专利名称：一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料制品的成型设备，特别涉及一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置。
背景技术：
纤维增强复合材料管是一种复合材料制品，常见的增强纤维有玻璃纤维和碳纤维等。和传统的金属管材相比，其拥有质量轻，强度高，耐蚀性强的优点，可被用于代替金属材料作为各种结构件，在航空航天、汽车制造、纺织机械等许多领域都有广泛应用。纤维增强复合材料管通常通过缠绕成型或卷管成型的方法进行制备，缠绕成型即浸过基体树脂胶液的连续纤维在张力作用下按照一定规律缠绕到芯模上，达到一定厚度后经固化、脱模获得的。纤维缠绕成型工艺具有机械自动化、可靠性高、生产效率高、制品质量高而稳定的优点。然而现有的纤维缠绕设备无法进行小角度或轴向纤维的缠绕，缠绕角一般要求大于15度。当缠绕角小于15度时，纤维在张力作用下易在管口处发生滑脱，使缠绕失败，另外还会出现展纱不良的问题。卷管成型是将纤维预浸料在卷管机上热卷成型复合材料管材的一种方法。和缠绕成型相比，卷管成型的优势在于该方法对铺层纤维的方向没有限制，可进行小角度或轴向纤维铺层的铺设，且操作方便；其缺点在于成型过程中纤维预浸料的张力较小，导致所制得管材的强度不高，主要用于对强度要求较低的民用制品的成型，如鱼竿和高尔夫球杆等。随着科学技术的发展，许多领域对材料的性能也提出了更高的要求。为了使管件具有尽可能高的抗弯刚度和轴向强度，纤维应沿轴向排布，且纤维与芯模轴线夹角越小，管的抗弯刚度和轴向强度越高。由于缠绕角度的限制，缠绕成型的纤维增强复合材料管的抗弯刚度和轴向强度都不高；卷管成型虽然能进行轴向纤维的铺设，但是所制得管件的强度无法满足较高要求。为了使管件保证周向强度的同时，具有较高抗弯刚度和轴向强度，目前缠绕成型工艺已有了不同方式的改进。常用的方法是在缠绕前在芯模表面包覆一层或多层纤维网格布或纤维毡作为内衬层，在进行纤维的缠绕成型，这种方法通过内衬层提供了一定的轴向强度，但效果并不显著。其余方法主要可分为两类。一类是在芯模端头设计挂纱装置，以防止在小角度缠绕时纱线滑脱，但这类方法需要使用特制的芯模，脱模时还需拆除挂纱装置，且挂纱装置占据了一定缠绕面积；另一类是一定宽度的单向布或网格布带经浸胶后以环向缠绕的方式在芯模表面缠绕，提供一定的轴向强度。通过这类方法制得的复合材料管能保证一定的轴向强度，但由于增强纤维沿轴线方向不连续，所以抗弯刚度并不高
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其生产的复合材料管具有纤维缠绕层和预浸料卷绕层，并且纤维可以沿任意角度排列，能够加强了复合材料管的抗弯刚度和轴向强度，克服现有技术中存在的上述问题。
本发明的一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其包括芯模，芯模穿设有芯轴；床头箱，床头箱上设有带有卡盘的驱动轴，驱动轴通过卡盘夹持芯轴，驱动芯模转动；纤维缠绕机构，包括辅助设备、导丝头、小车和床身，所述导丝头固定在所述小车上，所述小车安装在所述床身上并能沿所述芯模轴向往复运动，所述床身与所述床头箱的距离可调，纤维经所述辅助设备后通过导丝头缠绕于所述芯模的待加工面上；预浸料卷绕机构，包括传动机构、预浸料高度调节机构、预热机构和离型纸收卷装置，所述传动机构安装在所述预浸料高度调节机构上并位于所述芯模的下方，置于所述传动机构上的预浸料随传动机构运动，所述预热机构置于所述传动机构的下方加热所述预浸料；在将所述预浸料卷绕到所述待加工面上时，所述预浸料高度调节机构将传动机构调高至与所述待加工面的下表面贴合；所述离型纸收卷装置包括上离型纸收卷装置和下离型纸收卷装置，所述上离型纸收卷装置设在所述传动机构的上方，所述下离型纸收卷装置设在所述芯模的上方并与芯模平行设置。本发明采用纤维缠绕机构和预浸料卷绕机构相互配合，可生产出具有纤维缠绕层和预浸料卷绕层的复合材料管，可完成包括轴向纤维的任意角度纤维的铺层，其所制备的复合材料管具有更高的轴向强度和抗弯刚度。本发明所述预热机构的预热方式为热辊加热、传送带加热、红外灯辐照、热风预热或电热板预热。本发明所述连续化成型装置还包括控制机构，所述传动机构上设有速度调节机构，所述床头箱上设有转速传感器，所述转速传感器将所述芯模的转速传给所述控制机构，所述控制机构通过所述速度调节机构控制所述传动机构的速度。采用控制机构，使传动机构的速度与芯模的转速匹配便于将预浸料卷绕到芯模上，便于生产制造，节省生产时间。本发明所述传动机构位于所述芯模正下方的一端设有两组传动辊，所述预浸料卷绕机构还包括前辊高度调节机构，位于最前端的传动辊在所述前辊高度调节机构的驱动下上下运动。本发明所述下离型纸收卷装置为一转动轴，所述转动轴的旋转方向与所述芯模的转动方向相反，便于将预浸料底面的下离型纸去除。本发明所述辅助设备包括浸胶装置、张力控制装置和纱架。通过以上技术方案，本发明的一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，可生产出具有纤维缠绕层和预浸料卷绕层的复合材料管，可完成包括轴向纤维的任意角度纤维的铺层，其所制备的复合材料管具有更高的轴向强度和抗弯刚度。
