b/（nπD·cosα0），Δi=Δθ/n

这里把各物理量归纳一下：

b：

纱片设计宽度

α0：

缠绕角

n：

切点数

N：

正整数

D：

芯模圆筒段直径

K：

使K/N为最简真分数，各切点不同排布顺序数

Δθ取>0时，纱片滞后，脱线。

Δθ取<0时，纱片超前，压线。

为避免打滑，Δθ<0。

§6-3-4、线型设计

设计的缠绕成型，对应于某个缠绕角，除满足前面的①不重叠、不离缝，均匀布满芯模表面②纤维位置稳定，不打滑，还必须满足③封头不滑线的条件，要求缠绕在表面上的每条纤维都是相应曲面的测地线。

封头曲面上，由微分几何的克列络定理，测地线方程为：

Sinα=r0/r（7-19）

α：

测地线与封头曲面上子午线夹角

r0：

封头极孔圆半径

r：

测地线与子午线交点处平行圆半径

r=r0，测地线与子午线交点处的平行圆就是极孔圆，此时α=π/2。

r↑，Sinα↓，一直小到筒身段时，Sinα最小，再往下Sinα不变。

说明：

（1）封头曲面上满足（7-19）式的就是测地线。

（2）在筒身段，由于缠绕纤维的连续性，筒身段的任意缠绕角螺旋线都是测地线。

（3）通过上式求得的缠绕角所确定的纤维位置，无论在封头和筒身段都是测地线，且是稳定缠绕。

（4）以均匀、布满且稳定缠绕时，芯模的转角也相应固定。

1、由测地线求芯模转角

芯模转角通过单程线芯模转角θt’来得到，θn’=θt’。

θt’由单程初始的封头缠绕转过的角度β（包角）和单程后期的筒身缠绕转过的角度γ（进角）。

θt’=β+γ（7-20）

（1）γ的求解

Wγ1=l1

Wγ=l

γ=l/W=l/W×360°

W=πD/tgα0

γ=l·tgα0/πD×360°（7-21）

（2）β的求解

由图7-25，上极圈，转过Φ+90°

相应下极圈Φ+90°

β=2（Φ+90°）（7-22）

a、过D点作平面Ⅱ∥平面HBC

→DF∈（平面Ⅱ∩平面HBC）

b、过D点作平面Ⅰ与筒体相切

→DE∈（平面Ⅰ∩平面HBC），DG∈（平面Ⅰ∩平面Ⅱ）

c、过G点作平面EFG⊥DG

→EG∈（平面EFG∩平面Ⅰ），FG∈（平面EFG∩平面Ⅱ），

EF∈（平面HBC∩平面EFG）

d、∠FDG=∠HBC=α0’

一平面与两平行平面交角相同，∠EDG=α0

纤维在赤道圆处的缠绕角，∠EGF=∠Φ

互余角，平面与两平行线交角转换。

e、tgα0’=FG/DG=EG/DG·FG/EG=tgα0·cosΦ

当Φ=0时，α0’=α0，就是平面FDG与平面EDG重合，即α0’=α0代表截平面与轴线夹角等于纤维在赤道圆的缠绕角，此时β=180°

而SinΦ=（htgα0’-r0）/R=（htgα0·cosΦ-r0）/R（7-23）

转化成一个三角方程求解问题。

工程上常用近似式计算：

Φ=Sin-1（htgα0-r0）/R（7-24）

将（7-21），（7-24）代入（7-20）

θt’=l·tgα0/πD×360°+2[90°+Sin-1（htgα0-r0）/R]

θn’=2θt’

2、线型的确定

在实际生产中，用控制线型和转数比这两个宏观参数来实现正常的生产。

已知极孔半径r0，芯模半径R，设计一定切点的线型，求出θt’，再算出θn’，与该切点的线型对照，再进行调整。

（1）变长不变角，适用于芯模还未设计之前

l’=[γ-（θt’-θt）]πD/（360°·tgα0）

或者l’=l[γ-（θt’-θt）]/γ

（2）变角不变长

容器尺寸不许变，而湿法缠绕角根据实际经验略偏离时，纤维仍不至滑移。

θt=l·tgα/πD×360°+2[90°+Sin-1（htgα-r0）/R]

（3）变径，不变长

变径，α也相应变

Sinα0=r0/R

θt=l·tgα0/πD×360°+2[90°+Sin-1（htgα0-r0）/R]

