CN110926892A - 一种用于碳纤维复丝缠绕制样的工装及方法 - Google Patents

一种用于碳纤维复丝缠绕制样的工装及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于碳纤维复丝缠绕制样的工装及方法，涉及材料性能测试技术领域，该工装包括缠绕支架，其包括至少一个缠绕组件，上述缠绕组件包括两个端框、以及连接两个端框的缠绕杆；两个端框的相对侧沿周向均设有多个固定钩，上述固定钩开口朝向端框中心；两个支撑架，其分别设置于上述缠绕支架两侧；至少一个棘轮机构，其包括棘轮和棘爪，上述棘轮通过转轴转动连接于一个支撑架，上述棘爪一端通过棘爪轴连接于上述支撑架，其另一端与棘轮的外缘齿啮合；上述棘轮或转轴上设有挂针。本发明的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，能够更准确地模拟发动机壳体的缠绕工艺，有利于更准确地表征碳纤维应用于发动机壳体上的实际强度。

Description

一种用于碳纤维复丝缠绕制样的工装及方法
技术领域
本发明涉及材料性能测试技术领域，具体涉及一种用于碳纤维复丝缠绕制样的工装及方法。
背景技术
碳纤维应用在固体火箭发动机壳体的主要工艺是纤维缠绕工艺，因碳纤维模量高、脆性大，在缠绕成型过程中强度不可避免的存在一定损失。因此，准确表征碳纤维经过缠绕工艺后的强度，是碳纤维在固体火箭发动机壳体上应用的关键。
目前，现有的碳纤维复丝拉伸试验样品的制作，主要是依据GB/T3362和GB/T26749。GB/T3362规定的试样制作方法是通过手工绕丝方法将纤维固定在挂纱架上，然后浸胶制样。因碳纤维未经过缠绕工艺，纤维损伤小，测试的碳纤维强度较高，因此并不能反映碳纤维的实际应用强度。GB/T26749规定的试样制作方法是将纤维先通过胶槽浸胶，再将浸胶后的纤维简单的卷绕在框架上，制样过程类似于纤维缠绕过程，但是该方法并不能控制碳纤维复丝的张力，容易造成碳纤维复丝受力不均匀，因此，也不能准确地反映碳纤维在发动机壳体的缠绕工艺中的实际应用强度。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于碳纤维复丝缠绕制样的工装及方法，可更准确地表征碳纤维应用于发动机壳体上的实际强度。
本发明第一方面提供一种用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，其包括：
缠绕支架，其包括至少一个缠绕组件，上述缠绕组件包括两个端框、以及连接两个端框的缠绕杆，上述缠绕杆至少设有六个且等间距设置于两个端框之间；两个端框的相对侧沿周向均设有多个固定钩，上述固定钩开口朝向端框中心；
两个支撑架，其分别设置于上述缠绕支架两侧；
至少一个棘轮机构，其包括棘轮和棘爪，上述棘轮通过转轴转动连接于一个支撑架，上述棘爪一端通过棘爪轴连接于上述支撑架，其另一端与棘轮的外缘齿啮合；上述棘轮或转轴上设有挂针。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述挂针通过丝线连接弹簧或张力计，上述弹簧或张力计的另一端用于连接碳纤维复丝末端。
基于第一方面，在可能的实施例中，支撑架包括连接轴头和支撑环，上述连接轴头与支撑环之间通过多个连接杆连接，连接棘轮机构的支撑环远离上述缠绕组件的一侧开设有第一槽口和第二槽口，上述转轴通过轴承置于第一槽口，上述棘爪轴过盈配合安装于第二槽口。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述支撑环远离连接轴头的一侧与相邻的端框连接，上述支撑环与端框的横截面均为圆形、正六边形或正六边形以上的多边形结构；
