CN110356019B - 一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，包括压辊胶套、压辊、压辊轴，压辊胶套套装在压辊上，压辊安装在压辊轴上，压辊能够自由转动，从而带动压辊胶套绕压辊轴旋转；压辊胶套的两端设置有镂空结构。在纤维铺放成型过程中，纤维带从铺丝头通道送出，经导向梳引导到压辊与模具之间，最后由压辊压紧在模具表面。当模具强度较低，无法承受较大压紧力时，该镂空式大变形柔性压辊提供了很好的变形空间，使压紧力易于控制；当模具曲率较大时，大变形压辊也可以在不加大压紧力的情况下更好地贴合模具表面，使得纤维丝能完全贴合模具。本发明可以提高纤维预浸料铺放对模具的适应性，能够进行更多结构的铺放，并提高零件成型质量。
Description
技术领域
本发明涉及纤维铺放技术领域，具体涉及一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置。
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。它是自动铺带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。
在碳纤维自动铺放过程中，预浸带由铺丝头送出后，通过压紧装置将预浸带压紧粘附在模具表面，传统模具通常使用铝，钢等硬度较大的材料制成，可以承受较大的压紧力，这种情况下有一定弹性的压辊通常就能满足工艺要求。但是在特殊的情况下，例如用蜂窝板作为芯模，由于蜂窝板质地较软，在较大压紧力下极易变形失效，这就需要压紧力保持在一个较小的值。另外，在对大曲率负曲面结构进行铺放时，传统压辊由于硬度较大，无法将纤维带完全压实。而这种大变形柔性压辊可以产生足够的变形，从而将纤维丝束完全压覆在模具表面。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明目的是提供一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，包括压辊胶套、压辊、压辊轴，压辊胶套(1)套装在压辊上，压辊安装在压辊轴上，压辊能够自由转动，从而带动压辊胶套绕压辊轴旋转；压辊胶套的两端设置有镂空结构。
本发明进一步的改进在于，压辊胶套材质为硅橡胶，硬度为HA30～HA100；压辊通过轴承安装在压辊轴上，轴承通过弹性挡圈固定在压辊轴上。
本发明进一步的改进在于，压辊胶套包括第一圆筒、第二圆筒以及第三圆筒，其中，第一圆筒、第一圆筒相同，并且第一圆筒套装在第二圆筒内，第二圆筒套装在第三圆筒内，第一圆筒与第二圆筒高度相同，第一圆筒与第二圆筒之间为实心结构；第三圆筒的高度低于第二圆筒的高度，第三圆筒的顶端与第二圆筒的顶端之间、第三圆筒的底端与第二圆筒的底端之间均通过曲面相连，镂空结构设置在曲面上。
本发明进一步的改进在于，第三圆筒的外表面包覆一层聚四氟乙烯热缩膜。
本发明进一步的改进在于，曲面为圆台的侧面，圆台的母线与第二圆筒顶面的夹角为20°。
本发明进一步的改进在于，第三圆筒的顶端的曲面上的镂空结构包括沿圆周均匀排布若干个相同的镂空孔，每个镂空孔为叶片形。
本发明进一步的改进在于，每个镂空孔包括上圆弧和下圆弧，上圆弧的一端与下圆弧的一端通过前弧线相连，上圆弧的另一端与下圆弧的另一端通过后弧线相连，形成叶片形。
本发明进一步的改进在于，每个镂空孔的下圆弧都在同一个大圆上，每个镂空孔的上圆弧的圆心均位于小圆上。
本发明进一步的改进在于，相邻镂空孔中一个镂空孔的下圆弧的前端与大圆的圆心之间的连线与另一个镂空孔的下圆弧的前端与大圆的圆心之间的连线的夹角α＝20°，同一个镂空孔的上圆弧的圆心与下圆弧的中点的连线与大圆的半径的夹角β满足β>β0；其中，β0满足以下公式
R为大圆的半径，r1为小圆的半径。
