CN103786351B - 纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置 - Google Patents

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Abstract

纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，它涉及一种缠绕成型装置，以解决现有聚四氟乙烯自润滑保持架采用短纤维弥散增强方式而导致的强度余量不足的问题。放卷模块、张力反馈模块、导向辊和加热保温箱依次设置在工作台上，收卷夹紧机构设置在加热保温箱中，挤压机构设置在加热保温箱后端，原料固定筒、张力反馈模块、导向辊、缠绕夹具和挤压辊正对，挤压辊与缠绕夹具紧贴。本发明用于制作聚四氟乙烯自润滑保持架。

Description

纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置
技术领域
本发明涉及一种缠绕成型装置，具体涉及一种纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置。
背景技术
现有的液体火箭发动机中，其涡轮泵有着很高的d·n值和极大的载荷，并且轴承工作时要浸泡在超低温的液氢液氧介质中，工作条件十分恶劣，滚动轴承在这种工况下工作，由于限制于超低温环境，传统的油脂润滑不再适用，而必须采取自润滑保持架来提供转移润滑膜。目前的自润滑保持架采用纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)复合材料制作，帝人芳纶(Twaron)公司生产的短纤维作为添加剂。但由于对其制备工艺的研究尚不完善，导致得到的复合材料性能不稳定，常常出现强度余量不足、材料裂纹、材料色斑等问题，极大的影响了保持架的应用。为克服现有聚四氟乙烯自润滑保持架采用短纤维弥散增强形式而导致的强度余量不足，对可靠性要求很高的火箭发动机来说，寻求综合性能更好，机械强度更大的新型保持架是一种必须选择，而且随着火箭发动机的发展趋势，转速会更高，所以连续纤维增强聚四氟乙烯保持架是研究的必然趋势。所以经过前期大量的理论研究，了解PTFE分散液预浸纤维布的物理化学特性，进行了材料标准试样的拉伸力学性能测试、初步验证了缠绕成型可行性一系列方案论证的前提下，研制了纤维增强聚四氟乙烯缠绕成型设备，该装备能够保证缠绕时所需要的张力、温度，同时兼顾缠绕张力检测与反馈，速度方面的精准控制。
发明内容
本发明为解决解决现有聚四氟乙烯自润滑保持架采用短纤维弥散增强方式而导致的强度余量不足的问题，而提供一种纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置。
本发明的纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置包括放卷模块、张力反馈模块、导向辊、加热保温箱、收卷夹紧机构、挤压机构和工作台，放卷模块由原料固定筒、放卷轴、第一梅花联轴器、力矩电机、力矩电机座、两个原料挡板、两个销钉和两个第一轴承座组成，原料固定筒套装在放卷轴上并用两个销钉固连，两个原料挡板分别套装在原料固定筒的两端，放卷轴的两端分别支撑在第一轴承座上，放卷轴的输入端通过第一梅花联轴器与力矩电机的输出轴连接，力矩电机固装在力矩电机座上，张力反馈模块由第一张力传感器、第二张力传感器和第三张力传感器组成，第一张力传感器、第二张力传感器和第三张力传感器平行设置，第一张力传感器位于第二张力传感器和第三张力传感器之间且位于二者的上方，加热保温箱由箱体、高温玻璃盖板、电阻加热管和数个石英加热管组成，高温玻璃盖板设置在箱体的顶部，电阻加热管水平设置在箱体的底部，数个石英加热管垂直设置在箱体内且位于电阻加热管上方，收卷夹紧机构由伺服电机、第二梅花联轴器、缠绕夹具、收卷轴、伺服电机座和两个第二轴承座组成，缠绕夹具套装在收卷轴上，收