CN111660545A - 锥形壳体纤维缠绕成型工装及其等厚度缠绕成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锥形壳体纤维缠绕成型工装及其等厚度缠绕成型方法，该锥形壳体纤维缠绕成型工装包括金属支撑轴、锥形芯模和辅助工装，所述金属支撑轴固定安装于锥形芯模大径端面的中心处，所述辅助工装可拆卸地连接于锥形芯模小径端部，所述金属支撑轴、锥形芯模和辅助工装同轴线设置；该锥形壳体等厚度缠绕成型方法，主要包括以下步骤：S10：设计缠绕路径；S20：编制加工程序；S30试机缠绕；S40：纤维湿法缠绕；S50：小端圆弧面造型；S60：加热固化成型。本发明可实现大角度圆锥表面上缠绕时各部位的厚度均匀性，避免厚度堆积，以满足对电磁波信号的透波要求；制作效率更高、成本更低，结构简单、工艺简便。

Description

锥形壳体纤维缠绕成型工装及其等厚度缠绕成型方法
技术领域
本发明涉及复合材料制品纤维缠绕成型技术领域，具体涉及为一种锥形壳体纤维缠绕成型工装及其等厚度缠绕成型方法。
背景技术
雷达天线罩主要承担者保护天线设备正常工作的作用，还要确保飞行器的电气性能和机动性能。天线罩一般采用绝缘非金属材料整体成型，玻璃纤维增强树脂基复合材料是一种广泛应用的雷达天线罩材料，其应用频段主要在10GHz范围内，其它增强体主要有石英纤维、石墨纤维和芳纶纤维，基体可采用聚酯、环氧和氰酸酯树脂等。
目前国内进行天线罩研发和生产的天线罩大多数采用模压成型或编织成型法制备雷达天线罩，广泛用于民航、气象和国防等领域，模压成型或编织成型法具有工艺复杂，成型周期长的特点。
纤维缠绕成型技术具有效率高的优点，传统的纤维缠绕成型采用测地线角度在锥形芯模上缠绕时厚度不均匀，严重影响电磁波的透波性能。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的不足，提出了一种锥形壳体纤维缠绕成型工装及其等厚度缠绕成型方法，在大角度圆锥表面上缠绕时实现各部位的厚度均匀性，避免厚度堆积，以满足对电磁波信号的透波要求，具有成型效率高、工艺简便、成本低的特点。
为实现上述效果，本发明采用的技术方案为：
一种锥形壳体纤维缠绕成型工装，包括金属支撑轴、锥形芯模和辅助工装，所述金属支撑轴固定安装于锥形芯模大径端面的中心处，所述辅助工装可拆卸地连接于锥形芯模小径端部，所述金属支撑轴、锥形芯模和辅助工装同轴线设置。
进一步的，所述辅助工装为空心圆柱体结构，其外径尺寸与锥形芯模小径端部的直径尺寸相同，并通过螺栓紧固于锥形芯模的小径端部。
还提出了一种基于所述锥形壳体纤维缠绕成型工装的锥形壳体等厚度缠绕成型方法，主要包括以下步骤：
S10：依据所成型的锥形壳体的尺寸设计相应的纤维缠绕角变化：纤维在锥形芯模上为实现厚度均匀所需的缠绕角变化公式为
Figure BDA0002476992200000011
纤维在辅助工装上的缠绕路径采用非测地线缠绕角；
S20：根据整体的缠绕角变化，结合中心转角方程以及对应的缠绕数学模型，通过动静坐标系转换建立缠绕机各轴轨迹方程，缠绕机的导丝嘴与芯模的表面保持等距，将导丝嘴运动轨迹求解出的绝对坐标点转换为适用于缠绕机系统的G代码文件，用于数控缠绕机成型；
S30：将成型工装组装后装夹于缠绕机上，将生成的G代码加工程序输入到缠绕机中进行线型的试缠绕；
S40：配置环氧树脂溶液，并置于缠绕机的胶槽中，将纱架上的玻璃纤维纱束穿过胶槽并在导丝嘴的引导下缠绕到锥形芯模上，往返重复多次缠绕达到所需壳体厚度为止，形成锥形壳体坯件；
S50：移除锥形芯模小径端部的辅助工装，使用弧形模具模压锥形芯模小径端部的复合材料，从而在锥形壳体坯件的圆锥小端处形成一个圆弧面；
S60：将锥形壳体坯件和锥形芯模整体放置于固化炉中，进行加热固化，固化完毕后拆去锥形芯模，对锥形壳体坯件的圆锥小端进行适当的加工处理得到最终的等厚度锥形壳体。