本发明进一步的改进在于，大圈与第三圆筒之间的距离为3.5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过采用镂空型结构，由于胶套内部为镂空形式，当铺丝头压辊压在模具表面时，镂空型压辊可以在较小压紧力下产生较大变形。较小的压紧力可以使得蜂窝板模具不产生太大的变形量，保持原有形状。同时，压辊产生较大变形量，有利于在铺放大曲率凹曲面时将纤维带完全压实在模具表面，提高铺放质量。通过镂空结构的设计，使得在纤维铺放过程中保持一个较小的压紧力，并在大曲率凹曲面上铺放时，可将纤维带完全压紧在模具表面上。在纤维铺放成型过程中，纤维带从铺丝头通道送出，经导向梳引导到压辊与模具之间，最后由压辊压紧在模具表面。当模具强度较低，无法承受较大压紧力时，则需要通过控制压辊变形量来控制压紧力，本发明的由于设置镂空结构，所以提供了很好的变形空间，使压紧力易于控制；当模具曲率较大时，本发明提供的大变形压辊也可以在不加大压紧力的情况下更好地贴合模具表面，使得纤维丝能完全贴合模具。本发明可以提高纤维预浸料铺放对模具的适应性，能够进行更多结构的铺放，并提高零件成型质量。
进一步的，压辊胶套采用硅橡胶材质，具有高弹性，良好的工艺性等特点，并且不易与预浸带粘结。
进一步的，圆台的母线与第一圆筒与第二圆筒顶端所在平面的夹角为20°，在该夹角下，压紧力分布较为均匀。
进一步的，第三圆筒的外表面包覆一层聚四氟乙烯热缩膜，使压辊胶套不易被碳纤维预浸料粘附。
附图说明
图1是本发明的用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置的主视图。
图2是本发明的用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置的剖视图。
图3是胶套包覆聚四氟乙烯热缩膜的三维示意图。
图4是本发明的用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置的左视图。
图5是柔性压辊侧面示意图。
图6为一个镂空孔的结构示意图。
图7是柔性压辊铺放大曲率凸曲面示意图。
图8是柔性压辊铺放大曲率凹曲面示意图。
图中：1为压辊胶套；2为压辊；3为压辊轴；4为轴承；5为弹性挡圈；6为凸曲面模具；7为碳纤维预浸料；8为凹曲面模具，9为镂空结构，10为聚四氟乙烯热缩膜，11为第一圆筒，12为第二圆筒，13为第三圆筒，14为大圆，15为小圆，16为上圆弧，17为下圆弧，18为前弧线，19为后弧线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
本发明中的大变形是指通过一定的结构设计，使得压辊变形量超出同样材料实心体弹性形变的能力，主要表现为同等压力下，该结构变形量远大于相同实心材料，压辊具有更大的变形量来更好地贴附弯曲模具表面。
如图1、图2和图3所示，本发明的一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，主要包括压辊胶套1、压辊2、压辊轴3、轴承4、弹性挡圈5等零部件。压辊轴3采用合金钢加工，压辊胶套1套装在压辊2上，压辊2通过轴承4安装在压辊轴3上，轴承4通过弹性挡圈5固定在压辊轴3上。压辊2可自由转动，从而带动压辊胶套1绕压辊轴3旋转。
压辊胶套1材质为硅橡胶，硬度范围为HA30～HA100，该类材料具有低硬度，高弹性特点。与普通橡胶比有较好的工艺性，成型后易脱模，且不易黏附树脂。并且能够提供良好的弹性且有较好的形状恢复性。
本发明的用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置安装在纤维铺丝头末端，利用大变形柔性硅压辊胶套1将压紧力控制在一个较小的值。
压辊胶套1上设置有镂空结构9，由于压辊胶套1上设置的镂空结构9，在滚动时必定会产生不均匀的压紧力，为了使压紧力更均匀，并且基于压辊胶套1整体尺寸特征及橡胶注塑工艺特点，需要对压辊胶套1及镂空结构9形状进行合理的设计。
如图1与图4所示，压辊胶套1及镂空结构9设计满足以下几个特征：
1)压辊胶套1包括第一圆筒11、第二圆筒12以及第三圆筒13，其中，第一圆筒11、第一圆筒12相同，并且第一圆筒11套装在第二圆筒12内，第二圆筒12套装在第三圆筒13内，第一圆筒11与第二圆筒12高度相同，并且第一圆筒11与第二圆筒12之间为实心结构。第三圆筒13的高度低于第二圆筒12的高度，第三圆筒13的顶端与第二圆筒12的顶端之间通过曲面相连，曲面为圆台的侧面，曲面上设置有镂空结构9。
