CN102666074A - 预浸材料缠绕方法以及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种预浸材料缠绕方法以及装置。预浸材料缠绕方法包括以下步骤：准备平台、相对于该平台能够进行接近/离开移动的心轴、相对于该心轴能够进行接近/离开移动并且具有与该心轴平行的轴线的按压辊；在所述平台上载置将强化纤维含浸在热固性树脂片中而形成的预浸材料；在将位于该平台上的预浸材料的前端缠绕于心轴并且将该预浸材料夹在该心轴和平台之间以及心轴和按压辊之间的状态下，使按压力作用于该平台和心轴以及心轴和按压辊之间；以及在该平台、心轴以及按压辊的按压状态下，通过在该平台和心轴之间赋予与心轴的轴线不交叉而垂直的方向的相对移动力，使该心轴以及按压辊旋转，而将预浸材料缠绕于该心轴。

Description

预浸材料缠绕方法以及装置
技术领域
本发明涉及一种预浸材料缠绕方法以及装置。
背景技术
近年来，在各种产业领域中使用FRP（Fiber Reinforced Plastics：纤维强化塑料）圆筒。作为FRP圆筒的制造方法，已知有一边使碳纤维含浸在树脂中一边将其缠绕于心轴的丝缠绕法（フィラメントワインディング法）（专利文献1）、以及将使碳纤维含浸在热固性树脂片中而形成的多层预浸材料缠绕成筒状并热硬化以形成多个FRP层的预浸材料法（专利文献2）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-62355号公报
专利文献2：日本特开2001-96635号公报
发明内容
（发明要解决的问题）
但是，根据丝缠绕法制成的FRP圆筒需要规定量以上的树脂，并且碳纤维的体积含有率具有上限，所以存在不能充分满足轻量化和高强度化的要求的问题。
另一方面，根据预浸材料法制成的FRP圆筒，一般来说，具有即使是具有最小限度的树脂量也能够提高碳纤维的体积含有率的特征，有利于同时实现轻量化和高强度化。本申请人提出了一种使用预浸材料的FRP圆筒，其具有能够作为汽车（二轮车）的传动轴或者驱动轴使用的强度（特愿2009-11142号）。但是，在制造这种FRP圆筒时，如何将预浸材料无褶皱、无层间间隙地缠绕成多重圆筒状这点成为新的技术问题。
基于以上的问题意识，本发明的目的在于得到能够有效地将预浸材料无褶皱、无层间间隙地缠绕成多重圆筒状的预浸材料缠绕方法以及装置。
（解决技术问题的技术方案）
本发明的预浸材料缠绕方法，其特征在于包括以下步骤：准备平台、相对于该平台能够进行接近/离开移动的心轴、相对于该心轴能够进行接近/离开移动并且具有与该心轴平行的轴线的按压辊；在所述平台上载置将强化纤维含浸在热固性树脂片中而形成的预浸材料；在将位于该平台上的预浸材料的前端缠绕于心轴并且将该预浸材料夹在该心轴和平台之间以及心轴和按压辊之间的状态下，使按压力作用于该平台和心轴以及心轴和按压辊之间；以及在该平台、心轴以及按压辊的按压状态下，通过在该平台和心轴之间赋予与心轴的轴线不交叉而垂直的方向的相对移动力，使该心轴以及按压辊旋转，而将预浸材料缠绕于该心轴。
在上述特愿2009-11142号中，提出预先重叠规定的纤维方向的多层预浸材料，再缠绕多圈的FRP圆筒构造。在将该预先重叠的多层预浸材料缠绕多圈的方式中，实际上，缠绕于心轴的预浸材料为在将离型片放于各预浸材料之间的状态下层叠多层预浸材料的层叠预浸材料，在该方式中，实际上，在向心轴的缠绕中，还包含拔去离型片的步骤。
在最简单的情况下，心轴为圆柱状，但是圆锥状心轴也适用于本发明。
本发明的预浸材料缠绕装置，其特征在于包括：平台，具有载置将强化纤维含浸在热固性树脂片中而形成的预浸材料的载置平面；心轴，以其轴线相对于该平台的预浸材料载置平面平行的方式，被旋转自如地支撑；相对心轴移动机构，使该心轴相对于平台的载置平面进行接近/离开移动；按压辊，维持其轴线与心轴的轴线平行，相对于该心轴能够进行接近/离开移动；相对按压辊升降机构，使该按压辊相对于平台以及心轴进行升降；以及相对平台移动机构，在所述预浸材料载置平面的平面方向中，使所述心轴以及按压辊相对于平台在与心轴的轴线不交叉而垂直的方向上相对移动。