当上述端框的横截面为正六边形或正六边形以上的多边形结构时，多个缠绕杆分别一一对应固定于正多边形的顶点处。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述转轴远离支撑架的一端连接有转动手柄，上述转轴位于上述棘轮与转动手柄之间的部分固定连接有转盘，上述挂针固定于上述转盘远离上述棘轮的一侧。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述缠绕组件中，相邻缠绕杆的间距大于或等于200mm；
上述缠绕组件设有三个，相邻缠绕组件的相邻端框通过螺栓连接。
基于第一方面，在可能的实施例中，当上述碳纤维复丝进行缠绕时，一个上述连接轴头与缠绕机的转轴连接，另一个上述连接轴头与缠绕机尾座连接；
当碳纤维复丝进行固化时，一个上述连接轴头与固化炉的转轴连接，另一个上述连接轴头与固化炉尾座连接。
本发明第二方面提供一种基于上述工装的用于碳纤维复丝缠绕制样的方法，其包括步骤：
将浸胶后的碳纤维复丝一端固定至任一固定钩，然后施加张力将上述碳纤维复丝以螺旋形缠绕至缠绕支架上；
将上述碳纤维复丝末端绕过距离上述棘轮最近的固定钩后，固定于挂针，并转动棘轮将上述碳纤维复丝末端张紧；
将上述缠绕制样装置置于固化炉中，对上述碳纤维复丝进行旋转固化；
剪下固化后的碳纤维复丝，制备试样，得到拉伸性能测试的样品。
基于第二方面，在可能的实施例中，上述施加的张力为10-40N。
基于第二方面，在可能的实施例中，上述挂针与上述碳纤维复丝末端通过弹簧或张力计连接；
转动棘轮时，将上述碳纤维复丝末端张紧至与上述施加的张力相同。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，通过将至少六个缠绕杆等间距设置在两个端框之间，使单个缠绕组件的横截面轮廓呈正六边形或正六边形以上的多边形结构，更接近于发动机壳体的缠绕芯模，使浸胶后的碳纤维复丝在缠绕至缠绕组件的过程中，行走轨迹更圆滑，受力更均匀，纤维展开性更好，能够更准确地模拟发动机壳体的缠绕工艺，有利于更准确地表征碳纤维应用于发动机壳体上的实际强度。
(2)本发明的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，通过棘轮机构对碳纤维复丝末端进行固定并张紧，可保证碳纤维复丝固定后不会出现张力松弛，实现碳纤维复丝固化过程中的整体张力恒定，提高样品质量。
(3)本发明的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，挂针通过弹簧或张力计与碳纤维复丝末端连接，在复丝末端张紧过程中，可通过弹簧或张力计测定复丝末端张力，以保证缠绕后的碳纤维复丝整体张力均匀。
(4)本发明的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，可根据制样数量、缠绕机和固化炉的不同要求调整缠绕组件的数量，多个缠绕组件可依次连接，以调整缠绕支架的长度，使单次缠绕制样量大大增加，一方面提高制样效率，降低制样成本，另一方面，单次缠绕制样可满足测试样品数量要求，避免二次缠绕制样中浸胶过程对样品的影响，进而减小误差，使测试数据更准确；对于现阶段，国产碳纤维应用前需要对每卷纤维的拉伸强度进行复验，具有良好的经济效益。
(5)本发明的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，既可在连接在缠绕机上进行碳纤维复丝的缠绕，也可连接在固化炉上，便于缠绕后的碳纤维复丝整体入炉进行旋转固化，避免碳纤维复丝固化时的树脂积聚，影响后续测试结果。
附图说明
图1为本发明实施例中用于碳纤维复丝缠绕制样的工装的结构示意图；
图2为图1中A的放大示意图；
图3为本发明实施例的缠绕组件的结构示意图。
