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缠绕成型工艺
1.1 纤维缠绕工艺分类：
缠绕工艺：将浸过树脂胶液连续纤维或布带，根据一定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合材料制品工艺过程。
决定产品形状模具

基础纤维缠绕机

浸胶
胶纱纱锭
张力控制
固化
打模喷漆
脱模
芯模制造
胶液配制
纱团
集束
烘干
络纱
加热粘流
纵、环向缠绕
张力控制
纵、环向缠绕
成品
湿法缠绕成型工艺
干法缠绕成型工艺

玻璃钢.高压储气罐/碳纤维球

1.1.1 干法缠绕
将预浸纱带(或预浸布)，在缠绕机上经加热软化至粘流状态并缠绕到芯模上成型工艺过程。
干法缠绕特点:
制品质量稳定(预浸纱由专用预浸设备制造，能较严格地控制纱带含胶量和尺寸)；缠绕速度快(100～200m/min); 缠绕设备清洁，劳动卫生条件好；预浸设备投资大。干法缠绕制品质量较稳定，并可大大提升缠绕速度，可达成100m／min～200m／min。缠绕设备清洁．劳动卫生条件很好。
1.1.2 湿法缠绕
将无捻粗纱(或布带)经浸胶后直接缠绕到芯模上成型工艺过程。此法无须另行配置浸渍设备。对材料要求不严，便于选材，故比较经济纱片质量及缠绕过程中张力不易控制 。
特点：
不需要预浸渍设备，设备投资少；对材料要求不严，便于选材；纱片质量不易控制和检验；张力不易控制；胶液中存在大量溶剂，固化时易产生气泡；浸胶辊、张力辊等要常常维护刷洗。

湿法缠绕工艺步骤:

打磨喷漆
胶液配制
纱团集束
固化
浸胶
脱模
张力控制
纵、环
向缠绕
芯模制造
制品

浸 胶 缠 绕

原 材 料
增强材料：应用最广、量最大是玻璃纤维。
另外有碳纤维，Kevlar纤维等。

缠 绕 设 备
卧式缠绕机
缠绕设备
立式缠绕机

卧式缠绕机

立式缠绕机

缠 绕 机 构

纱 架

浸 胶 槽

张 力 控 制 器

1.1.3 半干法缠绕
将无捻粗纱(或布带)浸胶后，随即预烘干，然后缠绕到芯模上成型工艺方法
和湿法相比，增加了烘干工序，除去了溶剂。和干法相比，无需整套预浸设备，缩短了烘干时间，使缠绕过程可在室温下进行。提升了制品质量。
1.2 纤维缠绕制品优点
(1) 比强度高 FWRP比强度3倍于钛，4倍于钢
i) 材料表面缺点是影响其强度关键原因。表面积越大，缺点率越高。缠绕纤维直径很细，降低了微裂纹存在几率；所用纤维关键是无捻粗纱因为没有经过纺织工序，强度损失大大降低。
(ii) 避免了布纹经纬交织点和短切纤维末端应力集中
(iii) 能够控制纤维方向和数量，使产品实现等强度结构
(ⅳ) 增强材料纤维含量高达80%
(2) 可靠性高 纤维缠绕复合材料制品基础处理了金属韧性随强度提升而降低这一矛盾。
(3) 生产效率高,制品质量高而稳定，可实现机械化、自动化操作，生产效率高，便于大批量生产。
(4) 材料成本低, 所用增强材料大多是无捻粗纱等连续纤维，降低了纺织和其它加工费用，材料成本低。