优选的是，本发明的预浸材料缠绕装置还包括使将按压辊按压于心轴的按压力变化的按压力可变机构。
优选的是，平台固定于机壳，前后移动框在与平台的预浸材料载置平面平行的方向上移动自如地被支撑在该机壳上，所述相对心轴移动机构以及相对按压辊升降机构被支撑于该前后移动框。
优选的是，将所述按压辊在轴线方向的不同位置向心轴方向按压的多个加压辊被支撑于所述前后移动框。
（发明的效果）
根据本发明的预浸材料缠绕方法以及装置，当缠绕预浸材料而构成FRP圆筒时，能够有效地将预浸材料无褶皱、无层间间隙地缠绕成多重圆筒状。
附图说明
图1是示出用于实施本发明的预浸材料的缠绕方法的一实施方式的部件的侧视图。
图2是示出本发明的预浸材料的缠绕方法的一实施方式的过程图。
图3是示出将图1的预浸材料制成层叠预浸材料的预浸材料构造的图。
图4是示出包含于层叠预浸材料的各预浸材料的纤维方向的一例的图。
图5是示出本发明的预浸材料缠绕装置的一实施方式的主视图。
图6是图5的侧视图。
图7是沿图5的VII-VII线的剖视图。
图8是图5的立体图。
图9是心轴单体的立体图。
符号说明
P 预浸材料
PP 层叠预浸材料
H 离型片
B 双辊块（ダブルロールブロック）
10 平台
10P 预浸材料载置平面
11 机壳
12 导轨
13 旋转驱动系统
14 进给丝杠
15 前后移动框
20 心轴
20C 轴线
20X 左右轴突起
21 气缸装置托架
22 心轴升降气缸装置
23 活塞杆
24 心轴装卸块
30 按压辊
30C 轴线
31 导轨
32 升降框
33 导向件
34 升降框升降气缸装置
35 活塞杆
36 导轨
37 导向件
38 按压辊托架
39 按压辊升降气缸装置
40 加压辊压力调整气缸装置
41 活塞杆
42 加压辊支撑托架
43 加压辊。
具体实施方式
（实施方式1）
图1是示出本发明的预浸材料的缠绕方法的一实施方式的原理图。用于实施本发明方法的必须的部件有平台10、心轴20以及按压辊30。心轴20和按压辊30依次位于平台10的上方并被保持于双辊块B，能够在与平台10的预浸材料载置平面10P垂直的方向（图的上下方向Z）上相对移动。心轴20能够在上下方向Z上相对于平台10进行接近/离开移动，按压辊30能够在上下方向Z上相对于心轴20进行接近/离开移动。心轴20和按压辊30（被双辊块B保持）以及平台10能够在沿预浸材料载置平面10P的规定方向（图的左右方向X）上相对地进行往复移动。心轴20和按压辊30的相互平行的轴线20C和轴线30C在垂直于图的左右方向X和上下方向Z两者的方向上延伸，为与沿预浸材料载置平面10P的左右方向X不交叉而垂直的位置关系。心轴20由金属制的圆柱材料构成，按压辊30由橡胶等弹性材料构成。心轴20和按压辊30旋转自如，但不赋予其主动的旋转力。
关于根据以上的构成部件将预浸材料P缠绕于心轴20的步骤，参照图2进行说明。
（1）在平台10的预浸材料载置平面10P上载置平面矩形的预浸材料P（图2（A））。此时，将预浸材料P的前端边与心轴20的轴线20C平行，即，将预浸材料P的左右边朝向与心轴20的轴线20C不相交而垂直的方向。在该预浸材料P的安装完成之后，在使平台10和心轴20、心轴20和按压辊30分别接触的状态下（图2（B）），使平台10相对于心轴20和按压辊30（双辊块B）相对右移。于是，平台10的预浸材料载置平面10P上的预浸材料P的前端（图2（A）的右端）缠绕于心轴20，从心轴20和按压辊30之间露出来（图2（C））。该状态为初期缠绕状态。为了完成该初期缠绕状态，根据需要，操作者实施辅助操作，使平台10和心轴20、或者心轴20和按压辊30分离，将预浸材料P的前端缠绕于心轴20。
