CN113085056A - 一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置及方法 - Google Patents

一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置及其方法，本发明将热塑性预浸纱纱盘中的预浸纱牵引至续接模具内，夹紧块固定热塑性预浸纱后续接上模下压，使续接的热塑性预浸纱紧密贴合；加热控制单元实时控制续接模具温度；压力控制单元加压至设定压力，保温保压一定时间；冷却单元以一定冷却速度冷却续接模具至玻璃化转变温度以下，续接上模抬起，热塑性预浸纱续接完成；本发明为热续接，预浸纱升温快且受热均匀、无应力集中，续接接头质量优异，接头承载能力高，解决了热塑性预浸纱长度受限导致的张力换纱处的张力松弛，保证高预应力成型过程中大张力施加，提高了高预应力制件制备效率，为高预应力成型工艺提供了技术支持。

Description

一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置及方法
技术领域
本发明属于热塑性复合材料高预应力成型技术领域，具体涉及一种高预应力成型用热塑性树脂性预浸纱快速热续接装置及方法。
背景技术
热塑性复合材料因其优异的综合性能、成型周期短、生产效率高等特点，引起了诸如航空航天、军事工业、汽车等行业的广泛关注。料热塑性复合材料可实现原位固结成型，高预应力成型过程中施加张力水平高（＞500MPa）、张力保持率高，适用于电机护套等预应力要求较高的制件的制造，实现制件的高预应力成型。
高预应力成型过程中，通常用窄带预浸纱用于高预应力制件制备，其施加预应力水平较高。但实际成型过程中，热塑性预浸纱长度有限，制件高预应力制备过存在一定次数换纱，而换纱后张力重新施加，导致该层张力松弛、张力分布不均，影响高预应力制件最终应力分布；换纱的增加，制件成型周期延长，影响高预应力制件制备效率；重新接纱时，接纱位置易偏离实际断纱点，导致接纱处易明显的重叠或间隙，制件表面出现起伏，影响高预应力制件张力施加及制件表面质量。
目前，对于预浸纱长度受限产生的断纱，导致热塑性复合材料高预应力成型工艺中张力稳定施加、成型效率延长、制件质量的预浸纱续接缺问题缺乏解决措施。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，提供一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置及方法，解决高预应力成型工艺中张力施加不均匀、制件制备效率有限等问题，实现连续纤维增强热塑性树脂基复合材料高效高质量制备。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，包括续接主平台，其中：续接主平台上安装有续接上模和续接下模，续接上模位于续接下模上方，续接主平台上还安装有放纱纱盘、收纱纱盘以及加热装置，放纱纱盘上绕有放纱单元预浸纱,收纱纱盘上绕有收纱单元预浸纱，放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱的对接部能置于续接下模上叠放，续接上模能下压在续接下模上，压紧放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱，加热装置能对续接上模和续接下模之间的放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱加热，使二者续接。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的续接下模上端设置有凹槽，续接上模下端设置有与凹槽对应的凸棱，放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱的对接部置于凹槽内，凸棱能下移至凹槽内，压紧放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱。
上述的加热装置安装在续接下模中，续接上模中安装有续接冷却单元，续接冷却单元用于对放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱冷却。
上述的放纱纱盘通过放纱纱盘支座安装在续接主平台上，放纱纱盘支座与续接主平台固定连接，放纱纱盘能相对于放纱纱盘支座转动，收纱纱盘通过收纱纱盘支座安装在续接主平台上，收纱纱盘支座与续接主平台固定连接，收纱纱盘能相对于收纱纱盘支座转动；放纱纱盘和收纱纱盘上均安装有锁紧结构，锁紧结构能使放纱纱盘与放纱纱盘支座固定配合，收纱纱盘与收纱纱盘支座固定配合。
上述的锁紧结构包括插拔销和锁紧块，放纱纱盘支座和收纱纱盘支座均包括纱盘法兰和纱盘座体，纱盘座体下端与续接主平台固定连接，纱盘座体上端通过涨紧套与纱盘法兰固定连接，纱盘法兰的法兰面与相应的纱盘盘面贴近配合，插拔销能同时穿过纱盘法兰和纱盘盘面，并通过锁紧块锁紧固定，使纱盘与对应的纱盘支座固定配合。
