先進(jìn)拉擠裝備技術(shù)的研究

先進(jìn)拉擠裝備技術(shù)的研究

一般拉擠加工包括將纖維或織物的濕濕表面浸泡，并通過(guò)加熱模式連續(xù)硬化和固定。材料的連續(xù)性和高可逆性的特點(diǎn)可以充分體現(xiàn)。制造質(zhì)量高，工作條件好，易于自動(dòng)化。國(guó)外從50年代初就開(kāi)始了拉擠成型的研究開(kāi)發(fā),用于制造釣魚(yú)桿、絕緣棒等制品。我國(guó)拉擠技術(shù)的研究與生產(chǎn)起始于70年代,現(xiàn)已廣泛用于通用復(fù)合材料型材的成型,并衍生出編織-拉擠等新工藝。對(duì)于傳統(tǒng)的復(fù)合材料拉擠制品,雖然纖維的單向強(qiáng)度得到了充分的發(fā)揮,制品具有高的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度,但制品性能具有明顯的方向性,其橫向強(qiáng)度較低,含膠量控制精度較低,只限于生產(chǎn)通用復(fù)合材料型材。近年來(lái),人們對(duì)制品的質(zhì)量要求,如強(qiáng)度要求提高,且需要的復(fù)合材料品種不斷增多,制品質(zhì)量逐漸改善,成本逐漸降低,又出現(xiàn)了低收縮、快速成型、反應(yīng)活性高、性能優(yōu)異的樹(shù)脂體系,加上計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高性能材料的需求,為新型的高性能復(fù)合材料拉擠成型的發(fā)展創(chuàng)造了極好的條件。以預(yù)浸料為原料的先進(jìn)拉擠成型工藝(AdvancedPultrusion,簡(jiǎn)稱(chēng)ADP)應(yīng)運(yùn)而生。其將精確控制含膠量的預(yù)浸帶在牽引力作用下,通過(guò)層疊、折彎成需要的產(chǎn)品形狀成型模,并在模具中完成預(yù)固化,連續(xù)拉擠出長(zhǎng)度不受限制的復(fù)合材料型材。由于使用的是預(yù)浸帶,不僅提供了縱向(沿生產(chǎn)線(xiàn)方向)增強(qiáng),而且補(bǔ)充了橫向增強(qiáng),且截面形狀還可以調(diào)節(jié)力學(xué)性能。ADP結(jié)合了手工鋪放的優(yōu)勢(shì)以及自動(dòng)化拉擠進(jìn)程,生產(chǎn)出了各類(lèi)高性能低成本型材。目前,國(guó)外ADP拉擠設(shè)備已定型化和系列化,著名的公司有日本的JAMCO、美國(guó)的KaZakComposites,Inc。國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展先進(jìn)拉擠研究和應(yīng)用,根據(jù)ADP原理,試制一種小型的預(yù)浸帶拉擠樣機(jī),開(kāi)展工藝研究十分必要。1c型梁的設(shè)計(jì)本文以生產(chǎn)截面50×30×30mm,鋪7層(最外層和中間層鋪雙向編織物,其余鋪單向纖維的預(yù)浸帶)的C型梁為設(shè)計(jì)依據(jù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)如圖1所示。1.1拉緊預(yù)填充工藝預(yù)浸帶→供帶裝置→預(yù)成型→預(yù)固化→熱壓固化→牽引→切割→后固化→成品。1.2試驗(yàn)設(shè)備的主要問(wèn)題預(yù)成型和熱壓是預(yù)浸帶生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù),特點(diǎn)是在一個(gè)外露的空氣環(huán)境中,加熱時(shí)采用電加熱,使預(yù)浸帶能在較短時(shí)間內(nèi)低壓固化。多余的樹(shù)脂采用脫模片吸附。本試驗(yàn)設(shè)備要解決以下四個(gè)問(wèn)題:①預(yù)成型折彎過(guò)程的控制,即預(yù)浸帶經(jīng)過(guò)一系列的滾筒和導(dǎo)向輪相互鋪疊壓實(shí)(驅(qū)除層間空氣),然后折彎制成所需要的橫截面制品。例如T型梁、∟型梁、C型梁、I型粱等;②預(yù)浸帶拉擠成型屬于一個(gè)連續(xù)-間歇式的過(guò)程,產(chǎn)品品質(zhì)是否均勻的問(wèn)題即一條產(chǎn)品品質(zhì)是否相同;③產(chǎn)品品質(zhì)精確化問(wèn)題即調(diào)整合適的工藝參數(shù)使產(chǎn)品整體上是最佳效果;④效率問(wèn)題即產(chǎn)能問(wèn)題。