CN108274781A - 一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊及方法 - Google Patents

一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊及方法 Download PDF

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Abstract

一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊及方法，通过在压辊刚性体和压辊弹性体上开设通孔，压辊轴内开设有气路，气路经过相应的空间与通孔相连，形成气体通道，通过电磁阀控制通向气体通道中的气体，实现控制通入气体通道中的气压为正压或负压，通过电磁阀控制负压和正压的切换，使压辊可以在对应的功能要求下实现对预浸丝束的吸附和吹离。本发明既可以在重送过程中有效的约束预浸丝束，也可以有效的防止预浸丝束在铺放过程中卷绕在铺放压辊上，提高了纤维铺放的铺层质量。

Description

一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊及方法
技术领域
本发明涉及一种自动纤维铺放设备，具体涉及一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊及方法，用于生产由复合材料制成的部件。
背景技术
树脂基纤维增强复合材料具有密度小、比强度高、比模量高、抗疲劳性和耐腐蚀性高，以及结构功能一体化、设计制造一体化等优点。在航空航天、风力发电叶片、汽车等领域有着非常广阔的应用前景。纤维铺放是一种树脂基纤维增强复合材料自动化、高质量制造技术。它是自动铺丝束成型技术和自动窄带铺放成型技术的统称，是在已有缠绕和自动铺带技术的基础上发展起来的一种全自动化制造技术。纤维铺放技术继承了纤维缠绕和自动铺带技术的优点，为加工复杂形体的构件提供可能。
在碳纤维预浸丝束铺放过程中，为了使碳纤维预浸丝束更好的铺放在模具表面，需要在铺放过程中对碳纤维预浸丝束进行加热，增加其黏性。但是随着黏性的增加，预浸丝束粘附在压辊上的概率也将大大增加，一旦碳纤维预浸丝束黏附在压辊上，铺放过程将被迫中断，且已铺放的铺层也将会在压辊的拉扯下遭到破坏。
在铺丝头的设计时，为了使铺丝头可以适应大曲率的凹面模具，通道出口和压辊之间不可避免的将会存在一段20mm左右的距离。在重送时，预浸丝束在这一段距离内将会是完全自由的状态，导致在铺放时预浸丝束出现倾斜、褶皱、长短不一等现象。因此在重送过程中，需要预浸丝束在此自由段内能够很好的约束在铺放压辊表面，直至其输送到模具表面。
在现有的铺放压辊中，为了防止预浸丝束黏附在压辊表面，会在压辊表面包覆一层聚四氟乙烯或高分子量聚乙烯等不易于树脂粘附的材料。可以在一定程度上解决铺放过程中被加热的预浸丝束粘附在压辊上的问题，但是随着铺放时间的增加，压辊表面将会不可避免的粘附一些树脂颗粒，使预浸丝束粘附在压辊上的概率增大，尤其在进行第一层铺放时，因为模具表面贴有脱模布的原因，导致预浸丝束与模具的黏力不足，进一步加大了预浸丝束粘附在压辊上的可能性。最重要的是这样会导致重送时，预浸丝束会存在20mm左右的自由段，此段预浸丝束的姿态不可控，严重影响了铺层质量。
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种能够吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊，包括套装在压辊轴上的压辊刚性体，压辊轴与压辊刚性体之间设置有密封圈，密封圈将压辊轴与压辊刚性体之间的空间沿轴向分隔为多个相互独立的空间，每个空间在轴向位置上与丝束通道板上的每个丝束通道相对应；压辊刚性体上套装有压辊弹性体，压辊刚性体和压辊弹性体上均开设有若干通孔，压辊刚性体上的通孔在周向方向上为多圈，每圈通孔包括若干个，压辊刚性体和压辊弹性体上的通孔数量相同，并且压辊刚性体和压辊弹性体上的径向通孔相连通；压辊轴一端开设有一个或多个气路，另一端也开设有一个或多个气路，压辊轴上设置的气路总数量与丝束通道板上的丝束通道数量一致，多个气路的出口经相应的空间与压辊刚性体上的多圈通孔相连通，形成多个气体通道；压辊轴上的每个气路入口通过气路管道与电磁阀相连，电磁阀能够根据控制信号控制输入压辊轴的每个气路入口的气压。