同样的，第三圆筒13的底端与第二圆筒12的底端之间通过曲面相连，曲面为圆台的侧面，曲面上设置有镂空结构。第三圆筒13的顶端的曲面上的镂空结构与第三圆筒13的底端的曲面上的镂空结构相连通并且对称设置。
第一圆筒11的直径为19mm，第二圆筒12的直径为25mm，第三圆筒13的直径为55mm。
圆台的母线与第二圆筒12顶面(即圆台顶面)的夹角为20°，在该夹角下，压紧力分布较为均匀。
2)以第三圆筒13的顶端的曲面上的镂空结构9为例进行说明。镂空结构9在圆台的侧面上，具体的，参见图4、图5和图6，沿圆周均匀排布18个相同的镂空孔，每个镂空孔为叶片形，参见图6，每个镂空孔包括上圆弧16和下圆弧17，上圆弧16的一端与下圆弧17的一端通过前弧线18相连，上圆弧16的另一端与下圆弧17的另一端通过后弧线19相连，形成叶片形。上圆弧16的半径为0.7mm，下圆弧17的半径r2＝24mm。18个镂空孔当中每个镂空孔的下圆弧都在同一个大圆14上。18个镂空孔当中每个镂空孔的上圆弧的圆心均位于小圆15上。
相邻镂空孔中一个镂空孔的下圆弧的前端与大圆14的圆心之间的连线与另一个镂空孔的下圆弧的前端与大圆14的圆心之间的连线的夹角α＝20°。同一个镂空孔的上圆弧的圆心与下圆弧的中点的连线与大圆14的半径的夹角β满足β>β0。其中，β0满足以下公式
R为大圆14的半径，r1为小圆15的半径。按以上参数可计算出β0＝18.5°，即同一个镂空孔的上圆弧的圆心与下圆弧的中点的连线与大圆14的半径的夹角β＞18.5°。
3)大圈14与第三圆筒13之间的距离为3.5mm，即大圈14与第三圆筒13之间的材料厚度为3.5mm。
4)每个镂空孔倾斜设置，其倾斜角度由相邻镂空孔之间弯曲斜面的形状所决定。受橡胶注塑工艺限制，参见图4和图5，一个镂空孔的前弧线与相邻镂空孔的后弧线形状由二者中间弧线决定，图5中虚线所示，该弧线与胶套内外径的两个交点与圆心成60°夹角，弧线半径为32mm。同一个镂空孔的前弧线、后弧线与相邻的中间弧线共圆心，与中间弧线的半径差均为1mm，即一个镂空孔的前弧线与相邻的镂空孔的后弧线之间距离为2mm，即两个相邻镂空结构间的橡胶壁厚为2mm。
如图3所示，压辊胶套1的第三圆筒13的外表面包覆一层聚四氟乙烯热缩膜10，使压辊胶套1不易被碳纤维预浸料7粘附。
当进行铺放工作时，碳纤维预浸带由铺丝头各通道送出，经导向梳送至压辊2和模具表面，压辊2将碳纤维预浸带压紧在模具表面。在碳纤维预浸带被压紧在模具表面过程中，压紧力的合理控制及其重要。对于硬度较大、曲率较小(曲率小于压辊2外表面曲率)的平面模具(材质为铝或钢模)，实心硅橡胶压辊2就可实现碳纤维预浸带和模具的很好贴合。但是，针对硬度强度较低的模具(材质为蜂窝板)，或是在较大曲率曲面(曲率大于压辊2外表面曲率)，采用如图7所述的凸面模具6，以及采用如图8所示的凹曲面率模具8进行铺放时，由材料本身硬度限制，实心硅橡胶压辊2无法进行足够的变形来达到铺放要求。自动纤维铺放过程中的压紧力计算公式如下：
F压紧力＝F气缸+G铺丝头
其中：F气缸为气缸推力，可在0～880N之间调整。G铺丝头为铺丝头气缸下端部分的重量，为定值，约120N。
在该情况下，压辊2完全变形，压紧力至少为120N。在最小压紧力120N情况下，使用实心硅橡胶压辊2的变形量为1.5mm，使用镂空式硅橡胶压辊2的变形量为8.3mm。
本发明适用于蜂窝板模，蜂窝板模具在垂直于蜂窝方向上强度较小，无法承受120N的压紧力，因此在铺放过程不能采取上述压辊2完全变形的压紧方式，需通过压辊2变形量来控制压紧力。实心压辊的变形量只有1.5mm，难以通过变形量来获得想要的压紧力，而镂空式压辊2在120N压力以内变形行程为8.3mm，可以实现控制变形量来控制压紧力大小。
本发明适用于大曲率曲面铺放，当大曲率曲面铺放时，实心硅橡胶无法提供足够的变形量来贴合模具表面，无法将纤维带压紧在模具表面，尤其是在凹曲面极易出现架桥现象。因此提出镂空式大变形柔性压辊，在相同的压紧力下可以产生更大的变形量以贴合模具表面，从而使纤维带完全压合在模具表面，如图7与图8所示。
