專利名稱：一種纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制方法及裝置，屬于復(fù)合材料纖維纏繞成型技術(shù)領(lǐng)域。
二
背景技術(shù)：
纖維纏繞成型技術(shù)已經(jīng)成為復(fù)合材料自動(dòng)化成型的重要途徑之一，某些纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件開始應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、軸承轉(zhuǎn)子等航空航天器部件中，并作為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的重要手段。對(duì)于這類環(huán)形構(gòu)件，高精度的尺寸和圓度是其性能充分發(fā)揮的保證。由于應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，耐高溫樹脂基復(fù)合材料由于其輕質(zhì)高強(qiáng)以及優(yōu)良的耐溫性能而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，針對(duì)以雙馬來(lái)酰亞胺、聚酰亞胺等高溫固化樹脂為基體的纖維纏繞成型技術(shù)亦已展開研究。這類樹脂在固化時(shí)大多需要200～300℃甚至更高的溫度條件，尤其是對(duì)于大尺寸的復(fù)合材料環(huán)形構(gòu)件，由于在高溫條件下復(fù)合材料和模具的熱膨脹行為不可忽略，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件尺寸和圓度的高精度控制存在困難，因此對(duì)復(fù)合材料纖維纏繞成型工藝提出了更高的要求。
目前，針對(duì)高溫固化的樹脂基復(fù)合材料纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓所采用的尺寸精度和圓度的控制方法主要有兩種一種方法是考慮復(fù)合材料和模具的熱膨脹效應(yīng)的影響來(lái)確定模具的尺寸。這種方法采用材料熱膨脹系數(shù)的理論值計(jì)算，未能考慮成型過(guò)程中其它因素的影響，最終成型尺寸與理論尺寸之間總是存在一定的偏差值，控制精度較差，并且模具加工以后如有尺寸偏差，難以進(jìn)行尺寸調(diào)整，因此工藝風(fēng)險(xiǎn)較大。另一種方法是先成型具有一定尺寸過(guò)盈量的復(fù)合材料構(gòu)件，然后通過(guò)對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行精密機(jī)械加工的方法控制尺寸精度。在機(jī)械加工過(guò)程中，金屬刀具很容易造成纖維損傷，使環(huán)形構(gòu)件的強(qiáng)度顯著降低，這對(duì)于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的應(yīng)用是極為不利的。另外，構(gòu)件的裝夾、刀具的選擇等方面也是需要解決的問(wèn)題。
三

發(fā)明內(nèi)容
為了解決高溫固化的復(fù)合材料纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件在成型過(guò)程存在的難以獲得具有較高尺寸精度和圓度的內(nèi)圓的問(wèn)題，針對(duì)某類型內(nèi)表面具有小傾角的特殊復(fù)合材料纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件，本發(fā)明提出一種高溫固化纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制方法及裝置。
一種纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制方法，其特征在于由以下步驟組成(1)、制作帶有兩側(cè)帶有懸臂的芯模，芯模表面傾角與欲成型環(huán)形構(gòu)件的內(nèi)表面相同，芯模傾角段軸向尺寸大于環(huán)形構(gòu)件的寬度；
(2)、用兩個(gè)與芯模間隙配合并可軸向移動(dòng)的定位環(huán)套在芯模上限制纖維纏繞區(qū)域，且使留出的纖維纏繞區(qū)域粗略的滿足環(huán)形構(gòu)件的尺寸要求；(3)、預(yù)先纏繞一個(gè)復(fù)合材料環(huán)，作為基準(zhǔn)復(fù)合材料環(huán)，并固化脫模，測(cè)量基準(zhǔn)復(fù)合材料環(huán)內(nèi)徑邊緣處對(duì)應(yīng)的圓周直徑d，及芯模上纖維纏繞區(qū)域同側(cè)邊緣處的相應(yīng)圓周直徑d0，計(jì)算實(shí)際收縮系數(shù)ξ和定位環(huán)的調(diào)節(jié)距離Δl 式中dc-環(huán)形構(gòu)件同側(cè)邊緣處內(nèi)徑，-芯模表面傾角；(4)、將纖維纏繞區(qū)域同側(cè)的定位環(huán)平移Δl的距離，其中Δl符號(hào)為“+”表示定位環(huán)向芯模直徑較大的一側(cè)移動(dòng)，符號(hào)為“-”表示向芯模直徑較小的一側(cè)移動(dòng)，然后調(diào)節(jié)另一側(cè)定位環(huán)的位置，使留出的纖維纏繞區(qū)域?qū)挾扰c環(huán)形構(gòu)件寬度相同；(5)、進(jìn)行纖維纏繞；(6)、纖維纏繞完成后，模具繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將芯模上的環(huán)形構(gòu)件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)固化。
