本发明涉及一种玻璃纤维复合材料板材成型设备及方法。
背景技术：
随着复合材料，特别是玻璃纤维复合材料在航空航天、汽车工业、风能领域等的大量应用，对其各方面性能的测试也日趋严格。其中玻璃纤维复合材料单向纤维增强力学性能值是其应用中一项非常重要的性能参数，被国内外各大风电叶片设计厂家重视，而测试玻璃纤维复合材料单向纤维增强力学性能值必须需要用到板材。传统的复合材料缠绕设备主要用于缠绕大型的管道、气瓶等，使用小距离排线，这就导致了在缠绕角较小时，其缠绕精度有限，不能缠绕出符合要求的板材，以满足测试的稳定性要求。同时现有的缠绕设备占地面积大，且价格昂贵，制造出的板材试样长度较长(一般5m以上)，这就造成了玻璃纤维的大量浪费，成本较高，不适合在玻璃纤维生产商、风电叶片制备厂使用。
技术实现要素：
为了设计出符合要求的玻璃纤维复合材料板材，本发明提供了一种高精度的玻璃纤维复合材料成型设备和方法。该设备占地面积小，缠绕精度高，测试的稳定性好，适合在玻璃纤维生产商、叶片制造商及复合材料板材制备使用。同时，基于此方法所得到的预制纱受力均匀，缠绕精度高，得到的产品不会出现局部受力不足，薄厚不均的情况，而且所得到的板材制品测试数据稳定性较高，偏差较小，能直观反应相关产品力学性能情况，特别对于复合材料行业研究复合材料纤维板90度方向力学性能表征，有明显的技术指导。
本发明采用的技术方案是：
一种玻璃纤维复合材料板材成型设备，包括退捻装置、张力控制装置和缠绕装置；所述张力控制装置置于所述退捻装置和缠绕装置之间；所述缠绕装置包括缠绕支架、丝杠导轨机构、排线机构和缠绕模具，所述丝杠导轨机构和缠绕模具平行设置于所述缠绕支架上，所述丝杠导轨机构包括丝杠副，所述缠绕模具的旋转轴平行于所述丝杠副的丝杠，所述丝杠导轨机构还包括与所述丝杠平行设置的导轨，所述排线机构安装在所述丝杠副的螺母上，并与所述导轨相配合在丝杠电机的带动下沿所述丝杠和导轨做往复直线运动；所述导轨上安装有限位器使所述排线机构在一定范围内沿所述丝杠和所述导轨做往复直线运动，所述限位器的位置沿所述导轨可调。本发明使用了丝杠导轨机构为所述排线机构提供运动导向和动力，排线机构随着丝杠的旋转和限位器的定位而做往复运动，往复运动不限于水平运动或垂直运动，但一定是直线运动。
该设备结构紧凑、占地面积小，通过高精度的丝杠导轨机构与缠绕模具相配合，使得该设备的缠绕精度高，对其缠绕制品的成品的测试稳定性好，而且节省玻璃纤维，只需一卷纤维即可缠绕出所需样品，适合在玻璃纤维生产商、叶片制造商及复合材料板材制备中使用。同时，通过调整限位器的位置，可以非常简单的控制板材的尺寸，进一步达到节省材料的目的。
进一步地，一种玻璃纤维复合材料板材成型设备，还包括浸胶装置，所述浸胶装置包括浸胶槽、胶量控制器，所述浸胶槽在浸胶入口和出口处分别设有浸胶入口陶瓷孔和浸胶出口陶瓷孔，所述浸胶槽的底部安装有活动安装块，通过所述活动安装块将所述浸胶装置安装于所述排线机构，所述浸胶装置随着所述排线机构在一定范围内沿所述丝杠和所述导轨做往复直线运动。带有一定张力的玻璃纤维纱线由浸胶进口陶瓷孔进入浸胶槽内的胶，在胶内使纤维均匀平展浸透后，方便缠绕在相应的模具上；所述缠绕模具的旋转轴可与所述浸胶出口陶瓷孔水平设置，所述胶优选为树脂。
