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纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維（或布帶、預浸紗）按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，獲得制品。根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種?！?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; visibility: visible;"/>

干法纏繞是采用經(jīng)過預浸膠處理的預浸紗或帶，在纏繞機上經(jīng)加熱軟化至粘流態(tài)后纏繞到芯模上。由于預浸紗（或帶）是專業(yè)生產(chǎn)，能嚴格控制樹脂含量（精確到2%以內(nèi)）和預浸紗質(zhì)量。因此，干法纏繞能夠準確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。干法纏繞工藝的最大特點是生產(chǎn)效率高，纏繞速度可達100～200m/min，纏繞機清潔，勞動衛(wèi)生條件好，產(chǎn)品質(zhì)量高。其缺點是纏繞設(shè)備貴，需要增加預浸紗制造設(shè)備，故投資較大。此外，干法纏繞制品的層間剪切強度較低。

濕法纏繞是將纖維集束（紗式帶）浸膠后，在張力控制下直接纏繞到芯模上。濕法纏繞的優(yōu)點為：①成本比干法纏繞低40%；②產(chǎn)品氣密性好，因為纏繞張力使多余的樹脂膠液將氣泡擠出，并填滿空隙；③纖維排列平行度好；④濕法纏繞時，纖維上的樹脂膠液，可減少纖維磨損；⑤生產(chǎn)效率高（達200m/min）。濕法纏繞的缺點為：①樹脂浪費大，操作環(huán)境差；②含膠量及成品質(zhì)量不易控制；③可供濕法纏繞的樹脂品種較少。

半干法纏繞是纖維浸膠后，到纏繞至芯模的途中，增加一套烘干設(shè)備，將浸膠紗中的溶劑除去，與干法相比，省卻了預浸膠工序和設(shè)備；與濕法相比，可使制品中的氣泡含量降低。

三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。

纏繞管道工藝是增強樹脂成型工藝中，實現(xiàn)全自動化、生產(chǎn)率較高、原材料利用率高、制品成本較低的優(yōu)秀工藝。因而其具有廣闊的發(fā)展前景。此章節(jié)將近幾十年拉擠成型工藝纏繞管道工藝進展及設(shè)備進行闡述。

從國內(nèi)發(fā)展情況看，1946 年，首個纖維纏繞技術(shù)專利在美國注冊，纖維纏繞成型工藝開始發(fā)展。按實現(xiàn)形成螺旋線的主運動方式，所用的纏繞機的布局類型在20世紀60年代已基本完成，具體如下圖所示。

圖 螺旋纏繞

1965 年，北京 251 廠設(shè)計了我國首臺臥式纖維纏繞機“525”，該纏繞機于 2011 年“退休”。1966 年，設(shè)計了齒鏈式機械無級調(diào)節(jié)纏繞規(guī)律的環(huán)鏈臥式纖維纏繞機，此機不用掛輪，可便捷地調(diào)節(jié)纏繞規(guī)律與排紗密度，生產(chǎn)了多種規(guī)格的氣瓶。從結(jié)構(gòu)布局考慮，對生產(chǎn)15 L 及其以下氣瓶用的鏈條式纏繞機采取鏈傳動垂直面布置；生產(chǎn) 20 L 及其以上氣瓶用的鏈條式纏繞機采取鏈傳動水平面布置，其鏈輪由前者的兩只變?yōu)樗闹弧?/p>

圖 基本臥式纖維纏繞機

圖 無級調(diào)節(jié)纏繞規(guī)律的環(huán)鏈臥式纖維纏繞機傳動系統(tǒng)

(北京251廠)

圖 “525”我國第一臺環(huán)鏈臥式纖維纏繞機(北京251廠)

1966年，國家紡織工業(yè)部下達大型立式纖維纏繞機項目，七機部43所、中國紡織科學研究院、北京251廠、太原重型機械廠、陜西重型機械廠共五家單位參加。該項目于次年完成，迄今仍在使用。1984年，北京電力設(shè)備總廠引進了加拿大立式纏繞機。

圖 立式繞臂纖維纏繞機

1974年，北京251廠成功研制X2型行星式纖維纏繞機，傳動系統(tǒng)中采用了三軸同心行星原理。

圖 行星式纖維纏繞機(北京251廠)

20世紀90年代起，囯內(nèi)一些大學和企業(yè)紛紛開展了MCFW和機器人纏繞機研發(fā)，如哈爾濱玻璃鋼研究院、武漢理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、中船625所、武漢九迪復合材料公司、哈爾濱理工大學、南京航空航天大學及其合作之上海萬格公司、蘇州中科時代電子技術(shù)公司、衡水華成公司、連云港中通公司、連云港唯德公司、石家莊萊德公司、湖南江南四棱數(shù)控機械有限公司、臺灣省工業(yè)研究院、臺灣省金財興公司等。2000年，筆者曾訪問位于新竹的工業(yè)研究院，得知其已成功研發(fā)了7軸纏繞機。幾年前我國海關(guān)已明令，我國四軸以上纏繞機限制出口，撫今追昔，筆者深為我國進步而自豪！

