CN102717520A

CN102717520A - 拉挤工艺中型材的真空辅助夹持方法

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Publication number: CN102717520A
Application number: CN2012102078285A
Authority: CN
Inventors: 张向增
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明采用真空辅助夹持型材的方法，利用充分大的摩擦面和充分大的摩擦系数(砂布)，在相对较小的静压力(大气压力)作用下就可以实现对工件(复合材料型材)足够的夹持力，尤其是实现了中空薄壁复合材料型材的拉挤工艺，该方法突破传统实心型材拉挤工艺中、拉挤设备依靠机械机构或液力机构提供对型材的强大夹持力的方法。本发明采用依靠真空辅助作用、借助大气压力来施加足够的夹持力，并提供足够的摩擦力，实现牵引机构和型材的同步行走和同步行走解除。

Description

拉挤工艺中型材的真空辅助夹持方法

所属技术领域：

本发明涉及一种拉挤工艺中对型材的真空辅助夹持方法，尤其是对中空薄壁复合材料型材的夹持方法，该方法突破传统实心型材拉挤工艺中拉挤设备依靠机械机构或液力机构提供对型材的强大夹持力的方法，本发明采用依靠真空辅助作用、借助大气压力来施加足够的夹持力，实现牵引机构和型材的同步行走和同步行走解除。

本发明属于纤维增强树脂复合材料拉挤成型技术领域。

背景技术：

我们知道，复合材料拉挤成型工艺是一种连续的等截面型材的成型工艺，浸渍树脂的纤维(包括原纱或布或毡)通过模腔的加热固化和定型，成为型材，在型材夹持机构和牵引机构的作用下连续移出模具型腔并冷却和定长切断。由于设备长度是有限的，要连续引拔，就要对出模的定型型材连续夹持和连续释放，早期小界面型材(如管或棒)完全可以使用一种履带式夹持机构实现定型型材连续夹持和连续释放，后来发展到大型截面的型材拉挤生产，这就需要实现对制品的巨大引拔力，这必然伴随巨大的夹持力来实现，这就发展了液压牵引和液压夹持机构。因为往复式液压机构是间歇式运动的，所以要使用最少两个夹持臂交替运作，多见3个夹持臂设备，可以保证始终有两个臂牵引前进一个臂复位。

所以，拉挤工艺中包含以下四个基本模块：夹持和牵引机构、型材模具、连续树脂浸渍纤维系统、电热电控系统。

传统的纤维增强树脂复合材料拉挤成型工艺，成型设备实现对型材的夹持并在牵引机构作用下的行走，无一例外都是采用机械机构(如履带式夹持)或液力机构(如液压油缸夹持)对型材产品进行夹持。对于实心的、小截面的型材没有任何问题。但是对于大型的异型截面构件，尤其是大型的中空薄壁的型材，传统的方法无能为力。主要问题是巨大的夹持力容易损坏产品。

大型中空薄壁型材(或类似属性型材)拉挤时需要巨大的牵引力(例如1MN以上)，而巨大的牵引力是通过夹持机构和型材之间的摩擦力传递的，巨大的牵引力就需要有巨大的摩擦力，我们知道，摩擦力F＝k*P*S，(k-摩擦系数，P一正压力，S-作用面积)，这就意味着，我们通过增加作用面积S或者正压力P或者摩擦系数k或者它们中的任意组合都可以达到增加摩擦力的目的。传统的夹持方法是S小，k小，所以，P非常大，所以，容易出现被夹持型材的局部损伤。

本发明的目的就是改变夹持方法，避免传统夹持方法和夹持机构对型材造成的损伤。

本发明是通过真空辅助方法来实现利用大气压力对型材壁面施加静压力，同时提升摩擦作用面积S和增加摩擦系数k的方法来实现足够的摩擦力。这样的夹持方案简便易行。

发明内容：

本发明的目的是改变纤维增强树脂复合材料拉挤工艺中传统的型材夹持方法，本发明采用真空辅助方案、依靠大气压力实现对型材的夹持，其原理就是通过提供大面积正压力、以及增加摩擦系数方案双因素来实现需要的摩擦力；而且中空型材内外大气压力相互平衡而避免夹持失稳。通过摩擦力的传递，在拉挤设备牵引力作用下，就可以实现中空薄壁型材的引拔成型。

施加摩擦力的技术方案就是夹持机构中含有大面积的随型的柔性摩擦片材，柔性摩擦片材上有粗糙且耐磨的接触表面，当柔性摩擦片材和型材外表面借助密封结构、借助真空系统能够紧实地贴合在一起的时候，就可以实现型材和牵引机构的同步行走。当然，负压系统解除、摩擦力不足时就出现型材和柔性摩擦片材之间的滑移甚至离合。如果施加压缩空气，就可以快速地破坏真空，实现型材和柔性摩擦片材之间的快速离合。