优选地，所述胶量控制器置于所述浸胶槽槽体上方，并靠近所述浸胶出口陶瓷孔，所述胶量控制器为间距可调的导辊。保证纤维均匀平展浸透胶后，经胶量控制器的导辊滚压，之前的一束纤维成平面展开，保证层与层之前纤维充分结合以便于均匀的快速展开平铺至缠绕模具上。胶量控制器置于浸胶出口陶瓷孔附近，如果距离较远，纤维又会恢复椭圆状，优选地所述胶可为树脂。
作为优选，所述导轨为安装于所述玻璃纤维复合材料板材成型设备的机架上的滑块，所述限位器可安装于所述滑块上，所述滑块支撑所述排线机构在所述丝杠的带动下沿着所述滑块在所述限位器之间做往复直线运动。
作为优选，所述导轨为与所述丝杠轴线平行的导杆，所述限位器可安装于所述导杆上，所述导杆支撑所述排线机构在所述丝杠的带动下沿着所述导杆在所述限位器之间做往复直线运动。进一步地，所述导杆有两条，分别均布在丝杠的两侧，导杆的直径大于丝杠的，且导杆内部轴承要求有很好的密封性和润滑性。所述限位器可为红外感应器，方便排线机构在运动中根据指令自动转换方向。
优选地，所述退捻装置包括退捻盘、退捻架和退捻电机，所述退捻盘设置于所述退捻架上且所述退捻盘的旋转中心轴与退捻电机的旋转轴连接，退捻电机为伺服电机。
优选地，所述张力控制装置包括张力架和张力棒，所述张力架上开有多个水平的或竖直的张力棒导孔，所述张力棒可在所述张力棒导孔内滑动并可固定在所述张力棒导孔；通过调整所述张力棒在所述张力棒导孔的位置进行张力预控制，所述张力架两端分别设有进口张力导纱陶瓷孔和出口张力导纱陶瓷孔，以上所有纱线需要经过的导孔均为陶瓷孔，在这里进出口张力导纱陶瓷孔可设置为内径10mm的陶瓷孔，以减少纱线的摩擦磨损，并可防止产生静电。该张力控制装置能保证纤维最大力缠绕在模具上，保证复合的材料性能稳定，一般张力控制为纤维强力的25％左右，张力棒可采用直径20-25mm的黄铜棒。
张力控制装置与所述退捻电机和缠绕模具电机配合，使得预制纱的受力均匀，进而避免使得到的产品出现薄厚不均的情况。
优选地，所述缠绕模具为可拆换式模具，在模具电机的带动下稳定的绕其旋转轴旋转，所述缠绕模具可通过张紧机构实现模具的快速装卸，若选用其他形状的模具，当然也可以制备缠绕管道，方管等样品。
一种玻璃纤维复合材料板材成型方法，其特征在于，使用上述的玻璃纤维复合材料板材成型设备进行玻璃纤维复合材料板材的缠绕成型，具体为，
步骤一，调整好退捻电机、模具电机和丝杠电机的转速比，将所述预制纱卷放置在所述退捻盘上，引出预制纱线穿过张力控制装置的进口张力导纱陶瓷孔，所述预制纱线经所述张力棒张紧后由出口张力导纱陶瓷孔引出，进入所述排线机构和所述浸胶装置进行浸胶排线；
步骤二，所述浸胶后的纱线在所述排线机构的带动下做往复运动进而向缠绕模具上缠绕，根据不同的模具、缠绕角度、缠绕速度缠绕形成不同形状和厚度的板状制品；
步骤三，将所述板状制品固化脱模，形成成品。
优选地，在所述步骤一之前，需要对玻璃纤维纱线进行预处理，即将玻璃纤维在标准温湿条件下进行24小时预处理，其中标准温湿度环境是指标准温度(23±1)℃、相对湿度(50±2)％，得到预制纱卷；所述步骤一中浸胶装置的浸胶槽中装有树脂，所述树脂可以为不饱和聚酯树脂也可以为其他常用的增强树脂。所述不饱和聚酯树脂优选为苯二甲酸乙二醇酯、或邻苯二甲酸乙二醇酯、或对苯二甲酸丁二醇酯、或对苯二甲酸双十三酯、或环氧树脂、或聚碳酸酯等具有不饱和键的聚酯。
本发明的有益效果体现在：