1.3 原材料
关键有纤维增强材料和树脂基体两大类:
（1）增强材料
关键是中碱、无碱粗纱。另外有玻璃布带、碳纤维、芳纶纤维等。应依据不一样产品对性能要求进行选择。
(1) 航空和航天制品多选择性能优异价格昂贵碳纤维和芳纶纤维，民用产品多选择连续玻璃纤维；
(2) 满足制品性能要求；
(3) 纤维全部必需进行表面处理；
(4) 和树脂浸渍性好，浸透速度快；
(5) 各股纤维张力均匀；
(6) 成带性好，不起毛，不停头。
（2）树脂体系
树脂及多种助剂、填料
常见： 不饱和聚酯树脂，环氧树脂(双酚A型)、酚醛－环氧树脂(环氧改性酚醛树脂)。
不饱和聚酯：含有非芳族不饱和键,由不饱和二元羧酸或酸酐、饱和二元羧酸或酸酐和多元醇缩聚而成含有酯键和不饱和双键相对分子质量不高线型高分子化合物。
不饱和聚酯树脂：在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量乙烯基单体，配成粘稠液体，这么聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。

2 芯模
外形同制品内腔形状尺寸一致，对芯模要求：
1)足够强度和刚度。制造过程中要求芯模能够确保制品结构尺寸及承受张力、固化热应力载荷等。
(2)必需满足制品精度要求。
(3)制作工艺简单、周期短，材料起源广，价格低。
(4)制品完成后，要求芯模能顺利清除洁净，而不影响制品质量。
2.1芯模材料
关键是钢材、木材、塑料、铝、石膏、水泥、低熔点金属、低熔点盐类等，国外较多用低熔点金属、低熔点盐，制造芯模时将其熔化浇铸成壳体，脱模时加入热水搅拌溶解或用蒸汽熔化。
2.1.1 芯模材料对制品影响
膨胀系数影响产品尺寸精度；
弹性模量影响产品力学性能及尺寸精度；
导热系数影响产品固化度；
芯模中水份影响产品固化，甚至引发分层开裂。
采取易敲碎材料;
可溶或易熔盐类；将其熔化用铸造法浇铸成壳体，脱模时加入热水溶解
低熔点金属；由可溶或易熔粘结剂粘起来集合体。

2.1.3 组合式芯模
分瓣式
采取弓形铝合金片组成回转体，外表面涂刮一层石膏层
采取石膏隔板支撑金属细管，捆扎后外表刮国外较多用，制造芯模时将其熔化浇铸成壳体，脱模时加入热水搅拌溶解或用蒸汽熔化。石膏，封头亦用石膏制作
用金属管捆扎成芯模，外表层刮石膏
隔板式
捆扎式
框架装配式

2.1.4 石膏隔板组合式芯模

优点：
由芯轴、预制石膏板、铝管及石膏面层等部分组成
高温固化，石膏脱水对制品质量有影响，不适于加压固化；一个芯模使用一次，仅适适用于单件和小批量生产
成型工艺简单、成本低，适适用于大型芯模，尺寸精度高
缺点：

2.2 圆筒芯模
开缩式芯模
整体式芯模

开缩式芯模：芯模有中心轴，沿轴一定距离有一组可伸缩辐条式机构支撑轮状环。用于支撑芯模外壳。脱模时，经过液压机械装置，使芯模收缩并从固化制品中脱下来、然后再将芯模恢复到原始位置。
整体式芯模：1、含有经抛光高精度表面
2、含有锥度，大于1/1000(便于脱模)

2.3缠绕规律
缠绕规律：描述纱片均匀、稳定、连续、排布在芯模表面，和芯模和导丝头间运动关系规律。要求：
(1) 纤维既不重合又不离缝，均匀连续充满芯模表面。
(2) 纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。
2.3.1 缠绕线型分类
(1) 环向缠绕芯模绕自轴匀速转动，导丝头在筒身区间作平行于轴线方向运动。芯模自转一周，导丝头近似移动一个纱片宽度缠绕。(只能缠绕直筒段)
缠绕角通常为85-90°
封头
纱带
筒身
b

(2) 螺旋缠绕 ：芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方向往复运动。能够缠绕圆筒段，也可缠绕端头(封头)。纤维缠绕轨迹：由圆筒上螺旋线和封头上和极孔相切空间曲线组成。