上述的续接主平台在续接上模和续接下模的两侧均安装有导向定位块和定位夹持块，放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱同时穿过导向定位块，通过导向定位块相互对齐，定位夹持块用于将放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱固定在导向定位块上。
上述的续接上模通过续接上模连接件与气缸单元连接，气缸单元固定在气缸安装板上，气缸安装板安装在侧板上端，侧板固定安装在续接主平台的一侧，气缸单元能推动续接上模上下移动。
上述的续接主平台上安装有控制装置，控制装置包括压力控制单元、加热控制单元以及冷却控制单元，加热装置包括热电偶和加热管，热电偶和加热管均与加热控制单元连接，热电偶用于感应温度，并将温度信息传递至加热控制单元，加热控制单元控制加热管加热功率，冷却控制单元用于控制续接冷却单元注入冷水，压力控制单元用于控制气缸单元下压压力。
上述的放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱为高性能热塑性树脂和高性能碳纤维的组合物：高性能热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚酰亚胺中的一种；高性能碳纤维为T700或T800级碳纤维中的一种；放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱规格为6.35mm或12.7mm宽预浸纱中的一种。
续接装置续接高预应力成型用热塑性预浸纱的方法，包括以下步骤：
步骤一：放纱纱盘和收纱纱盘分别安装于续接主平台两侧，沿导向定位块引出放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱后，将放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱采用单搭接方式置于续接下模凹槽内，锁紧结构锁住放纱纱盘和收纱纱盘，并使用定位夹持块固定放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱，压力控制单元控制气缸单元使续接上模下压，使续接上模凸棱下移至续接下模凹槽内，压紧放纱单元预浸纱和收纱单元预浸纱，保证预浸纱紧密贴合；
步骤二：通过加热控制单元控制加热装置加热温度范围，加热装置对续接下模凹槽内的预浸纱进行加热，加热控制单元显示温度达到设定温度后，压力控制单元控制气缸单元加压，预浸纱续接开始；
步骤三：保温保压一段时间后，关闭加热控制单元，通过冷却控制单元控制续接冷却单元注入冷水，实现续接位置的快速冷却，续接位置温度低于100℃时，关闭续接冷却单元，压力控制单元控制气缸单元将续接上模抬起，定位夹持块松开，取出续接后的预浸纱接头，高预应力成型用热塑性预浸纱续接结束。
步骤二中，加热控制单元控制加热装置加热的温度范围为200～400℃。
步骤二中，压力控制单元控制气缸单元加压的压力为1～2.5MPa。
本发明高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置及方法利用热传导方式实现高预应力成型用热塑性预浸纱的快速续接，具有以下有益效果：
1、热传导的方式加热续接接头，温控控制单元实现续接模具温度的精确控制，配合压力控制单元实现热塑性预浸纱的续接，续接接头受热均匀、压力稳定；
2、利用热塑性预浸纱的原位固结的特点，热塑性预浸纱厚度小，传热快，可在较短时间内完成树脂的熔融和固结，提高了续接效率；
3、通过导向定位保证续接过程中接头位置准确，夹紧定位块夹紧预浸纱保证续接过程中预浸纱无褶皱、应力集中等缺陷，续接时控制冷却速度，提高续接接头界面连接强度，在高预应力成型中，接头可施加大张力（＞300N），接头承载特性优异，满足高预应力要求。
附图说明
图1是本发明连续纤维增强热塑性性树脂基复合材料预浸纱续接装置的结构示意图；
图2是放纱纱盘和收纱纱盘正反面的结构示意图；
图3是续接上模和续接下模安装在续接主平台上的结构示意图。
图中标记名称：1.气缸单元；2.续接上模；3.续接冷却单元；4.导向定位块；5.定位夹持块；6.放纱单元预浸纱；7.放纱纱盘；8.放纱纱盘支座；9.加热装置；10.续接下模；11.收纱单元预浸纱；12.收纱纱盘；13.收纱纱盘支座；14.续接主平台；15.压力控制单元；16.加热控制单元；17.冷却控制单元；18.续接上模连接件；19.侧板；20.单纱纱盘；21.纱盘法兰；22.插拔销；23.纱盘座体；24.涨紧套；25.锁紧块；26.气缸固定板；27.续接平台底板；28.热电偶；29.加热管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1至图3所示，本实施例的一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，包括续接主平台14，其中：续接主平台14上安装有续接上模2和续接下模10，续接上模2位于续接下模10上方，续接主平台14上还安装有放纱纱盘7、收纱纱盘12以及加热装置9，放纱纱盘7上绕有放纱单元预浸纱6,收纱纱盘12上绕有收纱单元预浸纱11，放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11的对接部能置于续接下模10上叠放，续接上模2能下压在续接下模10上，压紧放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11，加热装置9能对续接上模2和续接下模10之间的放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11加热，使二者续接。
