CN113334745A - 一种高质量多束纤维环向缠绕方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纤维缠绕方法技术领域,具体涉及一种高质量多束纤维环向缠绕方法,纤维卷筒引出的单束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕,纤维卷筒设有若干个,若干个纤维卷筒沿待缠绕件的周向分布;将各纤维卷筒上缠绕的单束纤维通过导丝头汇聚,各单束纤维并排形成多束纤维,多束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕;缠绕时,待缠绕件处于静止状态,导丝头和若干个纤维卷筒沿待缠绕件的周向进行旋转以及沿待缠绕件的轴向进行移动。将单束纤维汇聚形成多束纤维,多束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕;多束纤维的宽度大于单束纤维,进而可以更快完成对待缠绕件表面的缠绕,从而可以提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于纤维缠绕方法技术领域,具体涉及一种高质量多束纤维环向缠绕方法。
背景技术
纤维缠绕是压力容器成型过程中重要环节之一。缠绕效率与质量直接决定了压力容器等零部件的生产效率、性能与寿命。目前,随着新型材料的发展,赋予了纤维缠绕工艺广阔的发展前景,纤维缠绕工艺主要分为螺旋缠绕工艺与环向缠绕工艺,螺旋缠绕工艺主要提高了压力容器等零部件轴向强度,环向缠绕工艺主要为了提高零部件的周向强度。
纤维缠绕工艺目前主要应用在氢能、航空航天、建筑等行业,未来还将扩展到其他产业领域。目前在环向缠绕工艺方面,主要采用单束纤维环向缠绕,该工艺缠绕效率低,而且目前的工艺无法实现连续性生产,整个缠绕过程中有人工干预的环节。
发明内容
针对上述技术问题,本发明提供了一种高质量多束纤维环向缠绕方法,该方法可以实现多线束的环向缠绕,可以提高生产效率。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种高质量多束纤维环向缠绕方法,纤维卷筒引出的单束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕,纤维卷筒设有若干个,若干个纤维卷筒沿待缠绕件的周向分布;将各纤维卷筒上缠绕的单束纤维通过导丝头汇聚,各单束纤维并排形成多束纤维,多束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕;缠绕时,待缠绕件处于静止状态,导丝头和若干个纤维卷筒沿待缠绕件的周向进行旋转以及沿待缠绕件的轴向进行移动。
各纤维卷筒可以沿自身轴线进行旋转。
各纤维卷筒上缠绕的纤维为预浸料。
单束纤维通过导丝头汇聚形成多束纤维时,对多束纤维或单束纤维进行浸胶。
各纤维卷筒引出的单束纤维先通过张力控制器进行张力控制后,再通过导丝头汇聚形成多束纤维。
通过导丝头汇聚形成的多束纤维竖直引向待缠绕件表面。
待缠绕件为瓶体,瓶体的材质为树脂或金属;当瓶体材质为树脂时,缠绕时对其内部充填气体。
充填气体的气压为0.2MPa。
缠绕时进行加热,加热装置随导丝头一同进行轴向移动,对完成缠绕的部分加热进行初始固化,起到固定缠绕线型的作用。
多束纤维的端部通过机械手固定在待缠绕件表面进行缠绕,缠绕后通过机械手将多束纤维剪断。
纤维卷筒上缠绕的单束纤维为碳纤维或玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维。