（3）纵向缠绕 （又称平面缠绕）
导丝头在固定平面内做匀速圆周运动，芯模绕自轴慢速旋转，导丝头转一周，芯模转动微小角度，反应在芯模表面上近似一个纱片宽度。 纱片和芯模轴线间成0°~ 25°交角，纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线。

平面缠绕、缠绕角正切值：
平面缠绕参数关系图
纱片和芯模交角
lc
le1
le2
2r1
2r2
b
a
D
△θ
s
πD
lc
b
α

平面缠绕速比：
单位时间内，芯模旋转周数和导丝头绕芯模旋转圈数比或绕丝头转一圈时导丝头绕芯模旋转圈数。
纱片宽度
缠绕角

2.3.1螺旋缠绕线型
连续纤维缠绕在芯模表面上排布型式
（1）一个完整循环概念
螺旋缠绕时，由导丝头引入纤维自芯模上某点开始(空间点)，导丝头经过若干次往返运动后，又缠回到原来起始点上(空间点)。这么在芯模上所完成一次(不反复)布线称为“标准线”。完成一个标准线缠绕称为一个完整循环。“标准线”是反应缠绕规律基础线型。纤维在芯模表面均匀充满条件
（2）一个完整循环切点数及分布规律
a、切点位置“时序相邻”和“位置相邻”概念
在极孔圆周上按时间次序相继出现两个切点称为时序相邻两切点。
时序相邻切点位置只能有两种情况：
1) 两切点紧密排布，中间不能再加入其它切点， 称为两切点“位置相邻”。
2) 两切点之间还能够加入其它切点，称两切点位置不相邻。
b、单切点和多切点概念
单切点缠绕：完成一个完整循环缠绕，极孔圆周上只有一个切点情况。
多切点缠绕: 完成一个完整循环缠绕，极孔圆周上有多个切点情况

完成一个完整循环缠绕有两种情况：
1) 时序相邻两切点位置也相邻。即在出现和初始切点位置相邻切点以前，极孔上只有一个切点，这种缠绕线形称单切点线型。
2) 在出现和起始切点位置相邻切点以前，极孔上已经出现了两个或两个以上切点，即时序相邻切点位置不相邻，这种缠绕线形称为多切点线型。

在极孔上切点线型排布
1
2
3
3
1
2
4
单切点线型 双切点线型
纤维从切点1绕到和它时序相邻切点2时，芯模转过中心角为360o/2

n=3 n=4 n=5
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
5
1
4
2
5
3
1
3
5
2
4
1
5
4
3
2

c、一个完整循环n个切点必将等分极孔圆周
因为芯模匀速转动，丝嘴每往返一次时间又相同。所以，一个完整循环n点切点必将等分极孔圆周。
3）纤维在芯模表面均匀充满条件
a、一个完整循环诸切点均布在极孔圆周上。
b、位置相邻两切点所对应纱片在筒身段错开距离等于一个纱片宽度。
2.3.2 纤维缠绕芯模转角(即缠绕中心角)和线型关系
设完成一个n切点完整循环缠绕，芯模转角为θ，导丝头每往返一次芯模转角为θn，则：
当从切点1绕到切点2或从切点2绕到切点3时，芯模转过中心角将是360°土Δθ，或再加上360 °整数倍。
θn推导：
单切点： θ1=(1+N)360°±Δθ （N=0，1，2，······）
其中Δθ是使位置相邻两切点对应纱片在筒身段错开一个纱片距离。
1
2
3

两切点：一个完整循环导丝头往返2次才错过一个Δθ，导丝头往返一次时应错开Δθ/2。
θ2=[(1+N)360°±Δθ]/2=(1/2+N) 360°±Δθ/2
3
1
2
4

三切点：θ3=[(1+N)360°±Δθ]/3 =(1/3+N) 360°±Δθ/3
n=3
1
2
3
1
2
3

不过，n≥3时各切点排序和时间次序不一定一致，比如θ3有2个值：
θ3-1=（1/3+N）360°±Δθ/3
θ3-2=（2/3+N）360°±Δθ/3

θ5有4个值：
θ5-1=（1/5+N）360°±Δθ/5
θ5-2=（2/5+N）360°±Δθ/5
θ5-3=（3/5+N）360°±Δθ/5
θ5-4=（4/5+N）360°±Δθ/5
则对于θn有
θn＝（K/n +N）360°±△θ/n K值需要使K/n为最简真分数。

