数控布带缠绕机关键数控技术

　　数控布带缠绕机是用碳/ 酚醛、高硅氧/ 酚醛预浸胶带缠绕固体火箭发动机喷管、耐烧蚀、防热材料零部件、导弹鼻锥、发射筒以及宇航飞行器防热零部件的专用设备,其首要功能是通过特定的机械运动和控制,将已经浸过树脂胶液的布带,按照所要求的线型规律缠绕至芯模表面,其性能水平,对缠绕制品的质量和工作性能起着决定作用。

　　哈工大、华南理工、703 所、西工大等院所在缠绕成型工艺及工艺装备方面进行了相关研究,并出现了不同用途和功能的缠绕工艺装备。然而未来复合材料在不同行业的大量应用,特别是航天、航空产品的研制,对缠绕工艺、工艺装备及缠绕过程中物理参数控制提出了更高的要求,尤其体现在影响缠绕件质量的关键物理参数控制策略及匹配等方面。

1 　缠绕过程中物理参数对制品的影响

　　布带缠绕是用耐烧蚀绝热织物的预浸渍布带缠绕成型零件,缠绕时对布带施加恒定的张力,在缠绕点附近使布带加热,用气缸通过压辊以恒定的压力将布带滚压在成型模胎上,缠绕后立即使布带冷却定型,如图1 所示。

图1 　布带缠绕工艺 

　　张力是指布带从开卷到缠绕至模胎的整个成型工艺过程中受到的拉力。整个工艺过程中的张力控制是一个比较重要又难以很好解决的关键技术,张力的大小直接关系到缠绕制品的强度与疲劳性能。张力过小,则制品强度偏低,且内衬充压时变形较大,导致疲劳性能变差;张力过大,则布带所能承受的载荷减小,制品强度下降;若张力波动较大,则各层布带初始应力状态不同,不能同时承载,也导致整个制品强度下降。实验证明,如果布带张力不稳定或张力值不适宜,会使缠绕制品强度损失20 %～30 %。

　　缠绕压力是指当布带缠绕至模胎时,沿径向施加在布带上的正压力。压力主要作用:增强浸胶布带层间粘接和驱除气泡效果;提高布层间的粘接强度和制品的致密度;防止层间褶皱以及滑移的作用。

　　加热的目的是使预浸胶布带上的树脂具有一定的流动性和黏性,以利于布带之间的粘接和树脂的渗透,同时要避免温度过高而导致树脂提前发生胶联反应,失去粘接作用。

　　缠绕过程中温度、压力、张力的数值在整个工艺过程中不断变化,因而布带成型系统是一个多变量、变参数的复杂控制系统,对其进行精确控制是十分困难的。此外,各参数之间的合理匹配也是决定缠绕制品质量的关键因素。

2 数控布带缠绕机的系统组成

　　多功能数控布带缠绕机由机床本体、CNC 数控系统、工业控制计算机和加热设备4 部分组成。机床本体由床头箱(即主轴箱部件) 、尾座床身及缠绕小车(即小车床身部件) 几部分组成,可实现数控两坐标运动;加热装置可提供稳定的、充足的室温-200 ℃干燥热风;数控系统控制机械主机的有关部件按缠绕所需要的规律运动;工业控制计算机系统主要实现对张力、压力、温度等物理参数的控制、显示、存贮及打印;LCD2 和小车操作面板用以显示物理参数的设定值和实际值,实现对CNC 系统、热风、热辊温度调节、压辊进退操作、物理参数设定、工作方式切换、启、停等操作。

　　其主要技术参数为:绕制品直径:50～1 700mm ,最大长度:4 000 mm ,质量:2 000 kg ;主轴转速范围: 0～200 r/ min (无级调速) ; 张力控制范围:918～588 N ;压紧辊压力范围:0～3 920 N ;热压辊表面温度范围: 室温～170 ℃; 热风温度范围:室温～200 ℃,其升温速度不小于25 ℃/ min 。