一種纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制裝置，其特征在于所述裝置包括一個(gè)兩側(cè)帶有懸臂的金屬芯模，兩個(gè)以間隙配合方式套在金屬芯模上并可軸向移動(dòng)的浮動(dòng)定位環(huán)，其中金屬芯模表面傾角與欲成型環(huán)形構(gòu)件的內(nèi)表面相同，其傾角段軸向尺寸大于環(huán)形構(gòu)件的寬度。浮動(dòng)定位環(huán)可根據(jù)環(huán)形構(gòu)件的尺寸加工成不同直徑以保證與金屬芯模的間隙不至于過(guò)大，且通過(guò)調(diào)整螺桿與固定在金屬芯模上的固定盤連接，并通過(guò)調(diào)整螺桿調(diào)節(jié)位置。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)預(yù)纏繞基準(zhǔn)復(fù)合材料環(huán)確定實(shí)際收縮系數(shù)，由此精確調(diào)節(jié)兩個(gè)浮動(dòng)定位環(huán)的安裝位置以獲得合適的纖維纏繞區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了高溫固化纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓尺寸的高精度控制，杜絕了對(duì)環(huán)形構(gòu)件進(jìn)行尺寸加工造成纖維損傷而引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低，并且通過(guò)旋轉(zhuǎn)固化的方案，保證了對(duì)環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓圓度的控制，在進(jìn)行Φ650mm復(fù)合材料環(huán)形構(gòu)件纏繞成型時(shí)，內(nèi)圓尺寸精度可以控制在0.05mm；采用浮動(dòng)定位環(huán)的方案，可以通過(guò)調(diào)整定位環(huán)的不同安裝位置調(diào)節(jié)環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓尺寸，一定程度上降低了對(duì)模具加工的尺寸精度要求；由于金屬芯模表面傾角的存在以及使用不同尺寸的浮動(dòng)定位環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)纖維纏繞區(qū)域的尺寸在一定范圍內(nèi)連續(xù)線性變化，使得對(duì)環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓尺寸的調(diào)整更為方便可行。
四


圖1是本發(fā)明提供的裝置的主視圖。
圖2是本發(fā)明提供的裝置的側(cè)視圖。
圖3是本發(fā)明提供的方法的尺寸示意圖。
圖4是本發(fā)明提供的方法的定位環(huán)調(diào)節(jié)距離計(jì)算模型示意圖。
圖1中標(biāo)號(hào)名稱1.固定螺栓，2.固定盤，3.調(diào)整螺桿，4.調(diào)整螺母，5.浮動(dòng)定位環(huán)，6.環(huán)形構(gòu)件，7.浮動(dòng)定位環(huán)，8金屬芯模。
五
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1所示，本發(fā)明的纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制裝置包括一個(gè)兩側(cè)帶有懸臂的金屬芯模8，以間隙配合方式套在金屬芯模8上并可軸向移動(dòng)的浮動(dòng)定位環(huán)5和浮動(dòng)定位環(huán)7，分別與浮動(dòng)定位環(huán)5和浮動(dòng)定位環(huán)7相連的調(diào)整螺桿3以及調(diào)整螺母4，兩個(gè)通過(guò)固定螺栓1與金屬芯模7側(cè)壁相連并分別通過(guò)調(diào)整螺桿3與浮動(dòng)定位環(huán)5和浮動(dòng)定位環(huán)7相連的固定盤2。其中金屬芯模8表面傾角與欲成型環(huán)形構(gòu)件6的內(nèi)表面相同，其傾角段軸向尺寸大于環(huán)形構(gòu)件6的寬度。浮動(dòng)定位環(huán)5和浮動(dòng)定位環(huán)7可根據(jù)環(huán)形構(gòu)件6的尺寸加工成不同直徑以保證與金屬芯模8的間隙不至于過(guò)大，并可通過(guò)調(diào)整螺桿3和調(diào)整螺母4調(diào)節(jié)在金屬芯模8上的安裝位置。