随型的柔性摩擦片材可以这样制造，比如使用3000mm长，50mm宽，5mm厚的纤维增强树脂拉挤板条，这种薄的细长的板条可随型适应比较复杂的异型截面，这些板条固定在拉挤设备的牵引机构上，其长度方向沿拉挤设备的纵向布置，可以在设备上沿型材的异型截面的外轮廓线并列布置安装这样的板条。达到随型效果并且有足够的摩擦面积。在这些板条和型材产品接触的表面上粘贴砂布类粗糙材料，以便提供足够大的摩擦系数。

用钢板代替上述板条也可以达到同样的效果。

可以在每个板条的周围放置类似硅橡胶类的密封材料，也可以在所有板条的外侧覆盖一个橡胶膜套，形成整体的密封结构。

我们并不追求绝对的密封和绝对的真空，只要能够提供足够的密封腔负压就可以了，密封效果差时，还可以用增大摩擦面来补偿正压力的不足。

我们可以做一个测算，假设产品型材的截面外周线长度为5m，可以布局50mm宽的板条100条(随型柔性摩擦片材)。假设板条长度3m，假设抽气后能够形成0.1Mpa的静压强，这样的包络接触面积可以产生静压力Fs＝5×3×0.1＝1.5MN(即，相对于150吨静压力，对于中空制品，这相当于外部围压，如此大的压力，若是传统的夹持方法，大多数情况要出问题)，再假设摩擦系数为1，那么，静止摩擦力F_f＝k*Fs＝1.5×1＝1.5MN(即，所谓的150吨摩擦力)。如果拉挤设备是双臂牵引，就可以实现300吨的牵引力，这应该足够了。

下面结合具体的实施来来进一步阐述本发明的技术方案。

图1是一个真空辅助夹持系统的原理图图2是一个典型的薄壁中空的复合材

料叶片的随型包络截面夹持实例图3是拉挤设备的一个夹持系统的构成图。

图1中，1-柔性摩擦片材、2-复合材料型材、3-密封结构、4-导气喉管、5-牵引机构、6-腔体、11-摩擦接触面、AP-大气压力、IO-抽气/充气气体、pull-牵引方向；

图2中，1-柔性摩擦片材、2-复合材料型材、3-密封结构

图3中，1-柔性摩擦片材、2-复合材料型材、3-密封结构、4-导气喉管、5-牵引机构、6-腔体、11-摩擦接触面、AP-大气压力、IO-抽气/充气气体、pull-牵引方向；31-拉挤设备机架、32-真空系统、33-气压控制系统、34-空压系统、35-牵引电控系统。

在图1中，示意出一个真空辅助夹持系统的原理图，表达出柔性摩擦片材1和复合材料型材2之间依靠真空辅助紧紧贴合在一起，由于二者之间有粗糙的摩擦接触面11，所以，在外力pull的引拔作用下，复合材料型材2能够和柔性摩擦片材一起、依靠二者之间的摩擦力保持同步，一起沿pull牵引方向行走。图1中，牵引机构5和柔性摩擦片材1固定连接在一起。柔性摩擦片材1、复合材料型材2、密封结构3三者之间构成一个密封的腔体6，能够形成腔体6的真空(或负压)是因为通过导气喉管4把腔体6中空气抽空，依靠外界大气压力AP的作用，把柔性摩擦片材1和复合材料型材2紧紧压紧贴合在一起。图中IO 是表示通过此导气喉管进出的气体，O表示抽气时排出的气体，I表示必要时充入腔体6的气体。

与此同时，如果控制系统迫使腔体6内负压回归大气压力，柔性摩擦片材1和复合材料型材2二者之间的静压力减小导致摩擦力减小，摩擦力减小到小于复合材料型材从成型模腔拔出需要的牵引力时，出现柔性摩擦片材1和复合材料型材2二者之间滑移直至分离，实现夹持机构和复合材料型材之间的同步行走的解除。

以上就是气压控制吸合夹持、同步行走、以及离合、牵引机构复位的运动控制逻辑。

在图2中，示意出了一种大截面中空薄壁的复合材料叶片的夹持方案，这种叶片是风力发电机组使用的叶片。比如叶片翼型的弦长为2.5m，厚度为0.5m，翼型的蒙皮厚度为5mm，图中看出，柔性摩擦片材1和复合材料型材2(亦即叶片)外轮廓面紧密贴合在一起。

图2中的随型的柔性摩擦片材1是一条条复合材料板条或金属板条，非常容易制造，也非常容易安装包络在复合材料型材外轮廓面。比如使用3000mm长，50mm宽，5mm厚的纤维增强拉挤板条，这种薄的细长的板条的长度方向和叶片型材纵向一致，沿叶片复杂的异型截面轮廓并列布置100条。

