大口徑玻璃鋼方管成型工藝研究 zund L-1200-光學壓克力台中切割加工－劉婷婷焦點新聞熱搜

1 引言
    隨著玻璃鋼材料及其制品在各個行業被廣泛采用，其獨特的優越性能已被各個行業所肯定。針對不同的行業，玻璃鋼材料的新型產品層出不窮。
    玻璃鋼的質量輕，強度高，耐腐蝕，壽命長，耐氣候，阻燃，耐高溫等性能得到了廣泛的應用。隨著各行業逐步加大使用玻璃鋼材質產品的力度，玻璃鋼的力學性能和成型工藝將面臨巨大挑戰。玻璃鋼的成型工藝，決定玻璃鋼產品的形狀和應用前景。玻璃鋼的力學性能要求，則決定了玻璃鋼能否在力學性能要求較高的行業有較大的發展空間。
    方形端面的大口徑管道式玻璃鋼產品的應用，在市場上并不多見。與其存在的強度差，易變形等缺陷有關。比如，長寬各一米以上的方型管道，國內的主要成型工藝是手糊，澆鑄，注射等。此三種玻璃鋼產品其本身的強度就比較差，而且容易變形。拉擠工藝強度比較好，但沒有辦法解決大口徑方管產品的一次成型問題。
    針對以上問題，本文就大口徑方型管道進行了“纏繞工藝”研究和試驗。經過研究和試驗，首次研發出了“大口徑方管纏繞技術”。這一技術很好的解決了大口徑方管所需要的力學性能。強度高，不變形，成本低。相對手糊等工藝，其彎曲強度，剪切強度增加了至少2倍以上。相同產品成本也只是手糊成型產品的70％左右，詳見下表：
    玻璃鋼大口徑纏繞方管和手糊方管的主要性能及制作參數比較：（以相同的樹脂和纖維制作樣品，相同規格和相同壁厚）
    [-page-]
    大口徑方管纏繞技術，已在玻璃鋼煙囪，玻璃鋼大型方管道，大型玻璃鋼方形防火風門，玻璃鋼方形水箱等產品中大量使用。使用效果十分突出。
    本文中將研究采用濕法纏繞工藝成型方管，這一技術的采用，將會使產品的內在質量和外觀質量都得到顯著提升。
2 大口徑方管纏繞技術問題及解決措施
2.1 纏繞模型建立
    目前應用的大多數纏繞機及纏繞原理都是針對回轉幾何體的，是不能滿足方管纏繞要求的，若想使用現有的設備和理論來進行方管纏繞，需要根據產品纏繞工藝要求對纏繞設備輸入參數進行重新確定；對于圓管纏繞而言，一般輸入的主要參數有直徑、長度、纏繞角、纏繞前進量等。
    目前應用的大多數纏繞機一般擁有三種運動方式，種是芯模繞自身軸線的勻速轉動，第二種是纏繞機繞絲嘴沿芯模自身軸線方向的勻速直線往復運動，第三種是纏繞機繞絲嘴沿垂直芯模自身軸線方向的伸臂運動。通過這三種基本運動按纏繞規律進行組合，來實現對纏繞制品的纏繞成型的。在進行圓管的筒段纏繞時，芯模繞自身軸線的勻速轉動與纏繞機繞絲嘴沿芯模自身軸線方向的勻速直線往復運動之間存在一個定值一“速比”，“速比”保證纏繞纖維在圓管的筒段具有穩定的纏繞角和纏繞前進量。在圓管筒段纏繞時，纏繞纖維方向是隨著外筒表面漸變的；在進行方管筒段纏繞時，纏繞纖維方向是隨方管外表面變化呈階梯性突變的。
    在纏繞研究中，建立方管纏繞模型如下圖1；纏繞機方管的纖維纏繞是按虛擬圓管進行纏繞控制的，虛擬圓管的直徑為方管截面的外接圓，虛擬圓管與方管在方管的四條棱線處相交，方管在該處的纏繞纖維落點與虛擬圓管相同，方管的纖維纏繞軌跡由這些纏繞纖維落點確定。在實際進行方管纏繞時，利用在纏繞機上輸入虛擬圓管的纏繞控制參數的方法來實現對方管的纏繞控制。

