一种纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置及方法
阅读说明：本技术 一种纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置及方法 (Winding and cladding forming device and method for fiber reinforced composite material belt ) 是由 何晓东 杨时新 李花莲 李海青 宋晗 岳锁国 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置及方法,包括底座、缠绕部和导向部；本发明通过缠绕头在多根具有一定宽度的经纱并排而成的经纱带上缠绕包覆纬纱,使其复合成型为在经、纬方向均能承受拉力的纤维带,改变经纱的根数可实现不同宽度纤维带的生产。本发明采用可变速导向辊,导向辊上的滚轮可以相互独立运动,每一个滚轮对应一根经纱,可以解决经纱速度不同的问题。本发明可以满足多根经纱不同速度的要求,利用其缠绕包覆纤维复合成的纤维带可以适应具有不同锥度的模具并能紧密包络在模具表面或上一层缠绕层上,适应性更广。同时,利用此方法以及装置生产的纤维带几乎无损伤,生产效率高,可以极大提高复合材料产品的质量和性能。(The invention provides a winding, cladding and forming device and method of a fiber reinforced composite material belt, which comprises a base, a winding part and a guide part, wherein the winding part is arranged on the base; according to the invention, the winding head winds and wraps the weft yarns on the warp tape formed by the side-by-side warp yarns with certain width, so that the warp tape can be compositely formed into the fiber tape capable of bearing tension in the warp and weft directions, and the production of the fiber tapes with different widths can be realized by changing the number of the warp yarns. The invention adopts the variable-speed guide roller, the rollers on the guide roller can move independently, and each roller corresponds to one warp, so that the problem of different warp speeds can be solved. The invention can meet the requirements of a plurality of warps on different speeds, and the fiber belt compounded by winding and coating the fibers can adapt to molds with different tapers and can be tightly enveloped on the surface of the mold or an upper winding layer, thus having wider adaptability. Meanwhile, the fiber belt produced by the method and the device has almost no damage and high production efficiency, and the quality and the performance of composite material products can be greatly improved.)
