国内外复合材料工艺设备发展述评之二 ——纤维缠绕成型(第1部分)

国内外复合材料工艺设备发展述评之二

——纤维缠绕成型(第1部分)

陈博

中国硅酸盐学会玻璃钢分会

摘要:本文分析了纤维缠绕成型工艺所用设备的发展历程,指出其优缺点,并对今后发展提出建议(www.365qf.cn)。

关键词:复合材料; 纤维缠绕成型; 布局; 控制; 定长; 连续; 发展

来源:[1]陈博.国内外复合材料工艺设备发展述评之二——纤维缠绕成型[J/OL].复合材料科学与工程:1-38[2021-08-05].https://doi.org/10.19936/j.cnki.2096-8000.20210731.032.

1 纤维缠绕机布局的发展

1946年,首个纤维缠绕技术专利在美国注册,纤维缠绕成型工艺开始发展。按实现形成螺旋线的主运动方式,所用的缠绕机的布局类型在20世纪60年代已基本完成[1-8],如图1至图12所示。

1965年,北京251厂设计了我国首台卧式纤维缠绕机“525”(见图3),该缠绕机于2011年“退休”。1966年,设计了图3所示齿链式机械无级调节缠绕规律的环链卧式纤维缠绕机,此机不用挂轮,可便捷地调节缠绕规律与排纱密度,生产了多种规格的气瓶。从结构布局考虑,对生产15 L 及其以下气瓶用的链条式缠绕机采取链传动垂直面布置(如图4之“525”);生产20 L 及其以上气瓶用的链条式缠绕机采取链传动水平面布置,其链轮由前者的两只变为四只。

北京251厂(北京玻璃钢研究院,时称所)与哈尔滨玻璃钢研究院(时称所)分别于1965年和1966年推导出不同表述方式的纤维缠绕规律,并开发了机械控制的卧式纤维缠绕机。

1964年,哈尔滨玻璃钢研究院成功研制轨道式缠绕机,这是我国第一台纤维缠绕机。图8所示为近年企业用国产轨道式缠绕机。

1966年,国家纺织工业部下达大型立式纤维缠绕机项目,七机部43所、中国纺织科学研究院、北京251厂、太原重型机械厂、陕西重型机械厂共五家单位参加。该项目于次年完成,迄今仍在使用。1984年,北京电力设备总厂引进了加拿大立式缠绕机。

美国在1963年便发布了滚转式缠绕机专利,见图13。2002年,哈尔滨玻璃钢研究院为哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所设计了滚转式纤维缠绕机,见图14。

1974年,北京251厂成功研制X2型行星式纤维缠绕机[9,10],传动系统中采用了三轴同心行星原理,见图15与图16。

近年在日本,芳纶纤维采用干法缠绕,缠后包覆基体树脂。芳纶干法纤维缠绕机见图17。

进入21世纪,纤维缠绕机实现主运动的布局方式有了新的发展。

日本岐阜大学与村田机械有限公司开发了“多元供给纤维缠绕”(MFG⁃Multi Supply Filament Winding)机,其主轴同时作轴向直线移动与绕己轴线迴转运动,从而实现螺旋线缠绕。该机可以测地线和非测地线缠气瓶,亦可生产管道。其采用180个碳纤维纱筒,实现自动化缠绕。提高了生产率,所产管道抗扭强度得到大幅提升,并拟生产汽车零部件。见图18至图21。

出于多工位缠绕制的需要,龙门式缠绕机应运而生。这也避免了因绕丝头(有的还带胶槽)行经床身而造成对导轨的污染。

近年由于引入了机器人,纤维缠绕机布局有不少变化,且因应提高生产率的需要,有以生产线布局发展的趋势。如北马奇顿麦科罗公司(MICROSAM)开发的辅助机器人纤维缠绕自动生产线,从内衬输送、装卸内衬或缠绕好的工件,直到固化为成品,连续进行。可生产CNG罐、LPG罐、燃料电池用氢气瓶等产品,单条生产线年产能逾6万件。见图22、图23。

2014年,上海万格复合材料技术公司综合五家德国公司和三家国内公司技术,成功开发机器人纤维缠绕气瓶自动生产线(见图24),已出口日本。台湾省购其10工位缠绕设备,生产的液化气罐已获德国认证。

英国泰斯金普公司(Cygnet Texkimp)率先推出世界首款高速3D纤维缠绕系统(见图25),可生产具有非线性中轴和多样化截面的复合材料部件。

2 纤维缠绕机控制的发展[1,4]