图中：1-缠绕组件，11-端框，12-缠绕杆，13-固定钩，2-支撑架，21-连接轴头，22-支撑环，23-连接杆，3-棘轮机构，31-棘轮，32-棘爪，33-转轴，34-棘爪轴，35-挂针，36-轴承，37-转盘，4-转动手柄。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1和图2所示，本发明提供一种用于碳纤维复丝缠绕制样的工装的实施例，上述缠绕制样装置包括一个缠绕支架、两个支撑架2和至少一个棘轮机构3。
参见图3所示，上述缠绕支架包括至少一个缠绕组件1，上述缠绕组件1包括两个端框11、以及连接两个端框11的缠绕杆12，上述缠绕杆12设有至少六个，且等间距设置于上述两个端框11之间。一个缠绕组件1中，两个端框11的相对侧沿周向均设有多个固定钩13，上述固定钩13开口朝向端框11中心。其中，缠绕杆12与两端的端框11焊接固定。
上述支撑架2分别设置在上述缠绕支架的两侧，用于将缠绕支架连接于缠绕设备或固化设备。
参见图2所示，上述棘轮机构3包括棘轮31和棘爪32，上述棘轮31通过转轴33活动连接在其中一个支撑架2上，上述棘爪32一端通过棘爪轴34连接于上述支撑架2，为了便于棘爪32实现棘轮31的单向转动而反向自锁，棘爪32与棘爪轴34间隙配合，且棘爪32的另一端与棘轮31的外缘齿啮合。上述棘轮31或转轴33上设有挂针35，通过挂针35固定碳纤维复丝的末端时，可通过棘轮机构3实现末端定位张紧，保证末端固定后不会出现张力松弛。
其中，棘轮机构3还可设有多个，以便于对碳纤维复丝末端进行就近固定。
本实施例的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，通过将至少六个缠绕杆12等间距设置在两个端框11之间，使单个缠绕组件1的横截面轮廓呈正六边形或正六边形以上的多边形结构，更接近于发动机壳体的缠绕芯模，使浸胶后的碳纤维复丝在缠绕至缠绕组件1的过程中，行走轨迹更圆滑，受力更均匀，纤维展开性更好，能够更准确地模拟发动机壳体的缠绕工艺，有利于更准确地表征碳纤维应用于发动机壳体上的实际强度。另外，通过棘轮机构3对碳纤维复丝末端进行固定并张紧，可保证碳纤维复丝固定后不会出现张力松弛，实现碳纤维复丝固化过程中的整体张力恒定，提高样品质量。
在上一个实施例的基础上，本实施例中，挂针35通过丝线连接弹簧或张力计，上述弹簧或张力计的另一端用于连接碳纤维复丝。
本实施例中，挂针35通过弹簧或张力计与碳纤维复丝末端连接，在复丝末端张紧过程中，可通过弹簧或张力计实时测定碳纤维复丝末端张力，以保证缠绕后的碳纤维复丝整体张力均匀。另外，由于弹簧具有伸缩性，通过弹簧还可缓冲末端张力。
在第二个实施例的基础上，本实施例中，上述支撑架2包括连接轴头21和支撑环22，上述连接轴头21与支撑环22之间通过多个连接杆23连接。安装有棘轮机构3的支撑架2中，支撑环22远离上述缠绕组件的一侧开设有第一槽口和第二槽口，上述转轴33通过轴承36置于第一槽口，其中，转轴33一端固定于轴承36内圈，轴承36外圈过盈配合安装于第一槽口。上述棘爪轴34过盈配合安装于第二槽口。本实施例中，两个支撑架2的连接杆23数量可以相同也可以不同。
进一步地，上述支撑环22远离连接轴头21的一侧与相邻的端框11连接，可选地，支撑环22与相邻的端框11通过螺栓和螺母连接。上述支撑环22与端框11的横截面均为圆形、正六边形或正六边形以上的多边形结构。
当端框11的横截面为正六边形或正六边形以上的多边形结构时，多个缠绕杆12分别一一对应固定于正多边形的顶点处。
本实施例中，上述转轴33远离支撑架2的一端连接有转动手柄4，上述转轴33位于上述棘轮31与转动手柄4之间的部分固定连接有转盘37，上述挂针35固定于上述转盘37远离上述棘轮31的一侧。在转动棘轮31时，可通过转盘37缠绕丝线，对碳纤维复丝末端进行张紧。
可选地，单个缠绕组件1中，相邻缠绕杆12的间距大于或等于200mm，以便于满足后续制样的长度需求。本实施例中，相邻缠绕杆12的间距为300mm，单个缠绕杆的长度为500mm。