技术领域
本发明属于纤维增强复合材料带缠绕成型制造领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置及方法。
背景技术
复合材料因其高比强度、高比模量以及质量轻等优异的特点，被广泛应用于航空航天、化工及土木工程等领域。复合材料在多领域中应用的首要条件是复合材料的成型制造，缠绕成型制造是复合材料成型制造的方法之一，该方法被广泛应用于圆柱管、锥形或近似锥形的回转体零件的成型制造中。
复合材料缠绕成型制造方法是将复合材料带缠绕在模具表面形成预制品，然后再固化脱模。斜缠绕是复合材料缠绕成型制造工艺的一种，与其他缠绕工艺相比较，斜缠绕工艺可以应用于管类、锥型等多种零件的成型过程，同时可以灵活选择缠绕方向，其工艺适用性更广。在利用斜缠绕工艺将复合材料预浸带缠绕至锥形芯模上形成预制品的过程中，如何让复合材料带紧密包络在模具表面或上一层缠绕层上是一个关键问题，若复合材料带层间不紧密包络会出现褶皱或孔隙等缺陷，这些缺陷会直接导致复合材料制品的质量和性能有所下降。
为了解决复合材料带紧密包络在模具表面或上一层缠绕层上且不产生褶皱这一关键问题，现有技术有如下三种方法：
一是可变形斜裁布带。为实现预浸带的变形能力，斜缠绕过程采用沿预浸树脂纤维编织布的经线45°角方向裁剪工艺，制成断续短纤维组成的斜裁预浸带。这种方法裁剪的布带不连续，需要满足斜缠绕延展变形率的要求，复合材料预制品中存在多个接头，缠绕效率较低，预浸带变形稳定性差。
二是采用刚性锥压辊系统实现预浸带的变形。通过对预浸带施加缠绕压力及张力，由刚性锥压辊使预浸带碾展变形，从而获得能够适应斜向缠绕面的预浸带形状。但是，刚性锥压辊系统沿用自平行、平叠缠绕工艺，仅适用于小缠绕角制品的成型工艺。制品缠绕角的增大或缠绕制品半径减小时，需要增大压辊半锥角及以满足斜缠绕工艺的延展变形率要求，需要采用不同的锥压辊，增大了工艺的复杂程度。斜缠绕刚性锥压辊系统在大缠绕角及尺寸变化范围大的斜缠绕制品应用中，存在诸多的局限，依赖于人工操作，影响了生产效率及合格率。
三是采用差速变形系统、开卷调速系统组成预浸带柔性变形系统。开卷调速系统基于当前缠绕速度将预浸带输送至差速变形系统；差速轮阵列为差速变形系统的关键，根据缠绕角及模具尺寸等信息，沿预浸带宽度方向完成多点调速控制，实现预浸带的准确变形。该方法如刚性锥压辊系统一样依靠碾展预浸带使其变形，因差速变形系统中的差速轮阵列速度可调，与刚性锥压辊系统相比适应性广、稳定性好，但碾展会对预浸带造成损伤，生产的复合材料产品内部存在隐患。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置及方法，通过缠绕头在多根具有一定宽度的经纱并排而成的经纱带上缠绕包覆纬纱，使其复合成型为在经、纬方向均能承受拉力的纤维带，改变经纱的根数可实现不同宽度纤维带的生产。实现复合材料纤维带紧密包络在模具上，要求缠绕在锥形模具上的复合材料纤维带的每一根经纱速度不同，本发明采用可变速导向辊，导向辊上的滚轮可以相互独立运动，每一个滚轮对应一根经纱，可以解决经纱速度不同的问题。
本发明可变速导向辊可以满足多根经纱不同速度的要求，利用其缠绕包覆纤维复合成的纤维带可以适应具有不同锥度的模具并能紧密包络在模具表面或上一层缠绕层上，适应性更广。同时，利用此方法以及装置生产的纤维带几乎无损伤，生产效率高，可以极大提高复合材料产品的质量和性能。
