浅析从纤维缠绕到带缠绕成型工艺

王艳玲 刘洪上

西安向阳航天材料股份有限公司 陕西西安 710100

1 纤维单向缠绕

纤维单向缠绕锥形体采用锥形体单向纤维缠绕技术软件。该软件是根据缠绕运动规律及数控缠绕的特点，采用Microsoft 公司VisualBasic6.0 作为开发语言软件工具，在Windows2000 平台上实现对纤维缠绕机线型及传动系统的计算机辅助设计，模拟纤维在芯模表面的落纱规律，实现在同一界面上的参数计算和机器运动过程仿真。纤维单向缠绕锥形体只发生在芯模锥体段，不发生在封头处，因此进行锥体纤维单向缠绕前必须在锥形芯模的两端安装上针盘工装以满足挂纱需要。其缠绕规律为：缠绕时芯模绕自身轴线转动，绕丝嘴在固定平面内按特定的速度沿芯模轴线方向往复运动，绕丝嘴带动纤维从芯模大端（或小端）缠绕到小端（或大端）后挂在相应的针上，然后芯模反向转动，绕丝嘴带动纤维作返回缠绕到起始端，后将纤维挂在相应的针销上，缠绕一个单程循环时芯模旋转一个微小角度，反映在芯模表面为两个带宽，如此往复循环进行，直至纤维纱片均匀布满芯模表面。纤维单向缠绕最大特点是实现纤维的无交叉缠绕。这是纵向缠绕和螺旋缠绕所不能实现的。纤维单向缠绕锥体另一个突出的优点是缠绕仅发生在锥体段，不经过封头，所以在编程时不需要考虑封头的解析方程。另外，在大多数缠绕成型中，缠绕发生在芯模的筒体和封头上，固化脱模后封头是要机加工去掉的，导致材料的极大浪费，成本增大，而采用单向纤维缠绕，在锥体段两端安装针盘工装，缠绕只发生在筒体，既节省了材料，也提高了效率，同时也避免了纤维的交叉[1]。

2 缠绕工艺参数的选择

2.1 纤维处理和烘干

由于纤维都是采用增强型浸润剂，存贮不当也会吸附大量的水分。纤维表面的这些游离水分影响树脂基体与纤维的粘合，同时引起应力腐蚀。使微裂纹等缺陷进一步扩展，从而使制品强度和耐老化性能下降。

2.2 浸胶与胶液含量

胶液含量的变化及分布对纤维缠绕试验容器的性能影响较大，一是直接影响容器的质量和厚度的控制。二是从强度的角度看，含胶量过高使制品的强度降低。含胶量过低，容器孔隙率增加，使容器气密性，耐老化性能及剪切强度下降。同时也影响纤维强度的发挥。试验容器的结构层含胶量应控制在17%-25%，最佳含胶量为20%。纤维含胶量是在浸胶过程中进行控制的，通过调整挤胶辊压力来控制含胶量，影响含胶量的因素很多，主要以胶液粘度、缠绕张力、浸胶时间、胶液粘度等为主。

2.3 缠绕张力

缠绕张力是缠绕工艺的重要参数，张力大小、各束纤维间张力的均匀性，以及各缠绕层之间纤维张力的均匀性。对缠绕试验容器的质量影响很大。缠绕张力的大小可通过计算确定。根据经验，一般初张力可按纤维强度的17%-25%选取。为使各缠绕层不出现内松外紧现象，使缠绕张力逐层有规律地递减，尽可能各层纤维在缠绕完成后所受的张力相等。

3 从纤维缠绕到带缠绕成型工艺

纤维缠绕技术所凭借的物质基础主要是缠绕机，缠绕机的发展相当迅速，从最初简单的机械链条式，发展到当今各种能控制多轴运动的微机控制缠绕机的问世，纤维缠绕技术得到巨大的发展。纤维缠绕本来应用于圆形或者一般轴对称的几何体。纤维缠绕机应用齿轮系和链条运动副提供必要的运动，使纤维在芯模表面按设计的角度和轨线进行铺放[2]。由于自动控制技术的引入和发展，在制造技术中终于产生了新思想。这种创造性的思想促进了工艺进步，导致纤维缠绕发展成为自动纤维铺放。新的工艺手段使复合曲面能够缠绕成功。有了计算机，自动纤维铺放有了新气象。自动纤维铺放是计算机对纤维缠绕机控制的一个运用成果。计算机控制机器意味着将纤维铺放在非线性的地方如同线性轨迹那样完好。这就表明了允许在有关纤维铺放可能之处，让纤维的取向和力学设计有了更多的自由度。根据结构要求最初在船体上的纤维缠绕角分布是±22°、±45°、±67°、和±85°，后经分析发现±11°的螺旋缠绕角比±22°更有利，因为该角度对纤维布满整个船体来说是必须的，而±22°角不能从弓弧顶缠到船尾。如果用一般的纤维缠绕机是难以完成这一任务的，这里改用六轴纤维铺放机。在航空工业部门发展起来的带铺放技术如同纤维缠绕技术一样，都是传统的复合材料层积结构的重要手段。70 年代有了多轴运动的自动铺放机，综合了纤维缠绕和带铺放技术，构成所谓纤维铺放技术。纤维缠绕是连续的，依靠张力让纤维贴于芯轴表面、不打滑，形成±α 缠绕角的交叉层，而且芯模要呈凸形几何体。而纤维铺放则不然，大大突破了这些限制。它可以是非连续的，单向纤维铺层设置，亦不必非凸体芯模不可。因为纤维铺放机构设有一个用途极大的压辊或铺放头。压辊可以将加热了的纤维带直接碾压粘接到芯模表面。纤维缠绕在其湿法工艺中最大缺陷在于：无捻粗纱合股后形成的纤维带束内，纤维之间排布有重叠、交叉和空隙，而且参与合股的粗纱各自的张力大小不均匀，因此力学性能较低。如果将粗纱在平行运动中，预制成在带宽、带厚、张力和含胶量都有严格要求的无纬带，用此种预制无纬带就可进行缠绕，毫无疑问制品的力学性能会有大幅度的提高。正是基于这一认识，美国通用动力公司发明了新的成型工艺--带缠绕并在1990 年获得了专利权。总体布局与一般高级数控卧式纤维缠绕机不差上下[3]。只是它在缠绕丝嘴的位置安放了一个关键的设备--铺放头。它能在任何位置及时地保证压实辊垂直压在纤维带上。这实际上是一个三维机械手的腕关节运动机构。在带缠绕工况下，输带系统是关键，因为它要将不能侧向弯曲的单向带平整地铺设于芯轴上面。它对输送的无纬带要施加均匀的张力，同时用同步旋转盘回收防粘纸衬带，或者干脆将剥下的纸带切碎，用真空回吸法去除之。

带缠绕是一种先进而颇为复杂的缠绕方法，对于薄壁高压容器来说，用带缠绕成型比通常的纤维缠绕成型其力学性能的某些指标高出20%以上。这已引起了国人的注意。但是，我国目前尚无带缠绕技术实际应用报导的实例，还处于落后局面。