进一步地，上述缠绕组件1设有三个，相邻缠绕组件1的相邻端框11对应加工有对接安装孔，并通过螺栓和螺母连接。当碳纤维复丝绕过相邻两个缠绕组件1的连接处时，也可将碳纤维复丝依次绕过相邻两个端框11的固定钩13进行过渡。
本实施例中，可根据制样数量、缠绕设备和固化设备的不同要求调整缠绕组件1的数量，多个缠绕组件1可依次连接，以调整缠绕支架的长度，使单次缠绕制样量大大增加，一方面提高制样效率，降低制样成本，另一方面，单次缠绕制样可满足测试样品数量要求，避免二次缠绕制样中浸胶过程对样品的影响，进而减小误差，使测试数据更准确。尤其对于现阶段，国产碳纤维应用前需要对每卷纤维的拉伸强度进行复验，具有良好的经济效益。
在上述实施例的基础上，本实施例中，当需要对浸胶后的碳纤维复丝进行缠绕时，一个上述连接轴头21与缠绕机的转轴连接，另一个上述连接轴头21与缠绕机尾座连接。
当对缠绕后的碳纤维复丝进行固化时，一个上述连接轴头21与固化炉的转轴连接，另一个上述连接轴头21与固化炉尾座连接。
本实施例的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，既可在连接在缠绕机上进行碳纤维复丝的缠绕，也可连接在固化炉上，便于缠绕后的碳纤维复丝整体入炉进行旋转固化，避免碳纤维复丝固化时的树脂积聚，影响后续测试结果。
本发明还提供一种基于上述用于碳纤维复丝缠绕制样的工装的缠绕制样方法的实施例，其包括步骤：
S1.将浸胶后的碳纤维复丝一端固定至任一合适位置处的固定钩13上，然后施加张力将碳纤维复丝以螺旋形缠绕至缠绕支架上。相邻碳纤维复丝间隔10mm左右。
S2.缠绕完成后，将上述碳纤维复丝末端绕过距离上述棘轮31最近的固定钩13后，固定在挂针35上，然后转动棘轮31将上述碳纤维复丝末端张紧。
S3.将上述缠绕制样装置置于固化炉中，然后启动固化炉对上述碳纤维复丝进行旋转固化。
S4.剪下固化后的碳纤维复丝，制备试样，得到拉伸性能测试的样品。
本实施例中，上述步骤S1中，将上述碳纤维复丝缠绕至缠绕支架上施加的张力为10-40N。
本实施例中，上述挂针35通过丝线与弹簧或张力计连接，然后弹簧或张力计的另一端与上述碳纤维复丝末端连接。通过弹簧或张力计测定末端张力，以便于在转动棘轮31时，将上述碳纤维复丝末端张紧至与上述施加的张力相同。
本实施例中缠绕制样的具体流程如下：
A1.根据实际需要，选取适当数量的缠绕组件1，与两端的支撑架2通过螺栓和螺母固定连接，组成缠绕制样工装。
A2.将缠绕制样工装安装在缠绕机上，并将浸胶后的碳纤维复丝固定在合适的固定钩13上。
A3.调整缠绕张力为20N，设定缠绕程序，启动缠绕机，将浸胶后的碳纤维复丝缠绕到缠绕支架上。
A4.在复丝缠绕一定长度后，剪断复丝，选择距离复丝缠绕末端最近的棘轮机构3，将复丝末端绕过距离该棘轮机构3最近的固定钩13后，与张力计固定连接，张力计的另一端通过丝线连接挂针35。
A5.转动棘轮31，通过丝线在转盘37上卷绕，使碳纤维复丝末端张紧至20N。
A6.将缠绕制样工装从缠绕机上取下，并安装至固化炉中，与固化炉的旋转机构连接。
A7.启动固化炉进行碳纤维复丝旋转固化。
A8.固化完成后，从缠绕制样工装上剪下固化后的复丝，进行后续的制样工作，得到拉伸性能测试的样品。
碳纤维具有高强度、高模量、耐腐蚀等特点，作为一种国防战略材料，普遍用于航天领域的固体火箭发动机壳体上。由碳纤维复合材料制造的固体发动机壳体具有强度高、刚度大、尺寸稳定等特点。
本实施例的缠绕制样方法，适用于上述各工装，能够更准确地模拟发动机壳体的缠绕工艺，保证碳纤维复丝固定后不会出现张力松弛，实现碳纤维复丝固化过程中的整体张力恒定，有利于更准确地表征碳纤维应用于发动机壳体上的实际强度。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，其特征在于，其包括：
缠绕支架，其包括至少一个缠绕组件(1)，所述缠绕组件(1)包括两个端框(11)、以及连接两个端框(11)的缠绕杆(12)，所述缠绕杆(12)至少设有六个且等间距设置于两个端框(11)之间；两个端框(11)的相对侧沿周向均设有多个固定钩(13)，所述固定钩(13)开口朝向端框(11)中心；