本发明的技术方案是：一种纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置，包括底座、缠绕部和导向部；所述缠绕部包括缠绕盘轴支撑架、阻力器、纱线筒轴、缠绕盘、纱线筒轴支撑架、缠绕盘轴和集纱板；所述缠绕盘轴支撑架的下部与底座连接；所述缠绕盘轴的一端安装在缠绕盘轴支撑架的上部，缠绕盘通过轴承安装在缠绕盘轴的另一端，所述纱线筒轴支撑架安装在缠绕盘的筒体部分上，所述阻力器安装在纱线筒轴支撑架上，所述纱线筒轴的一端与阻力器连接，另一端与缠绕盘的盘体部分连接；所述缠绕盘的盘体部分一面沿圆周方向设有多个入纱头，另一面设有出纱头，入纱头和出纱头相通，所述集纱板安装在盘体部分上，所述集纱板上设有一排出纱孔；所述导向部包括若干可变速导向辊、支撑架和支撑板；所述支撑架的下部安装在底座上，所述支撑架的上部设有支撑板，所述可变速导向辊安装在支撑板上；所述可变速导向辊包括辊轴、轴承挡环、第三轴承和导向环；所述辊轴上设有多个导向环，每个导向环分别通过第三轴承与辊轴连接，第三轴承之间设有轴承挡环，轴承挡环套在辊轴上。
上述方案中，所述阻力器包括基座、导向块、阻力块和螺栓；所述基座安装在纱线筒轴支撑架上；所述导向块通过螺栓安装在基座上，阻力块安装在导向块内，导向块与基座之间留有空间，所述纱线筒轴的一端安装在所述空间内。
上述方案中，所述可变速导向辊还包括轴承端盖和螺钉；
所述轴承端盖安装在辊轴的一端，螺钉穿过轴承端盖与辊轴连接；辊轴的另一端安装在支撑板上。
上述方案中，所述支撑板为T型，横杆上设有多个通孔竖杆上设有竖向的通槽；所述可变速导向辊安装在通孔和通槽中。
上述方案中，所述缠绕部还包括缠绕部底板和第一位置固定压板；所述缠绕部底板的底部与底座连接，所述缠绕盘轴支撑架的下部与缠绕部底板上部的滑槽滑动连接，所述第一位置固定压板与缠绕部底板上部通过螺栓连接将缠绕盘轴支撑架压紧。
上述方案中，所述筒体部分的末端设有齿槽，所述齿槽用于与驱动装置连接。
上述方案中，所述导向部还包括第一导轨、第一滑台、第二滑台和第二位置固定压板；所述第一导轨安装在底座上，所述第一滑台与第一导轨滑动连接；所述第二滑台的底部与第一滑台上的导轨滑动连接；所述支撑架的下部与第二滑台上部的滑槽滑动连接，所述第二位置固定压板与第二滑台上部通过螺栓连接将支撑架压紧。
上述方案中，所述入纱头通过轴承安装在缠绕盘的盘体部分上。
上述方案中，所述集纱板通过集纱板固定板安装在缠绕盘的盘体部分上。
一种根据所述纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置的方法，包括以下步骤：
经纱绕过所述导向部的可变速导向辊，进入缠绕部的缠绕盘轴，并在集纱板的出纱孔处集成一排，所述缠绕盘在驱动装置的驱动下转动，所述纱线筒轴上的纬纱在阻力器的作用下具有一定的张力，穿过入纱头，并由出纱头引出，紧密缠绕在通过集纱板穿出的经纱表面，形成复合材料带的缠绕包覆成型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过缠绕头在多根具有一定宽度的经纱并排而成的经纱带上缠绕包覆纬纱，使其复合成型为在经、纬方向均具有纤维且能承受拉力的纤维带，改变经纱的根数可实现不同宽度纤维带的生产，实现复合材料纤维带紧密包络在模具上，通过可变速导向辊可以实现缠绕在锥形模具上的复合材料纤维带的每一根经纱速度不同的要求。可变速导向辊可以满足经纱不同速度的要求，利用其缠绕包覆复合成的纤维带可以适应具有不同锥度的模具并能紧密包络在模具表面或上一层缠绕层上，适应性更广。同时，本发明生产的纤维带几乎无损伤，生产效率高，可以极大提高复合材料产品的质量和性能。
附图说明
图1是本发明一实施方式的纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置示意图。
图2是本发明一实施方式的缠绕部背面示意图。
图3是本发明一实施方式的缠绕部正面示意图。
图4是本发明一实施方式的纱线筒轴示意图。
图5是本发明一实施方式的缠绕盘示意图。
图6是本发明一实施方式的入纱头示意图。
图7是本发明一实施方式的纱线筒轴支撑架示意图。
图8是本发明一实施方式的缠绕盘轴示意图。
图9是本发明一实施方式的集纱板示意图。
图10是本发明一实施方式的阻力器示意图。