本发明与现有技术相比,具有的有益效果是:
将单束纤维汇聚形成多束纤维,多束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕;多束纤维的宽度大于单束纤维,可以更快完成对待缠绕件表面的缠绕,从而可以提高生产效率。
缠绕时,待缠绕件处于静止状态,导丝头和若干个纤维卷筒沿待缠绕件的周向进行旋转以及沿待缠绕件的轴向进行移动。这样不仅可以提高缠绕效果,还克服了现有方式中由于待缠绕件处于运动状态、纤维也处于运动状态,而导致的缠绕不紧密以及缠绕过程不平稳、不易控制的缺陷。
相较于传统的通过待缠绕件拉动纤维束而言,各纤维卷筒可以沿自身轴线进行旋转,即可以主要主动送丝,而且可以根据需要调整各纤维卷筒的旋转速度,保证各纤维束之间的张力一致,进一步提高了缠绕效果。
各纤维卷筒上缠绕的纤维为预浸料,可以实现干法缠绕;单束纤维通过导丝头汇聚形成多束纤维时,对多束纤维或单束纤维进行浸胶,可以实现湿法缠绕。
通过导丝头汇聚形成的多束纤维竖直引向待缠绕件表面,采用竖直引向的方式,方便进行环向缠绕。
当瓶体材质为树脂时,缠绕时对其内部充填气体,通过气体增压,避免在缠绕过程中瓶体变形。
多束纤维的端部通过机械手固定在待缠绕件表面进行缠绕,缠绕后通过机械手将多束纤维剪断。通过机械手可以代替人工作业,在缠绕时无需人工干预,可以实现整体的自动化运行。
附图说明
图1是本发明纤维卷筒的分布设置示意图;
图2是本发明缠绕过程的示意图;
其中1为纤维卷筒,2为导丝头,3为机械手,4为待缠绕件,5为多束纤维。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种高质量多束纤维环向缠绕方法,纤维卷筒引出的单束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕,纤维卷筒设有若干个,若干个纤维卷筒沿待缠绕件的周向分布;将各纤维卷筒上缠绕的单束纤维通过导丝头汇聚,各单束纤维并排形成多束纤维,多束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕。
各单束纤维并排时,单束纤维之间贴合不存在间隔,或者尽量减少重叠,保证形成多束纤维的宽度等于各单束纤维的总和。
缠绕时,待缠绕件处于静止状态,导丝头和若干个纤维卷筒沿待缠绕件的周向进行旋转以及沿待缠绕件的轴向进行移动。
如图1中a-d所示,具体缠绕过程如下:
由于环向均匀排布的纤维束卷筒位置不同,将不同位置的单束纤维束绕着环向输送,从而使得各纤维束最终同步聚集到一处。
各纤维束汇集到一起,形成大丝束纤维,并穿过导丝头,引向待缠绕件,待缠绕件处于固定状态。具体可以通过带有电动卡盘、气动卡盘的架子对待缠绕件进行固定。
将从导丝头中伸出的多束纤维置于待缠绕件表面,准备缠绕。
首先从待缠绕件的一侧进行环向缠绕,导丝头进行单方向转动、移动,在二者的结合下实现环向缠绕工艺。
在导丝头的环向运动与轴向移动的共同作用下,纤维从一侧环向缠绕到另一侧,从而完成单层环向纤维缠绕。
导丝头仍为单向转动,而移动方向为相反方向,即可完成另外一层环向缠绕,以此类推,即可完成规定的缠绕层数。
在完成环向缠绕后,将纤维束剪断。
上述缠绕过程中,导丝头转动与移动之间的配合,需保证缠绕在树脂内胆表面的纤维束间的距离最小化,从而保证缠绕质量。
进一步,导丝头上设有相应的开口,多束纤维可以从该开口内伸出,导丝头的开口大小需保证大丝束纤维从中穿过时不发生形变,从而可保证纤维束间不发生堆叠。
进一步,各纤维卷筒可以沿自身轴线进行旋转,每个纤维卷筒可以自动旋转,具体可以通过电机等装置进行驱动,从而保证位于不同位置的纤维卷筒之间的张力一致。