进一步的，在步骤S10中，纤维的缠绕路径由锥形芯模的大径端至小径端对应的缠绕角变化为90°～55°、由锥形芯模的小径端至辅助工装末端对应的缠绕角变化为55°～90°。
进一步的，在步骤S40中，所述环氧树脂溶液采用环氧树脂和固化剂按照质量比100：108均匀混合而成。
进一步的，在步骤S60中，固化温度不高于120℃，固化时间不低于4.5h。
与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过在锥形壳体纤维缠绕成型工装的表面采用等厚度缠绕成型的方式，可实现大角度圆锥表面上缠绕时各部位的厚度均匀性，避免厚度堆积，以满足对电磁波信号的透波要求；
2、本发明的等厚度缠绕成型方法相比其它成型方式效率更高、成本更低，结构简单、工艺简便。
附图说明
图1为本发明锥形壳体纤维缠绕成型工装及缠绕路径的整体结构示意图；
图2为本发明等厚度缠绕成型的锥形壳体结构示意图；
图3为本发明锥形壳体纤维缠绕成型的等厚度缠绕成型的工艺流程图。
图中：1金属支撑轴、2锥形芯模、3辅助工装、4缠绕路径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，一种锥形壳体纤维缠绕成型工装，包括金属支撑轴1、锥形芯模2和辅助工装3，所述金属支撑轴1固定安装于锥形芯模2大径端面的中心处，所述辅助工装3可拆卸地连接于锥形芯模2小径端部，所述金属支撑轴1、锥形芯模2和辅助工装3同轴线设置。
本实施例中，金属支撑轴1与锥形芯模2为一体结构，或通过焊接、螺纹连接、过盈插接配合等任意方式固定连接，辅助工装3则通过端面中心处的螺栓紧固于锥形芯模2的小径端部。
所述辅助工装3为空心圆柱体结构，其外径尺寸与锥形芯模2小径端部的直径尺寸相同，使得辅助工装3的表面与锥形芯模2的表面能够连续衔接。本实施例中，所述锥形芯模2大端直径为300mm，小端直径为30mm，其水平长度为500mm。辅助工装的外径为30mm，长度为50mm。
请参阅图3，基于所述锥形壳体纤维缠绕成型工装的锥形壳体等厚度缠绕成型方法，主要包括以下步骤：
S10：依据所成型的锥形壳体的尺寸设计相应的纤维缠绕角变化：纤维在锥形芯模上为实现厚度均匀所需的缠绕角变化公式为
Figure BDA0002476992200000031
其中R0为锥形芯模大端直径，α0为锥形芯模大端缠绕角，r为锥形芯模各点直径，α为芯模各点对应的缠绕角。纤维在辅助工装上的缠绕路径采用非测地线缠绕角。
此处缠绕角是指纤维缠绕路径在轴线所在平面的投影线与轴线间的夹角。本实施例中，纤维由锥形芯模2的大径端开始缠绕，且起始处对应的缠绕角为90°；纤维由锥形芯模2的大径端逐渐向小径端进行连续缠绕时，随着锥形芯模2直径的变小，缠绕角度随之减小，在锥形芯模2小径端处对应的缠绕角为55°，即纤维在整个锥形芯模2表面上的缠绕角度变化为90°～55°。纤维在辅助工装上的缠绕缠绕角度变化为55°～90°，从而纤维在芯模整体上的缠绕角度变化过程为90°～55°～90°。
S20：根据整体的缠绕角变化，结合中心转角方程以及对应的运动缠绕数学模型，通过动静坐标系转换建立适合四轴缠绕机各轴轨迹方程，缠绕机的导丝嘴与芯模的表面保持等距，将导丝嘴运动轨迹求解出的绝对坐标点转换为适用于缠绕机系统的G代码文件，用于数控缠绕机成型。
S30：将成型工装组装后装夹于缠绕机上，将生成的G代码加工程序输入到缠绕机中，采用两股纤维纱进行线型试缠绕；
S40：配置环氧树脂溶液，并置于缠绕机的胶槽中，将纱架上的玻璃纤维穿过胶槽并在导丝嘴的引导下缠绕到锥形芯模上，往返重复多次缠绕达到所需壳体厚度为止，形成锥形壳体坯件；
本实施例中，所述环氧树脂溶液采用环氧树脂和固化剂按照质量比100：108均匀混合而成。
