CN115194822A - 一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，包括以下操作步骤：一.原材料开卷裁剪：将预成型裁剪图样输入自动裁剪，并对裁剪图样进行优化排列；二.纤维铺设：利用织物叠合输送设备将叠合好的纤维织物转移到纤维预成型设备上；三.纤维织物预定型：将纤维织物铺层均匀铺入预成型模具中，使纤维预成型体定型；四.预成型体的剪裁：将经过预热预压定型的玄武岩纤维增强体转入预成型体剪裁模具。上述制备工艺增大了密封模腔间隙，使树脂注入通道增加，注胶结束后再将模具在高压下完全闭合，树脂体系随闭合压力流动充模，成型压力相对较低，避免了纤维的冲动，提高了树脂的渗透率与流动距离，提高了纤维的浸渍速度。

Description

一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺

技术领域

本发明涉及防爆材料领域，特别涉及一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺。

背景技术

玄武岩纤维：以天然玄武岩拉制的连续纤维。是玄武岩石料在 1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。纯天然玄武岩纤维的颜色一般为褐色。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成。

此外，玄武岩纤维的生产工艺决定了产生的废弃物少，对环境污染小，且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，因此是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大纤维(碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维)之一，实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。

井下巡检机器人工作环境恶劣，为爆炸性环境，外壳作为防爆结构的主要部分，要切实起到防爆作用，井下巡检机器人的市场面对所有井下作业行业，覆盖面广，需求量大，当大量制造的时候，必须可以控制批生产的质量。井下工作环境的核心需求是防爆，防爆结构落实到材料与结构，重要的是结构在内爆、外爆等条件下，有足够的刚度。玄武岩连续纤维不仅强度高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。

本申请发明人在玄武岩纤维材料制备的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

玄武岩纤维材料的制备过程中，胶凝时间适当长；固化速度快；高消泡性和高浸润性；树脂的粘度低、可挥发性低、固化收缩率低、放热峰低，从而导致传统的制备工艺支撑的玄武岩纤维材料致密性和稳定性较差，无法满足矿井下的安全使用环境的要求，为此，我们提出一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺来解决上述问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，来解决背景技术中提出的技术问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，包括以下操作步骤：

一.原材料开卷裁剪：首先将玄武岩纤维织物的卷筒固定在自动裁剪机的旋转轴上，并将预成型裁剪图样输入自动裁剪，并对裁剪图样进行优化排列；展开玄武岩纤维织物卷筒，开动裁剪机，进行预成型体铺层图样的自动裁剪；

二.喷洒预定型剂：将裁剪所得的纤维织物转移到预定型剂喷涂设备，开动喷涂设备将预定型粘接剂均匀喷涂在纤维织物表面，喷涂时需移动纤维织物，以便预定型剂均匀喷涂在纤维织物表面；

三.纤维层定位与叠合：将涂覆有纤维预定型剂的玄武岩纤维织物转移到织物叠合设备，并按所设计的制件纤维铺层结构将纤维织物依次进行定位、叠合，并平铺在织物铺叠输送带上；

四.纤维铺设：利用织物叠合输送设备将叠合好的纤维织物转移到纤维预成型设备上，纤维织物转移时，需精确控制输送带的移到速度和位置，防止纤维织物铺放过程中发生移动或错位，影响制件性能；

五.纤维织物预定型：将纤维织物铺层均匀铺入预成型模具中，首先将预成型体中心的加压压头下压，压紧纤维铺层结构，并将预成型模具的加压压头由中心向外辐射顺序下压，下压时尽可能的减少纤维的皱缩，以影响制品性能，在预成型模具的热、压作用下，使纤维预成型体定型；

六.预成型体的剪裁：将经过预热预压定型的玄武岩纤维增强体转入预成型体剪裁模具，并用裁剪样模覆盖，以裁剪样模为依据，利用机械手臂将裁刀沿样模边缘进行剪裁，切除多余的玄武岩纤维，并获得与注射模腔尺寸相对应的纤维预成型体。