（2）在以上的初期缠绕完成之后，调整平台10和心轴20、以及心轴20和按压辊30的接触压力，使平台10相对于心轴20进一步地相对右移。于是，通过与平台10的相对移动力，心轴20进行旋转，通过心轴20的旋转力，产生按压辊30进行旋转的运动，在该过程中，所有的预浸材料P缠绕于心轴20的周围（图2（D））。由于不赋予心轴20和按压辊30主动的（源于动力的）旋转力，而是通过平台10和心轴20、心轴20和按压辊30的摩擦接触力赋予旋转，所以在预浸材料P上不会产生褶皱，也不会产生预浸材料层间的间隙。
（3）以下相同，重叠缠绕需要数量的预浸材料P，完成圆筒状的多重缠绕预浸材料。完成的多重缠绕圆筒状预浸材料在加热硬化之后，从心轴20取下而形成FRP圆筒。在重叠缠绕时，能够使缠绕开始位置相互不同，使得多层预浸材料P的缠绕开始位置在圆周方向上均等地分布。
（4）本实施方式的缠绕方法在使用预先重合多层预浸材料的层叠预浸材料（成套预浸材料）PP作为预浸材料P的情况下特别有效。如图3所示，在将离型片（剥离纸）H夹入各预浸材料P之间的状态下预先准备层叠预浸材料PP。该层叠预浸材料PP的各预浸材料P的前端如图3对齐，也可以使位置略微不同，使得在向心轴20的初期缠绕状态下各预浸材料P形成台阶状。另外，在初期缠绕状态下，离型片H的前端（图中的右端）位于不能向心轴20缠绕的位置，后端（图中的左端）为了易于拔去而形成从各预浸材料P突出的长度。离型片H能够使用例如PTFE薄膜或者PFA薄膜等的氟碳树脂（涂层）片。
（5）将该层叠预浸材料PP缠绕于心轴20的次序和以上的次序相同。唯一追加的操作为在缠绕中拔出（拔去）层叠预浸材料PP中的离型片H的操作。当一边拔去离型片H一边通过以上的缠绕方法将层叠预浸材料PP缠绕于心轴20时，能够可靠地将层叠状态的多层预浸材料P不产生褶皱、间隙地在心轴20上缠绕多圈（2圆周以上）。
本实施方式并不关注构成层叠预浸材料PP的各预浸材料P的构成，以下列举特愿2009-11142号中提出的具体例。
图3的层叠预浸材料PP为，将具有与圆筒轴线方向斜交的纤维层的扭转刚性保持预浸材料2和具有与圆筒轴线方向垂直的纤维层的压曲防止预浸材料3，以在各预浸材料2和预浸材料3之间夹入离型片H的方式使其重合。
为了示出构成层叠预浸材料PP的各预浸材料2、3的纤维方向，图4示出将其重合前的状态。扭转刚性保持预浸材料2为长纤维方向以±α°（0＜α＜90）与圆筒轴线方向斜交的一对斜条纹预浸材料2A、2B。该斜交角度α为例如±30°、±45°或者±60°。压曲防止预浸材料3为长纤维方向与圆筒轴线方向垂直的环向预浸材料。
层叠预浸材料PP（扭转刚性保持预浸材料2和压曲防止预浸材料3）的宽W设定为将其缠绕成筒状时的周长的约3倍多，能够将层叠预浸材料PP连续缠绕3圈成筒状。层叠预浸材料PP由一对斜条纹预浸材料2A、2B和环向预浸材料3的3层预浸材料构成，所以通过将层叠预浸材料PP连续缠绕3圈而形成总计9层（プライ）。层叠预浸材料PP的长L对应FRP圆筒的用途而设计，为不到心轴20的有效长度的适当长度。
作为包含于包括上述的扭转刚性保持预浸材料2以及压曲防止预浸材料3的各种预浸材料中的强化纤维，除了碳纤维以外，能够使用氧化铝纤维、芳纶纤维、Tyranno纤维（チラノ繊維）、非晶纤维或者玻璃纤维等。即，线的种类基本无限定。
扭转刚性保持预浸材料2（一对斜条纹预浸材料2A、2B）以及压曲防止（环向）预浸材料3等单向强化纤维预浸材料（长纤维方向在单向上对齐的预浸材料）的情况下，线的粗细优选为24K（1K为丝1000根）以下。如果超过24K，则预浸材料变的过厚，有不能确保均匀的纤维物性的危险，并且有缠绕于心轴的操作性变坏的危险。
含浸于这样的强化纤维的树脂基本上使用任何类型。例如能够使用环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂、聚醚醚酮树脂、聚酰亚胺树脂等。
预浸材料的重量优选为300g/m2以下，更优选为250g/m2以下。如果超过300g/m2，则变的过厚，制造时缠绕于心轴会变得困难。预浸材料的树脂量优选为20至45重量%，更优选为25至40重量%。如果不到20重量%，则树脂量过少，有不能制造具有充足强度的轴的危险。如果超过45重量%，则在圆筒为同重量的情况下有扭转刚性下降的危险。