在纤维缠绕成型之前，在锥形芯模的表面粘贴一层脱模布，以便成型加工完成后锥形芯模2与成型制得的锥形壳体的脱模操作，且在每次的缠绕过程中需使用刮板刮除多余树脂溶液。本实施例中，锥形壳体的纤维缠绕层数为20层，锥形壳体的厚度为5mm。
S50：移除锥形芯模小径端部的辅助工装，使用弧形模具模压锥形芯模小径端部的复合材料，从而在锥形壳体坯件的圆锥小端处形成一个圆弧面；
具体的，通过弧形模具模压锥形壳体小端处的复合材料，并剪去多余的材料，反复多次从而在圆锥小端处形成一个圆弧面，并将与锥形壳体小端处外表面等尺寸的模具压在圆弧面上，并将该模具通过螺栓固定连接于锥形芯模2的小径端，以保证锥形壳体小端处形状的保持。
S60：将锥形壳体坯件和锥形芯模整体放置于固化炉中，进行加热固化，固化完毕后拆去锥形芯模，对锥形壳体坯件的圆锥小端进行适当的加工处理得到最终的等厚度锥形壳体。
本步骤中，固化温度不高于120℃，固化时间不低于4.5h。具体的固化技术参数为：室温升温10min达到80℃，在100℃保温1h，从80℃升温10min达到100℃，在100℃保温1h，从100℃升温10min达到120℃，在120℃保温2h，随后进行自然冷却。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种锥形壳体纤维缠绕成型工装，其特征在于：包括金属支撑轴(1)、锥形芯模(2)和辅助工装(3)，所述金属支撑轴(1)固定安装于锥形芯模(2)大径端面的中心处，所述辅助工装(3)可拆卸地连接于锥形芯模(2)小径端部，所述金属支撑轴(1)、锥形芯模(2)和辅助工装(3)同轴线设置。
2.根据权利要求1所述的一种锥形壳体纤维缠绕成型工装，其特征在于：所述辅助工装(3)为空心圆柱体结构，其外径尺寸与锥形芯模(2)小径端部的直径尺寸相同，并通过螺栓紧固于锥形芯模(2)的小径端部。
3.一种基于权利要求1或2所述的锥形壳体纤维缠绕成型工装的锥形壳体等厚度缠绕成型方法，主要包括以下步骤：
S10：依据所成型的锥形壳体的尺寸设计相应的纤维缠绕角变化：纤维在锥形芯模上为实现厚度均匀所需的缠绕角变化公式为
Figure FDA0002476992190000011
纤维在辅助工装上的缠绕路径采用非测地线缠绕角；
S20：根据整体的缠绕角变化，结合中心转角方程以及对应的缠绕数学模型，通过动静坐标系转换建立缠绕机各轴轨迹方程，并转换为适用于缠绕机系统的G代码文件，用于数控加工缠绕机成型；
S30：将成型工装组装后装夹于缠绕机上，将生成的G代码加工程序输入到缠绕机中进行线型的试缠绕；
S40：配置环氧树脂溶液，并置于缠绕机的胶槽中，将纱架上的玻璃纤维纱束穿过胶槽并在导丝嘴的引导下缠绕到锥形芯模上，往返重复多次缠绕达到所需壳体厚度为止，形成锥形壳体坯件；
S50：移除锥形芯模小径端部的辅助工装，使用弧形模具模压锥形芯模小径端部的复合材料，从而在锥形壳体坯件的圆锥小端处形成一个圆弧面；
S60：将锥形壳体坯件和锥形芯模整体放置于固化炉中，进行加热固化，固化完毕后拆去锥形芯模，对锥形壳体坯件的圆锥小端进行适当的加工处理得到最终的等厚度锥形壳体。
4.根据权利要求3所述的锥形壳体等厚度缠绕成型方法，其特征在于：在步骤S10中，纤维的缠绕路径由锥形芯模的大径端至小径端对应的缠绕角变化为90°～55°、由锥形芯模的小径端至辅助工装末端对应的缠绕角变化为55°～90°。
5.根据权利要求3所述的锥形壳体等厚度缠绕成型方法，其特征在于：在步骤S40中，所述环氧树脂溶液采用环氧树脂和固化剂按照质量比100：108均匀混合而成。
6.根据权利要求3所述的锥形壳体等厚度缠绕成型方法，其特征在于：在步骤S60中，固化温度不高于120℃，固化时间不低于4.5h。
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