实施例中，续接下模10上端设置有凹槽，续接上模2下端设置有与凹槽对应的凸棱，放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11的对接部置于凹槽内，凸棱能下移至凹槽内，压紧放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11。
实施例中，加热装置9安装在续接下模10中，续接上模2中安装有续接冷却单元3，续接冷却单元3用于对放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11冷却。
实施例中，放纱纱盘7通过放纱纱盘支座8安装在续接主平台14上，放纱纱盘支座8与续接主平台14固定连接，放纱纱盘7能相对于放纱纱盘支座8转动，收纱纱盘12通过收纱纱盘支座13安装在续接主平台14上，收纱纱盘支座13与续接主平台14固定连接，收纱纱盘12能相对于收纱纱盘支座13转动；放纱纱盘7和收纱纱盘12上均安装有锁紧结构，锁紧结构能使放纱纱盘7与放纱纱盘支座8固定配合，收纱纱盘12与收纱纱盘支座13固定配合。
实施例中，锁紧结构包括插拔销22和锁紧块25，放纱纱盘支座8和收纱纱盘支座13均包括纱盘法兰21和纱盘座体23，纱盘座体23下端与续接主平台14固定连接，纱盘座体23上端通过涨紧套24与纱盘法兰21固定连接，纱盘法兰21的法兰面与相应的纱盘盘面贴近配合，插拔销22能同时穿过纱盘法兰21和纱盘盘面，并通过锁紧块25锁紧固定，使纱盘与对应的纱盘支座固定配合。
实施例中，续接主平台14在续接上模2和续接下模10的两侧均安装有导向定位块4和定位夹持块5，放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11同时穿过导向定位块4，通过导向定位块4相互对齐，定位夹持块5用于将放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11固定在导向定位块4上。
实施例中，续接上模2通过续接上模连接件18与气缸单元1连接，气缸单元1固定在气缸安装板26上，气缸安装板26安装在侧板19上端，侧板19固定安装在续接主平台14的一侧，气缸单元1能推动续接上模2上下移动，气缸单元1采用倍力气缸，可保证不增加缸径的条件下保证气缸压力满足设计要求。
实施例中，续接主平台14上安装有控制装置，控制装置包括压力控制单元15、加热控制单元16以及冷却控制单元17，加热装置9包括热电偶28和加热管29，热电偶28和加热管29均与加热控制单元16连接，热电偶28用于感应温度，并将温度信息传递至加热控制单元16，加热控制单元16控制加热管29加热功率，冷却控制单元17用于控制续接冷却单元3注入冷水，压力控制单元15用于控制气缸单元1下压压力。
实施例中，放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11为高性能热塑性树脂和高性能碳纤维的组合物：高性能热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚酰亚胺中的一种；高性能碳纤维为T700或T800级碳纤维中的一种；放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11规格为6.35mm或12.7mm宽预浸纱中的一种。
续接装置续接高预应力成型用热塑性预浸纱的方法，包括以下步骤：
步骤一：放纱纱盘7和收纱纱盘12分别安装于续接主平台14两侧，沿导向定位块4引出放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11后，将放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11采用单搭接方式置于续接下模10凹槽内，锁紧结构锁住放纱纱盘7和收纱纱盘12，并使用定位夹持块5固定放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11，压力控制单元15控制气缸单元1使续接上模2下压，使续接上模2凸棱下移至续接下模10凹槽内，压紧放纱单元预浸纱6和收纱单元预浸纱11，保证预浸纱紧密贴合；
步骤二：通过加热控制单元16控制加热装置9加热温度范围，加热装置9对续接下模10凹槽内的预浸纱进行加热，加热控制单元16显示温度达到设定温度后，压力控制单元15控制气缸单元1加压，预浸纱续接开始；