进一步的，七.制件外形轮廓修边：将冷却定型的复合材料样件转移至机加工中心，为保证制件机加工精度，将制件直接移至机加工工装上，并利用机械手以及机加工刀具，裁剪制件边缘多余的飞边、工艺边等。

进一步的，八.制件连接结构的加工以尺寸检查：裁边加工结束后，还需对制件的连接和配合结构，如定位孔、配合面平面度等的机加工，加工过程中需要根据情况更换裁剪刀具，以保证制件加工精度，机加工结束后，还需要更换检查工具，对制件进行尺寸公差检查，检查结束即得到满足使用要求的复合材料制件。

进一步的，所述具体步骤五，纤维织物预定型：

1.预成型体的放置：将放置预成型体的托架依次叠放整齐，并利用带吸盘的机械手臂将纤维预成型体吸起，将预成型体转移至开启的 RTM成型模具中，并将RTM注射模具闭合，并利用锁紧机构将RTM成型模具锁紧；

2.树脂传递注射工艺：在保证注射模型腔始终保持密封的条件下，对模具抽真空，并利用双橡胶密封圈的回弹性能，增大模具的合模间隙；并将液态低黏度树脂在高压注射机的作用下由模具底部中心注入高温(模具温度≥150℃)密封注射模具内，

利用高精度的高温注射机精确计量并控制树脂体系中各组分材料(主体树脂、固化剂、内脱模剂等)的比例，并在高压计量泵的作用下，进入注射机的混合头，并在混合头中高压对冲混合，并将混合均匀的树脂迅速注入高温模腔，注胶结束后将模具完全闭合，闭合过程中模具进一步挤压注射树脂，使其充满并浸润玄武岩纤维增强材料，并在高温高压作用下快速固化；

3.模内喷涂技术：待HP-RTM树脂固化结束，再次控制模具的合模间隙，并由预留的侧孔及流道中注入低黏度的模具表面树脂，并再次将模具完全闭合，挤压胶衣树脂使其尽可能的充模模具，并在制品表层喷涂一层均匀的树脂膜；

4.脱模及模具清理：待胶衣树脂固化结束，由慢到快打开液压机，使并利用机械手臂及其吸附装置将制件吸附固定，开启顶出机构将制件顶出，并使顶出后的制件紧紧吸附在机械手臂的吸盘上。同时清理模具中残留的树脂飞边等；

5.制件的冷却定型：脱模后，利用机械臂及吸盘将仍处于高温状态的成型制件，转移到冷却定型工装上，并将利用真空将制件紧紧吸附在冷却定型工装，并通过冷却定型工装使制件快速冷却至室温。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.在HP-RTM工艺技术的树脂注胶前，增大了密封模腔间隙，使树脂注入通道增加，注胶结束后再将模具在高压下完全闭合，树脂体系随闭合压力流动充模，成型压力相对较低，避免了纤维的冲动，提高了树脂的渗透率与流动距离，提高了纤维的浸渍速度，有效避免了干纤维的产生，缩短了制件成型周期，HP-RTM工艺增加了注射后的压制过程，降低了树脂注射充填难度，提高了预制件的浸渍质量，并缩短了成型周期。

具体工艺特点如下：

①树脂快速充满模腔。较大的合模间隙和较高的注射压力 (1.0-15.0MPa)，以及低黏度的树脂，极大地提升了树脂的注射速度，缩短了成型工艺周期(3-5min)；

②提高了树脂固化反应速率，缩短了树脂的固化周期，采用高活性快速固化树脂体系，并采用高效高压混合、注胶设备，使树脂基体混合均匀性更好，同时成型时需要高温环境，大大提高了树脂的固化反应速率；

③使用内脱模剂和自清洁系统，使用了注射混合头的自清洁技术，并在原材料中添加了内脱模剂组分，有效地提高了设备的清洁效率；

④降低了制件中孔隙含量，提高了制件制品性能，使用了模内快速抽真空技术有效降低了制件中孔隙含量，提高了纤维的浸渍效率，改善了纤维和树脂的界面结合能力，提升了制品的质量；