2.2 纏繞軌跡的控制點
    芯模表面上能夠對纏繞纖維施加作用力的點為纏繞軌跡的控制點，這些控制點相對于模具而言是不變的，也就是說纏繞纖維一旦落在纏繞軌跡的控制點上后，[-page-] 將不再滑動。圓管外表面與纏繞纖維接觸的點都是纏繞軌跡的控制點，且這些控制點是連續的。在進行方管筒段纏繞時，街段纏繞軌跡的控制點分布在方管模具的四條棱上，對于纏繞纖維而言，其時序相臨的纏繞軌跡控制點是不連續的。
2.3 纏繞軌跡的穩定性問題
    由于方管形狀的獨特性，在進行纏繞時，纏繞封頭結構形式直接影響到纏繞紗線在方管上的落紗穩定性，纏繞封頭與方管筒段上四條棱邊的交會點是產生“滑線”的主要部位；“滑線”會使纏繞紗線不能落在預定的部位，纖維架空，造成工件厚度不均，表面不平整，“滑線”現象嚴重時會造成纏繞工作無法進行；“滑線”現象的存在，說明纏繞紗線在該部位處于不穩定狀態。
    為了改善纏繞封頭與方管筒段上四條棱邊交會點處的纏繞纖維穩定性，對封頭的幾種結構形式進行了研究，除了考慮纏繞纖維的穩定性，還要考慮纏繞工藝的可行性；后提出下面纏繞封頭的結構形式。

    由于球形封頭對繞絲嘴在端部伸臂軌跡的要求相對簡單，即繞絲嘴與球面保持等距即可；因此選取纏繞封頭為球面封頭；由于方箱的截面形狀是關于象限線對稱的，因此纏繞纖維在封頭段的纏繞中心角定為180°，纏繞纖維一旦從箱面進人封頭球面區域將直接進入與該箱面相對的箱面，而不經過其他箱面；球面封頭的高度和球徑等參數與方管的橫截面直邊長度、纏繞角有關；假設：方管的橫截面直邊長度為A，在箱面的纖維纏繞角為af，球面封頭的高度為H，封頭球面半徑為R，封頭極孔直徑為d，則存在下面關系式：
    封頭球面半徑R：

    封頭高度H：

    封頭極孔直徑d：
    [-page-]
    在上式中，必須保證d≤A，才能使纏繞纖維下架空，所以上式在a_f≤42°時有效；對于a_f＞42°時，直接令d＝A。
    這樣的封頭對改善纏繞封頭與方管筒段上四條棱邊交會點處的纏繞纖維穩定性有一定的效果。
2.4 方管纏繞中的虛擬圓管直徑
    根據方管纏繞中的虛擬圓管的假設：

    式中：D_x為虛擬圓管直徑；
          A為方管橫截面邊長；
2.5 方管纏繞角與虛擬同管纏繞角
    方管的纏繞角是由其時序相臨的纏繞軌跡控制點來決定的，方管與虛擬圓管的展開圖如圖3。

    式中：αx為虛擬圓管纏繞角；
           αf為方管纏繞角。

    圖3 方管與虛似圓管的展開圖
    圖中方管的展開周長要小于虛擬圓管的展開周長，所以方管的的纏繞角af要小于虛擬圓管纏繞角ax。
2.6 方管纏繞前進量與控制值的差異
    方管箱面纏繞前進量為Bf，虛擬圓管的纏繞前進量為Bx；二者存在下面關系式：