进一步,可采用干法缠绕与湿法缠绕,干法缠绕需要使用预浸料;湿法缠绕需要在纤维卷筒与导丝头之间添加浸胶装置,单束纤维通过导丝头汇聚形成多束纤维时,对多束纤维或单束纤维进行浸胶。
进一步,纤维卷筒采用主动驱动的同时,为提高缠绕质量,各纤维卷筒引导出的纤维添加张力控制器,纤维卷筒与张力控制器可构成一个子单元,沿着环向均匀排列,子单元的个数保证相互之间的运动不发生干涉。各纤维卷筒引出的单束纤维通过张力控制器,再通过导丝头汇聚形成多束纤维。
纤维卷筒为主动转动,从而引导纤维,可由伺服电机驱动,纤维张力与伺服电机转速形成闭环控制系统,根据各纤维束张力大小,对伺服电机转速进行实时调整,从而实现大丝束各纤维张力大小的一致性。
进一步,通过导丝头汇聚形成的多束纤维竖直引向待缠绕件表面,待缠绕件可处于水平固定状态,这样方便进行环向缠绕。
进一步,缠绕时进行加热,加热装置随导丝头一同进行轴向移动,对完成缠绕的部分加热进行初始固化,起到固定缠绕线型的作用;具体可以通过电加热、红外加热等方式/装置。
进一步,多束纤维的端部通过机械手固定在待缠绕件表面进行缠绕;当缠绕一定圈数后,多束纤维不会发生脱落后,机械手即可松开,无需一直夹持;缠绕后通过机械手将多束纤维剪断。设置机械手可以省去将多束纤维人工固定的步骤,可以实现缠绕过程的自动化;当然机械手可以根据需要采用其它夹持或固定装置进行代替,只要可以实现对多束纤维的夹持即可。
进一步,纤维卷筒上缠绕的单束纤维为碳纤维或玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维。
进一步,待缠绕件为瓶体,瓶体的材质为树脂或金属;当瓶体材质为树脂时,缠绕时对其内部充填气体。瓶体的材质树脂材质的内胆,其具体结构可分为两种:1、瓶身采用树脂材料,封头采用金属材料铝;封头部分可在瓶身进行注射成型时采用一体成型的方式,也可采用二次嵌入式成型方式与瓶身进行连接。2、瓶身与瓶口可采用一体成型工艺,也可采用分开成型,分开成型后可以采用摩擦焊,激光焊等焊接进行两者的连接。同时,内胆还可为双瓶口结构,两端均设有瓶口。
当为瓶体时,具体缠绕步骤如下:
步骤一:由于环向均匀排布的纤维束卷筒位置不同,将不同位置的纤维束绕着环向输送,从而使得各纤维束最终同步聚集到一处。
步骤二:各纤维束汇集到一起,形成大丝束纤维,并穿过导丝头,竖直引向树脂内胆。
步骤三:将容器内胆进行两端夹持,并对其进行气体充填,气压大小约为0.2MPa。
步骤四:将从导丝头中伸出的纤维束夹持并输送到树脂内胆表面
步骤五:首先从瓶身的一侧进行环向缠绕,导丝头进行单方向转动、移动,在二者的结合下实现环向缠绕工艺。
步骤六:纤维夹持端将纤维束放开,结束夹持动作。
步骤七:在导丝头的环向运动与轴向移动的共同作用下,纤维从一侧环向缠绕到另一侧,从而完成单层环向纤维缠绕。
步骤八:导丝头仍为单向转动,而移动方向为相反方向,即可完成另外一层环向缠绕,以此类推,即可完成规定的缠绕层数。
步骤九:在完成环向缠绕后,将纤维束夹持并剪断。
上述以树脂内胆作为对象,纤维卷筒成环向均匀排列,且纤维束筒可主动绕着自身轴线转动,可在其轴向方向安装小型电机,即可完成该动作进行纱线供应;将各纤维束引出后同步聚集,形成大丝束,由于各纤维卷筒的位置不同,所以需要将各纤维束绕着环线牵引,从而同步聚集到一处,并均匀排列,形成大丝束。将大丝束纤维引导至导丝头,并从导丝头中引出,导丝头的开口大小需保证大丝束纤维从中穿过时不发生形变,从而可保证纤维束间不发生堆叠。
将纤维束进行夹持,并输送到树脂内胆表面,由于纤维束的空间位置不固定,机械手可进行三个自由度的运动,方可完成夹持操作。