1.3c型梁的拉擠試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)一臺(tái)小型化的,以單向纖維環(huán)氧預(yù)浸料以及碳纖維機(jī)織物預(yù)浸料為原料生產(chǎn)C型梁的拉擠設(shè)備。該設(shè)備采用方便試驗(yàn)的臥式間歇操作,在一定條件下工作,預(yù)成型、熱成型和牽引等系列動(dòng)作在一臺(tái)設(shè)備中完成?？刂颇軐?shí)現(xiàn)手動(dòng)和PLC自動(dòng)控制,如控制氣缸操作、壓力、溫度、熱壓時(shí)間、牽引速度等。2設(shè)備的組成和工作原則2.1拉擠機(jī)的設(shè)備狀態(tài)見(jiàn)圖1在拉擠成型過(guò)程中,預(yù)浸料穿過(guò)模具時(shí)產(chǎn)生一系列物理的、化學(xué)的和物理化學(xué)的復(fù)雜變化。預(yù)浸帶先進(jìn)拉擠機(jī)(見(jiàn)圖2),在整個(gè)拉擠過(guò)程中,大體上按照預(yù)浸料通過(guò)設(shè)備時(shí)的狀態(tài),拉擠分三區(qū):壓緊區(qū)、預(yù)浸帶膠凝區(qū)和固化區(qū)。第一區(qū)不加熱,第二、三區(qū)加熱。所以設(shè)備包括:①預(yù)成型系統(tǒng)(含供帶裝置輥輪、各種導(dǎo)向折彎滾筒、離形紙的剝離收卷機(jī)構(gòu)和脫模片鋪疊機(jī)構(gòu));②熱壓系統(tǒng)(含加熱板和加壓氣缸機(jī)構(gòu));③拉擠系統(tǒng)(含夾緊機(jī)構(gòu)和頂出氣缸);④控制系統(tǒng)。2.2碳纖維預(yù)浸帶和模具紙的操作C型梁預(yù)浸帶拉擠成型機(jī)的工藝流程系統(tǒng)如圖2所示。其工作原理為:在控制系統(tǒng)的控制下,電磁閥可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱壓機(jī)構(gòu)和拉擠機(jī)構(gòu)兩個(gè)系統(tǒng)中的氣缸按要求交替開(kāi)閉合運(yùn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶的牽引,電加熱板可以根據(jù)溫度要求自動(dòng)進(jìn)行溫度的PID控制?；静僮魅缦?碳纖維預(yù)浸帶兩邊各有一層起保護(hù)作用的面脫模紙7和底脫模紙1,另外在放帶過(guò)程中還有離型紙回收。碳纖維預(yù)浸帶和脫模紙通過(guò)不同的纖維導(dǎo)向裝置3疊加、折彎后進(jìn)入預(yù)成型模,在合適溫度下固化,使固化度控制在30%～60%,增大樹(shù)脂粘度,樹(shù)脂不再流動(dòng),而后進(jìn)入成型熱壓模,并在壓實(shí)過(guò)程中排出層間空氣。當(dāng)固化度達(dá)到60%～80%后經(jīng)室溫冷卻進(jìn)入牽引裝置,該裝置為往復(fù)式,由兩個(gè)氣缸交替運(yùn)動(dòng)。制品經(jīng)牽引后進(jìn)入隨動(dòng)的切割裝置切割,如此周而復(fù)始交替循環(huán)進(jìn)行。整套裝置使用了PTFE定向膜脫模,由電氣系統(tǒng)控制,系統(tǒng)中設(shè)有八個(gè)溫控點(diǎn),分別控制預(yù)成型前后端、熱壓成型模上端前后、左端前后以及右端前后的溫度。PLC控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示并改變氣缸運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)及八個(gè)溫控點(diǎn)的溫度,系統(tǒng)中還設(shè)置了故障報(bào)警及斷電保護(hù)。2.3拉擠模具設(shè)計(jì)與成型工藝的區(qū)別模芯的溫度、壓力與時(shí)間是拉擠成型工藝研究的重點(diǎn),其中最重要的是溫度,它與樹(shù)脂體系固化速度、牽引速度密切相關(guān),控制應(yīng)十分嚴(yán)格。在整個(gè)拉擠過(guò)程中,設(shè)備的核心是預(yù)成型加熱和熱壓成型,它有定型和固化兩個(gè)功能。