⑤降低了制件的工艺难度，改善了树脂浸渍增强材料的质量，采用抽真空与注射后的压缩模塑工艺相结合的方式，降低了RTM工艺注胶口和排气口设计难度，提高了树脂的流动充填能力，以及树脂对纤维的浸渍质量；

⑥产品的厚度和三维形状尺寸偏差低，为保证模具密封效果，采用双刚面闭合模具，同时采用大吨位液压机加压，提高了成型过程的锁模力，有效地降低了制件的厚度和形状偏差；

⑦产品具有卓越的表面性能和质量，采用模内喷涂技术以及高光洁度模具，使制件在很短的时间内即可获得高精度的表观质量；

⑧具有很高的工艺稳定性和重复性，采用间隙注胶和注胶后压缩技术，极大地提高了树脂的充模流动能力，有效降低了工艺缺陷产生的几率，具有很高的工艺重复性。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明较优实施例中一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，包括以下操作步骤：

一.原材料开卷裁剪：首先将玄武岩纤维织物的卷筒固定在自动裁剪机的旋转轴上，并将预成型裁剪图样输入自动裁剪，并对裁剪图样进行优化排列；展开玄武岩纤维织物卷筒，开动裁剪机，进行预成型体铺层图样的自动裁剪；

二.喷洒预定型剂：将裁剪所得的纤维织物转移到预定型剂喷涂设备，开动喷涂设备将预定型粘接剂均匀喷涂在纤维织物表面，喷涂时需移动纤维织物，以便预定型剂均匀喷涂在纤维织物表面；

三.纤维层定位与叠合：将涂覆有纤维预定型剂的玄武岩纤维织物转移到织物叠合设备，并按所设计的制件纤维铺层结构将纤维织物依次进行定位、叠合，并平铺在织物铺叠输送带上；

四.纤维铺设：利用织物叠合输送设备将叠合好的纤维织物转移到纤维预成型设备上，纤维织物转移时，需精确控制输送带的移到速度和位置，防止纤维织物铺放过程中发生移动或错位，影响制件性能；

五.纤维织物预定型：将纤维织物铺层均匀铺入预成型模具中，首先将预成型体中心的加压压头下压，压紧纤维铺层结构，并将预成型模具的加压压头由中心向外辐射顺序下压，下压时尽可能的减少纤维的皱缩，以影响制品性能，在预成型模具的热、压作用下，使纤维预成型体定型；

六.预成型体的剪裁：将经过预热预压定型的玄武岩纤维增强体转入预成型体剪裁模具，并用裁剪样模覆盖，以裁剪样模为依据，利用机械手臂将裁刀沿样模边缘进行剪裁，切除多余的玄武岩纤维，并获得与注射模腔尺寸相对应的纤维预成型体；

七.制件外形轮廓修边：将冷却定型的复合材料样件转移至机加工中心，为保证制件机加工精度，将制件直接移至机加工工装上，并利用机械手以及机加工刀具，裁剪制件边缘多余的飞边、工艺边等；

八.制件连接结构的加工以尺寸检查：裁边加工结束后，还需对制件的连接和配合结构，如定位孔、配合面平面度等的机加工，加工过程中需要根据情况更换裁剪刀具，以保证制件加工精度，机加工结束后，还需要更换检查工具，对制件进行尺寸公差检查，检查结束即得到满足使用要求的复合材料制件。

所述具体步骤五，纤维织物预定型：

1.预成型体的放置：将放置预成型体的托架依次叠放整齐，并利用带吸盘的机械手臂将纤维预成型体吸起，将预成型体转移至开启的 RTM成型模具中，并将RTM注射模具闭合，并利用锁紧机构将RTM成型模具锁紧；

2.树脂传递注射工艺：在保证注射模型腔始终保持密封的条件下，对模具抽真空，并利用双橡胶密封圈的回弹性能，增大模具的合模间隙；并将液态低黏度树脂在高压注射机的作用下由模具底部中心注入高温(模具温度≥150℃)密封注射模具内，