导丝头绕着轴线方向进行转动,可运用齿轮啮合、蜗轮蜗杆等传动方式即可完成,运动电机进行驱动。导丝头的轴向移动,可运用齿轮啮合、齿轮齿条啮合,并在轴向方向安装导轨,在电机的驱动下,即可完成相关操作。
导丝头绕着单方向转动,且同时向一侧运动,从而保证纤维缠绕在树脂内胆的表面,在缠绕的另一侧的瓶身与瓶口的过渡区,导丝头向另一侧运动。从而实现了树脂内胆环向缠绕流程,待缠绕层数达到要求后,停止缠绕。
纤维夹持在环向缠绕若干圈后,在保证纤维与树脂内胆不脱离的情况下,完成夹持操作。
导丝头的移动与转动的共同作用下,完成对树脂内胆的多束纤维环向缠绕工艺,二者的运动状态,需保证缠绕相邻的纤维束间的间距最小化,从而最大程度提高压力容器的环向缠绕强度。
在达到缠绕层数要求后,对纤维束进行夹持,并剪断。纤维束缠绕完成的工作位置应为树脂内胆的上半部分,从而方便对纤维夹持与剪断操作。
本环向缠绕方法可保证树脂内胆瓶身表面纤维单层覆盖率基本为100%,纤维束间间隙小,且不发生堆叠,既保证了纤维缠绕质量,也提高了压力容器的环向工作性能与生产效率。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化,各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高质量多束纤维环向缠绕方法,纤维卷筒引出的单束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕,其特征在于:纤维卷筒设有若干个,若干个纤维卷筒沿待缠绕件的周向分布;将各纤维卷筒上缠绕的单束纤维通过导丝头汇聚,各单束纤维并排形成多束纤维,多束纤维沿待缠绕件表面进行缠绕;缠绕时,待缠绕件处于静止状态,导丝头和若干个纤维卷筒沿待缠绕件的周向进行旋转以及沿待缠绕件的轴向进行移动。
2.根据权利要求1所述的一种高质量多束纤维环向缠绕方法,其特征在于:各纤维卷筒可以沿自身轴线进行旋转。
3.根据权利要求1所述的一种高质量多束纤维环向缠绕方法,其特征在于:各纤维卷筒上缠绕的纤维为预浸料。
4.根据权利要求1所述的一种高质量多束纤维环向缠绕方法,其特征在于:单束纤维通过导丝头汇聚形成多束纤维时,对多束纤维或单束纤维进行浸胶。
5.根据权利要求1所述的一种高质量多束纤维环向缠绕方法,其特征在于:各纤维卷筒引出的单束纤维先通过张力控制器进行张力控制后,再通过导丝头汇聚形成多束纤维。
6.根据权利要求1所述的一种高质量多束纤维环向缠绕方法,其特征在于:通过导丝头汇聚形成的多束纤维竖直引向待缠绕件表面。
7.根据权利要求1所述的一种高质量多束纤维环向缠绕方法,其特征在于:待缠绕件为瓶体,瓶体的材质为树脂或金属;当瓶体材质为树脂时,缠绕时对其内部充填气体。
8.根据权利要求1所述的一种高质量多束纤维环向缠绕方法,其特征在于:缠绕时进行加热,加热装置随导丝头一同进行轴向移动,对完成缠绕的部分加热进行初始固化,起到固定缠绕线型的作用。
9.根据权利要求1所述的一种高质量多束纤维环向缠绕方法,其特征在于:多束纤维的端部通过机械手固定在待缠绕件表面进行缠绕,缠绕后通过机械手将多束纤维剪断。
10.根据权利要求1所述的一种高质量多束纤维环向缠绕方法,其特征在于:纤维卷筒上缠绕的单束纤维为碳纤维或玻璃纤维或芳纶纤维或玄武岩纤维。
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PB01 | Publication | ||
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