在一个完整循环中，切点数不一样，纤维缠绕线型不一样，导丝头往返一次芯模转角不一样；假如在一个完整循环中，切点数相同而切点排布次序不一样，则线型也不相同，导丝头往返一次芯模转角也不一样。
导丝头往返一次转数作为缠绕线型“代号”。

1
n=3 n=4 n=5
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
5
1
4
2
5
3
3
5
2
4
1
5
4
3
2

“线型”以导丝头往返一次芯模旋转转数来表示:
S0＝ θn /360°
M=K + nN
S0-表示线型；M——一个完整循环芯模转数；
n——切点数，也是一个完整循环导丝头往返次数。
不考虑芯模转角微调量
θn＝(K/n +N)360°±△θ/n
S0＝ K/n + N＝M/n
连续纤维缠绕在芯模表面上排布型式

2.3.3 螺旋缠绕转速比
单位时间内，芯模转数和导丝头往返次数之比，完成一个完整循环，芯模转数和导丝头往返次数之比。
一个完整循环芯模转数
一个完整循环中导丝头往返数
不一样线型严格对应着不一样转速比
定义线型在数值上等于转速比

考虑到速比微调部分(即纱片宽度对应角度)影响，实际转速比：
θn=(K/n+N)360°±Δθ/n

2.4 缠绕工艺设计
缠绕工艺设计包含内容：
(1) 依据产品使用和设计要求、技术质量指标，进行结结构型、缠绕线型和芯模设计；
(2) 选择原材料；
(3) 依据产品强度要求、原材料性能及缠绕线型进行缠绕层数计算；
(4) 依据选定原材料和工艺方法，确定工艺步骤及工艺参数；
(5) 依据缠绕线型选定缠绕设备，或为缠绕设备设计提供参数。

2.4.1缠绕类型选择考虑原因

(1) 制品结构形状和几何尺寸: 平面缠绕适合于球形、扁椭球形、长径比小于4筒形制品。也适适用于两封头不等极孔容器缠绕。
长形管状制品通常采取螺旋缠绕。为预防纤维打滑，平面缠绕通常采取预浸纱缠绕，同时，极孔直径通常不超出筒体直径30%。
(2) 强度要求:
螺旋缠绕: 纤维在筒身上交叉程度相当大，从强度见解看是不利。因为交叉点处纤维在承载状态下有被拉直趋势，纤维交叉程度大就轻易产生分层和损坏；其次，因为纤维交叉孔隙率偏高，而孔隙率是使制品剪切强度降低关键原因。
平面缠绕: 纤维在筒体是不交叉，而以完整缠绕层依次逐层重合，排列很好。所以，平面缠绕可望取得高强度，并所以减轻制品质量。
封头
纱带
筒身
b
平面缠绕
环向缠绕
螺旋缠绕

(3) 载荷特征
平面和环向组合缠绕: 当制品受到内压以外荷载，设计灵活性较大。只要改变各方向玻璃纤维数量就能独立和方便地调变纵向和环向强度。
螺旋缠绕：在设计和工艺上对于内压以外荷载适应性较差。
(4) 缠绕设备：

2.4.2 螺旋缠绕线型参数选择
纱片和芯模轴线交角

1，缠绕角：选定线型缠绕角应等于或靠近测地线缠绕角 ，曲面上两点之间短程线，是在一个曲面上，每一点处测地曲率均为零曲线。湿法缠绕，实际缠绕角应控制在和测地线缠绕角 ( )偏离8～10°以内。
2，切点数：选少切点线型。切点数越多，纤维交叉次数越多，使极孔周围区域纤维堆积架空现象严重，造成应力集中，影响纤维强度发挥。
3，封头包络圆：极孔包络圆应逐步扩大，使纤维在极孔周围排布均匀，
减轻纤维在极孔周围堆积。减弱应力集中程度，不致使封头外形曲线发生过大改变，有利纤维强度发挥。
4，缠绕程序：对于小车环链式缠绕机，缠绕角不宜选大小。不然，将使链条长度增大，设备粗笨。同时超越长度也增大，使缠绕张力难以控制。
5，链条长度：