图11是本发明一实施方式的基座示意图。
图12是本发明一实施方式的导向块示意图。
图13是本发明一实施方式的阻力块示意图。
图14是本发明一实施方式的导向部正面示意图。
图15是本发明一实施方式的导向部背面示意图。
图16是本发明一实施方式的可变速导向辊示意图。
图17是本发明一实施方式的可变速导向辊剖视图。
图18是本发明一实施方式的支撑板示意图。
图中：1、底座；2、缠绕部；2-1、缠绕部底板；2-2、螺栓；2-3、第一位置固定压板；2-4、缠绕盘轴支撑架；2-5、阻力器；2-5-1、基座；2-5-2、导向块；2-5-3、阻力块；2-5-4、螺栓；2-6、纱线筒轴；2-7、缠绕盘；2-7-1、筒体部分；2-7-2、盘体部分；2-8、入纱头；2-9、纱线筒轴支撑架；2-10、齿槽；2-11、缠绕盘轴；2-12、第一轴承；2-13、出纱头；2-14、第二轴承；2-15、集纱板固定板；2-16、集纱板；2-16-1、出纱孔；3、导向部；3-1、第一导轨；3-2、第一滑台；3-3、第二滑台；3-4、可变速导向辊；3-4-1、辊轴；3-4-2、轴承挡环；3-4-3、第三轴承；3-4-4、导向环；3-4-5、轴承端盖；3-4-6、螺钉；3-5、支撑架；3-6、支撑板；3-6-1、通孔；3-6-2、通槽；3-7、位置固定压板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1所示为所述纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置的一种较佳实施方式，所述纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置，包括底座1、缠绕部2和导向部3；所述缠绕部2和导向部3分别安装在底座1上。
如图2-9所示，所述缠绕部2包括缠绕部底板2-1、螺栓2-2、第一位置固定压板2-3、缠绕盘轴支撑架2-4、阻力器2-5、纱线筒轴2-6、缠绕盘2-7、入纱头2-8、纱线筒轴支撑架2-9、齿槽2-10、缠绕盘轴2-11、第一轴承2-12、出纱头2-13、第二轴承2-14、集纱板固定板2-15和集纱板2-16；所述缠绕部底板2-1的底部与底座1通过螺栓连接；缠绕盘轴支撑架2-4的下部与缠绕部底板2-1上部的滑槽滑动连接，第一位置固定压板2-3与缠绕部底板2-1上部通过螺栓2-2连接将缠绕盘轴支撑架2-4固定，通过打开第一位置固定压板2-3，可以方便调节缠绕盘轴支撑架2-4在缠绕部底板2-1滑槽内的上下位置，提高了装置的灵活性；所述缠绕盘轴2-11的一端通过螺栓压紧的方法安装在缠绕盘轴支撑架2-4的上部，缠绕盘2-7通过第一轴承2-12和第二轴承2-14安装在缠绕盘轴2-11的另一端，所述纱线筒轴支撑架2-9安装在缠绕盘2-7的筒体部分2-7-1上，筒体部分2-7-1的末端设有齿槽2-10，所述齿槽2-10用于与驱动装置的同步带连接，以此来提供缠绕盘2-7转动的动力；所述阻力器2-5安装在纱线筒轴支撑架2-9上，所述纱线筒轴2-6的一端与阻力器2-5连接，另一端与缠绕盘2-7的盘体部分2-7-2连接；所述缠绕盘2-7的盘体部分2-7-2一面沿圆周方向设有多个入纱头2-8，另一面设有出纱头2-13，入纱头2-8和出纱头2-13相通、且在一条中心线上，所述入纱头2-8通过轴承的过渡配合镶嵌在缠绕盘2-7的盘体部分2-7-2上，入纱头2-8可以转动，可以尽可能减小纱线在纱线筒上绕出并经过入纱头2-8时与入纱头2-8边缘的摩擦，尽可能降低因此给纱线带来的损伤；所述出纱头2-13与盘体部分2-7-2螺纹连接，缠绕部2采用多个出纱头2-13进行缠绕包覆，提高了复合材料带缠绕包覆复合成型效率；所述集纱板2-16通过集纱板固定板2-15安装在缠绕盘2-7的盘体部分2-7-2上。