2.7 方箱纏繞紗條數
    [-page-]
2.8 纏繞方箱壁厚的差異問題
    在方管纏繞成型中，會出現方箱平板面壁厚厚度大，而方箱的四條棱壁厚厚度薄的現象；通過上面對方管纏繞原理的分析，認為纏繞理論本身是不可能造成方管筒段平面厚度增厚的，造成這一方管壁厚差異的主要原因是樹脂膠液固化前，纏繞模具對復合材料方管的壓力差異造成的；纏繞模具在方管的棱線部位，對復合材料的擠壓力較大，該部位纖維堆砌非常密實，大部分樹脂膠液被擠到表面流失掉，所以該處的含膠量要低一些；而在方管的平板面部位，纏繞模具對復合材料的擠壓力非常小，該部位纖維堆砌非常疏松，大部分樹脂膠液被存在平板部位，該處的含膠量較高。
    纏繞模具對復合材料箱體的作用力主要來源于纖維纏繞張力在周向的分量，以及模具橫截面的幾何形狀。纖維纏繞角越小，方管的壁厚差異越小；纖維纏繞角越大，方管的壁厚差異越大；在工藝上還可以采用各種在平板面加壓的方法控制方管平板面的壁厚；另外還可以采用真空灌注法進行方管的制造，方管的壁厚差異將會得到有效控制，且方管的空隙率可以得到控制，方管的密封性能會得到提高。
2.9 纏繞方管的脫模問題
    方管脫模不同于圓管，通常廣泛應用于圓管的“水壓”脫模方式對于方管就不適用了；對于方管而言，“機械”脫模方式比較適用。“機械”脫模是將“機械”力沿軸向分別施加在成型模具和方管上，使二者產生相對位移，彼此分離。影響方管脫模的因素主要有成型模具的脫模設計、模具的加工精度、成型模具的表面狀態、脫模劑的種類及涂刷效果、方管結構纖維鋪層順序、脫模時模具與方管的溫度、脫模工裝的安裝方式等等；方管脫模的阻力主要來自四條棱邊處管體與模具的摩擦力；為了順利脫模，模具要設計成具有拔模角的，這有兩個含義，一個是四個平板面要具有脫模斜度，一個是四條棱邊具有脫模錐角；倘若四個平板面不允許有脫模斜度，那四條棱邊必須要設計成具有具有變倒圓半徑的棱邊，以保證四條棱邊具有脫模錐角；否則會脫模困難。
2.10 方管平面變形的預防措施
    由于方管幾何形狀特殊，在方管成型時，有一個不容忽視的變形問題，具體表現有三種形式，、箱體平板向內彎曲；第二、箱體平面向外彎曲；第三、箱體的扭曲變形。造成箱體變形的直接原因是由于箱體結構內部存在內應力，造成耦合效應，產生出平面變形；復合材料層和板會體現出幾種類型的耦合效應，諸如彎扭耦合、拉彎耦合等。這是由具有不同性質的多層材料互相重疊引起的。
    內應力形成的主要原因是纖維預張力及樹脂膠液的固化收縮；這是在箱體成型過程中必須面對的問題，其次內應力有以下影響因素：纖維鋪層次序、纖維鋪設方向、樹脂固化收縮、不同層次的纖維鋪設張力的差異等。由于形成內應力因素的多樣性，使作用于箱體的內應力具有不確定性，箱體的變形形式具有不同類型。[-page-]
    雖然方管變形有眾多的影響因素，但通過優化結構設計、調整相關工藝參數，箱體變形問題是能得到有效控制的。采取的相關措施如下：
    （1）箱體壁厚和鋪層數量的影響
    箱體壁厚對箱體變形的影響很大，箱體壁厚越厚，箱體變形越小；但產品不能僅靠增加壁厚來改善箱體的抗變形能力，還要考慮產品的經濟實用性；增加箱體結構中的鋪層數量，即在規定的箱體壁厚限定下，降低各個鋪層的厚度，實現鋪層數量的增多，可以有效抑制復合層板產生耦合效應，減少層合板翹曲變形。
    （2）箱體壁結構鋪層
    在不考慮纖維纏繞張力影響的前提下，此項措施中有兩項內容，一項是結構鋪層采用對稱鋪層，另一項是增加復合層板的抗彎剛度。結構鋪層采用對稱鋪層可以有效抑制復合展板產生耦合效應，增加復合層板的抗彎剛度是指增強復合層板內外面層的拉伸模量，可以通過內層和面層采用不同纏繞鋪設角或更換增強材料來實現。
    （3）纖維纏繞張力
    纖維纏繞張力是箱體纏繞成型中不可回避的，在纏繞圓筒形容器時，以一個不變的纏繞張力纏繞內外層，會出現內松外緊的現象，這種現象若出現在方管纏繞成型中，成型完畢的方管就會出現平板面向內凹的變形，反之則變形方向相反。在解決這一問題時，大多采用“張力遞減”的方法，影響箱體內凹或外凸的張力因素主要是指纖維纏繞張力在周向的分力，在成型工藝中可以通過調整各層纏繞角、分層固化和階梯控制纏繞纖維張力等措施來實現對箱體變形的控制。
    （4）原材料的選擇
    樹脂膠液在固化過程中產生收縮，由于纖維的支撐作用，抑制了樹脂的變形，二者固化變形不同步，產生內應力；因此選擇低固化收縮率的樹脂膠液，或在膠液中添加具有抑制樹脂膠液收縮功效的固體填料進行改性，可以減小內應力。
    （5）固化制度的影響
    加熱固化時升溫速率不能太快，升溫要緩慢，加熱要均勻，好是階梯升溫，分段固化，使溫度的變化與團化反應相適應；加熱固化切勿溫度過高，持續時間過長，導致過固化，使樹脂膠液炭化變脆，影響與增強材料的粘接性能；加熱固化到達規定時間，不能將工件急劇冷卻，冷卻速度過快時，會使樹脂膠液提前進人玻璃態，會因收縮不均產生很大的內應力，帶來后患。在固化度不足的情況下脫模，復合材料層板的抗彎剛度較弱，在內應力作用下更容易造成復合層板的永久變形。制定合理的固化制度，提高復合材料層板的固化度，使復合材料層板的抗彎剛度得到提升；達到控制復合層板變形的目的。 [-page-]
    （6）表面樹脂膠層的影響
    方箱表面樹脂膠層對于薄壁箱體變形具有不容忽視的影響；表面樹脂膠層的存在會造成薄壁箱體內凹變形，為了控制變形，需要祛除工件表面的富樹脂層，在工藝上可以采用“扒皮布”扒皮的方法。
3 實驗驗證情況
3.1 纏繞設備
    五軸纏繞機。
3.2 纏繞模具
    模具尺寸：168 x 168 x 1800（mm）。
    方管模具相對平面相互平行，四條棱邊具有脫模錐角。
3.3 纏繞鋪層
    層次結構采用對稱鋪層，為了提高內層和外層的周向剛度，內外層采用周向纏繞，且在面層布置有周向碳纖維鋪層。結構層內部的纏繞纖維纏繞角為±60°，纏繞紗寬前進量為30mm，纏繞試件長度600mm，無封頭纏繞，控制壁厚4mm。
3.4 纏繞控制參數確定
3.4.1 虛擬圓筒直徑
    已知方管邊長：A=168mm，
                   則：
3.4.2 虛擬圓筒的纏繞角
    已知方管纏繞角：
              則：
3.4.3 虛擬圓筒的纏繞紗寬前進量
    已知方管的纏繞紗寬前進量：B_f30mm，
    則：
3.4.4 虛擬圓筒的紗條數

