缠绕角度对落纱质量的影响研究

缠绕角度对落纱质量的影响研究

宋绍翠  李玄  付锡彪

贵州航天风华精密设备有限公司  贵州省贵阳市  550025

摘要：落纱质量对湿法缠绕制品质量的影响很大，针对筒状结构件，主要研究了缠绕角度对落纱质量的影响规律。结果表明，螺旋缠绕时，落纱宽度随着缠绕角度的增大而增大；环向缠绕时，缠绕角度对落纱宽度的影响较小，为后续的生产研究设计打下了坚实的基础。

关键词：湿法缠绕 缠绕角度 落纱质量

1、前言

湿法缠绕成型，是指将纤维在纱架引出，在浸胶槽内与树脂充分接触后，经过一系列导纱杆，通过丝嘴后在芯模上按照设定的轨迹进行缠绕的复合材料工艺[[1]]。纤维缠绕复合材料作为一种典型的复合材料结构形式，具有较高的比强度和比刚度、缠绕线型和缠绕角度可设计等优点，已普遍应用于飞行器、航空航天及压力容器等重要领域[[2]]。在湿法缠绕过程中，张力、树脂浸润性、缠绕速度等这些工艺参数对展纱宽度、树脂含量等因素起关键性作用，共同影响产品的力学性能[[3]]。因此，在实际生产时，如何保证这些工艺参数的稳定性是关键。而目前关于缠绕成型工艺方面的研究较少或处于保密状态。

首先定义几个概念：（1）理论纱宽：理论纱宽是指在CADWIND软件中进行缠绕成型程序设计时输入的一个纱带宽度，是一个理论的设计值；（2）展纱宽度：是指纱线经过纱架、立式导辊分纱机构、胶槽等设备，到达绕丝嘴后，芯模前的纱带宽度；（3）落纱宽度：是指纤维或纱线缠绕到芯模上，落在芯模上的实际纱带宽度。

湿法缠绕成型工艺中落纱宽度直接影响产品的质量，主要表现在以下方面：①影响产品设计：若不能准确把控落纱宽度，导致理论纱宽与落纱宽度偏差过大，会影响产品厚度，使产品强度、气密性等性能达不到设计要求，还会浪费原材料，增加成本；②影响产品质量：不了解落纱宽度的前提下，设计和生产出来的产品厚度不均匀，会对产品直线度产生影响，可能产品不合格品。另一方面，也增加了纤维架桥、纤维堆叠等缺陷产生的可能性，产品的质量得不到保证。

因此，本文结合现有条件，主要从缠绕角度、缠绕张力、缠绕速度、纤维种类、理论纱宽、绕丝嘴、悬线距离[[4]]等方面研究其对落纱宽度的影响规律，对于湿法缠绕成型工艺的研制、生产和使用都有重要意义。

2、缠绕角度

缠绕角度指的是落纱点轨迹与芯模轴线之间的夹角，是纤维缠绕线型设计中一个重要的工艺参数。在进行产品设计时，会根据产品的力学性能去设计环纵比，从而确定缠绕角度。不同缠绕方式对应的缠绕角也各不相同。对于无需纵向加强的制品，通常采取环向缠绕的方式，其缠绕角度通常在85 ~ 90°之间。对于需纵向加强的产品而言，通常采取螺旋缠绕的方式，根据环纵比选择合适的缠绕角度，为了达到纵向加强的目的，缠绕角度一般不超过30°。

3、实验部分

实验设备及原材料：纤维缠绕机、芯模、直尺、游标卡尺、剪刀、美工刀；玻璃纤维，牌号为EA468A-600R。

实验参数

缠绕角度：本次实验选取的缠绕角度为13°、19°、30°、85°、88°、89°。其他参数为：理论纱宽20mm，悬线距离为100mm，缠绕张力为180N，倍率为30%。

芯模安装：按照缠绕机操作规程规定的步骤安装芯模，测量芯模赤道面与卡盘端面的距离。

CADWIND缠绕程序编写：根据芯模的尺寸、形状以及缠绕机机床的各坐标系，建立芯模示意图。根据材料参数，在软件中输入对应的数值。本文研究时，主要筒身前、后、中段的落纱宽度进行取样研究，落纱宽度取5次求平均值为准。

4、结果与讨论

图1是实际缠绕结果图，经过实测，将得到的数据作成如图2所示折线图，其中展纱宽度为绕丝嘴转到对应缠绕角度时的纱带宽度。

图1不同角度实际缠绕结果

图2 不同缠绕角度对应的落纱宽度结果

由图2可得，当理论纱宽为20mm，实际采用20mm的纱带时，螺旋缠绕的落纱宽度远远达不到20mm，相邻纱带之间产生间隙，容易产生缺陷。随着缠绕角度的增大，同宽度的纱带在前端、中部和后端的落纱宽度是逐渐增大的，对应的纱带间隙也逐渐减小。对环向缠绕也有相同的规律，但由于角度变化较小，落纱宽度的差距也较小。螺旋缠绕的展纱宽度小于20mm，因为螺旋缠绕时，绕丝嘴旋转一定角度，纱线在丝嘴上会滑纱，堆叠在一起，纱线展不开，再缠绕到芯模上，落纱宽度也很小；缠绕角度越大，绕丝嘴旋转的角度越小，滑纱和堆叠的可能性减小，纱线展得越开，落纱宽度越大。

5、结论

结论：综上所述，螺旋缠绕时，落纱宽度随着缠绕角度的增大而增大；环向缠绕时，缠绕角度对落纱宽度的影响较小。缠绕角度在结构设计阶段已经确定，因此要通过反馈调节的过程，确定合适的纱宽，保证生产效率的前提下，落纱不离缝，使落纱均匀，尽可能地减少缺陷，提高产品质量。

参考文献

[[1]] 杨正伟,冯婧婧,张炜等.缠绕工艺关键参数对T800碳纤维复合材料壳体强度的影响[J].固体火箭技术,2022,45(03):416-423.

[[2]] 占冬至,韩晓艳,还大军等.湿法缠绕在线自动配胶系统研究[J].玻璃钢/复合材料,2019(05):25-30.

[[3]] 陈亮,陆晓峰,朱晓磊等.纤维缠绕张力对玻璃纤维缠绕筒体性能的影响[J].化工新型料,2021,49(S1):181-185.DOI:10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2021.S.037.

[[4]] 谭在鹏. FW-300-2型玻璃钢缠绕机缠绕线型及误差研究[D].大庆石油学院,2009.