本发明进一步的改进在于，压辊刚性体和压辊轴均采用碳钢制造。
本发明进一步的改进在于，压辊弹性体采用弹性材料制造。
本发明进一步的改进在于，弹性材料为硅橡胶、聚氨酯或高密度海绵。
本发明进一步的改进在于，压辊刚性体通过滚动轴承与压辊轴连接。
本发明进一步的改进在于，铺放过程中压辊刚性体绕压辊轴转动。
一种纤维铺放方法，当铺丝设备的控制系统接收到某一或某几个丝束通道的重送信号后，再发出信号给对应的重送压轮使其进行送丝的同时，控制系统将发出一个控制信号给与这些丝束通道对应的气体通道的电磁阀，通过电磁阀的动作，使通向相应气体通道的气压为负压；通过负压的作用，使预浸丝束从丝束通道板出来后吸附在压辊弹性体的表面，达到约束预浸丝束的作用；
在重送开始的同时，铺丝设备的控制系统将铺丝设备的电机的瞬时脉冲数记录在正进行重送的丝束通道对应的数据块内，并在重送过程中对开始重送时记录的脉冲数与电机的实时脉冲数进行比较，计算预浸丝束已经输送的长度，并对该长度进行实时判断；当预浸丝束已经输送的长度大于从重送起始位置到压辊弹性体与芯模的接触点的距离时，控制系统将给电磁阀发送控制信号，使通向于气体通道的气压为正压，此时进入铺放过程，通过正压的作用，使预浸丝束被吹离压辊弹性体的表面。
本发明进一步的改进在于，预浸丝束已经输送的长度L通过下式计算：
式中：L为预浸丝束已经输送的长度；D为重送轴直径；i为电机减速比；N为电机转动一圈对应的脉冲数；n为电机的实时脉冲数；n0为重送开始时记录的电机瞬时脉冲数。
本发明进一步的改进在于，面密度为200g/m2的环氧树脂预浸丝束，在环境为20℃时，其适用的气压值为0.3～0.35MPa。
本发明进一步的改进在于，面密度为300g/m2的环氧树脂预浸丝束，在环境为20℃时，其适用的气压值为0.45～0.5MPa。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在压辊刚性体和压辊弹性体上开设通孔，压辊轴内开设有气路，气路经过相应的空间与通孔相连，形成气体通道，通过电磁阀控制通向气体通道中的气体，实现控制通入气体通道中的气压为正压或负压，利用负压和正压的切换，使压辊在纤维铺放过程的不同阶段可以满足对预浸丝束吸附和吹离的不同要求。由于密封圈将将压辊轴与压辊刚性体之间的空间沿轴向分隔为多个相互独立的空间，压辊刚性体和压辊弹性体上开设通孔经相应的空间与气路相连通，从而形成相应的多个独立气体通道，既可以实现各束预浸丝束的共同控制也可以实现独立控制。
本发明中的电磁阀可以根据指令在吸附预浸丝束和吹离预浸丝束之间随时切换的铺放压辊。在正常铺放时，压辊会将预浸丝束吹离，防止预浸丝束粘附在压辊表面。在重送时，压辊会将预预浸丝束吸附，使预浸丝束能够很好的顺着铺放压辊输送到模具表面，克服了现有技术中仅能在一定程度上防止预浸丝束粘附在压辊表面的问题。本发明中通过对预浸丝束已经输送的长度进行判断，从而确定何时将负压改变为正压，进行铺放过程。本发明既可以在重送过程中有效的约束预浸丝束，也可以有效的防止预浸丝束在铺放过程中卷绕在铺放压辊上，提高了纤维铺放的铺层质量。
附图说明
图1是压辊整体三维示意图。
图2是压辊整体剖面图。
图3是重送过程中压辊工作原理示意图。
图4是铺放过程中压辊工作原理示意图。
图中：1为压辊刚性体；2为压辊弹性体；3为滚动轴承；4为压辊轴；5为丝束通道板；6为密封圈；7为气动管路；8为电磁阀；9为芯模；10为预浸丝束。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1和图2所示，本发明的能够吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊，包括套装在压辊轴4上的压辊刚性体1，压辊刚性体1采用碳钢材料制造，用于在铺放过程中给压辊提供足够的支撑，压辊轴4与压辊刚性体1之间设置有密封圈6，密封圈6将压辊轴4与压辊刚性体1之间的空间沿轴向分隔为多个相互独立的空间，每个空间在轴向位置上与丝束通道板5的每个丝束通道相对应；压辊刚性体1上套装有压辊弹性体2。压辊弹性体2采用弹性材料制造，用于在铺放过程中提供足够的变形量，该压辊弹性体2的弹性材料可以为但不限于硅橡胶、聚氨酯或高密度海绵等。