两个支撑架(2)，其分别设置于所述缠绕支架两侧；
至少一个棘轮机构(3)，其包括棘轮(31)和棘爪(32)，所述棘轮(31)通过转轴(33)转动连接于一个支撑架(2)，所述棘爪(32)一端通过棘爪轴(34)连接于所述支撑架(2)，其另一端与棘轮(31)的外缘齿啮合；所述棘轮(31)或转轴(33)上设有挂针(35)。
2.如权利要求1所述的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，其特征在于：所述挂针(35)通过丝线连接弹簧或张力计，所述弹簧或张力计的另一端用于连接碳纤维复丝末端。
3.如权利要求1所述的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，其特征在于：所述支撑架(2)包括连接轴头(21)和支撑环(22)，所述连接轴头(21)与支撑环(22)之间通过多个连接杆(23)连接，连接棘轮机构(3)的支撑环(22)远离所述缠绕组件的一侧开设有第一槽口和第二槽口，所述转轴(33)通过轴承(36)置于第一槽口，所述棘爪轴(34)过盈配合安装于第二槽口。
4.如权利要求3所述的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，其特征在于：所述支撑环(22)远离连接轴头(21)的一侧与相邻的端框(11)连接，所述支撑环(22)与端框(11)的横截面均为圆形、正六边形或正六边形以上的多边形结构；
当所述端框(11)的横截面为正六边形或正六边形以上的多边形结构时，多个缠绕杆(12)分别一一对应固定于正多边形的顶点处。
5.如权利要求1所述的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，其特征在于：所述转轴(33)远离支撑架(2)的一端连接有转动手柄(4)，所述转轴(33)位于所述棘轮(31)与转动手柄(4)之间的部分固定连接有转盘(37)，所述挂针(35)固定于所述转盘(37)远离所述棘轮(31)的一侧。
6.如权利要求1所述的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，其特征在于：所述缠绕组件(1)中，相邻缠绕杆(12)的间距大于或等于200mm；
所述缠绕组件(1)设有三个，相邻缠绕组件(1)的相邻端框(11)通过螺栓连接。
7.如权利要求1所述的用于碳纤维复丝缠绕制样的工装，其特征在于：
当所述碳纤维复丝进行缠绕时，一个所述连接轴头(21)与缠绕机的转轴连接，另一个所述连接轴头(21)与缠绕机尾座连接；
当碳纤维复丝进行固化时，一个所述连接轴头(21)与固化炉的转轴连接，另一个所述连接轴头(21)与固化炉尾座连接。
8.一种基于权利要求1所述工装的用于碳纤维复丝缠绕制样的方法，其特征在于，其包括步骤：
将浸胶后的碳纤维复丝一端固定至任一固定钩(13)，然后施加张力将所述碳纤维复丝以螺旋形缠绕至缠绕支架上；
将所述碳纤维复丝末端绕过距离所述棘轮(31)最近的固定钩(13)后，固定于挂针(35)，并转动棘轮(31)将所述碳纤维复丝末端张紧；
将所述缠绕制样装置置于固化炉中，对所述碳纤维复丝进行旋转固化；
剪下固化后的碳纤维复丝，制备试样，得到拉伸性能测试的样品。
9.如权利要求8所述的用于碳纤维复丝缠绕制样的方法，其特征在于：所述施加的张力为10-40N。
10.如权利要求8或9所述的用于碳纤维复丝缠绕制样的方法，其特征在于：所述挂针(35)与所述碳纤维复丝末端通过弹簧或张力计连接；
转动棘轮(31)时，将所述碳纤维复丝末端张紧至与所述施加的张力相同。
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