图I本发明一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置的纤维缠绕侧视图。图2本发明一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置的纤维缠绕正视图。图3本发明一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置的预浸料卷绕侧视图。图4本发明一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置的预浸料卷绕正视图。图中，1，预浸料；2，芯模；3，纤维；4，传动机构；5，上离型纸；6，预热机构；
7，芯轴；8，下离型纸；9，下离型纸收卷装置；10，导丝头；11，床头箱；12，预浸料高度调节机构；13，床身；14，辅助设备；15，前辊高度调节机构；16，待加工面；17，小车；18，传动轴；19，卡盘。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行进一步详细说明。如图I及图3所示，本发明的一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其包括芯模2，芯模2穿设有芯轴7 ;床头箱11，床头箱11上设有带有卡盘19的驱动轴18，驱动轴18通过卡盘19夹持芯轴7，驱动芯模2转动，床头箱11能调节芯模2的旋转速度；纤维缠绕机构，其包括辅助设备14、导丝头10、小车17和床身13，导丝头10固定在小车17上，小车17安装在床身13上并能沿芯模2轴向往复运动，纤维经辅助设备14后通过导丝头10缠绕在芯模的待加工面16上，导丝头10引导纤维环向或螺旋缠绕在待加工面16上，通过控制小车17的运动速度和芯模的旋转速度保证纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满待加工面；预浸料卷绕机构，包括传动机构4、预浸料高度调节机构12、预热机构6和离型纸收卷装置，传动机构4安装在预浸料高度调节机构12上并位于芯模2的下方，置于传动机构4上的预浸料I并随传动机构4运动，预热机构6置于传动机构的下方对预浸料I进行加热。在将预浸料I卷绕到待加工面16上时，预浸料高度调节机构12将预浸料I调高至与待加工面16的下表面贴合；离型纸收卷装置包括上离型纸收卷装置和下离型纸收卷装置9，上离型纸收卷装置设在传动机构的上方，将放置在传动机构上的预浸料的上离型纸5剥去，下离型纸收卷装置9设在芯模2的上方并与芯模2平行设置，在将预浸料缠绕到芯模上时将其下表面的下离型纸8剥去。本发明采用纤维缠绕机构和预浸料卷绕机构相互配合，可生产出具有纤维缠绕层和预浸料卷绕层的复合材料管，可完成包括轴向纤维的任意角度纤维的铺层，其所制备的复合材料管具有更高的轴向强度和抗弯刚度。上述预热机构6的预热方式为热辊加热、传送带加热、红外灯辐照、热风预热或电热板预热，也可为其他预热方式，只要能将预浸料预热软化便于粘贴即可。本发明的连续化成型装置还包括控制机构，传动机构4上设有速度调节机构，床头箱11上设有转速传感器，转速传感器将芯模2的转速传给控制机构，控制机构通过速度调节机构控制传动机构的速度。采用控制机构，使传动机构的速度与芯模2的转速匹配便于将预浸料卷I卷绕到芯模2上，便于生产制造，节省生产时间。如图3所示，上述传动机构4位于芯模2正下方的一端设有两组传动辊，上述预浸料卷绕机构还包括前辊高度调节机构15，位于最前端的传动辊在前辊高度调节机构15的驱动下上下运动，当需要将预浸料卷绕到芯模上时，调节前辊高度调节机构15使最前端的传动辊上升，并使预浸料与待加工面16的下表面相切并贴合，便于预浸料I卷绕到芯模2上。如图4所示，下离型纸收卷装置9为一转动轴，转动轴的旋转方向与芯模2的转动方向相反，便于将预浸料I底面的下离型纸8去除。如图2所示，上述芯轴7的两端外露在芯模2的外面，当纤维3的缠绕达到所需厚度，需要进行预浸料卷绕时，可使纤维3继续在芯模一端的芯轴7上继续缠绕，保证预浸料卷绕工序不会中断纤维缠绕 的进行。本发明的一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，可以铺设零度至九十度任意角度的纤维铺层，现以铺设零度和九十度正交铺层组合为例，其具体生产纤维增强复合材料管的工序如下按照复合材料管即芯模2的长度和零度铺层厚度裁剪适当尺寸的预浸料，将裁剪好的预浸料I置于传动机构4上并揭去上离型纸5，用预热机构6进行预热软化。如图I所示，芯模2的九十度环向缠绕层可通过纤维缠绕机构按常规环向缠绕技术进行缠绕。