3.4.5  纏繞速比
    由于方管是相對于象限線對稱的，因此選取端部纏繞中心角為180^。,則速比計算公式如下：

    式中M=3，k=9[-page-]
3.5 工藝控制措施
    在方管試樣制作過程中除了進行相應的參數計算外，還要在成型工藝實施過程中加強合膠量、纏繞張力的控制。
3.5.1 控制膠液粘度
    在樹脂膠液調和前，對樹脂進行加熱，降低樹脂粘度，這一措施除了能夠改善樹脂膠液對纏繞纖維的浸潤外，還能增強樹脂膠液的流動性，使多余的樹脂膠液遷移至工件表面。
3.5.2 纏繞過程表面刮膠
    附著在工件上的樹脂膠液需要用刮膠工具逐層刮除，避免由于膠液存留使方管的壁厚產生較大變化。
3.5.3 控制纖維纏繞張力
    為了控制方管的變形，雖然在鋪層結構上采取了相應的措施，但纏繞張力對方管變形的影響依然不可忽視；在實際操作中纏繞纖維張力采用了“階梯式遞減”方法。
3.5.4 固化后表面膠層祛除
    雖然在方管試樣制作過程中加強了膠液控制，但固化過程中，樹脂膠液也會向工件表面遷移，固化后在表面形成富樹脂層，為了祛除表面富樹脂層，在纏繞結束后，在表面包纏“扒在布”，固化后，將“扒皮布”連同表面富樹脂層一起扒掉。
3.6 方管固化
    方管固化采用專用數字溫控固化爐，能夠對制品實施旋轉固化。通過控制制品固化制度（階梯升溫），升溫速率（＜1.0℃/min），旋轉速率，得到了固化完全，平整的方管表面。
3.7 脫模
    實踐證明在工藝上采取措施來降低模具和產品間的摩擦力，確實對方管脫模起到很大作用，而且機械脫模是行之有效的脫模方式。
3.8 尺寸測量
    通過對方管脫模前后的尺寸進行測量，脫模后方管由于內應力的存在產生變形，尺寸有所變化。要想得到無需加工而滿足使用要求的方管，需要在工藝上進一步探討，如控制纏繞張力，選擇與纖維斷裂延伸率匹配的樹脂體系，以及合理的固化制度等。
4 結果討論
    通過實驗驗證，采用虛擬圓筒的纏繞控制參數進行大口徑方管纏繞成型的方案是可行的。完全能夠滿足方管纏繞纖維按預定纏繞角均勻布滿芯模表面的工藝要求。“纏繞軌跡控制點”的概念，會對今后特殊幾何形狀產品的纖維纏繞研究具有指導意義。方管纏繞的封頭纏繞尚需在今后的研究中進一步完善和驗證。本文對纏繞方管的變形問題提出了一些控制措施，這些措施大多數是方向性的措施，需要根據不同的樹脂、纖維和工藝條件進一步細化和完善。
    這一技術很好的解決了大口徑方管所需要的力學性能。強度高，不變形，成本低。相對手糊等工藝，其彎曲強度，剪切強度增加了至少2倍以上。相同產品成本也只是手糊成型產品的70％左右。

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