本发明包括压辊轴和压辊主体两部分。在纤维铺放成型过程中，纤维带从铺丝头通道送出，经导向梳引导到压辊与模具之间，最后由压辊压紧在模具表面。当模具强度较低，无法承受较大压紧力时，则需要通过控制压辊变形量来控制压紧力，该镂空式大变形柔性压辊提供了很好的变形空间，使压紧力易于控制；当模具曲率较大时，大变形压辊也可以在不加大压紧力的情况下更好地贴合模具表面，使得纤维丝能完全贴合模具。本发明可以提高纤维预浸料铺放对模具的适应性，能够进行更多结构的铺放，并提高零件成型质量。
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 (8)
1.一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，其特征在于，包括压辊胶套(1)、压辊(2)、压辊轴(3)，压辊胶套(1)套装在压辊(2)上，压辊(2)安装在压辊轴(3)上，压辊(2)能够自由转动，从而带动压辊胶套(1)绕压辊轴(3)旋转；压辊胶套(1)的两端设置有镂空结构(9)；
压辊胶套(1)包括第一圆筒(11)、第二圆筒(12)以及第三圆筒(13)，其中，第一圆筒(11)、第二圆筒(12)相同，并且第一圆筒(11)套装在第二圆筒(12)内，第二圆筒(12)套装在第三圆筒(13)内，第一圆筒(11)与第二圆筒(12)高度相同，第一圆筒(11)与第二圆筒(12)之间为实心结构；第三圆筒(13)的高度低于第二圆筒(12)的高度，第三圆筒(13)的顶端与第二圆筒(12)的顶端之间、第三圆筒(13)的底端与第二圆筒(12)的底端之间均通过曲面相连，镂空结构(9)设置在曲面上；
第三圆筒(13)的顶端的曲面上的镂空结构(9)包括沿圆周均匀排布若干个相同的镂空孔，每个镂空孔为叶片形。
2.根据权利要求1所述的一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，其特征在于，压辊胶套(1)材质为硅橡胶，硬度为HA30～HA100；压辊(2)通过轴承(4)安装在压辊轴(3)上，轴承(4)通过弹性挡圈(5)固定在压辊轴(3)上。
3.根据权利要求1所述的一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，其特征在于，第三圆筒(13)的外表面包覆一层聚四氟乙烯热缩膜(10)。
4.根据权利要求1所述的一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，其特征在于，曲面为圆台的侧面，圆台的母线与第二圆筒(12)顶面的夹角为20°。
5.根据权利要求1所述的一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，其特征在于，每个镂空孔包括上圆弧(16)和下圆弧(17)，上圆弧(16)的一端与下圆弧(17)的一端通过前弧线(18)相连，上圆弧(16)的另一端与下圆弧(17)的另一端通过后弧线(19)相连，形成叶片形。
6.根据权利要求5所述的一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，其特征在于，每个镂空孔的下圆弧(17)都在同一个大圆(14)上，每个镂空孔的上圆弧(16)的圆心均位于小圆(15)上。
7.根据权利要求6所述的一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，其特征在于，相邻镂空孔中一个镂空孔的下圆弧的前端与大圆(14)的圆心之间的连线与另一个镂空孔的下圆弧的前端与大圆(14)的圆心之间的连线的夹角α＝20°，同一个镂空孔的上圆弧的圆心与下圆弧的中点的连线与大圆(14)的半径的夹角β满足β>β0；其中，β0满足以下公式
R为大圆(14)的半径，r1为小圆(15)的半径。
8.根据权利要求7所述的一种用于自动铺丝的大变形柔性压紧装置，其特征在于，大圆(14)与第三圆筒(13)之间的距离为3.5mm。
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