卷轴的两端分别支撑在第二轴承座上，收卷轴的输入端通过第二梅花联轴器与伺服电机的输出轴连接，伺服电机固装在伺服电机座上，挤压机构由挤压辊、调节螺杆、基板、连接板、调节板、两个导向杆、两个弹簧和四个连接元件组成，挤压辊的两端分别连接有导向杆，导向杆的另一端穿过基板、连接板和调节板，每个导向杆上套装有一个弹簧，且每个弹簧位于连接板与调节板之间，调节螺杆穿过调节板和连接板后与基板上的螺纹孔螺纹连接，放卷模块、张力反馈模块、导向辊和加热保温箱依次设置在工作台上，收卷夹紧机构设置在加热保温箱中，挤压机构设置在加热保温箱后端，原料固定筒、张力反馈模块、导向辊、缠绕夹具和挤压辊正对，挤压辊与缠绕夹具紧贴。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明以长纤维增强聚四氟乙烯为原料，制备自润滑保持架毛坯；在缠绕过程中，可实现张力控制、缠绕速度控制、温度控制、缠绕成型于一体，缠绕成型退模后，再用烧结模具带模烧结，制得纤维增强/PTFE复合材料保持架毛坯。本发明改变了现有聚四氟乙烯保持架通用的冷压成型方式(即短纤维弥散增强方式)，增强了保持架的机械强度，提高了火箭涡动发动机的可靠性，从而提高整个火箭系统的可靠度。
二、本发明是纤维增强聚四氟乙烯的缠绕装置，该装置可实现固体自润滑保持架毛坯的制备，生产的保持架成品可用于自润滑滚动轴承领域。
三、本发明在工作过程中，力矩电机1-6为反转，从而在缠绕过程中张紧聚四氟乙烯复合材料布，力矩电机由勇光高特生产的AM-YZ100C控制器来控制。
四、本发明的控制系统由张力反馈模块来检测张力大小并实时反馈给力矩电机的控制器来调节并稳定张力大小，收卷夹紧机构由伺服电机作为动力源，其控制由TRIO可编程控制器来控制，可以控制缠绕的速度与缠绕位置。
五、加热采用电热管加热，通过温控仪来检测并控制保温箱中的实时温度，当温度达到温控仪设定的温度后，由控制开关断电停止加热，当温度低于设定温度时继续加热至设定温度。保温箱中上盖采用高温玻璃板作为上盖板，在缠绕过程中可实时观测箱内的缠绕工作情况。
六、收卷夹紧机构动力源伺服电机提供，由伺服电机驱动器、可编程TRIO控制器来共同控制，可以精确控制缠绕的速度与行程，当旋转到指定圈数时自动停止，且可在工作过程中可以任意位置临时停车；由于需要缠绕的纤维增PTFE复合强材料表面光滑并且摩擦系数非常小，在装夹时既要保证装夹时能够提供克服缠绕张力的约束力，又要保证在缠绕成型后能够的脱模。
七、挤压机构防止缠绕过程中复合材料表面出现褶皱的情况，同时保证缠绕的密实性。
八、导向辊的作用可调节复合材料缠绕布的转向，同时又可在布的前移过程中防止布的偏移，保证缠绕成型质量。
附图说明
图1是本发明的整个结构立体图；图2是放卷模块1的结构立体图；图3是加热保温箱4的结构立体图；图4是收卷夹紧机构5的结构立体图；图5是缠绕夹具5-3的主视图；图6是图5的左视图；图7是图5的俯视图；图8是图5的A-A剖视图；图9是挤压机构6的结构立体图；图10是烧结模具的结构立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图9说明本实施方式，本实施方式包括放卷模块1、张力反馈模块2、导向辊3、加热保温箱4、收卷夹紧机构5、挤压机构6和工作台7，放卷模块1由原料固定筒1-1、放卷轴1-4、第一梅花联轴器1-5、力矩电机1-6、力矩电机座1-8、两个原料挡板1-2、两个销钉1-3和两个第一轴承座1-7组成，原料固定筒1-1套装在放卷轴1-4上并用两个销钉1-3固连，两个原料挡板1-2分别套装在原料固定筒1-1的两端，放卷轴1-4的两端分别支撑在第一轴承座1-7上，放卷轴1-4的输入端通过第一梅花联轴器1-5与力矩电机1-6的输出轴连接，力矩电机1-6固装在力矩电机座1-8上，张力反馈模块2由第一张力传感器2-1、第二张力传感器2-2和第三张力传感器2-3组成，第一张力传感器2-1、第二张力传感器2-2和第三张力传感器2-3平行设置，第一张力传感器2