本发明所述一种玻璃纤维复合材料板材成型设备结构紧凑、占地面积小，使用了丝杠导轨机构为所述排线机构提供运动导向和动力，排线机构随着丝杠的旋转和限位器的定位而做往复运动，通过高精度的丝杠导轨机构与缠绕模具相配合，使得该设备的缠绕精度高，对其缠绕制品的成品的测试稳定性好，适合在玻璃纤维生产商、叶片制造商及复合材料板材制备中使用。同时，通过调整限位器的位置，可以非常简单的控制板材的尺寸，达到节省材料的目的。张力控制装置与所述退捻电机和缠绕模具电机配合，使得预制纱的受力均匀，进而避免使得到的产品出现薄厚不均的情况。
附图说明
图1一种玻璃纤维复合材料板材成型设备示意图
图2退捻装置示意图
图3张力控制装置示意图
图4浸胶装置示意图
图5缠绕装置示意图
图中：1-缠绕装置，11-丝杠导轨机构，12-缠绕模具，13-张紧轮，111-丝杠副，112-导杆，2-浸胶装置，21-浸胶槽，22-胶量控制器，23-浸胶入口陶瓷孔24-浸胶出口陶瓷孔，3-退捻装置，31-退捻盘，32退捻架，33退捻电机，4-张力控制装置，41张力架，42-张力棒，43-张力棒导孔，44-进口张力导纱陶瓷孔，45-出口张力导纱陶瓷孔。
具体实施方式
一种玻璃纤维复合材料板材成型设备，包括退捻装置3、张力控制装置4和缠绕装置1；所述张力控制装置4置于所述退捻装置3和缠绕装置1之间；所述缠绕装置1包括缠绕支架、丝杠导轨机构11、排线机构和缠绕模具12，所述丝杠导轨机构11和缠绕模具12平行设置于所述缠绕支架上，所述丝杠导轨机构包括丝杠副111，所述缠绕模具12的旋转轴平行于所述丝杠导轨机构11的丝杠，所述丝杠导轨机构11还包括与所述丝杠平行设置的导轨112，所述排线机构安装在所述丝杠副的螺母上，并与所述导轨相配合在丝杠电机的带动下沿所述丝杠和导轨做往复直线运动；所述丝杠导轨机构11的导轨上安装有限位器使所述排线机构在一定范围内沿所述丝杠和所述导轨做往复直线运动，所述限位器的位置沿所述导轨可调。本发明使用了丝杠导轨机构11为所述排线机构提供运动导向和动力，排线机构随着丝杠的旋转和限位器的定位而做往复运动，往复运动不限于水平运动或垂直运动，但一定是直线运动。
该设备结构紧凑、占地面积小，通过高精度的丝杠导轨机构11与缠绕模具12相配合，使得该设备的缠绕精度高，对其缠绕制品的成品的测试稳定性好，适合在玻璃纤维生产商、叶片制造商及复合材料板材制备中使用。同时，通过调整限位器的位置，可以非常简单的控制板材的尺寸，达到节省材料的目的。
进一步地，一种玻璃纤维复合材料板材成型设备，还包括浸胶装置2，所述浸胶装置2包括浸胶槽21、胶量控制器22，所述浸胶槽21在浸胶入口和出口处分别设有浸胶入口陶瓷孔23和浸胶出口陶瓷孔24，所述浸胶槽21的底部安装设置有活动安装块，通过所述活动安装块将所述浸胶装置安装于所述排线机构，所述浸胶装置2随着所述排线机构在一定范围内沿所述丝杠和所述导轨做往复直线运动；所述缠绕模具12的旋转轴可与所述浸胶出口陶瓷孔24水平设置。
优选地，所述胶量控制器22置于所述浸胶槽21槽体内，并靠近浸胶出口陶瓷孔24，所述胶控制器22包括成对使用的间距可调的导辊。保证纤维均匀平展浸透树脂后，经胶控制器22的导辊滚压，之前的一束纤维成平面展开，保证层与层之前纤维充分结合以便于均匀的快速展开平铺至缠绕模具12上。胶量控制器22置于浸胶出口陶瓷孔24附近，如果距离较远，纤维又会恢复椭圆状。
作为优选，所述导轨包括安装于所述玻璃纤维复合材料板材成型设备的机架上的轨道和与所述轨道相配合的滑块，所述限位器安装于所述轨道上，所述滑块支撑所述排线机构在所述丝杠的带动下沿着所述轨道在所述限位器之间做往复直线运动。