利用高精度的高温注射机精确计量并控制树脂体系中各组分材料(主体树脂、固化剂、内脱模剂等)的比例，并在高压计量泵的作用下，进入注射机的混合头，并在混合头中高压对冲混合，并将混合均匀的树脂迅速注入高温模腔，注胶结束后将模具完全闭合，闭合过程中模具进一步挤压注射树脂，使其充满并浸润玄武岩纤维增强材料，并在高温高压作用下快速固化；

3.模内喷涂技术：待HP-RTM树脂固化结束，再次控制模具的合模间隙，并由预留的侧孔及流道中注入低黏度的模具表面树脂，并再次将模具完全闭合，挤压胶衣树脂使其尽可能的充模模具，并在制品表层喷涂一层均匀的树脂膜；

4.脱模及模具清理：待胶衣树脂固化结束，由慢到快打开液压机，使并利用机械手臂及其吸附装置将制件吸附固定，开启顶出机构将制件顶出，并使顶出后的制件紧紧吸附在机械手臂的吸盘上。同时清理模具中残留的树脂飞边等；

5.制件的冷却定型：脱模后，利用机械臂及吸盘将仍处于高温状态的成型制件，转移到冷却定型工装上，并将利用真空将制件紧紧吸附在冷却定型工装，并通过冷却定型工装使制件快速冷却至室温。

在HP-RTM工艺技术的树脂注胶前，增大了密封模腔间隙，使树脂注入通道增加，注胶结束后再将模具在高压下完全闭合，树脂体系随闭合压力流动充模，成型压力相对较低，避免了纤维的冲动，提高了树脂的渗透率与流动距离，提高了纤维的浸渍速度，有效避免了干纤维的产生，缩短了制件成型周期

HP-RTM包括预成型加工、树脂注射、压制过程以及修整工艺。

HP-RTM工艺用对树脂基体的要求主要体现在：“一长”指树脂的胶凝时间适当长；“一快”指树脂的固化速度快；“两高”指树脂具有高消泡性和高浸润性；“四低”指树脂的粘度低、可挥发性低、固化收缩率低、放热峰低。

相比于传统的RTM工艺，HP-RTM工艺增加了注射后的压制过程，降低了树脂注射充填难度，提高了预制件的浸渍质量，并缩短了成型周期。具体工艺特点如下：

①树脂快速充满模腔。较大的合模间隙和较高的注射压力 (1.0-15.0MPa)，以及低黏度的树脂，极大地提升了树脂的注射速度，缩短了成型工艺周期(3-5min)。

②提高了树脂固化反应速率，缩短了树脂的固化周期。采用高活性快速固化树脂体系，并采用高效高压混合、注胶设备，使树脂基体混合均匀性更好，同时成型时需要高温环境，大大提高了树脂的固化反应速率。

③使用内脱模剂和自清洁系统。使用了注射混合头的自清洁技术，并在原材料中添加了内脱模剂组分，有效地提高了设备的清洁效率。

④降低了制件中孔隙含量，提高了制件制品性能。使用了模内快速抽真空技术有效降低了制件中孔隙含量，提高了纤维的浸渍效率，改善了纤维和树脂的界面结合能力，提升了制品的质量。

⑤降低了制件的工艺难度，改善了树脂浸渍增强材料的质量。采用抽真空与注射后的压缩模塑工艺相结合的方式，降低了RTM工艺注胶口和排气口设计难度，提高了树脂的流动充填能力，以及树脂对纤维的浸渍质量。

⑥产品的厚度和三维形状尺寸偏差低。为保证模具密封效果，采用双刚面闭合模具，同时采用大吨位液压机加压，提高了成型过程的锁模力，有效地降低了制件的厚度和形状偏差。

⑦产品具有卓越的表面性能和质量。采用模内喷涂技术以及高光洁度模具，使制件在很短的时间内即可获得高精度的表观质量。

⑧具有很高的工艺稳定性和重复性。采用间隙注胶和注胶后压缩技术，极大地提高了树脂的充模流动能力，有效降低了工艺缺陷产生的几率，具有很高的工艺重复性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，其特征在于：包括以下操作步骤：