-1位于第二张力传感器2-2和第三张力传感器2-3之间且位于二者的上方，张力反馈模块2的功能一是测系统复合材料布的缠绕张力，功能二是将张力反馈给力矩电机1-6的控制器，形成恒张力缠绕；加热保温箱4由箱体4-1、高温玻璃盖板4-3、电阻加热管4-4和数个石英加热管4-2组成，高温玻璃盖板4-3设置在箱体4-1的顶部，电阻加热管4-4水平设置在箱体4-1的底部，数个石英加热管4-2垂直设置在箱体4-1内且位于电阻加热管4-4上方，通过电阻加热管4-4和数个石英加热管4-2保证缠绕复合材料布缠绕时需要的温度，通过高温玻璃盖板4-3可以观测工件缠绕时的工况；收卷夹紧机构5由伺服电机5-1、第二梅花联轴器5-2、缠绕夹具5-3、收卷轴5-4、伺服电机座5-6和两个第二轴承座5-5组成，缠绕夹具5-3套装在收卷轴5-4上，收卷轴5-4的两端分别支撑在第二轴承座5-5上，收卷轴5-4的输入端通过第二梅花联轴器5-2与伺服电机5-1的输出轴连接，伺服电机5-1固装在伺服电机座5-6上，收卷夹紧机构5的作用是控制缠绕速度与缠绕圈数，缠绕夹具5-3保证缠绕材料的良好固定，同时在缠绕后又方便脱模；挤压机构6由挤压辊6-1、调节螺杆6-4、基板6-5、连接板6-6、调节板6-7、两个导向杆6-2、两个弹簧6-3和四个连接元件6-8组成，挤压辊6-1的两端分别连接有导向杆6-2，导向杆6-2的另一端穿过基板6-5、连接板6-6和调节板6-7，每个导向杆6-2上套装有一个弹簧6-3，且每个弹簧6-3位于连接板6-6与调节板6-7之间，调节螺杆6-4穿过调节板6-7和连接板6-6后与基板6-5上的螺纹孔6-5-1螺纹连接，放卷模块1、张力反馈模块2、导向辊3和加热保温箱4依次设置在工作台7上，收卷夹紧机构5设置在加热保温箱4中，挤压机构6设置在加热保温箱4后端，原料固定筒1-1、张力反馈模块2、导向辊3、缠绕夹具5-3和挤压辊6-1正对，挤压辊6-1与缠绕夹具5-3紧贴，以保证在缠绕过程中挤压缠绕复合材料布，使缠绕物致密，保证毛坯良好的机械性能；导向辊3的作用是改变缠绕布的绕向和防止缠绕布的偏移。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第二张力传感器2-2和第三张力传感器2-3在同一水平面内。这样设计使得复合材料布有更好的缠绕张力。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第二张力传感器2-2和第三张力传感器2-3对称设置在第一张力传感器2-1的两侧。这样设计使得复合材料布有更好的缠绕张力。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图5～图8说明本实施方式，本实施方式的缠绕夹具5-3由缠绕芯管5-3-1和长键5-3-2组成，缠绕芯管5-3-1的内壁设有键槽5-3-1-1，长键5-3-2设置在键槽5-3-1-1中。缠绕芯管5-3-1与收卷轴5-4通过销钉5-8连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图8说明本实施方式，本实施方式的键槽5-3-1-1的宽度为5～10mm。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图8说明本实施方式，本实施方式的键槽5-3-1-1的宽度为7mm。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图8说明本实施方式，本实施方式的键槽5-3-1-1与长键5-3-2过渡配合。其它组成及连接关系与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八：结合图8说明本实施方式，本实施方式的缠绕芯管5-3-1的侧壁上沿长度方向设有细缝5-3-1-2，细缝5-3-1-2位于键槽5-3-1-1的中心处。复合材料纤维布的起始端穿入细缝中。