纤维缠绕_铺放一体机在大型构件上应用.pdfVIP

Xueshu Jiaoliu ◆学术交流 纤维缠绕/铺放一体机在大型构件上的应用 张新峰 （武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070） 摘 要：纤维缠绕和纤维铺放是复合材料构件的重要成型工艺方法，将两者结合应用于外形复杂的大型构件可以大大提高生产效率 和产品质量。简要介绍了纤维缠绕/铺放一体机的总体机构，并对关键机构铺放头进行了描述。 关键词：大型构件；纤维缠绕；纤维铺放；铺放头 复合材料构件因具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、重量 轻等优点，其产品广泛应用于航空、航天、国防和民用工业等 领域。随着人类社会需求的提高和复合材料应用范围的扩 大，复合材料构件尺寸也逐步向大型化和轻量化发展，比如风 力发电机叶片、飞机机翼和船壳等，这就进一步要求复合材料 成型工艺的创新与发展。 纤维缠绕和纤维铺放是树脂基复合材料构件成型常用的 工艺方法，与传统的手糊工艺相比，其生产效率高，质量稳定， 成本低。针对不同几何形状的构件，纤维缠绕和纤维铺放在成 型工艺上各有千秋。纤维缠绕一般适用于回转体制造，不适合 大型的板壳结构及复杂曲面形构件的制造，特别对于加工含 有负曲率的回转体制品，单一的缠绕成型难以满足各方面的 面、曲面构件或具有深槽、加强筋的壳体构件等，仅采用纤维缠 要求，可在纤维缠绕系统上附加纤维铺放系统，实现纤维缠绕 绕成型方法就无法实现该类制品的机械化、自动化生产。 系统的原有运动，以及纤维铺放系统的切断、施压、引线、加 纤维铺放技术是在纤维缠绕之后出现的一种新的先进复 热、定位等运动，通过计算机控制系统，实现高度自动化和智 合材料成型技术，类似于多自由度缠绕技术，在降低制造成本 能化。为了满足我国对大型复合材料构件制造的需求，研究开 和提高复合材料性能方面显示出突出的优越性和极大的潜 发具有自主知识产权纤维缠绕/铺放一体化设备具有重要现 力。纤维铺放工艺是在纤维铺放机上把纤维平行集束成纤维 实意义。 带后制成多个预浸丝束，并通过纤维铺放机铺放头上的压头， 把预浸丝束铺压到芯模或模具表面上。纤维铺放成型技术主 1 纤维缠绕机结构介绍 要采用铺放头机构实现纤维的铺放，因此铺放头的设计是纤 自1947年美国Kenog公司成功地制造了世界上第一台缠 维铺放成型的技术核心之一。对于具有复杂形面的构件生产， 绕机以来，短短数十年，缠绕机已经历了下述3个阶段：机械控 在原有的缠绕机上必须附加纤维铺放系统。 制的缠绕机，数字程序控制的缠绕机，微机控制的纤维缠绕 2 纤维缠绕/铺放一体机结构设计 机。当今，缠绕机正向着高自动化、高集成化、高产量的方向 发展，多轴缠绕机越来越得到广泛的应用。 目前国外采用的和纤维缠绕/铺放一体机是制造复杂结 缠绕机应具备的主要功能是将纤维纱带尽可能准确地沿 构制品的先进制造技术之一。纤维铺放系统和纤维缠绕/铺放 所设计的线型轨迹缠绕到芯模表面上，达到均匀布满芯模表 一体机系统的技术在西方少数发达国家于20世纪90年代初开 面的目的。因此，缠绕机设计的关键是实现这一基本功能的缠 始研究开发，并不断推广应用，该项技术及装备目前在国内尚 绕执行机构的设计。对于一般缠绕制品的生产，通常是以芯模 属空白。纤维缠绕/铺放一体机主要构成如图2所示。 轴的旋转运动作为基准运动，控制绕丝头与其相协调地作某些 机头：图中1为缠绕机的机头。它除对芯模起支撑作用外， 特定的空间轨迹来实现缠绕功能。绕丝头相对于芯模的每一个 其中主要装配有芯模轴旋转运动的传动系统。 旋转角位置的瞬间，与其应运动到的空间位置间的关系，是通 尾座：图中3为缠绕机的尾座。其功能是与机头主传动轴 过小车直线运动、伸臂水平直线运动、绕丝头垂直方向转动和 上的卡盘（或法兰盘）共同支撑芯模轴。尾座沿芯模轴线可进 绕丝头水平方向转动等几