3D打印用碳纤维增强复合材料挤料机设计与工艺分析

第４６卷第２０期

ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ

机床与液压

Ｖｏｌ􀆰４６Ｎｏ􀆰２０

Ｏｃｔ􀆰２０１８

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１８􀆰２０􀆰００３

３Ｄ打印用碳纤维增强复合材料挤料机设计与工艺分析

张帆，陈章念，谭跃刚

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉４３００７０）

摘要：材料制备是３Ｄ打印的前提。碳纤维增强复合材料与普通３Ｄ打印所使用的热塑性材料在成型工艺、制备条件上有较大差异。针对３Ｄ打印用碳纤维增强复合材料的制备问题，研究材料挤料装置特性及工艺条件，通过流体分析和３Ｄ打印实验设计挤料装置并确定碳纤维增强复合材料的最佳成型工艺，达到３Ｄ打印成型性能增强的目的，为高效高精的碳纤维复合材料３Ｄ打印提供基础。

关键词：碳纤维复合材料；挤料装置；３Ｄ打印；流体仿真；机械性能

中图分类号：ＴＰ２３　　文献标志码：Ａ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１８）２０－０１１－５

ＥｘｔｒｕｄｅｒＤｅｓｉｇｎａｎｄＰｒｏｃｅｓｓＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ

ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｆｏｒ３ＤＰｒｉｎｔｉｎｇ

ＺＨＡＮＧＦａｎ，ＣＨＥＮＺｈａｎｇｎｉａｎ，ＴＡＮＹｕｅｇａｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）

ｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｗｈｉｌｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｈａｖｅｇｒｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｗｉｔｈｏｒｄｉ⁃ｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｒｅａｌｉｔｙｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｓｔｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓａｒｅｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｐｌａｓｔｉｃｅｘｔｒｕ⁃

ｎａｒｙｐｌａｓｔｉｃｏｆ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｍｏｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｍａｔｅｒｉａｌｅｘｔｒｕｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｆｏｒ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ；Ｅｘｔｒｕｄｅｒ；３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇ；Ｆｌｕｉｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｉｎｇｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇ．Ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｅｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

０　前言

传统碳纤维复合材料的成型制造，需经过编织、涂胶、铺布、压制、成型等系列复杂、低效的工艺流程。较高的成本、对模具的高精度需求、损耗及难以成型复杂模型，制约了碳纤维材料作用的发挥。３Ｄ打印由于其增材制造的特性，具有一体成型、不受模型复杂度限制的特点。碳纤维增强复合材料与３Ｄ打印技术相结合应用于工业领域，能够同时发挥优异的材料特性及快速成型的优势

［１］

置大部分是塑料挤丝机。碳纤维复合材料的加工性能、流变特性因ＦＤＭ（ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ，熔融沉积）３Ｄ打印成型工艺使用的热塑性材料具有较大差异［５］。因此，需要根据材料的基本特性和加工成螺杆部件是挤出机的基础。

１９６６年，ＺＴＡＤＭＯＲ教授等［６］建立了第一个熔

－８］

型特点，设计挤丝装置并对制备工艺进行分析验证。

碳纤维复合材料３Ｄ打印具有一体成型、轻量化、耐腐蚀、性能高等特性，特别在航空航天、军工、新能源汽车等领域具有重要价值。碳纤维复合材料３Ｄ打印的研究引起国内外学者的兴趣。如利用碳纤维短纤与热塑性材料混合打印，分别测试碳纤维颗粒在不同含量、不同纤维长度的情况下，对成型模型拉伸性能和弯曲性能的影响，从而得出了在一定范围内碳纤维增强热塑性材料在机械性能上有明显提升的结论［２

－４］

。

融理论的物理和数学模型。到２０世纪８０年代初，随着流体力学有限元分析的逐渐发展，开始使用有线元法分析熔体输送段熔融状态［７

动情况提供较全面的分析考虑。１９９０年，陈利钦着重研究了延迟段和熔融段物料在螺杆挤出机中的停留时间分布［９］。２０００年，何红等人［１０］将宏观可视化系合的方法建立了熔融物理、数学模型。在单螺杆挤料装置理论研究的同时，研究人员也对影响制品质量的因素进行了大量实验性研究，发现存在最佳的挤出温度使得挤丝机制品具有最大抗拉强度。ＫＥＳＳＬＥＲ对统改进为亚宏观可视化系统，用实验与理论研究相结