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图8说明本实施方式，本实施方式的细缝5-3-1-2的宽度为0.5mm。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图8说明本实施方式，本实施方式的缠绕芯管5-3-1上且位于细缝5-3-1-2的两端设有平台5-3-1-3。平台5-3-1-3用于安装紧固螺栓5-3-3，紧固螺栓5-3-3将缠绕芯管5-3-1与长键5-3-2固定，缠绕成型结束后松开紧固螺栓5-3-3，取出长键5-3-2，使复合材料纤维布顺利实现脱模，且能保证缠绕复合材料纤维布的质量。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。
本发明的工作原理：
缠绕工作实施前，首先把纤维PTFE布固定于原料固定筒1-1上，待纤维PTFE布固定好之后，使纤维PTFE布的起始端绕过张力反馈模块2和导向辊3，再穿过保温箱4前端板上的细缝，最后将纤维PTFE布固定于缠绕夹具5-3上，然后安装保温箱的侧板。将挤压机构6中的挤压辊6-1与缠绕夹具5-3接触，同时保证一定的顶紧力。
接通电源加热电源，加热器开始加热，温控仪上显示即时保温箱中的温度，当温度达到缠绕所需温度时，准备开始缠绕。
打开计算机，打开TRIO控制器的程序控制软件Motionperfectv3，编好程序，通过网线使计算机与TRIO建联系，运行程序执行伺服机旋转指令，接着打开力矩电机开关，设定好张力，开始缠绕工作。
待控制程序运行指令结束时，伺服电机5-1停止旋转，这时切断力矩电机1-6电源，从保温箱4外剪断复合材合材料布，调整运行程序，使伺服电机5-1接着旋转10分钟，使保持架毛坯管料成型致密，接着切断加热电源，同时松开挤压结构的挤压辊，使缠绕成型毛坯保持自然状态在保温箱中自然冷却。
冷却后，打开保温箱侧板4-5，从收卷夹紧机构5中的收卷轴5-4上取下缠绕夹具5-3，
从长键5-3-2上退下缠绕成型毛坯，套入烧结模具芯轴11，装夹在上模块8和下模块12之间，上下模块用6个螺栓9把合，上下模块两侧用挡板10封信两端，每侧用4个螺栓13把合于上下模块之上，中间圆孔与芯轴11配合。
把毛坯与模具一起放入烧结炉中进行烧结，烧结结束后，退模，保持架毛坯料加工结束。
烧结模具利用聚四氟乙烯复合材料与金属的膨胀性不同，在高温烧结过程中，对复合材料施加一定的压力，同时烧结模具的封闭腔又可防止聚四氟乙烯的流动。烧结模具可以保证毛坯有高质量的外观形状与良好的层间结合力，同时还可保证毛坯良好的机械性能。

Claims (10)

1.一种纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述装置包括放卷模块(1)、张力反馈模块(2)、导向辊(3)、加热保温箱(4)、收卷夹紧机构(5)、挤压机构(6)和工作台(7)，放卷模块(1)由原料固定筒(1-1)、放卷轴(1-4)、第一梅花联轴器(1-5)、力矩电机(1-6)、力矩电机座(1-8)、两个原料挡板(1-2)、两个销钉(1-3)和两个第一轴承座(1-7)组成，原料固定筒(1-1)套装在放卷轴(1-4)上并用两个销钉(1-3)固连，两个原料挡板(1-2)分别套装在原料固定筒(1-1)的两端，放卷轴(1-4)的两端分别支撑在第一轴承座(1-7)上，放卷轴(1-4)的输入端通过第一梅花联轴器(1-5)与力矩电机(1-6)的输出轴连接，力矩电机(1-6)固装在力矩电机座(1-8)上，张力反馈模块(2)由第一张力传感器(2-1)、第二张力传感器(2-2)和第三张力传感器(2-3)组成，第一张力传感器(2-1)、第二张力传感器(2-2)和第三张力传感器(2-3)平行设置，第一张力传感器(2-1)位于第二张力传感器(2-2)和第三张力传感器(2-3)之间且位于二者的上方，加热保温箱(4)由箱体(4-1)、高温玻璃盖板(4-3)、电阻加热管(4-4)和数个石英加热管(4-2)组