大型復(fù)合材料風(fēng)電葉片模具整體設(shè)計(jì)與制造技術(shù)
/ 2021/6/5 23:40:32
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引言復(fù)合材料風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)制造的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率和使用壽命，影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。葉片成型質(zhì)量的好壞又取決于
模具質(zhì)量的好壞，高精度的模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)是葉片氣動(dòng)外形的重要保證，對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、最終質(zhì)量和性能起著決定性作用。
隨著風(fēng)電機(jī)組不斷朝大型化方向發(fā)展，風(fēng)電葉片的尺寸逐漸增大，成型時(shí)對(duì)模具強(qiáng)度和剛度的要求也越高，相應(yīng)的，模具的重量和成本將大幅提高。為了減輕模具重量，降低模具成本，大型復(fù)合材料葉片的模具也逐漸由早期的金屬模具向著復(fù)合材料模具轉(zhuǎn)變。復(fù)合材料模具基本上是由聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等熱固性基體樹(shù)脂與E玻璃纖維、S玻璃纖維等增強(qiáng)材料以及鋼結(jié)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、加熱系統(tǒng)等重要部分組成。復(fù)合材料模具的使用意味著復(fù)合材料葉片可以做得更大、更長(zhǎng)；同時(shí)，由于模具和葉片采用了相同的材料，熱膨脹系數(shù)基本一致，使得制造出的復(fù)合材料葉片的精確度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品。目前真空導(dǎo)入成型工藝已成為復(fù)合材料風(fēng)電葉片制造的主流工藝，相應(yīng)的葉片模具應(yīng)具備以下基本要求：
（1）表面光滑、平整、密實(shí)：為保證葉片產(chǎn)品表面優(yōu)良，模具表面應(yīng)無(wú)裂紋、針孔，表面光澤度應(yīng)達(dá)到90以上，表面粗糙度＜10pLm；
（2）氣密性好：因?yàn)椴捎谜婵諏?dǎo)入成型工藝制造葉片，對(duì)模具的氣密性要求就比較高，通常情況下要求15min內(nèi)真空降小于10mbar；
（3）尺寸精度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好：模具尺寸應(yīng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度方向平均每米偏差小于0.5mm；
（4）溫度場(chǎng)均勻，加熱可靠，溫度場(chǎng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證每平米表面溫差小于0.5℃；
（5）合模定位、鎖緊方便，翻轉(zhuǎn)精度高；
（6）表面硬度高、使用壽命長(zhǎng)：模具表面巴氏硬度應(yīng)達(dá)到40以上，以減小脫模時(shí)對(duì)模具造成的損傷，使其壽命大于400支葉片；
（7）運(yùn)行安全、運(yùn)輸便利。
2風(fēng)電葉片陽(yáng)模設(shè)計(jì)與制造技術(shù)
為了順利制造模具，必須先進(jìn)行陽(yáng)模的設(shè)計(jì)制造。對(duì)于小型葉片，往往可以采用石膏、水泥、石蠟作為基材來(lái)制作整個(gè)葉片的模型，這樣制作出來(lái)的葉片陽(yáng)模往往尺寸精度較低，表面粗糙，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，平整度較差，適合那些精度要求較低、表面質(zhì)量要求不高的模具制作。對(duì)于大型葉片，要將葉片整體制作成陽(yáng)模難度比較大，故常將陽(yáng)模分成上、下兩個(gè)半模來(lái)制作，如圖1所示。陽(yáng)模主要由三部分組成：
（1）陽(yáng)模平臺(tái)：用于承載整個(gè)陽(yáng)模重量，一般采用支撐鋼結(jié)構(gòu)做成；
（2）肋板：用于支撐陽(yáng)模表面，肋板的形狀與半個(gè)葉片截面形狀相符合；
（3）陽(yáng)模表面：用以翻制陰模模具殼板。
目前陽(yáng)模的制作加工主要有以下兩種技術(shù)路線。一種是鋼構(gòu)代木型，其肋板由按一定間距規(guī)律排列的鋼板構(gòu)成，在鋼板上將一系列鋼管按事先設(shè)定的順序焊接成與葉片截面相符的形狀，然后再涂上代木。所謂代木其實(shí)是一種可加工的雙組分糊狀樹(shù)脂，通過(guò)兩根管子導(dǎo)出，在前段混合均勻后涂覆于陽(yáng)模表面，固化后機(jī)械加工性能好，有時(shí)甚至不用打磨就很光滑。國(guó)外包括在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的專業(yè)做葉片模具的紅楓公司多數(shù)都是采用這種方式來(lái)制作加工葉片陽(yáng)模。為了節(jié)省成本，也可用苯乙烯泡沫代替鋼板，再在表面涂上糊狀代木，完成這步后，再把固化后的模型在五軸聯(lián)動(dòng)的CNC加工機(jī)器上按事先輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行銑削即可得到與葉片外形一致的陽(yáng)模表面。另外一種是木質(zhì)結(jié)構(gòu)型，其肋板由按一定間距規(guī)律排列的木質(zhì)截面板構(gòu)成，表面由按正交方式鋪放的三合板蒙制而成。
鋼構(gòu)代木陽(yáng)模的優(yōu)點(diǎn)是模具型面質(zhì)量高，缺點(diǎn)是加工周期長(zhǎng)、價(jià)格高；木質(zhì)陽(yáng)模的優(yōu)點(diǎn)是加工周期短、成本低，缺點(diǎn)是模具型面質(zhì)量較差。下面以木質(zhì)陽(yáng)模為例，講述陽(yáng)模的制造工藝技術(shù)，圖2為木質(zhì)陽(yáng)模制作工藝流程。