步骤三：保温保压一段时间后，关闭加热控制单元16，通过冷却控制单元17控制续接冷却单元3注入冷水，实现续接位置的快速冷却，续接位置温度低于100℃时，关闭续接冷却单元3，压力控制单元15控制气缸单元1将续接上模2抬起，定位夹持块5松开，取出续接后的预浸纱接头，高预应力成型用热塑性预浸纱续接结束。
步骤二中，加热控制单元16控制加热装置9加热的温度范围为200～400℃。
步骤二中，压力控制单元15控制气缸单元1加压的压力为1～2.5MPa。
以下以一具体实施例对本发明进行解释：
对宽度为12.7mm的T700/PEEK热塑性预浸纱进行续接，具体包括以下步骤：
步骤一：放纱纱盘7和收纱纱盘12分别安装于续接主平台14两侧，插拔销22限制纱盘的轴向移动，沿导向定位块4引出T700/PEEK热塑性预浸纱后，采用单搭接方式置于续接下模10凹槽内，并使用定位夹持块5固定T700/PEEK热塑性预浸纱，压力控制单元15控制续接上模2下压，保证热塑性预浸纱紧密贴合；
步骤二：通过加热控制单元16控制续接下模10加热温度范围，加热装置9安装于续接下模10，对续接下模10凹槽内的T700/PEEK热塑性预浸纱进行加热，根据T700/PEEK热塑性预浸纱成型工艺要求，通过加热控制单元设定加热温度为390℃，控制单元显示温度达到设定温度后，通过压力控制单元15设定续接压力为1.7MPa，压力控制单元15加压，热塑性预浸纱续接开始；
步骤三：保温保压一段时间后，关闭加热控制单元16，通过冷却控制单元17控制续接模具冷却速度，续接冷却单元3为布置于续接上模2内的冷却水道，实现续接接头的快速冷却，续接模具温度低于100℃时，关闭冷却控制单元17，压力控制单元控制续接上模2抬起，定位夹持块5松开，取出续接接头，高预应力成型用热塑性预浸纱续接结束，完成续接接头快速制备。
本发明实例所得续接接头的最大破坏载荷为1500N，实际高预应力制备过程中，该接头能满足300MPa级预应力成型，接头完整、承载特性良好，有效减少了高预应力成型中的应力松弛，高预应力制备周期大大缩短，制件应力水平提高显著。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，包括续接主平台(14)，其特征是：所述的续接主平台(14)上安装有续接上模(2)和续接下模(10)，所述的续接上模(2)位于续接下模(10)上方，续接主平台(14)上还安装有放纱纱盘(7)、收纱纱盘(12)以及加热装置(9)，所述的放纱纱盘(7)上绕有放纱单元预浸纱(6),收纱纱盘(12)上绕有收纱单元预浸纱(11)，所述的放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)的对接部能置于续接下模(10)上叠放，所述的续接上模(2)能下压在续接下模(10)上，压紧放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)，加热装置(9)能对续接上模(2)和续接下模(10)之间的放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)加热，使二者续接。
2.根据权利要求1所述的一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，其特征是：所述的续接下模(10)上端设置有凹槽，所述的续接上模(2)下端设置有与凹槽对应的凸棱，所述的放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)的对接部置于凹槽内，凸棱能下移至凹槽内，压紧放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)。
3.根据权利要求2所述的一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，其特征是：所述的加热装置(9)安装在续接下模(10)中，所述的续接上模(2)中安装有续接冷却单元(3)，所述的续接冷却单元(3)用于对放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)冷却。
4.根据权利要求3所述的一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，其特征是：所述的放纱纱盘(7)通过放纱纱盘支座(8)安装在续接主平台(14)上，所述的放纱纱盘支座(8)与续接主平台(14)固定连接，放纱纱盘(7)能相对于放纱纱盘支座(8)转动，所述的收纱纱盘(12)通过收纱纱盘支座(13)安装在续接主平台(14)上，所述的收纱纱盘支座(13)与续接主平台(14)固定连接，收纱纱盘(12)能相对于收纱纱盘支座(13)转动；所述的放纱纱盘(7)和收纱纱盘(12)上均安装有锁紧结构，所述的锁紧结构能使放纱纱盘(7)与放纱纱盘支座(8)固定配合，收纱纱盘(12)与收纱纱盘支座(13)固定配合。