成，高温玻璃盖板(4-3)设置在箱体(4-1)的顶部，电阻加热管(4-4)水平设置在箱体(4-1)的底部，数个石英加热管(4-2)垂直设置在箱体(4-1)内且位于电阻加热管(4-4)上方，收卷夹紧机构(5)由伺服电机(5-1)、第二梅花联轴器(5-2)、缠绕夹具(5-3)、收卷轴(5-4)、伺服电机座(5-6)和两个第二轴承座(5-5)组成，缠绕夹具(5-3)套装在收卷轴(5-4)上，收卷轴(5-4)的两端分别支撑在第二轴承座(5-5)上，收卷轴(5-4)的输入端通过第二梅花联轴器(5-2)与伺服电机(5-1)的输出轴连接，伺服电机(5-1)固装在伺服电机座(5-6)上，挤压机构(6)由挤压辊(6-1)、调节螺杆(6-4)、基板(6-5)、连接板(6-6)、调节板(6-7)、两个导向杆(6-2)、两个弹簧(6-3)和四个连接元件(6-8)组成，挤压辊(6-1)的两端分别连接有导向杆(6-2)，导向杆(6-2)的另一端穿过基板(6-5)、连接板(6-6)和调节板(6-7)，每个导向杆(6-2)上套装有一个弹簧(6-3)，且每个弹簧(6-3)位于连接板(6-6)与调节板(6-7)之间，调节螺杆(6-4)穿过调节板(6-7)和连接板(6-6)后与基板(6-5)上的螺纹孔(6-5-1)螺纹连接，放卷模块(1)、张力反馈模块(2)、导向辊(3)和加热保温箱(4)依次设置在工作台(7)上，收卷夹紧机构(5)设置在加热保温箱(4)中，挤压机构(6)设置在加热保温箱(4)后端，原料固定筒(1-1)、张力反馈模块(2)、导向辊(3)、缠绕夹具(5-3)和挤压辊(6-1)正对，挤压辊(6-1)与缠绕夹具(5-3)紧贴。
2.根据权利要求1所述纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述第二张力传感器(2-2)和第三张力传感器(2-3)在同一水平面内。
3.根据权利要求2所述纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述第二张力传感器(2-2)和第三张力传感器(2-3)对称设置在第一张力传感器(2-1)的两侧。
4.根据权利要求1、2或3所述纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述缠绕夹具(5-3)由缠绕芯管(5-3-1)和长键(5-3-2)组成，缠绕芯管(5-3-1)的内壁设有键槽(5-3-1-1)，长键(5-3-2)设置在键槽(5-3-1-1)中。
5.根据权利要求4所述纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述键槽(5-3-1-1)的宽度为5mm～10mm。
6.根据权利要求5所述纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述键槽(5-3-1-1)的宽度为7mm。
7.根据权利要求5或6所述纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述键槽(5-3-1-1)与长键(5-3-2)过渡配合。
8.根据权利要求7所述纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述缠绕芯管(5-3-1)的侧壁上沿长度方向设有细缝(5-3-1-2)，细缝(5-3-1-2)位于键槽(5-3-1-1)的中心处。
9.根据权利要求8所述纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述细缝(5-3-1-2)的宽度为0.5mm。
10.根据权利要求9所述纤维增强聚四氟乙烯复合材料的缠绕成型装置，其特征在于：所述缠绕芯管(5-3-1)上且位于细缝(5-3-1-2)的两端设有平台(5-3-1-3)。
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