一.原材料开卷裁剪：首先将玄武岩纤维织物的卷筒固定在自动裁剪机的旋转轴上，并将预成型裁剪图样输入自动裁剪，并对裁剪图样进行优化排列；展开玄武岩纤维织物卷筒，开动裁剪机，进行预成型体铺层图样的自动裁剪；

二.纤维铺设：利用织物叠合输送设备将叠合好的纤维织物转移到纤维预成型设备上；

三.纤维织物预定型：将纤维织物铺层均匀铺入预成型模具中，首先将预成型体中心的加压压头下压，压紧纤维铺层结构，并将预成型模具的加压压头由中心向外辐射顺序下压，在预成型模具的热、压作用下，使纤维预成型体定型；

四.预成型体的剪裁：将经过预热预压定型的玄武岩纤维增强体转入预成型体剪裁模具，并用裁剪样模覆盖，以裁剪样模为依据，利用机械手臂将裁刀沿样模边缘进行剪裁，切除多余的玄武岩纤维，并获得与注射模腔尺寸相对应的纤维预成型体。

2.根据权利要求1所述的一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，其特征在于：五.制件外形轮廓修边：将冷却定型的复合材料样件转移至机加工中心，为保证制件机加工精度，将制件直接移至机加工工装上，并利用机械手以及机加工刀具。

3.根据权利要求2所述的一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，其特征在于：六.制件连接结构的加工以尺寸检查：裁边加工结束后，还需对制件的连接和配合结构，加工过程中需要根据情况更换裁剪刀具，对制件进行尺寸公差检查，检查结束即得到满足使用要求的复合材料制件。

4.根据权利要求1所述的一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，其特征在于：所述具体步骤五.纤维织物预定型：预成型体的放置：将放置预成型体的托架依次叠放整齐，并利用带吸盘的机械手臂将纤维预成型体吸起，将预成型体转移至开启的RTM成型模具中，并将RTM注射模具闭合，并利用锁紧机构将RTM成型模具锁紧。

5.根据权利要求4所述的一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，其特征在于：模内喷涂技术：待HP-RTM树脂固化结束，再次控制模具的合模间隙，并由预留的侧孔及流道中注入低黏度的模具表面树脂，并再次将模具完全闭合，挤压胶衣树脂使其尽可能的充模模具，并在制品表层喷涂一层均匀的树脂膜。

6.根据权利要求1所述的一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，其特征在于：脱模及模具清理：待胶衣树脂固化结束，由慢到快打开液压机，使并利用机械手臂及其吸附装置将制件吸附固定，开启顶出机构将制件顶出，并使顶出后的制件紧紧吸附在机械手臂的吸盘上，同时清理模具中残留的树脂飞边等。

7.根据权利要求6所述的一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，其特征在于：制件的冷却定型：脱模后，利用机械臂及吸盘将仍处于高温状态的成型制件，转移到冷却定型工装上，并将利用真空将制件紧紧吸附在冷却定型工装，并通过冷却定型工装使制件快速冷却至室温。

8.根据权利要求1所述的一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，其特征在于：在步骤二.纤维铺设之后：喷洒预定型剂：将裁剪所得的纤维织物转移到预定型剂喷涂设备，开动喷涂设备将预定型粘接剂均匀喷涂在纤维织物表面，喷涂时需移动纤维织物，以便预定型剂均匀喷涂在纤维织物表面。

9.根据权利要求8所述的一种用于井下巡检机器人防爆材料制备工艺，其特征在于：在喷洒预定型剂之后，将纤维层定位与叠合，将涂覆有纤维预定型剂的玄武岩纤维织物转移到织物叠合设备，并按所设计的制件纤维铺层结构将纤维织物依次进行定位、叠合，并平铺在织物铺叠输送带上。