新型復(fù)合材料成型設(shè)備的現(xiàn)狀分析

摘要：本文分析和介紹傳統(tǒng)生產(chǎn)加工復(fù)合材料的相關(guān)設(shè)備及其特點，并介紹了相關(guān)加工產(chǎn)品，對縱向纏繞技術(shù)進(jìn)行了分析，闡述了復(fù)合材料加工過程中所表現(xiàn)出的物理特性，并且根據(jù)復(fù)合材料加工特點設(shè)計了纖維鋪放機(jī)。為了解決傳統(tǒng)設(shè)備在進(jìn)行纏繞加工時，加工效率和加工質(zhì)量比較差的問題，采用了機(jī)器人和綜合自動化設(shè)備完成纏繞加工工作，根據(jù)纏繞工藝的加工工作特點，設(shè)計并組建了纖維拉擠編織機(jī)。本文分析和介紹了新設(shè)計開發(fā)復(fù)合材料生產(chǎn)加工設(shè)備的工作特點和應(yīng)用方法，系統(tǒng)闡述和分析了復(fù)合材料生產(chǎn)加工設(shè)備的現(xiàn)狀以及主要開發(fā)方向。

關(guān)鍵詞：纖維鋪放機(jī)；纏繞工藝；纖維拉擠編織機(jī)

中圖分類號：TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 06-0174-01

一、引言

1946年，纖維纏繞工藝在美國進(jìn)行了技術(shù)專利注冊，這是最早被注冊的纖維纏繞技術(shù)，纖維纏繞技術(shù)發(fā)展至今，技術(shù)越來越成熟，復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，從復(fù)雜的航空領(lǐng)域到人們的日常生活應(yīng)用，到處可以看到復(fù)合材料加工成型的產(chǎn)品，應(yīng)用方式多種多樣，更先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和加工工藝被不斷的開發(fā)出來，因此生產(chǎn)出來的產(chǎn)品也更加豐富。在60年代和70年代之間，復(fù)合材料加工成型的產(chǎn)品主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域，包括火箭動力推動設(shè)的相關(guān)部件、雷達(dá)的相關(guān)部件、導(dǎo)彈系統(tǒng)以及魚雷系統(tǒng)的相關(guān)部件等。這段期間的復(fù)合材料生產(chǎn)加工成型技術(shù)主要通過機(jī)械纖維纏繞技術(shù)完成，雖然加工方式比較簡單，性能也比較可靠，但是由于技術(shù)過于簡單，無法根據(jù)需要靈活的更改加工參數(shù)，因此導(dǎo)致了相關(guān)制品種類較少。

在80年代到9O年代期間，由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、普及和應(yīng)用，現(xiàn)代工業(yè)開始迅速發(fā)展，復(fù)合材料生產(chǎn)加工技術(shù)和成型設(shè)備被不斷的開發(fā)并投入生產(chǎn)，復(fù)合材料加工產(chǎn)品開始主要在航空領(lǐng)域以及人民生活用品兩大領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代自動化工業(yè)的不斷發(fā)展，更多功能強(qiáng)大的生產(chǎn)設(shè)備投入使用，復(fù)合材料加工設(shè)備開始使用配套性和功能性更加可靠的計算機(jī)纖維纏繞設(shè)備。由于生產(chǎn)技術(shù)和加工工藝的提高，以復(fù)合材料為基礎(chǔ)的生產(chǎn)加工產(chǎn)品可以廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括航天領(lǐng)域、能源開發(fā)領(lǐng)域、軍事設(shè)備領(lǐng)域、礦產(chǎn)資源開采領(lǐng)域、化工領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、民用領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域等。加工出的產(chǎn)品種類也不斷豐富，包括各種抗壓設(shè)備、大容量容器、存儲器等。

從2l世紀(jì)開始，更加高端數(shù)控設(shè)備和自動化工業(yè)技術(shù)被開發(fā)出來，因此復(fù)合材料生產(chǎn)加工設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)也開始高速發(fā)展，加工工藝也不斷的完善。當(dāng)今的數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)六維立體式加工，且隨著CAD／CAM技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，可以通過計算機(jī)準(zhǔn)確高效的完成工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計，并可以完成精確的生產(chǎn)加工控制，因此復(fù)合材料生產(chǎn)加工技術(shù)也開始向更高的效率和更先進(jìn)的工藝水平發(fā)展，生產(chǎn)加工的產(chǎn)品已經(jīng)可以滿足各種行業(yè)需求。

二、新型復(fù)合材料生產(chǎn)加工設(shè)備

（一）纖維鋪放機(jī)