压辊刚性体1和压辊弹性体2共同组成压辊主体，每个空间对应的压辊刚性体1上开设有若干用于流通气体的通孔，压辊刚性体1上的通孔在周向方向上为多圈，一圈通孔为多个均匀分布，即每个空间对应一圈通孔，多圈通孔在轴向上与丝束通道板5上的各通道相对应，每圈通孔包括若干个，同样的，压辊弹性体2上也均开设有若干用于流通气体的通孔，压辊刚性体1和压辊弹性体2上的通孔数量相同，并且压辊刚性体1和压辊弹性体2上的径向通孔相连通；压辊轴4一端上开设有一个或多个气路，另一端上也开设有一个或多个气路，压辊轴4上设置的气路总数量与丝束通道板5上的丝束通道数量一致，多个气路的出口经相应的空间与压辊刚性体1上的多圈通孔相连通，形成多个气体通道；压辊刚性体1通过滚动轴承3与压辊轴4连接。压辊轴4采用碳钢制造，铺放过程中压辊主体将绕压辊轴4转动。
压辊轴4上的每个气路入口通过气路管道7与电磁阀8相连，电磁阀8能够根据控制信号控制输入压辊轴4的每个气路入口的气压。
进一步的，压辊轴4内部开设有4路用于导通气体的气路，具体的，压辊轴4一端面上开设有2个气路，另一端面上也开设有2个气路，压辊轴4上设置的气路数量与丝束通道板5上的丝束通道数量一致，4个气路的出口分别经相应的空间与压辊刚性体上处于不同轴向位置的4排径向通孔相连通，即每个气路的出口与1排径向通孔相连通，形成气体通道，本发明中共为4个气体通道。压辊轴4与压辊刚性体1之间设置有密封圈6，密封圈6将压辊轴4与压辊刚性体1之间的空间沿轴向分隔为相互独立的四个空间，每个空间在轴向位置上与丝束通道板5上的丝束通道相对应，使各气体通道内气体的状态互不干扰。
压辊轴4上的每个气路与电磁阀8之间通过气动管路7连接，每一个压辊轴4上的气路入口均对应一个电磁阀8，电磁阀8可以根据控制信号控制输入压辊轴4的气路的气压为正压还是负压，气体的压力设置与预浸丝束的黏性以及面密度有关，丝束的黏性和面密度越大，需要的气压值越大，反之所需的气压值可以适当减小。若气压值设置过小，将会导致预浸丝束10无法被吸附和吹离，若气压值设置过大将会导致预浸丝束10发生变形，影响最终的铺层质量。
实际铺放前应使用所提供的预浸丝束10进行工艺实验，优化气压的设定值，根据实验生产中常用的面密度为200g/m2的环氧树脂预浸丝束10，在工艺环境为20℃时，其适用的气压值为0.3～0.35MPa，面密度为300g/m2的环氧树脂预浸丝束10，在工艺环境为20℃时，其适用的气压值为0.45～0.5MPa。
如图3所示，铺丝设备的控制系统包括若干独立的数据块，当铺丝设备控制系统接收到某一或某几个丝束通道的重送信号后，在发出信号给对应的重送压轮使其进行送丝的同时，控制系统也将发出一个控制信号给与这些丝束通道对应的气体通道的电磁阀8，通过电磁阀8的动作，使通向这些气体通道的气压为负压。通过负压的作用，使预浸丝束10从丝束通道板5出来后可以吸附在压辊弹性体2的表面，达到约束预浸丝束10的作用。铺丝设备控制系统根据气体通道的数量，在控制系统内分出了4个与数据块，这4个数据块独立于铺丝设备的控制系统内的其余数据块，仅用于对应气体通道的丝束状态进行计算，具体如下：
在重送开始时，铺丝设备包括电机，铺丝设备的控制系统将铺丝设备的电机瞬时脉冲数记录在正进行重送的气体通道对应的数据块内，并在重送过程中对开始重送时记录的脉冲数与电机的实时脉冲数进行比较，通过脉冲数与重送轴转动距离的对应关系，计算预浸丝束10已经输送的长度，计算公式为式(1)，并对该长度进行实时判断。
式中：L为预浸丝束已经输送的长度；D为重送轴直径；i为电机减速比；N为电机转动一圈对应的脉冲数；n为电机的实时脉冲数；n0为重送开始时记录的电机瞬时脉冲数。
当预浸丝束已经输送的长度大于从重送起始位置到压辊弹性体2与芯模9的接触点的距离时，控制系统将会给电磁阀8发送控制信号，使通向于这些气体通道的气压为正压，如图4所示。此时设备进入铺放过程，通过正压的作用，使预浸丝束10被吹离压辊弹性体2的表面，达到防止预浸丝束10在铺放过程中黏附在压辊表面上的作用。
控制系统通过电机的脉冲数判断通道内预浸丝束的状态，实现对预浸丝束状态的实时监控。
在使用时，本发明的纤维铺放压辊与丝束通道板5配合使用，丝束通道板5上通道的数量由实际使用情况决定，最少可为1束，最多可为32束，为了叙述方便，本发明以4束通道举例说明，但实际使用时不限于4束通道。