，为分析复杂截面流

。材料制备是３Ｄ打印的前提。现有制料装

收稿日期：２０１７－０４－２５

基金项目：中国博士后科学基金（２０１６Ｍ６０２３８０）；中央高校基本科研业务费专项资金（２０１８ＩＩＩ０６５ＧＸ）

作者简介：张帆（１９８３—），男，博士，讲师，从事复合材料３Ｄ打印技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｆａｎ＿ｄｘ０２０２＠１６３􀆰ｃｏｍ。

·１２·

机床与液压第４６卷

挤丝装置机头部位的温度分布进行了测量，发现流道里流体内材料分子间存在径向温差，也观察到挤出机产量增加会使得温度波动和压力波动系数快速增大。ＷＫＲＵＥＧＥＲ提出了开槽挤出机对稳定挤出过程有帮助。综上，单螺杆挤出成型理论经过几十年的发展已接近完善，但仍有不少学者针对不同材料继续研究新的模型理论和更合理的工艺。

３Ｄ打印为目标，对３Ｄ打印用碳纤维增强复合材料

文中以聚乳酸和碳纤维短纤材料的混合制备及

１􀆰２　挤料装置流道模型特性分析

根据流道模型与流道几何参数，仿真分析所制备

的３Ｄ打印用碳纤维复合材料的适应性。对象简化为：碳纤维增强复合材料的固体和熔体密度、比热容导热系数为常数；熔体连续均匀、不可压缩、壁面无滑移、零重力；温度到达一定条件聚合物熔融。

（１）材料参数：包含材料密度、热传导系数、（２）ＰＬＡ和碳纤维混合材料流变参数：流变参

热流密度、熔融温度、比热容，由美国ＮａｔｕｒｅＷｏｒｋｓ及日本东丽公司官方提供。

的挤料装置特性进行分析，确保挤出材料的熔融态，避免团聚现象发生。挤料装置挤出丝状的碳纤维增强复合材料经由３Ｄ打印机打印，通过实验对不同工艺条件下得到的测试件力学性能进行测试，分析成型条件与材料性能间关系，确定适合３Ｄ打印用碳纤维复合材料制备的最佳工艺条件。

１　１􀆰１　挤料装置特性分析

螺杆是挤料装置的核心挤料装置的流道模型

［１１］ＦＤＭ成型工艺相匹配的螺杆机构。通过设计与，并对挤压系统中３Ｄ打印

固体输送段和熔融段内的流体进行分析，验证螺杆参

数设置的合理性。

挤料装置包含挤压系统、加热系统、冷却系统、传动与控制系统、牵引缠绕系统等５个部分。挤压系统是挤料装置的核心，包含机筒、螺杆、机头、进料口、加热筒５个部分，如图１所示。在挤压系统中，物料从固态加热到熔融态，熔融态和固态混合物料在螺杆转动的推送和挤压系统内外部压力差作用下，完２成塑化状态并从机头定量挤出所示，设计流道几何参数如表。１单螺杆流道模型如图

所示。

图１　挤压系统简图

图２　流道模型图表１　流道几何参数设计

机筒内半径／ｍ０．０１７机头出口半径／ｍ０．００１螺棱半径／ｍ

０．０１６

法向宽度／ｍ０．００２５压缩段螺槽半径／ｍ０．０１１５螺旋角／（°）

１７．４０

计量段螺槽半径／ｍ０．０１４２

数由奥地利ＡｎｔｏｎＰａａｒ公司ＰｈｙｓｉｃａＭＣＲ３０１型号流变仪测Ｍｅｌｔｉｎｇ得度不同混合比下的碳纤维Ｈｅａｔ，。设流变仪测量结果如表置材料特性为熔融ＰＬＡ混合材料黏度大小为２潜所示热Ｐｕｒｅ。在相同温Ｓｏｌｖｅｎｔ：１０％＞质量分数２５％＞质量分数０％＞质量分数５％＞质量分数