根據(jù)圖2所示，固定螺栓1、調(diào)整螺桿3以及調(diào)整螺母4每側(cè)分別有8組，并且在固定盤2上呈均布排列。
下面結(jié)合圖1、圖3和圖4以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制方法做進(jìn)一步的闡述根據(jù)圖1所示，先將固定盤2通過(guò)固定螺栓1與金屬芯模8的側(cè)壁固定，并將浮動(dòng)定位環(huán)5和浮動(dòng)定位環(huán)7通過(guò)調(diào)整螺母4和調(diào)整螺桿3與固定盤2相連。
由于采用材料的性能參數(shù)計(jì)算得到的理論值與實(shí)際收縮系數(shù)之間存在一定的偏差，因此，為了消除偏差并調(diào)節(jié)浮動(dòng)定位環(huán)5和浮動(dòng)定位環(huán)7的安裝位置以獲得最合適的纖維纏繞區(qū)域，在制備環(huán)形構(gòu)件6之前，采用預(yù)先纏繞一個(gè)復(fù)合材料環(huán)作為基準(zhǔn)復(fù)合材料環(huán)，并測(cè)定實(shí)際收縮系數(shù)的方法。首先通過(guò)調(diào)整螺桿3和調(diào)整螺母4調(diào)節(jié)浮動(dòng)定位環(huán)5和浮動(dòng)定位環(huán)7在金屬芯模8上的安裝位置，使留出的纖維纏繞區(qū)域粗略的滿足環(huán)形構(gòu)件6的尺寸要求。纏繞基準(zhǔn)復(fù)合材料環(huán)并按標(biāo)準(zhǔn)工藝固化后脫模。測(cè)量基準(zhǔn)復(fù)合材料環(huán)內(nèi)徑邊緣處對(duì)應(yīng)的圓周直徑d，及金屬芯模8上纖維纏繞區(qū)域同側(cè)邊緣處的相應(yīng)圓周直徑d0，如圖3所示(圖中選擇極大內(nèi)徑邊緣處進(jìn)行計(jì)算，如果采用極小直徑邊緣處的尺寸計(jì)算，原理與本實(shí)施例相同，定義該側(cè)邊緣為基準(zhǔn)邊)，根據(jù)兩者的比值可以確定實(shí)際收縮系數(shù)ξ，即ξ=d0d---(1)]]>根據(jù)圖4所示，假設(shè)環(huán)形構(gòu)件6同側(cè)邊緣處的內(nèi)徑為dc，金屬芯模8表面的傾角，亦即環(huán)形構(gòu)件6的內(nèi)表面傾角為，纏繞時(shí)基準(zhǔn)邊即纖維纏繞區(qū)域同側(cè)的浮動(dòng)定位環(huán)5需要平移的調(diào)節(jié)距離為Δl，則根據(jù)各尺寸之間的幾何關(guān)系并考慮實(shí)際收縮系數(shù)可以得到關(guān)系式 由此可以得到浮動(dòng)定位環(huán)5的調(diào)節(jié)距離Δl 其中，Δl符號(hào)為“+”表示浮動(dòng)定位環(huán)5向金屬芯模8直徑較大的一側(cè)移動(dòng)，符號(hào)為“-”表示向金屬芯模8直徑較小的一側(cè)移動(dòng)。
利用調(diào)整螺桿3和調(diào)整螺母4將浮動(dòng)定位環(huán)5平移Δl的距離然后加以固定，并保證浮動(dòng)定位環(huán)5的側(cè)壁面與中心軸線垂直，端面跳動(dòng)≤0.05mm。然后以浮動(dòng)定位環(huán)5為定位基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)浮動(dòng)定位環(huán)7的位置，使留出的纖維纏繞區(qū)域?qū)挾扰c環(huán)形構(gòu)件6寬度相同，并保證浮動(dòng)定位環(huán)7的側(cè)壁面與中心軸線垂直，端面跳動(dòng)≤0.05mm。
然后進(jìn)行正式的纖維纏繞。纖維纏繞完成后，保持模具繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將金屬芯模8上的環(huán)形構(gòu)件6在標(biāo)準(zhǔn)固化工藝條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)固化。
權(quán)利要求
1.一種纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制方法，其特征在于由以下步驟組成(1)、制作帶有兩側(cè)帶有懸臂的芯模，芯模表面傾角與欲成型環(huán)形構(gòu)件的內(nèi)表面相同，芯模傾角段軸向尺寸大于環(huán)形構(gòu)件的寬度；(2)、用兩個(gè)與芯模間隙配合并可軸向移動(dòng)的定位環(huán)套在芯模上限制纖維纏繞區(qū)域，且使留出的纖維纏繞區(qū)域粗略的滿足環(huán)形構(gòu)件的尺寸要求；(3)、預(yù)先纏繞一個(gè)復(fù)合材料環(huán)，作為基準(zhǔn)復(fù)合材料環(huán)，并固化脫模，測(cè)量基準(zhǔn)復(fù)合材料環(huán)內(nèi)徑邊緣處對(duì)應(yīng)的圓周直徑d，及芯模上纖維纏繞區(qū)域同側(cè)邊緣處的相應(yīng)圓周直徑d0，計(jì)算實(shí)際收縮系數(shù)ξ和定位環(huán)的調(diào)節(jié)距離Δlξ=d0d;]]> 