在铺放过程的不同阶段，对铺放压辊提出了两种完全相反的要求，而现有的技术仅能在一定程度上防止预浸丝束粘附在压辊表面。为了克服上述现有技术的缺点，本发明提出了一种可以根据指令在吸附预浸丝束和吹离预浸丝束之间随时切换的铺放压辊。在正常铺放时，压辊会将预浸丝束吹离，防止预浸丝束粘附在压辊表面。在重送时，压辊会将预预浸丝束吸附，使预浸丝束能够很好的顺着铺放压辊输送到模具表面。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在不脱离本发明构思的前提下，所做出简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊，其特征在于，包括套装在压辊轴(4)上的压辊刚性体(1)，压辊轴(4)与压辊刚性体(1)之间设置有密封圈(6)，密封圈(6)将压辊轴(4)与压辊刚性体(1)之间的空间沿轴向分隔为多个相互独立的空间，每个空间在轴向位置上与丝束通道板(9)上的每个丝束通道相对应；压辊刚性体(1)上套装有压辊弹性体(2)，压辊刚性体(1)和压辊弹性体(2)上均开设有若干通孔，压辊刚性体(1)上的通孔在周向方向上为多圈，每圈通孔包括若干个，压辊刚性体(1)和压辊弹性体(2)上的通孔数量相同，并且压辊刚性体(1)和压辊弹性体(2)上的径向通孔相连通；压辊轴(4)一端开设有一个或多个气路，另一端也开设有一个或多个气路，压辊轴(4)上设置的气路总数量与丝束通道板(9)上的丝束通道数量一致，多个气路的出口经相应的空间与压辊刚性体(1)上的多圈通孔相连通，形成多个气体通道；压辊轴(4)上的每个气路入口通过气路管道(7)与电磁阀(8)相连，电磁阀(8)能够根据控制信号控制输入压辊轴(4)的每个气路入口的气压。
2.根据权利要求1所述的一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊，其特征在于，压辊刚性体(1)和压辊轴(4)均采用碳钢制造。
3.根据权利要求1所述的一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊，其特征在于，压辊弹性体(2)采用弹性材料制造。
4.根据权利要求3所述的一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊，其特征在于，弹性材料为硅橡胶、聚氨酯或高密度海绵。
5.根据权利要求1所述的一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊，其特征在于，压辊刚性体(1)通过滚动轴承(3)与压辊轴(4)连接。
6.根据权利要求1或5所述的一种能吸附和吹离碳纤维预浸丝束的纤维铺放压辊，其特征在于，铺放过程中压辊刚性体(1)绕压辊轴(4)转动。
7.一种如权利要求1所述的纤维铺放压辊的纤维铺放方法，其特征在于，
当铺丝设备的控制系统接收到某一或某几个丝束通道的重送信号后，再发出信号给对应的重送压轮使其进行送丝的同时，控制系统将发出一个控制信号给与这些丝束通道对应的气体通道的电磁阀(8)，通过电磁阀(8)的动作，使通向相应气体通道的气压为负压；通过负压的作用，使预浸丝束(10)从丝束通道板(5)出来后吸附在压辊弹性体(2)的表面，达到约束预浸丝束(10)的作用；
在重送开始的同时，铺丝设备的控制系统将铺丝设备的电机的瞬时脉冲数记录在正进行重送的丝束通道对应的数据块内，并在重送过程中对开始重送时记录的脉冲数与电机的实时脉冲数进行比较，计算预浸丝束(10)已经输送的长度，并对该长度进行实时判断；当预浸丝束(10)已经输送的长度大于从重送起始位置到压辊弹性体(2)与芯模(9)的接触点的距离时，控制系统将给电磁阀(8)发送控制信号，使通向于气体通道的气压为正压，此时进入铺放过程，通过正压的作用，使预浸丝束(10)被吹离压辊弹性体(2)的表面。
8.根据权利要求7所述的纤维铺放方法，其特征在于，预浸丝束(10)已经输送的长度L通过下式计算：
式中：L为预浸丝束已经输送的长度；D为重送轴直径；i为电机减速比；N为电机转动一圈对应的脉冲数；n为电机的实时脉冲数；n0为重送开始时记录的电机瞬时脉冲数。
9.根据权利要求7所述的纤维铺放方法，其特征在于，面密度为200g/m2的环氧树脂预浸丝束，在环境为20℃时，其适用的气压值为0.3～0.35MPa。
10.根据权利要求7所述的纤维铺放方法，其特征在于，面密度为300g/m2的环氧树脂预浸丝束，在工艺环境为20℃时，其适用的气压值为0.45～0.5MPa。
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