5.根据权利要求4所述的一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，其特征是：所述的锁紧结构包括插拔销(22)和锁紧块(25)，所述的放纱纱盘支座(8)和收纱纱盘支座(13)均包括纱盘法兰(21)和纱盘座体(23)，所述的纱盘座体(23)下端与续接主平台(14)固定连接，纱盘座体(23)上端通过涨紧套(24)与纱盘法兰(21)固定连接，纱盘法兰(21)的法兰面与相应的纱盘盘面贴近配合，所述的插拔销(22)能同时穿过纱盘法兰(21)和纱盘盘面，并通过锁紧块(25)锁紧固定，使纱盘与对应的纱盘支座固定配合。
6.根据权利要求4所述的一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，其特征是：所述的续接主平台(14)在续接上模(2)和续接下模(10)的两侧均安装有导向定位块(4)和定位夹持块(5)，放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)同时穿过导向定位块(4)，通过导向定位块(4)相互对齐，所述的定位夹持块(5)用于将放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)固定在导向定位块(4)上；所述的续接上模(2)通过续接上模连接件(18)与气缸单元(1)连接，所述的气缸单元(1)固定在气缸安装板(26)上，所述的气缸安装板(26)安装在侧板(19)上端，所述的侧板(19)固定安装在续接主平台(14)的一侧，所述的气缸单元(1)能推动续接上模(2)上下移动。
7.根据权利要求6所述的一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，其特征是：所述的续接主平台(14)上安装有控制装置，所述的控制装置包括压力控制单元(15)、加热控制单元(16)以及冷却控制单元(17)，所述的加热装置(9)包括热电偶(28)和加热管(29)，所述的热电偶(28)和加热管(29)均与加热控制单元(16)连接，热电偶(28)用于感应温度，并将温度信息传递至加热控制单元(16)，加热控制单元(16)控制加热管(29)加热功率，所述的冷却控制单元(17)用于控制续接冷却单元(3)注入冷水，压力控制单元(15)用于控制气缸单元(1)下压压力。
8.根据权利要求7所述的一种高预应力成型用热塑性预浸纱续接装置，其特征是：所述的放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)为高性能热塑性树脂和高性能碳纤维的组合物：所述的高性能热塑性树脂为聚醚醚酮、聚苯硫醚或聚酰亚胺中的一种；所述的高性能碳纤维为T700或T800级碳纤维中的一种；所述的放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)规格为6.35mm或12.7mm宽预浸纱中的一种。
9.如权利要求7所述的续接装置续接高预应力成型用热塑性预浸纱的方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一：放纱纱盘(7)和收纱纱盘(12)分别安装于续接主平台(14)两侧，沿导向定位块(4)引出放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)后，将放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)采用单搭接方式置于续接下模(10)凹槽内，锁紧结构锁住放纱纱盘(7)和收纱纱盘(12)，并使用定位夹持块(5)固定放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)，压力控制单元(15)控制气缸单元(1)使续接上模(2)下压，使续接上模(2)凸棱下移至续接下模(10)凹槽内，压紧放纱单元预浸纱(6)和收纱单元预浸纱(11)，保证预浸纱紧密贴合；
步骤二：通过加热控制单元(16)控制加热装置(9)加热温度范围，加热装置(9)对续接下模(10)凹槽内的预浸纱进行加热，加热控制单元(16)显示温度达到设定温度后，压力控制单元(15)控制气缸单元(1)加压，预浸纱续接开始；
步骤三：保温保压一段时间后，关闭加热控制单元(16)，通过冷却控制单元(17)控制续接冷却单元(3)注入冷水，实现续接位置的快速冷却，续接位置温度低于100℃时，关闭续接冷却单元(3)，压力控制单元(15)控制气缸单元(1)将续接上模(2)抬起，定位夹持块(5)松开，取出续接后的预浸纱接头，高预应力成型用热塑性预浸纱续接结束。
10.根据权利要求9所述的高预应力成型用热塑性预浸纱续接方法，其特征是：步骤二中，加热控制单元(16)控制加热装置(9)加热的温度范围为200～400℃；压力控制单元(15)控制气缸单元(1)加压的压力为1～2.5MPa。
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