纏繞設(shè)備在復(fù)合材料生產(chǎn)加工設(shè)備中占有很大的比例，但是使用纖維纏繞設(shè)備進(jìn)行加工時，但是使用這種方式對復(fù)合材料進(jìn)行加工局限性比較明顯，就是在進(jìn)行纖維纏繞加工時，沿縱軸零度方向進(jìn)行纏繞時，無法達(dá)到理想的纏繞加工要求，因此在生產(chǎn)加工方面產(chǎn)生了很多的不良影響和限制。通過將纖維鋪放加工技術(shù)與纖維纏繞加工技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合，就是現(xiàn)代生產(chǎn)加工工作中所使用的鋪放機(jī)。纖維鋪放加工技術(shù)(Fiber Placement)是一種比較復(fù)雜的生產(chǎn)加工工藝，是在傳統(tǒng)纖維纏繞加工技術(shù)上進(jìn)行改良而形成的，主要的生產(chǎn)加工過程為：首先將纖維通過纖維鋪放機(jī)進(jìn)行加工，將平行的纖維集束生產(chǎn)加工成纖維帶，然后再完成預(yù)浸絲束的加工，并且通過控制使用纖維鋪放設(shè)備中的壓頭，完成在模具中加工纖維預(yù)浸絲束的具體過程。纖維鋪放不同于纖維纏繞和帶鋪放，它并非按測地線在模具上布紗；絲束寬度可精確控制；各絲束可單獨鋪放，以實現(xiàn)鋪放厚度的增減，沒有托紙，纖維鋪放機(jī)上的壓頭把絲束壓在模具上，消除纖維纏繞中易出現(xiàn)的分層現(xiàn)象。其優(yōu)點是可精確控制鋪放厚度、工藝中可即時加壓密實、孔隙率低、纖維鋪放角度不受限制、材料浪費少。目前已有許多公司研發(fā)熱固性和熱塑性纖維纏繞鋪放機(jī)，集鋪放頭、加熱和壓輥裝置、切斷裝置于一體，成功地得到運用。

（二）利用機(jī)器人的成型設(shè)備

機(jī)器人用于復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)備具有自由度多、運動靈活、工藝范圍寬等優(yōu)點，將成形工藝的各個工序集成化，尤其適合制造小型復(fù)雜構(gòu)件，包括軸不對稱和雙凹面部件。此類成形纏繞方式，采用通用機(jī)器人，輸入可以控制多達(dá)六個以上運動軸的軟件，具有制造復(fù)雜零部件的能力，如肘管、高爾夫球的發(fā)球臺、高壓容器、機(jī)床主軸、飛機(jī)機(jī)身等零件。美、歐及加拿大正在研究開發(fā)中，法國一家公司目前已研發(fā)出一種用庫卡機(jī)器人與運動控制結(jié)合在一起用來纏繞航空航天及發(fā)電行業(yè)應(yīng)用裝置。機(jī)器人應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件技術(shù)提高了設(shè)備的制造柔性，即同樣設(shè)備可以制造不同種類的制品。例如巴西一家公司應(yīng)用這種設(shè)備在制造復(fù)合材料氣瓶后可直接生產(chǎn)高爾夫球桿。

（三）多種工藝復(fù)合的纖維拉擠編織設(shè)備

傳統(tǒng)拉擠制品以生產(chǎn)設(shè)備及工藝的高效穩(wěn)定而在復(fù)合材料構(gòu)件中占有相當(dāng)大的比重。但是用這種工藝生產(chǎn)中空制品時，由于其環(huán)向強(qiáng)度低無法夾持而限制了它的應(yīng)用。拉擠與編織工藝結(jié)合則大大改善了薄壁管的力學(xué)性能，使用這種技術(shù)的設(shè)備稱為拉繞設(shè)備。2009年哈爾濱玻璃鋼研究院利用這種技術(shù)成功開發(fā)直徑二十毫米玄武巖薄壁支撐管。拉繞設(shè)備的出現(xiàn)給復(fù)合材料拉擠制品帶來又一個新的拓展，體現(xiàn)了多種工藝復(fù)合所帶來的優(yōu)點。進(jìn)入2l世紀(jì)，在材料、控制技術(shù)、應(yīng)用等方面一定會出現(xiàn)更多種復(fù)合趨勢。纖維編織工藝、壓縮模塑等工藝與傳統(tǒng)纏繞工藝相結(jié)合，將會大大提高纏繞工藝的適應(yīng)性，纖維纏繞預(yù)制件與RTM技術(shù)相結(jié)合會擴(kuò)大纖維纏繞工藝的應(yīng)用范圍，多種材料復(fù)合、多種工藝復(fù)合將會使復(fù)合材料成型技術(shù)更加完善。

三、結(jié)語

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是日新月異的，我們有理由相信，隨著新的纖維材料、新的樹脂材料的不斷問世、高性能纖維性價比的不斷提高以及復(fù)合材料CAD／CAM技術(shù)、電腦控制技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料成型工藝及其設(shè)備將會得到不斷完善、不斷發(fā)展，在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域大顯身手，復(fù)合材料成型技術(shù)正向著高自動化、高集成化、高效率、高柔性的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭君，溫衛(wèi)東，崔海濤，等．2．5維機(jī)織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的幾何模型[J].復(fù)合材料學(xué)報，2008(2):143-148．

[2]肖軍，李勇，李建龍.自動鋪 放技術(shù)在 大型飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2008(1):5O-53

[3]肖穎，史耀耀，常麗麗.復(fù)合材料纏繞成形工藝研究[J].電加工與模具，2007(5):56-60．

[4]謝霞，邱冠雄，姜亞明.纖維纏繞技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004(6):19-22