由于将以上的层叠预浸材料PP缠绕之后加热硬化而形成的FRP圆筒被构成为，在形成圆筒主体的多个FRP层中，具有与圆筒轴线方向斜交的纤维层的扭转刚性保持预浸材料2和具有与圆筒轴线方向垂直的纤维层的压曲防止预浸材料3连续缠绕多次，从而能够提高相对于扭转方向和压曲方向的强度。
另外，由于使一对斜条纹预浸材料2A、2B和环向预浸材料3这3层预浸材料重合，并在宏观上将其作为1层预浸材料（层叠预浸材料PP）进行缠绕，从而与分别缠绕同量的材料的情况相比，通过发现压曲防止的效果，能够同时实现FRP圆筒的轻量化和高强度化。
接着，使用图5至图9说明用于实施本发明的预浸材料缠绕方法的缠绕装置的一实施方式。在机壳11上，固定为平面矩形并且将其上面作为水平的预浸材料载置平面10P的平台10和位于该平台10的两侧部的导轨12。在机壳11上，另外还支撑被旋转驱动系统13旋转驱动的、与导轨12平行的进给丝杠14。以下，将导轨12和进给丝杠14的轴线方向作为前后方向（X方向）。
前后移动框（双辊块）15移动自如地被支撑在导轨12上，螺合于进给丝杠14的螺母构件16固定于该前后移动框15。这样，当通过旋转驱动系统13正反地旋转驱动进给丝杠14时，前后移动框15沿导轨12在X方向上正反地进行往复直线运动。使前后移动框15在前后方向上移动的导轨12、旋转驱动系统13、进给丝杠14以及前后移动框15构成使前后移动框15和平台10在X方向上相对移动的相对平台移动机构。
在前后移动框15的下部，固定能够升降地支撑心轴20的一对气缸装置托架21。以下，将心轴20的轴线20C方向作为左右方向。心轴升降气缸装置22面向上下方向（与预浸材料载置平面10P垂直的方向）固定于左右的气缸装置托架21，心轴装卸块24固定于该左右的心轴升降气缸装置22的活塞杆23。左右的心轴装卸块24能够装卸地以及旋转自如地支撑突出于心轴20的两端轴部的左右轴突起20X。图9示出心轴20的单体形状。被该前后移动框15支撑的气缸装置托架21、心轴升降气缸装置22、活塞杆23以及心轴装卸块24构成使心轴20相对于平台10相对地升降的相对心轴移动机构。
如图5至图7所示，左右一对上下方向的导轨31固定于前后移动框15，升降框32通过导向件33升降自如地被支撑于该导轨31。上下方向的升降框升降气缸装置34固定于前后移动框15的上部框15A，该升降框升降气缸装置34的活塞杆35固定于升降框32。
如图7所示，左右一对上下方向的导轨36固定于升降框32，旋转自如地支撑按压辊30的按压辊托架38通过导向件37升降自如地被支撑于该导轨36。
多个（图5中4个）加压辊压力调整气缸装置40在按压辊30的轴线30C方向上分开，面向上下方向固定于升降框32。加压辊支撑托架42固定于各加压辊压力调整气缸装置40的活塞杆41，从按压辊30的周面的上方弹接于按压辊30的周面的加压辊43旋转自如地被支撑于该加压辊支撑托架42。通过该加压辊压力调整气缸装置40，能够调整加压辊43和按压辊30的接触压力。在升降框32和按压辊托架38之间进一步设置按压辊升降气缸装置39，通过该按压辊升降气缸装置39，保持升降框32上升时的按压辊30的上下方向相对位置，能够防止下降至气缸下死点。图8中省略了加压辊43的图示，示出按压辊升降气缸装置39。
以上的导轨31、升降框32、导向件33、升降框升降气缸装置34以及活塞杆35构成使按压辊30相对于心轴20进行接近/离开移动的相对按压辊升降机构，加压辊压力调整气缸装置40、活塞杆41、加压辊支撑托架42以及加压辊43构成使对于按压辊30的心轴20的按压力变化的按压力可变机构。