圖 微機控制7軸4聯(lián)動雙小車重型纏繞機

（武漢理工大學）

微機控制纖維纏繞張力的紗架已在國內(nèi)外推廣，21世紀初蘇州中科時代開發(fā)成功，北京251廠實用最早（2004）。武工大、哈工大、江南四棱數(shù)控等單位現(xiàn)也已投入使用。

圖 蘇州中科時代公司開發(fā)的微機控制纖維纏繞張力的紗架及纏繞機

2014年，上海萬格復合材料技術(shù)公司綜合五家德國公司和三家國內(nèi)公司技術(shù)，成功開發(fā)機器人纖維纏繞氣瓶自動生產(chǎn)線，已出口日本。臺灣省購其10工位纏繞設(shè)備，生產(chǎn)的液化氣罐已獲德國認證。

圖 國產(chǎn)纖維纏繞氣瓶自動生產(chǎn)線(上海萬格公司)

2010年，上海引進意大利VEM公司連續(xù)管生產(chǎn)線投產(chǎn)。2016 年，新疆永昌公司引進英國 Tech-no?bll 公司連續(xù)管生產(chǎn)線。近年連云港、重慶推出了相同原理的生產(chǎn)線。青島曾開發(fā)無凸輪的鋼帶式連續(xù)管機。國內(nèi)設(shè)備開發(fā)中的經(jīng)驗教訓是，要重視工藝及其軟件，設(shè)備運行要穩(wěn)定，忌鋼帶打滑與重疊。泉州福建路通管業(yè)科技股份有限公司引進歐洲技術(shù)制造了凸輪鋼帶式連續(xù)管生產(chǎn)線,生產(chǎn)直徑最大達4 m。

河北省景縣恒安泰公司即采用美國Fiberspar連續(xù)管道生產(chǎn)工藝，其承擔的國家十二五863科技項目——柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究，于2016年通過國家科技部組織的專家驗收。其連續(xù)管道生產(chǎn)線。

圖 河北省景縣恒安泰公司連續(xù)管道生產(chǎn)線

2020年，重慶慶陽控股（集團）有限公司/河南省沁陽市復合材料研究院與濮陽縣福瑞普建材公司分別成功研制直徑為 10 mm~250 mm高效連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線。此線無鋼帶建模，在簡捷的設(shè)備上，低成本高效率完成玻璃鋼管道的連續(xù)成型，其生產(chǎn)速度可以達到 2 m/min。其訣竅系牽引履帶機公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)同步進行。韓國亦有此類似設(shè)備。小直徑非鋼帶連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線及其牽引部件見圖。

圖 小直徑非鋼帶連續(xù)纏繞玻璃鋼管生產(chǎn)線

從國外發(fā)展情況看，F(xiàn)W)發(fā)展甚快。知名廠家有美國安德遜公司、哥德華賽工程公司（Goldsworthy Engineering）、工程技術(shù)公司（Entec-Engineering Technology）、德囯百事得(BSD)公司、華特與威瑟(Waltritisch & Wachter)公司等?，F(xiàn)在國際市場上的纏繞機已達到六軸。

圖 美國安德遜公司微機控制6軸纖維纏繞機動作

2004年創(chuàng)立的法國 MFTech 公司最早研究機器人纏繞并將其商業(yè)化，由該公司提供的機器人纏繞設(shè)備充分利用了機器人的柔性，可采用抓取模具和帶動導絲頭兩種方式進行纏繞成型。

圖  MFTech機器人纏繞

美國Fiberspar公司于1999年開始商業(yè)化生產(chǎn)連續(xù)纏繞柔性管，據(jù)稱是當今全球業(yè)界的領(lǐng)導者。其生產(chǎn)工藝是：擠出高密度聚乙烯或交聯(lián)聚乙烯熱塑性塑料內(nèi)襯層（壓力防滲漏層）-多次環(huán)向纏繞玻纖環(huán)氧層(結(jié)構(gòu)層)-外包覆熱塑性塑料層（耐磨層）。整個生產(chǎn)線全部自動控制，由14臺纏繞機、牽引機、固化爐、收卷裝置以及兩臺擠出機等組成。在塑料管上纖維纏繞玻璃鋼后在線擠出外塑料保護層，制成管線。生產(chǎn)速度取決于管徑，一般為2.7 m/min ~ 3.6 m/min。一根管線連續(xù)生產(chǎn)長度可達10800 m，理論上可以達無限長度。