就控制而言,纤维缠绕机迄今已历经四个阶段:机械式(20世纪50至60年代)、数控式(20世纪70年代)、微机控制式(20世纪70年代后期迄今)、机器人(20世纪90年代至今)。

1947年,美国Kellog公司制造了世界第一台机械缠绕机。

机械式控制即借传动系统本身调节控制。如链条式缠绕机,一般通过调整挂轮调出缠绕规律和排纱密度。计算排纱密度时精确到小数点后第8位。常用工具书是挂轮选取表。70年代前用手算,后用计算器算。微小的角位移将影响产品上的排线精度并导致不稳定,故马氏机构一类的传动不宜采用。值得一提的是河北省冀州市昌泉械器厂在2001年自行研发的”异类”缠绕机。其导丝头运动由垂直面上的平面凸轮控制,无需张力系统,即可解决缠绕气瓶类产品时两端封头处的收线问题。其结构并不复杂,然构思独特,实为难得。

数控式纤维缠绕机在60年代中期由美国安德逊公司(Mc Clean Arderson)率先推出。1974年,哈尔滨玻璃钢研究所引进西德Joseph.Bayer公司的WE-250型数字程序控制电液伺服纤维缠绕机(见图26)。该机为4轴:主轴旋转、小车往复移动、绕丝头垂直于主轴轴线垂直面伸缩、绕丝头垂直于主轴轴线垂直面转角摆动。此机纱架置于车上,此车与绕丝头和浸胶槽所在的小车同步往复移动,以减小缠绕纱的张力波动。航天43所也引进了西德此公司缠绕机。

后北京251厂对引进的德国设备进行了分析,自行设计制造了一台数控纤维缠绕机(见图27)。

20世纪80年代以来,微机控制纤维缠绕机(MCFW)发展甚快。知名厂家有美国安德逊公司、哥德华赛工程公司(Goldsworthy Engineering)、工程技术公司(Entec-Engineering Technology)、德囯百事得(BSD)公司、华特与威瑟(Waltritisch & Wachter)公司等。现在国际市场上的缠绕机已达到六轴,如图28所示。

哈尔滨玻璃钢研究院曾引进美国工程技术公司5K-48-360型微机控制纤维缠绕机,该机釆用两台微机,分别用于计算和控制。航天四院43所曾引进德国Bayer公司WEⅡ-220/1200-E-S/20型微机控制纤维缠绕机。该机最大出纱速度为1 m/s,除通用缠绕程序外,还能作各种非线性缠绕和零度铺层,筒体、管、罐、球、锥等变径旋转体和某些非轴对称体均可缠绕[11]。该所还引进过俄罗斯的纤维缠绕机。图29与图30所示分别为BSD5型纤维缠绕机与MIKROSAM新型自动化压缩天然气气瓶生产线。

2004年创立的法国MFTech公司最早研究机器人缠绕并将其商业化,由该公司提供的机器人缠绕设备充分利用了机器人的柔性,可采用抓取模具和带动导丝头两种方式进行缠绕成型。见图31、图32。

未完待续,敬请期待。

参考文献

[1]ASM Handbook. Volume 21:Composites[M].ASM Interntional,2011.

[2]NIU C Y M. Composite airframe structures[M].Conmilit Press Ltd.,1992.

[3]北京二五一厂.玻璃钢工艺和性能[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1974.

[4]哈玻. 纤维缠绕技术[M].北京:科学出版社,2002.

[5]MEYER R W. Handbook of pultrusion technology[M]. Chapmanand Hall Ltd., 1985.

[6]FREGER G E , KESTELMAN V N,FREGER D G. Braiding pultrusion technology for advanced structural composite[M]. McGraw-Hill, 2005.

[7]ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫх ТРУБ[M].ХАР‑ЪКОВ УНИВРСИТЕТ,1964.

[8]SOOK G D.Reinforced plastics for commercial composite (Source Book)[M]. American Society for Metals, 1986.

[9]陈博.行星式纤维缠绕机设计初探[J].玻璃钢,1979(2):37-40.

[10]陈博. X2型行星式纤维缠绕机研究设计[J]. 玻璃钢/复合材料,1984(5):29-34.

[11]陈博. 近年我国玻璃钢行业引进工作简况[J]. 玻璃钢/复合材料,1988(1):36-40.

本文来源:复材传媒

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