沉醉式浸胶
表面带胶式浸胶
2.4.3浸胶方法：
经过挤胶辊压力来控制含胶量
经过控制刮刀和胶辊距离，以改变胶辊表面胶层厚度，从而控制含胶量。
胶槽
纤维
挤胶辊
胶槽
纤维
刮刀
胶辊
浸胶槽应装备恒温水浴，以控制胶液温度(粘度)。
胶含量控制： 20％左右
胶液粘度： 0.35～1.0 Pa.S

2.4.4缠绕张力影响：（纤维缠绕过程中所受张紧力）
1，制品机械性能：张力过小，制品强度偏低，容器充压时变形大，疲惫性能差；张力过大纤维磨损大，使纤维强度损失，制品强度下降。张力大小应适中、均匀。采取低捻度、张力均匀纤维，并应尽可能保持纱片内各束纤维是平行
剪切强度和张力关系

2，制品密实度：接触成型压力：缠绕在曲面上纤维，其缠绕张力产生垂直于芯模表面法向力。

T0—缠绕张力， N/cm；r—芯模半径，cm；α —缠绕角
使制品致密
4 8 12 16
80

70

60

50
N (0.1MPa)
H0 (%)
体积密度和成型压力关系

3，含胶量：伴随缠绕张力增大，含胶量降低。湿法缠绕中，因为缠绕张力径向分量—法向压力作用，胶液将由内层被挤向外层，出现胶液含量沿壁厚不均匀—内低外高现象。采取分层固化或预浸材料可减轻或避免这种现象。
单纱张力(g)
含胶量(%)
0~5
5~10
15~20
25~30
33.88
30.38
26.20
24.05

4，缠绕速度：
湿法缠绕：受纤维浸胶过程限制，芯模转速很高，会出现胶液在离心力作用下，从缠绕结构向外迁移和溅洒可能。纱线速度应小于0.9 m/s
干法缠绕：确保预浸纤维树脂经过加热装置后能达成必需粘流状态；
避免空气杂质被吸入缠绕结构。
,5，固化制度：
常温固化、加热固化加热温度范围，考虑树脂聚合反应时间和传热时间，固化制度关键由树脂系统性能和制品要求物化性能决定。固化制度确实定由树脂系统性能和制品要求物化性能决定。
升温速率
恒温温度
保温时间
降温冷却
6，升温速度：升温阶段要平稳，升温速度不应太快。
(1) 化学反应猛烈，低分子物质易急剧逸出形成大量气泡。尤其在低沸点组分沸点以下时，为了赶出气泡，升温应慢些。过了沸点后，升温可合适快些。
(2) 纤维缠绕玻璃钢制品导热系数仅为金属1/150，升温速度快，结构各部分温差很大。尤其是为使制品内部达成反应温度而又不使外表层温度过高甚至固化，升温速度应严格控制。
7，恒温：使树脂固化完全，并使制品各部分固化收缩均匀平衡，避免由内应力引发变形和开裂。
1) 树脂聚合反应所需时间；
(2)传热时间，即经过不稳定导热使制品内部达成最高固化温度所需时间。
8，降温冷却：要缓慢，不能骤冷
纤维缠绕制品结构中，顺纤维方向和垂直纤维方向线膨胀系数相差近4倍，若冷却较快，各方向各部位收缩不一致，尤其是垂直纤维方向树脂基体将承受拉应力。垂直纤维方向拉伸强度低，可能发生开裂破坏。

9环境温度：15℃以上确保胶纱在绕制过程中浸渍效果、避免一些固化剂低温析出。