式中dc-環(huán)形構(gòu)件同側(cè)邊緣處內(nèi)徑，-芯模表面傾角；(4)、將纖維纏繞區(qū)域同側(cè)的定位環(huán)平移Δl的距離，其中Δl符號(hào)為“+”表示定位環(huán)向芯模直徑較大的一側(cè)移動(dòng)，符號(hào)為“-”表示向芯模直徑較小的一側(cè)移動(dòng)，然后調(diào)節(jié)另一側(cè)定位環(huán)的位置，使留出的纖維纏繞區(qū)域?qū)挾扰c環(huán)形構(gòu)件寬度相同；(5)、進(jìn)行纖維纏繞；(6)、纖維纏繞完成后，模具繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，將芯模上的環(huán)形構(gòu)件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)固化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制方法，其特征在于可將所述的定位環(huán)根據(jù)環(huán)形構(gòu)件的尺寸加工成不同直徑以保證與芯模的間隙不至于過(guò)大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制方法，其特征在于包括將定位環(huán)在安裝位置上進(jìn)行固定的步驟。
4.一種纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制裝置，其特征在于所述裝置包括一個(gè)兩側(cè)帶有懸臂的金屬芯模(8)，以間隙配合方式套在金屬芯模(8)上并可軸向移動(dòng)的浮動(dòng)定位環(huán)(5)和浮動(dòng)定位環(huán)(7)，其中金屬芯模(8)表面傾角與欲成型環(huán)形構(gòu)件(6)的內(nèi)表面相同，金屬芯模(8)傾角段軸向尺寸大于環(huán)形構(gòu)件(6)的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制裝置，其特征在于所述的浮動(dòng)定位環(huán)(5)和浮動(dòng)定位環(huán)(7)可根據(jù)環(huán)形構(gòu)件(6)的尺寸加工成不同直徑以保證與金屬芯模(8)的間隙不至于過(guò)大。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制裝置，其特征在于所述的浮動(dòng)定位環(huán)(5)和浮動(dòng)定位環(huán)(7)通過(guò)調(diào)整螺桿(3)與固定在金屬芯模(8)上的固定盤(2)連接，并通過(guò)調(diào)整螺桿(3)調(diào)節(jié)位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制裝置，其特征在于所述的固定螺桿(1)、調(diào)整螺桿(3)以及調(diào)整螺母(4)每側(cè)分別有8組，并在固定盤(2)上呈均布排列。
全文摘要
一種纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的高精度控制方法及裝置，屬于復(fù)合材料纖維纏繞成型技術(shù)領(lǐng)域。該方法的關(guān)鍵之處在于，利用兩個(gè)可軸向移動(dòng)的定位環(huán)限制纖維纏繞區(qū)域；通過(guò)預(yù)纏繞基準(zhǔn)復(fù)合材料環(huán)計(jì)算實(shí)際收縮系數(shù)ξ和定位環(huán)的調(diào)節(jié)距離Δl；按計(jì)算結(jié)果，調(diào)節(jié)定位環(huán)的位置，進(jìn)行正式的纖維纏繞加工。該裝置主要由芯模，兩個(gè)以間隙配合方式套在芯模上可軸向移動(dòng)的浮動(dòng)定位環(huán)組成；其中芯模表面傾角與欲成型環(huán)形構(gòu)件的內(nèi)表面相同，芯模傾角段軸向尺寸大于環(huán)形構(gòu)件的寬度。采用這種方法及裝置不僅提高了纖維纏繞環(huán)形構(gòu)件內(nèi)圓的尺寸精度和圓度，而且杜絕了對(duì)環(huán)形構(gòu)件進(jìn)行尺寸加工造成纖維損傷而引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低。
文檔編號(hào)B29C53/82GK1824494SQ20061003930
公開日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2006年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月5日
發(fā)明者李勇, 肖軍, 張旭坡, 高峰 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)