其中熱壓又是所有工藝因素的交匯點(diǎn),是成型的關(guān)鍵工序(加熱溫度,壓力和熱壓時(shí)間直接影響產(chǎn)品質(zhì)量)。經(jīng)拉擠模具動(dòng)態(tài)成型的各種制品成敗的關(guān)鍵就在于模內(nèi)的反應(yīng)歷程,模具的工況直接影響著產(chǎn)品的性能。與復(fù)合材料拉擠工藝相近的塑料擠出工藝目前已經(jīng)非常成熟,它的模具設(shè)計(jì)及制造已經(jīng)具有完整的理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),相比之下,復(fù)合材料拉擠工藝并不成熟,拉擠模具的工況條件也要比塑料擠出復(fù)雜得多。但是,拉擠模具是拉擠工藝的重要組成部份,是拉擠工藝的核心,因此,熱壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是提高整個(gè)拉擠工藝水平的關(guān)鍵,開(kāi)展這方面的研究工作也非常重要和有意義。2.3.1預(yù)成型加熱模供帶架的大小和排放形式由產(chǎn)品截面大小、鋪疊的厚度決定。設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)有7個(gè)輪筒。每個(gè)輪筒下面還有一個(gè)離型紙收卷輥輪,其中最外層和最里層的輪筒旁邊還有一個(gè)鋪附離型紙的輥輪。為防止預(yù)浸帶互相摩擦,每張帶子之間要保證足夠的長(zhǎng)度空間還要盡量保持預(yù)浸帶具有均勻的張力。導(dǎo)向裝置主要功能就是定型,它是由一系列輥輪和模芯組成,結(jié)構(gòu)如圖3所示。預(yù)成型加熱模的作用是將已折彎預(yù)浸帶在模具中初步成型,使樹(shù)脂受熱熔化成為粘流狀態(tài)并發(fā)生化學(xué)交聯(lián),黏度降低并開(kāi)始凝膠,進(jìn)入凝膠區(qū)。在固化區(qū)受熱繼續(xù)固化,并保證出模時(shí)達(dá)到規(guī)定的固化度。固化溫度通常大于樹(shù)脂放熱峰的峰值,并使溫度、凝膠時(shí)間和牽引速度相匹配。模芯直接采用鑄鋁電加熱板,兩邊根據(jù)產(chǎn)品的形狀、厚度,匹配一系列輪筒。根據(jù)模芯長(zhǎng)度及加熱板功率和傳導(dǎo)性,該裝置設(shè)置了兩個(gè)溫控點(diǎn),通過(guò)PID控制,使樹(shù)脂溫度保持在60～80℃左右。一般來(lái)說(shuō),樹(shù)脂在硬化后有收縮的問(wèn)題,同時(shí),工件從高溫的模具到外界的室溫也會(huì)自然冷卻收縮,這兩個(gè)因素都會(huì)造成工件尺寸縮小。因此,在設(shè)計(jì)模具時(shí),就需要做適當(dāng)?shù)姆糯笮拚?其修正量依樹(shù)脂和纖維的種類(lèi)、鋪層數(shù)量來(lái)決定。除尺寸之外,在加工角型工件時(shí),其角度也有內(nèi)縮的現(xiàn)象,例如C型梁、L型梁等,因此,其角度也需做往外偏的修正量。本設(shè)計(jì)中,預(yù)成型模截面尺寸應(yīng)比成型模具大2%～5%,它的長(zhǎng)度為0.5m。2.3.2組合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果表明,當(dāng)加熱溫度為130℃,壓力為1MPa,熱壓時(shí)間為25min時(shí),產(chǎn)品的質(zhì)量和外觀都能得到保證。成型模具的作用是實(shí)現(xiàn)坯料的壓實(shí)、成型和固化。結(jié)構(gòu)如圖4所示。模腔的壓力由機(jī)構(gòu)氣缸提供,固化壓力在0.8～1.2MPa之間。為此設(shè)計(jì)了用倍力氣缸和杠桿鉸鏈的組合機(jī)構(gòu),其力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。加熱板的壓力計(jì)算公式為:F推=2P(L2cosα?L1sinα)L2sinα=2Ρ(L2cosα-L1sinα)L2sinα(1)式中,F推為加熱板受到的推力(N);P為氣缸的推力(N);L1為杠桿直角短邊ab長(zhǎng)度(mm);L2為杠桿直角長(zhǎng)邊bd長(zhǎng)度(mm);α為終止位置長(zhǎng)邊與垂直線(xiàn)夾角(°)。模具截面尺寸應(yīng)考慮樹(shù)脂的成型收縮率,模腔的尺寸比產(chǎn)品大2%～3%。