上述构成的本预浸材料缠绕装置，在机壳11上具备在前后方向（平台10的预浸材料载置平面10P方向）上能够移动的前后移动框（双辊块）15，心轴20以及按压辊30能够独立升降地被支撑于该前后移动框15。心轴20通过气缸装置托架21、心轴升降气缸装置22、活塞杆23以及心轴装卸块24（相对心轴移动机构）相对于平台10相对地升降，按压辊30通过导轨31、升降框32、导向件33、按压辊升降气缸装置39（相对按压辊升降机构）相对于心轴20（平台10）升降。即，心轴20和按压辊30能够独立地相对于平台10进行升降运动。而且，按压辊30对于心轴20的接触压力，通过在按压辊30的轴线30C的方向上配设多个的、能够独立地调整加压力的加压辊压力调整气缸装置40（加压辊43），能够在按压辊30（心轴20）的延长方向上不同。
因此，通过在平台10的预浸材料载置平面10P上载置预浸材料P（层叠预浸材料PP），一边使心轴20、按压辊30的高度位置变化，一边使前后移动框15在前后方向上移动，将预浸材料P（层叠预浸材料PP）的前端缠绕于心轴20（初期缠绕），之后，将心轴20按压于平台10，将按压辊30按压于心轴20，使前后移动框15在前后方向上移动，从而能够可靠地实施在图1以及图2中说明的本发明的预浸材料缠绕方法。
另外，如上所述，在外周面缠绕有需要量的预浸材料P（或者层叠预浸材料PP）的预浸材料20在将从其两端突出的左右轴突起20X从心轴装卸块24上取下之后，从前后移动框15上脱离，能够提供给接下来的热硬化过程。
优选的是，设置以上实施方式的按压辊的按压力可变机构（加压辊压力调整气缸装置40、活塞杆41、加压辊支撑托架42以及加压辊43），但是也可以省略。即，即使固定地将按压辊30旋转自如地被支撑于升降框32，本发明方法也能够实施。
产业上的可利用性
本发明的预浸材料缠绕方法以及装置能够广泛利用于各种产业领域中的FRP圆筒的制造。

Claims (7)

1.一种预浸材料缠绕方法，其特征在于包括以下步骤：
准备平台、相对于该平台能够进行接近/离开移动的心轴、相对于该心轴能够进行接近/离开移动并且具有与该心轴平行的轴线的按压辊；
在所述平台上载置将强化纤维含浸在热固性树脂片中而形成的预浸材料；
在将位于该平台上的预浸材料的前端缠绕于心轴并且将该预浸材料夹在该心轴和平台之间以及心轴和按压辊之间的状态下，使按压力作用于该平台和心轴以及心轴和按压辊之间；以及
在该平台、心轴以及按压辊的按压状态下，通过在该平台和心轴之间赋予与心轴的轴线不交叉而垂直的方向的相对移动力，使该心轴以及按压辊旋转，而将预浸材料缠绕于该心轴。
2.根据权利要求1所述的预浸材料缠绕方法，其特征在于，
所述预浸材料为在将离型片放于各预浸材料之间的状态下层叠多层预浸材料的层叠预浸材料，在向心轴的缠绕中，包含拔去离型片的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的预浸材料缠绕方法，其特征在于，所述心轴为圆柱状。
4.一种预浸材料缠绕装置，其特征在于包括：
平台，具有载置将强化纤维含浸在热固性树脂片中而形成的预浸材料的载置平面；
心轴，以其轴线相对于该平台的预浸材料载置平面平行的方式，被旋转自如地支撑；
相对心轴移动机构，使该心轴相对于平台的载置平面进行接近/离开移动；
按压辊，维持其轴线与心轴的轴线平行，相对于该心轴能够进行接近/离开移动；
相对按压辊升降机构，使该按压辊相对于平台以及心轴进行升降；以及
相对平台移动机构，在所述预浸材料载置平面的平面方向中，使所述心轴以及按压辊相对于平台在与心轴的轴线不交叉而垂直的方向上相对移动。
5.根据权利要求4所述的预浸材料缠绕装置，其特征在于，
还包括使将所述按压辊按压于心轴的按压力变化的按压力可变机构。
6.根据权利要求4或5所述的预浸材料缠绕装置，其特征在于，
平台固定于机壳，前后移动框在与平台的预浸材料载置平面平行的方向上移动自如地被支撑在该机壳上，所述相对心轴移动机构以及相对按压辊升降机构被支撑于该前后移动框。
7.根据权利要求6所述的预浸材料缠绕装置，其特征在于，
将所述按压辊在轴线方向的不同位置向心轴方向按压的多个加压辊被支撑于所述前后移动框。
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