3、标准线展开

在实际缠绕前进行模拟，高级的用计算机数字模拟。

（1）交叉点数，交带数

交叉点定义：

交叉点数：

Xn=（M-1）n

交带定义：

交带数：

Yn=M-1

（2）交叉点及交带分布规律

a、筒身被K等分

b、交带间距相等

例题：

§6-4、缠绕工艺

缠绕工艺内容包含：

1、产品的使用、设计、技术质量要求，进行结构造型、缠绕线型和芯模设计

2、选择原材料

3、产品强度、原材料性能及缠绕线型进行缠绕层数计算

4、选定的原材料和工艺方法，为工艺流程制定工艺参数

5、由线型选设备，为设备设计提供参数

§6-4-1、内压容器的结构选型

属结构设计，目的是高比强度。

1、形状

筒球形理论上结构效率最高，最省料

身圆筒形理论上纵环向压力不均，不充分利用材料

实际上线型、设备复杂，不易

实际上可设计性、成型工艺简单，易等强度

2、筒形容器的封头外形

封头：

均衡型等张力封头，均衡型平面缠绕封头，扁椭球形封头

（1）均衡型等张力封头

特点：

纤维沿该封头曲面测地线缠绕并与极孔相切，各点经纬向等强度亦能同时得到满足，材料用量最少，重量最轻，较理想。

工艺条件：

a、封头曲线必须是等张力封头曲线

b、纤维缠绕轨迹必须是测地线（测地线决定缠绕角）

等张力封头曲线方程：

ζ=

ρ，ρ0，ζ：

整化值

ρ=r/R

ρ0=r0/R，ρ0=0“零周向应力”封头曲线

ζ=Z/R

（2）均衡型平面缠绕封头

特点：

倾斜平面和封头曲面相截的交线。

R2/R1=2-tg2α

R1：

封头曲面经线方向的曲率半径

R2：

封头曲面纬线方向（平行圆）的曲率半径

α：

封头缠绕角，封头纤维与经线（子午线）交点处的纤维切线与该点经线切线的夹角。

（参阅结构设计）

（3）扁椭球形封头

方程：

ζ=

ζ=

§6-4-2、缠绕类型的选择

1、制品的结构形状与几何尺寸

螺旋缠绕——长管状制品

平面缠绕——球形、扁椭球、长径比小于1/4的筒形容器

通常用预浸纱（干法）缠绕，极孔直径不超过筒体的30%。

2、强度

螺旋缠绕：

剪切强度降低

平面缠绕：

高强度，质轻

3、荷载特性

螺旋：

对内压以外的荷载适应性差，多用螺旋加环向的组合缠绕。

平面：

减轻适应性差的情况。

4、设备

螺旋、螺旋加环：

卧式小车环链式缠绕机

平面及平面加环：

摇臂式或跑道式缠绕机

§6-4-3、螺旋缠绕型参数选择

1、缠绕角

等于或接近测地线缠绕角。

湿法缠绕实际缠绕角可控制在测地线缠绕角Sinα0=r0/R的偏离8~10°内。

2、切点数

选可切点线型

3、封头包络圆

极孔包络圆应逐渐扩大，纤维在极孔周围排布均匀，减轻极孔周围附近纤维堆积。

4、缠绕顺序

螺旋向与环向交替进行。

5、链条长度

小车环链式缠绕机，缠绕角不宜选太小（否则链长增大，设备笨重）

§6-4-4、缠绕工艺参数

缠绕工序组成：

芯模与内衬制造，胶液配制，纤维烘干和热处理，浸胶，胶纱烘干，缠绕，固化，检测等。

主要①纤维热处理和烘干，②浸胶与胶液含量，③缠绕，④固化。

1、纤维热处理和烘干

通常无捻纱在60~80℃烘干24h。

例如：

石蜡乳剂型浸润剂除油用热处理法时，处理条件与残油量，处理条件与强力关系如图7-31，7-32所示。

同时时间，热处理温度越高，残油量越低；热处理时间越长，相同处理温度条件下，残油量越低，但相对应强力也降低。

处理条件适中：

温度350±5℃，处理时间6±1S。

处理结果：

残油量<0.3%，强力损失<15%。

2、浸胶与胶液含量

（1）含胶量：

胶量过高——制品复合强度降低。

胶量过低——制品孔隙率增加，气密性、耐老化、剪切强度下降。

最佳树脂含量约为20%，粘度0.35~1.0Pa·S。

（2）浸胶

a、机理：

两阶段：

第一、表面涂敷，

第二、内部扩散、渗透

b、方式：

浸胶式（图7-33）

表面带胶式（图7-34），（高温固化树脂基体，胶槽水温参数40℃左右，常温固化树脂基体，水温参数20℃左右）

3、缠绕张力

缠绕张力定义：