在能源化工及交通領(lǐng)域的應(yīng)用

圖 壓力容器、氣瓶、膜殼

汽車作為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)在科技的帶動下快速發(fā)展，隨著汽車復合材料應(yīng)用水平的不斷提高，復合材料單車用量將逐漸增加，2015年我國汽車工業(yè)所需塑料、復合材料總量約為 165 萬 t。隨著成型技術(shù)和裝備的不斷發(fā)展，復合材料汽車零部件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將日益擴大。為了提高汽車輕質(zhì)、高強的性能，復合材料逐漸取代傳統(tǒng)汽車制造應(yīng)用材料，纏繞技術(shù)在汽車制造上的主要應(yīng)用為傳動軸、排氣管、渦輪增壓管、車載氣瓶、吸能器、保險杠等。

海洋船舶領(lǐng)域?qū)秃喜牧闲枨笞疃嗟氖菑秃喜牧瞎艿?，纏繞成型的復合材料管道因具有耐腐蝕、耐油、耐高溫等特性被廣泛應(yīng)用于海上油氣運輸、海洋平臺及船舶等領(lǐng)域。除此之外，還有疏浚管道、海底輸油軟管、潛艇耐壓殼體、深海探測器、潛水呼吸氣瓶、船桅桿等應(yīng)用。

圖 海上管道及管纜

圖 陸地油氣管道、海洋油氣管道

在航空航天及軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

飛機復合材料構(gòu)件的自動化成型工藝主要包括纖維絲纏繞、纖維帶纏繞和纖維絲鋪放三種類型。由于纏繞制品的高強度、耐高溫、耐腐蝕等性能，目前纏繞制品在航空領(lǐng)域可用于雷達罩、發(fā)動機機匣、燃料儲箱、飛機副油箱和過濾器等零部件的成型，還可應(yīng)用于小型飛機與直升機機身、機翼、槳葉、起落架等結(jié)構(gòu)的成型。現(xiàn)代大型噴氣客機上眾多的高壓氣瓶都是采用復合材料纏繞成型工藝制造的。

在航天領(lǐng)域，纏繞成型技術(shù)主要應(yīng)用于神舟飛船承力構(gòu)件、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、返回艙、空間系統(tǒng)、復合材料壓力容器、固體火箭發(fā)動機殼體等方面的制造。在國防軍工領(lǐng)域，纏繞成型技術(shù)主要應(yīng)用于大型導彈復合材料發(fā)射筒、魚雷發(fā)射管、姿控系統(tǒng)、槍架、火箭發(fā)射筒、軌道炮身管等。

先進復合材料的纏繞、鋪放成型是固體火箭發(fā)動機殼體，大飛機機身、機翼，風電葉片等核心部件的關(guān)鍵制造技術(shù)，對我國重大項目的實施和航空航天事業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。多年來，我國復合材料纏繞、鋪放成型制造技術(shù)一直面臨“卡脖子”難題，2022年4月2日，由星火機床集團公司聯(lián)合武漢理工大學研發(fā)的國家重點項目，多軸聯(lián)動復合材料數(shù)控纏繞設(shè)備正式交付委托方。由此，長期依賴國外的復合材料纏繞設(shè)備“卡脖子”難題得以徹底解決，星火機床集團公司也全面實現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控的重大突破。

復合材料作為一種先進材料，具有非常廣闊的發(fā)展空間。先進復合材料具有質(zhì)量輕、比強度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到航空航天、國防裝備及能源開發(fā)等領(lǐng)域，并推動了相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。復合材料的廣泛應(yīng)用，在很大程度上取決于復合材料的成型工藝。其中，纏繞和鋪放技術(shù)是近年來發(fā)展快、有效的技術(shù)。

纏繞技術(shù)是指在控制張力和預定線型的條件下，將預浸膠纖維或布帶連續(xù)地纏繞在相應(yīng)于制品內(nèi)腔尺寸的芯?；騼?nèi)襯上，然后在室溫或加熱條件下使之固化成一定形狀制品的方法。

帶纏繞成型技術(shù)隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，在功能方面不斷擴大。從國外來看，美國已將帶纏繞成型工藝應(yīng)用于型號研制：MD-2 固體火箭發(fā)動機噴管部件中的 13 個零件，“侏儒”導彈的發(fā)動機噴管都是通過纏繞成型；歐洲、日本也在航天器、武器研制等領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用帶纏繞成型工藝：歐洲“阿里安”火箭的助推器噴管，法國 M51 導彈的殼體，日本 M-3S2、H-I、H-H 火箭的助推器噴管都在使用纏繞成型的復合材料。