作为优选，所述导轨为与所述丝杠轴线平行的导杆112，所述限位器安装于所述导杆112上，所述导杆112支撑所述排线机构在所述丝杠的带动下沿着所述导杆112在所述限位器之间做往复直线运动。进一步地，所述导杆有两条，分别均布在丝杠的两侧，导杆的直径大于丝杠的，且导杆内部轴承要求有很好的密封性和润滑性。所述限位器可为红外感应器，方便排线机构在运动中根据指令自动转换方向。
优选地，所述退捻装置3包括退捻盘31、退捻架32和退捻电机33，所述退捻盘31设置于所述退捻架32上且所述退捻盘31的旋转中心轴与退捻电机33的旋转轴连接，退捻电机33为伺服电机。
优选地，所述张力控制装置4包括张力架41和张力棒42，所述张力架41上开有多个水平的或竖直的张力棒导孔43，所述张力棒42可在所述张力棒导孔43内滑动并可固定在所述张力棒导孔43；通过调整所述张力棒42在所述张力棒导孔43的位置进行张力预控制，所述张力架41两端分别设有进口张力导纱陶瓷孔44和出口张力导纱陶瓷孔45，以上所有纱线需要经过的导孔均为陶瓷孔，在这里进出口张力导纱陶瓷孔可设置为内径10mm的陶瓷孔，以减少纱线的摩擦磨损，并可防止产生静电。该张力控制装置能保证纤维最大力缠绕在模具上，保证复合的材料性能稳定，一般张力控制为纤维强力的25％左右，张力棒可采用直径20-25mm的黄铜棒。
张力控制装置4与所述退捻电机33和缠绕模具12电机配合，使得预制纱的受力均匀，进而避免使得到的产品出现薄厚不均的情况。
优选地，所述缠绕模具12为可拆换式模具，在模具电机的带动下稳定的绕其旋转轴旋转，所述缠绕模具可通过张紧机构13实现模具的快速装卸。
一种玻璃纤维复合材料板材成型方法，其特征在于，使用上述的玻璃纤维复合材料板材成型设备进行玻璃纤维复合材料板材的缠绕成型，具体为，步骤一，调整好退捻电机33、缠绕模具12电机和丝杠电机的转速比，例如，欲设置排线角度为0.5°，模具宽度为290mm，根据三角公式计算出：排线横移距离为1.75mm。在制样过程中缠绕要求一个模具旋转一周纱线的横移距离为1.5mm。如图5所示，轻触控制面板上面的复合键，将排线器位置调整至模具边缘，将所述预制纱卷放置在所述退捻盘上31，引出预制纱线穿过张力控制装置4的进口张力导纱陶瓷孔44，所述预制纱线经所述张力棒42张紧后由出口张力导纱陶瓷孔45引出，进入所述排线机构和所述浸胶装置2进行浸胶排线；
步骤二，所述浸胶后的纱线在所述排线机构的带动下做往复运动进而向缠绕模具12上缠绕，根据不同的模具、缠绕角度、缠绕速度缠绕形成不同形状和厚度的板状制品；例如要求缠绕厚度为2mm，根据纱线的密度、缠绕角度设定计算出缠绕层数为3层。
步骤三，缠绕完毕后，关闭电机，闭合模具，将所述板状制品固化脱模，形成成品。
优选地，在所述步骤一之前，需要对玻璃纤维纱线进行预处理，即将玻璃纤维在标准温湿条件下进行进行24小时预处理，其中标准温湿度环境是指标准温度(23±1)℃、相对湿度(50±2)％，得到预制纱卷。
所述步骤一中浸胶装置2的浸胶槽21中装有树脂，所述树脂可以为不饱和聚酯树脂也可以为其他常用的增强树脂。所述不饱和聚酯树脂优选为苯二甲酸乙二醇酯、或邻苯二甲酸乙二醇酯、或对苯二甲酸丁二醇酯、或对苯二甲酸双十三酯、或环氧树脂、或聚碳酸酯等具有不饱和键的聚酯。优选的，所述预处理步骤是在标准温湿度环境中进行24小时预处理，其中标准温湿度环境是指标准温度(23±1)℃、相对湿度(50±2)％。