在纤维缠绕过程中，纤维所受的紧张力称为缠绕张力。

（1）张力——制品机械性能（强度、疲劳性能）

张力小：

强度低，疲劳低。

张力大：

纤维强度损失大，制品温度下降。

张力均匀：

束间、束内纤维张力均匀。

工艺措施：

低捻度，张力均匀的纤维，纱片内各束纤维平行。

（2）张力——制品密实程度

缠绕张力将产生垂直于芯模表面使制品致密的向心力，工艺上称接触成型压力。

N=T0/r·Sin2α×104（Pa）

T0：

缠绕张力N/cm

r：

芯模半径cm

α：

缠绕角

使制品致密的成型压力与缠绕张力成正比，但并非成型压力越大越好，某种玻璃钢管的成型压力大到一定值时，体积密度则不再有明显变化。

因此，干法生产密实制品要控制张力。

湿法生产中，树脂粘度影响大，粘度越低，成型压力越小，粘度越高，成型压力越大。

孔隙率与密实程度成正比。

（3）张力——含胶量

张力大，含胶量低。

湿法中存在外高内低的胶液现象，用分层固化或预浸可减轻或避免。

（4）张力的施加

最佳张力与芯模结构，增强材料强度，胶液粘度及芯模加热等有关。

4、胶纱烘干

作用：

（1）除去树脂胶液中溶剂挥发份，防止起泡。

（2）产生初凝，提高制品强度。

表7-11说明一定温度及一定时间下，试件性能最好。

5、缠绕速度

两个基本运动：

芯模旋转，导丝头往复直线运动。

纱线速度——缠绕速度

湿法：

0.9m/s

干法：

小车速度<0.75m/s

6、固化制度

（1）加热：

从高分子聚合反应角度看，随聚合进行，分子量增大，分子运动困难，位阻增大，活化能较高。

加热比常温强度提高20~25%，提高10℃，速度加快2倍。

（2）升温速度

平稳，通常0.5~1℃/min

（3）恒温

最高固化温度由DTA，DSC决定。

一是树脂聚合反应所需时间

二是传热时间

（4）降温

缓冷

（5）固化制度

树脂系统性质和制品的物化性能。

固化程度超过85%认为制品已固化。

（6）分层固化

分层固化优点：

力学角度：

抵消压应力，使初始应力保持一致。

工艺角度：

提高质量均匀性。

（7）环境温度

环境温度>15℃

表面温度~40℃

§6-4-5、缠绕张力制度

1、概述

后上去的纤维对前面的纤维产生径向压力，内外层纤维压力差异，不能同时承载，大大降低制品强度和疲劳性能。

工艺上采用逐层递减的张力制度，具体说控制后一层和前一层削减后的张力相同。

张力制度应考虑：

（1）保证各层纤维初应力相等

（2）内衬刚度

（3）纤维强度和磨损

（4）胶液流失

（5）张力装量性能

2、张力制度的假定

（1）内衬、缠绕纤维在内压下具有相同变形

（2）树脂固化收缩不引起纤维收缩变形，固化前后纤维应力相同

（3）外层纤维的缠绕张力使内层全部缠绕层与内衬产生压缩变形，压缩力值与外层缠绕张力值相等。

3、确定纤维初应力原则

（1）控制内衬压力

（2）内衬材料恒定弹性

（3）容器零内压，内衬压缩

（4）内衬从压缩至拉伸

（5）内衬材料不能超弹性极限

4、设计

（1）环向缠绕各层厚度相等tθ

（2）给定各层纤维初应力均为

（3）金属内衬厚度与纤维厚度转化折算

纤维当量厚度：

tof=E0/Ef·t0

t0：

金属内衬厚度

E0：

金属内衬材料弹性模量

Ef：

纤维材料弹性模量

（4）纱片应力

σ=T/tθ，T：

缠绕张力，N/cm

每条纤维纱片的缠绕张力（环向）

fi=Tj/m（N/条）

环向与螺旋向交替缠绕时，任意环向缠绕层缠绕张力为：

（N/cm）

各物理参数意义见书P.192

§6-5、定长管非测地线稳定缠绕

封头测定线缠绕的缺点：

每根管浪费两个封头，生产率低。

不用封头，两端不是测地线，可能滑线，纤维与芯模或前一层表面的摩擦力及合理的导丝头运动控制。

轨迹方程：

Z=R/μ[1/Sinα0–ch（μθ+lntgα0/2）]

§6-6、锥体缠绕

对于头锥形产品，玻璃布带分为三种：

重叠、斜叠、垂直缠绕。

工艺参数：

含胶量、布带预热温度及缠绕温度，缠绕张力，缠绕压力，固化温度。