如图2所示，当纤维3环向缠绕达到所需厚度时，可使纤维3继续在芯模一端的芯轴7上继续缠绕。启动传动机构4将已预热的预浸料I送至芯模2下方，启动预浸料高度调节机构使传动机构升高，使预浸料与待加工面接触并贴合，以一定的速度在待加工面2表面进行卷绕至少一周，直至所需的厚度。由于零度纤维预浸料I横向强度低，预浸料I的传送速度必须与芯模2转动速度匹配，使预浸料上下表面具有相同的线速度，避免横向张力的产生，因此需要上述控制机构，转速传感器将芯模2的转速传给控制机构，控制机构通过速度调节机构控制传动机构的速度，使其匹配。在预浸料I的卷绕过程中， 通过下离型纸收卷装置9同步揭去预浸料下离型纸8。零度纤维预浸料I卷绕完成后，启动预浸料高度调节机构12将传动机构下降，使传动机构4与待加工面2分离，小车17以特定速度沿芯模轴线方向移动，使芯模一端芯轴处的纤维3可继续对芯模2经行九十度环向缠绕，直至所需的厚度，形成九十度缠绕层，对里层的零度纤维进行环向增强。本发明的一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，可以通过调整预浸料卷绕和纤维缠绕的顺序，使纤维增强复合材料管的铺层结构满足不同的设计要求。在使用本发明连续化成型装置生产复合材料管的过程中，预浸料卷绕工序不会中断纤维缠绕的进行，可适应连续化生产要求。
权利要求
1.一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其特征是包括 芯模， 芯模穿设有芯轴； 床头箱， 床头箱上设有带有卡盘的驱动轴，驱动轴通过卡盘夹持芯轴，驱动芯模转动； 纤维缠绕机构， 其包括辅助设备、导丝头、小车和床身，所述导丝头固定在所述小车上，所述小车安装在所述床身上并能沿所述芯模轴向往复运动，所述床身与所述床头箱的距离可调，纤维经所述辅助设备后通过导丝头缠绕于所述芯模的待加工面上； 预浸料卷绕机构， 包括传动机构、预浸料高度调节机构、预热机构和离型纸收卷装置，所述传动机构安装在所述预浸料高度调节机构上并位于所述芯模的下方，置于所述传动机构上的预浸料随传动机构运动，所述预热机构置于所述传动机构的下方加热所述预浸料；在将所述预浸料卷绕到所述待加工面上时，所述预浸料高度调节机构将预浸料调高至与所述待加工面的下表面贴合；所述离型纸收卷装置包括上离型纸收卷装置和下离型纸收卷装置，所述上离型纸收卷装置设在所述传动机构的上方，所述下离型纸收卷装置设在所述芯模的上方并与芯模平行设置。
2.根据权利要求I所述一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其特征在于，所述预热机构的预热方式为热辊加热、传送带加热、红外灯辐照、热风预热或电热板预热。
3.根据权利要求I所述一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其特征在于，所述连续化成型装置还包括控制机构，所述传动机构上设有速度调节机构，所述床头箱设有转速传感器，所述转速传感器将所述芯模的转速传给所述控制机构，所述控制机构通过所述速度调节机构控制所述传动机构的速度。
4.根据权利要求I所述一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其特征在于，所述传动机构位于所述芯模正下方的一端设有两组传动辊，所述预浸料卷绕机构还包括前辊高度调节机构，位于最前端的传动辊在所述前辊高度调节机构的驱动下上下运动。
5.根据权利要求I所述一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其特征在于，所述下离型纸收卷装置为一转动轴，所述转动轴的旋转方向与所述芯模的转动方向相反。
6.根据权利要求I所述一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其特征在于，所述辅助设备包括浸胶装置、张力控制装置和纱架。
全文摘要
本发明公开一种纤维增强复合材料管的连续化成型装置，其包括芯模，芯模穿设有芯轴；床头箱，床头箱上设有带有卡盘的驱动轴，驱动轴通过卡盘夹持芯轴，驱动芯模转动；纤维缠绕机构包括导丝头、小车、床身及辅助设备，固定有导丝头的小车安装在床身上并能沿所述芯模轴向往复运动；床身与床头箱的距离可调；预浸料卷绕机构包括传动机构、预浸料高度调节机构、预热机构和离型纸收卷装置，传动机构安装在预浸料高度调节机构上并位于芯模的下方，预浸料置于传动机构上并随传动机构运动，同时通过预热机构对预浸料进行加热。本发明可生产出具有纤维缠绕层和预浸料卷绕层的复合材料管，并可完成任意角度纤维铺层的成型。
文档编号B29C53/80GK102632609SQ20121012287
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者施云舟, 朱晓萌, 潘任行, 王华平, 王彪 申请人:东华大学