图2中的腔体6的密封很容易实现，密封结构3是一个套装在叶片型材轮廓外面的橡胶袋膜，把随型的柔性摩擦片材1包在橡胶袋和叶片中间。这样，对橡胶袋膜抽真空后，在橡胶袋外表面和叶片外壁的内表面都有大气压力AP的作用，将柔性摩擦片材1和叶片型材牢牢贴合在一起，因此可以同步行走。

图2中垂直于叶片内外表面的箭头表示大气压力AP。尽管叶片外壁很薄，由于作用在叶片型材的外壁上、外侧和内侧提供了相互平衡的大气压力，因此，型材受力均匀，内外平衡，据前测算的150吨围压力，此中空薄壁的叶片却不会出现夹持失稳、压裂等损失情况。

图3中，示意出拉挤设备的其中一个夹持系统的构成图。它示意了一段中空薄壁复合材料型材2在拉挤设备上被夹持牵引的状态。和图1图2揭示的原理相同，图3中，同样是由柔性摩擦片材1、复合材料型材2、密封结构3三者之间构成一个密封的腔体6。由真空系统32、气压控制系统33、空压系统34组成一个对腔体6进行压力控制的系统，当需要柔性摩擦片材1和复合材料型材2同步行走时，通过导气喉管4从腔体6抽气，当需要柔性摩擦片材1和复合材料型材2分离解除同步行走时，通过导气喉管4向腔体6充气。图中I0是表示通过此导气喉管进出的气体。当有气体充入腔体6时，出现柔性摩擦片材1和复合材料型材2之间的滑移和分离。此时，牵引机构5可以带动柔性摩擦片材1复位到运动的起点，进入下一个牵引过程。这样就实现了牵引机构的往复运动。

牵引机构5和每条柔性摩擦片材1固定连接在一起。牵引机构5在牵引电控系统35操作控制下沿拉挤设备机架31纵向行走，包括前进或后退。

能够非常容易做到随型的柔性摩擦片材1分布在复合材料型材外轮廓表面上，成本极其低廉，而传统夹持技术中仅制造随型夹具就非常困难。本发明涉及的随型的柔性摩擦片材1就是一些有粗糙摩擦面的板条，其结构和材料同前描述。

大型中空薄壁型材，如复合材料叶片，通常有足够大的外壁面，可以充分利用大气压来提供静压力，而不需要额外的设备来提供超过一个大气压的静压力。当然施加超过大气压的静压力，也是本发明的特例。

尽管上面阐述的是薄壁中空的复合材料型材的拉挤成型夹持方法，同样适用于实心型材拉挤的情况。

本发明采用真空辅助夹持型材的方法，利用充分大的摩擦面和充分大的摩擦系数(砂布)，在相对较小的静压力(大气压力)作用下就可以实现对工件(复合材料型材)足够的夹持力，尤其是实现了重空薄壁复合材料型材的拉挤工艺，该方法突破传统实心型材拉挤工艺中、拉挤设备依靠机械机构或液力机构提供对型材的强大夹持力的方法，本发明采用依靠真空辅助作用、借助大气压力来施加足够的夹持力，并提供足够的摩擦力，实现牵引机构和型材的同步行走和同步行走解除。

Claims

1.一种纤维复合材料拉挤成型工艺中对型材的真空辅助夹持方法，尤其是对中空薄壁复合材料型材的夹持方法，夹持系统由随型的柔性摩擦片材(1)、复合材料型材(2)、密封结构(3)、真空系统(32)、气压控制系统(33)、空压系统(34)构成，该方法能够实现型材夹持机构和型材之间的同步行走、以及同步行走解除功能，其特征在于：第一，依靠真空辅助系统和大气压力作用使得柔性摩擦片材(1)和复合材料型材(2)牢牢地贴合在一起；第二，通过足够大的摩擦接触面积以及摩擦片材的高摩擦系数来提供足够的静止摩擦力，第三，挤拉设备的牵引机构(5)带动柔性摩擦片材(1)行走，柔性摩擦片材(1)再通过摩擦力带动复合材料型材(2)同步行走，第四，在气压控制系统(33)的作用下，解除密封腔体(6)内真空，柔性摩擦片材(1)和复合材料型材(2)二者之间分离，实现夹持机构和复合材料型材之间的同步行走的解除。

2.根据权利要求1所述的拉挤型材的真空辅助夹持方法，其特征在于：柔性摩擦片材(1)和复合材料型材(2)同步行走的同时，在气压控制系统(33)的作用下，停止真空系统(32)的抽气作用，施加由空压系统(34)产生的高压压缩空气，腔体(6)内快速由负压变为正压，自动破坏腔体(6)的密封，柔性摩擦片材(1)和复合材料型材(2)二者之间的摩擦力消失，实现夹持系统和复合材料型材间的快速离合。