如图10-13所示，所述阻力器2-5包括基座2-5-1、导向块2-5-2、阻力块2-5-3和螺栓2-5-4；所述基座2-5-1通过螺栓安装在纱线筒轴支撑架2-9上；所述导向块2-5-2通过螺栓2-5-4安装在基座2-5-1上，阻力块2-5-3安装在导向块2-5-2内，导向块2-5-2与基座2-5-1之间留有空间，所述纱线筒轴2-6安装在所述空间内，阻力块2-5-3与纱线筒轴2-6接触，产生摩擦力，以摩擦力来为纬纱线提供一定的张力，导向块2-5-2内设有弹簧，所述弹簧位套在阻力块2-5-3的圆柱柄上，弹簧受压时，弹簧一端与阻力块2-5-3接触，一端与导向块2-5-2接触，通过螺栓2-5-4能够改变导向块2-5-2与基座2-5-1之间的位置移动，进而改变弹簧的压缩量来调节阻力块2-5-3与纱线筒轴2-6之间的压力。通过阻力器2-5与纱线筒轴2-6的摩擦，为复合材料缠绕包覆过程的纬纱提供一定的张力，可使纬纱紧密缠绕在经纱周围，阻力器2-5阻力的大小可以通过改变弹簧的压缩量来调节。
如图14和15所示，所述导向部3包括第一导轨3-1、第一滑台3-2、第二滑台3-3、可变速导向辊3-4、支撑架3-5、支撑板3-6和位置固定压板3-7；所述第一导轨3-1通过螺栓安装在底座1上，所述第一滑台3-2与第一导轨3-1滑动连接，通过螺钉拧紧实现第一滑台3-2在第一导轨3-1上的固定；所述第二滑台3-3的底部与第一滑台3-2上的导轨滑动连接，通过螺钉拧紧实现第二滑台3-3在第一滑台3-2导轨上的固定；所述支撑架3-5的下部与第二滑台3-3上部的滑槽滑动连接，所述第二位置固定压板3-7与第二滑台3-3上部通过螺栓连接将支撑架3-5固定，通过打开第二位置固定压板3-7，可以方便调节支撑架3-5在第二滑台3-3滑槽内的上下位置；所述支撑架3-5的上部设有支撑板3-6，支撑板3-6通过螺栓安装在支撑架3-5上，所述可变速导向辊3-4安装在支撑板3-6上，可变速导向辊3-4能够满足多根纱线的不同速度要求。通过第一滑台3-2、第二滑台3-3的移动，可以调整可变速导向辊3-4相对于缠绕部2的位置。可变速导向辊3-4的支撑架3-5可以通过第二位置固定压板3-7来上下调整，提高了装置的灵活性。
如16和17所示，所述可变速导向辊3-4包括辊轴3-4-1、轴承挡环3-4-2、第三轴承3-4-3、导向环3-4-4、轴承端盖3-4-5和螺钉3-4-6；所述辊轴3-4-1上设有多个导向环3-4-4，每个导向环3-4-4分别通过第三轴承3-4-3与辊轴3-4-1连接，导向环3-4-4与第三轴承3-4-3过渡配合，导向环3-4-4上的导向槽3-4-5能够防止纱线滑脱，第三轴承3-4-3与辊轴3-4-1之间间隙配合，第三轴承3-4-3之间设有轴承挡环3-4-2，轴承挡环3-4-2套在辊轴3-4-1上，防止第三轴承3-4-3之间发生干涉；所述轴承端盖3-4-5安装在辊轴3-4-1的一端，螺钉3-4-6穿过轴承端盖3-4-5与辊轴3-4-1连接，将多个第三轴承3-4-3压紧；辊轴3-4-1的另一端通过螺栓安装在支撑板3-6上。所述第三轴承3-4-3和导向环3-4-4形成滚轮，可变速导向辊3-4上的滚轮可相互独立运动，可以满足经纱不同速度的要求，适应性广，采用滚轮的形式也可以降低纱线与导向环3-4-4的摩擦。通过增加或减少可变速导向辊3-4上的滚轮数量，可以实现不同宽复合缠绕纤维带的生产，导向环3-4-4开有导向槽3-4-5，可以防止经纱的滑脱。
如图18所示，所述支撑板3-6为T型，横杆上设有多个通孔3-6-1竖杆上设有竖向的通槽3-6-2；所述可变速导向辊3-4安装在通孔3-6-1和通槽3-6-2中，当需要调节中间的可变速导向辊3-4的位置时，可以通过调节其在通槽3-6-2的上下位置来实现。
根据所述纤维增强复合材料带缠绕包覆成型装置的方法，包括以下步骤：经纱绕过所述导向部3的可变速导向辊3-4，进入缠绕部2的缠绕盘轴2-11，并在集纱板2-16的出纱孔2-16-1处集成一排，所述缠绕盘2-7在驱动装置的驱动下转动，所述纱线筒轴2-6上的纬纱在阻力器2-5的作用下具有一定的张力，穿过入纱头2-8，并由出纱头2-13引出，紧密缠绕在通过集纱板2-16穿出的经纱表面，形成复合材料带的缠绕包覆成型。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。