模具長(zhǎng)度與固化速度、模具溫度、制品尺寸、拉擠速度、增強(qiáng)材料性質(zhì)等有關(guān),一般為500～1200mm,通常制品在模腔內(nèi)通過(guò)的時(shí)間約為25min,所設(shè)計(jì)主模長(zhǎng)為500mm。模具采用電熱板加熱,加熱功率為2500W,采用鉑熱電阻測(cè)溫。共設(shè)置了6個(gè)溫控點(diǎn),以調(diào)控模腔的溫度。2.3.3明確裝置的牽引夾持力由氣缸控制,夾持塊的材料用耐蝕、耐熱,有一定強(qiáng)度的橡膠塊固定在鋼板上,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了更換、維修方便的要求。牽引裝置的牽引力應(yīng)大于C型梁在模具中遇到的摩擦阻力和在固化時(shí)與模具的粘接力,它是保證制品順利出模的關(guān)鍵。根據(jù)工藝要求,預(yù)浸帶拉擠為間歇式,可以采用氣缸非連續(xù)牽引。采用一個(gè)大氣缸做夾持機(jī)構(gòu)、一個(gè)小氣缸做牽引交替運(yùn)動(dòng),間歇牽引。機(jī)構(gòu)中采用了兩個(gè)氣缸,一個(gè)直線(xiàn)軸承的滑臺(tái),一組滑軌的機(jī)構(gòu),氣缸3連接夾持頭,氣缸1連接滑臺(tái),兩者運(yùn)動(dòng)由PLC系統(tǒng)控制。其原理如圖6所示。3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由前述可知,溫度、壓力和牽拉速度是拉擠成型的重要工藝參數(shù),本系統(tǒng)采用了PLC控制系統(tǒng)。采用SIEMENSS7-200PLC為控制核心,PC機(jī)作集中監(jiān)控,系統(tǒng)簡(jiǎn)潔可靠,它即可手動(dòng),又可用微機(jī)控制,實(shí)現(xiàn)氣缸運(yùn)動(dòng)和溫度的采集。系統(tǒng)包括電源模塊、CPU模塊(CPU224CN,DC/DC/DC)、4個(gè)模擬量輸入模塊(EM231CNAI2XRTD熱電阻模塊)、1個(gè)數(shù)字量輸出模塊(EM222CN數(shù)字量輸出模塊),以及PID溫控儀表和四個(gè)電磁閥(其中有兩個(gè)氣缸為同時(shí)運(yùn)動(dòng),共用一個(gè)電磁閥)。溫控系統(tǒng)要求采集八回路溫度。采用熱電阻、氣壓計(jì)等傳感器監(jiān)測(cè)溫度、壓力等參數(shù),并可對(duì)各種控制參數(shù)進(jìn)行顯示和修改?？刂瞥绦虿捎媚K化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),程序流程如圖7所示。電磁閥時(shí)序圖如圖8所示。3.1he發(fā)生干涉熱壓機(jī)構(gòu)中的氣缸運(yùn)動(dòng)和間歇的牽引機(jī)構(gòu)會(huì)發(fā)生干涉,在控制系統(tǒng)中要將可能發(fā)生干涉的動(dòng)作實(shí)行互鎖。為使互鎖可靠,PLC控制程序中要編入保護(hù)程序。3.2雙向晶閘管導(dǎo)通角ssr控制加熱強(qiáng)度的方法在采用pid調(diào)節(jié)輸出控制中的應(yīng)用根據(jù)本文制品成型工藝要求,預(yù)成型加熱板由溫控儀控制在80±5℃,熱壓加熱板控制在130±5℃。為使拉擠溫度控制更加合理地得到靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能,采用了PID調(diào)節(jié)輸出控制雙向晶閘管導(dǎo)通角來(lái)控制加熱強(qiáng)度的方法。主回路是將三相交流電源向XMT612智能PID儀表提供電壓,SSR固態(tài)繼電器輸出。對(duì)元件采取過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)措施。另外為了以后完善系統(tǒng),本設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)PC/PPI接口芯片對(duì)PLC中EM231CNAI2XRTD熱電阻模塊和Pt熱電阻進(jìn)行通訊信號(hào)轉(zhuǎn)換,以便上位機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)狀態(tài)中的電加熱