在國內(nèi)，我國自60年代就開始研制復合材料纏繞設(shè)備及其成型工藝。如北京玻璃鋼研究設(shè)計院、航天一院703所、航天四院 43 所、哈工大以及華中科技大學等單位先后研制出不同的復合材料纏繞成型設(shè)備。西工大通過自主研發(fā)的多功能布帶數(shù)控纏繞機，工作效率高，纏繞出的制品達到型號工藝要求，成為能夠滿足高性能發(fā)動機噴管以及宇航飛行器絕熱、耐燒蝕部件研制的關(guān)鍵配套設(shè)備。但是，上述纏繞成型設(shè)備基本上都是針對型面規(guī)則的回轉(zhuǎn)體零件研制開發(fā)的，對于諸如大飛機的機翼、機身、風電葉片等大型非規(guī)則復雜結(jié)構(gòu)件無法實現(xiàn)纏繞成型。

隨著復合材料相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，帶纏繞、鋪放成型技術(shù)呈現(xiàn)出多工藝復合化、成型設(shè)備精密化、CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用日益增多、成型設(shè)備與機器人結(jié)合化、熱塑性樹脂基復合材料逐漸增多及新型固化技術(shù)不斷應(yīng)用的發(fā)展趨勢。經(jīng)過 40 余年的研究與發(fā)展，我國復合材料纏繞、鋪放成型制造技術(shù)的研究和應(yīng)用已初具規(guī)模，但仍然面臨著國外技術(shù)的嚴密封鎖與技術(shù)儲備的嚴重不足。由星火機床集團公司聯(lián)合武漢理工大學研發(fā)的多軸聯(lián)動復合材料數(shù)控纏繞設(shè)備正式交付委托方。由此，長期依賴國外的復合材料纏繞設(shè)備“卡脖子”難題得以徹底解決。

圖 多軸聯(lián)動復合材料數(shù)控纏繞設(shè)備

這次交付用戶的設(shè)備是國家重點項目關(guān)鍵設(shè)備，是集新工藝、新材料制造技術(shù)、自動控制技術(shù)等為一體的智能化高新技術(shù)產(chǎn)品，能夠完成各種非金屬玻璃纖維、碳纖維復合材料產(chǎn)品的筒形、球形、錐形等形狀的纏繞加工生產(chǎn)。該設(shè)備主要有自動化程度高、精度高、可靠性強等特點，突破了國內(nèi)很多的技術(shù)瓶頸，解決了國內(nèi)（技術(shù)）卡脖子問題，填補了國內(nèi)空白。

生物基“以竹代塑”

竹纏繞復合材料，以水溶性氨基類樹脂為膠黏劑，采用纏繞工藝加工成型的新型生物基材料，屬于新型生物基材料。竹纏繞技術(shù)，打破了數(shù)千年來人類對于竹子的應(yīng)用形成的固有認識，開啟了傳統(tǒng)竹產(chǎn)業(yè)變革的新征程。竹纏繞復合材料技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于市政、水利、建筑、交通、石油化工、海洋、航天、國防建設(shè)等多個領(lǐng)域，對于國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用。

圖 國際竹藤中心與浙江鑫宙竹基復合材料科技有限公司研發(fā)的竹纏繞產(chǎn)品

高精度多軸纖維纏繞

高精度多軸纖維纏繞生產(chǎn)線是生產(chǎn)制作高精度、高強度等高性能纖維纏繞制品的生產(chǎn)線，主要由纏繞機軌道或門架、驅(qū)動床頭、床尾、纏繞小車、浸膠系統(tǒng)、導絲嘴翻轉(zhuǎn)裝置、伸臂進給裝置及紗架、電子氣動伺服張力控制系統(tǒng)、加熱裝置、PLC控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)及安全防護系統(tǒng)等部分組成。能滿足各種樹脂和纖維體系的球體、錐體、圓柱體、(半)橢球體、矩形體以及組合體等軸對稱結(jié)構(gòu)件纏繞制品的制作。適用于對產(chǎn)品性能要求較高的運輸及航空航天領(lǐng)域。

圖 多軸纖維纏繞機 COMET

碳纖維連續(xù)纏繞

碳纖維，因其出色的性能，逐漸成為氫氣瓶制造的主流材料。然而，早期在國內(nèi)，由于70 MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術(shù)不成熟和規(guī)?；a(chǎn)難度大，造成了較高的制備成本，限制了這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用。但隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，成本逐漸降低，這為氫氣瓶的進一步普及和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在氫氣瓶的技術(shù)進化中，Ⅲ型和Ⅳ型氣瓶標志著一個重要的轉(zhuǎn)變。這兩種類型的氣瓶主要由內(nèi)膽和纖維纏繞層組成，采用了先進的復合材料技術(shù)。內(nèi)膽通常由金屬或其他材料制成，而外圍則由碳纖維、玻璃纖維等高強度纖維復合材料纏繞而成，顯著提高了氣瓶的承壓能力和安全性。

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