１５％数２５％混合材料的黏度最小质量分数１５％。在４混合材料的黏度最大，组实验样品中预测混合度最好，质量分数，预测混合难度最高，质量分。

对流道进行网格划分，如图３所示。仿真分析稳态挤出时不同截面上的液体分布如图４所示。

表２　混合材料的流变实验数据

温度黏度／（Ｐａ·ｓ）℃／碳纤维质量分数／％１７５０

１８０１１５

１８５１５２０．００９１６．７５１３０．００９７８．６３１０

８８５．００１５

２５

１９０９６４．７５２１７．５０７２９．２５７８９．４７７１４．２５１１９５７８０．６０５８４．８０６３１．３４５８０．２５１９６０．００２０５

６４０．００５４３．３３４８６．００５１１．８４４７７．００１５５５．００４１３．６７４０５．５５３３８．７０３９１．７５１２４０．００３２５．８３

８２０．７５００７．６０６８９．８３

图３　网格划分后的流道模型图

图４　稳态挤出时不同截面上的液体分数分布云图

从图４可见，在ｚ＝０􀆰０６ｍ截面上，螺棱与机筒的间隙和与机筒内壁处出现的熔膜相比于ｚ＝０􀆰０３ｍ

第２０期张帆等：３Ｄ打印用碳纤维增强复合材料挤料机设计与工艺分析

·　１３　·　

截面上明显增多，即挤压系统的加热已传递到物料固体塞的中心位置，温度刚刚达到材料熔融温度。螺棱与机筒的间隙处即螺杆推进面处的熔融厚度仍是最

大。从ｚ＝０􀆰０９ｍ到ｚ＝０􀆰２４ｍ的截面液体分数分布云图来看，之前呈现环流包围的物料全部开始逐渐熔融，螺棱与机筒间隙处即螺杆推进面的熔融程度最高。各截面中物料熔融程度逐渐增加，熔融部位和物料熔融程度呈现趋势一致，均是螺棱和机筒间隙与螺杆推进面附近处最先完成熔融，随着熔膜增大熔体逐渐蔓延到螺杆表面，呈现物料熔融先从螺杆推进面开始、向拖曳面逐渐蔓延的先后顺序，直到螺槽内物料完全熔融，液体分数达到最大值。从ｚ＝０􀆰２４ｍ到ｚ＝到稳定最大值。

０􀆰２７ｍ，截面出口的流道物料完全熔融，液体分数达

上的转速旋钮设定。机筒和螺杆采用Ｓ４５Ｃ制造，表面镀铬处理，硬度ＨＶ７００以上，耐磨耐腐蚀。挤压系统螺杆和机筒如图６所示。

图５　碳纤维增强复合材料挤料机

从以上各截面液体分数云图分析得到流道内不同位置物料的熔融顺序：最先熔融的是机筒内壁直接接触的物料和处于螺杆推进面的物料，接下来是螺杆表面、螺槽中部、拖曳面。综合云图呈现了物料熔融过程中的状态变化，可见挤压系统在挤出物料前，物料完成了全部熔融。

（２）３Ｄ打印机

３Ｄ打印机选用某实验室所研发的ＦＤＭ设备，成型空间２００ｍｍ×２００ｍｍ×２００ｍｍ，喷嘴直径０􀆰４～

图６　挤压系统螺杆和机筒实物图

２　实验分析

通过上述设计的挤出机挤出碳纤维复合材料后，经过３Ｄ打印设备ＦＤＭ成型，测试不同工艺条件对成型性能的影响，确定最佳成型工艺。

实验装备包含挤料装置、３Ｄ打印机、拉力压力（１）挤料装置

２􀆰１　实验设备

测试仪。

０􀆰８ｍｍ可选，打印温度１９０～２５０℃可调，如图７所示。

２􀆰２　实验材料

挤料装置如图５所示。机筒外部是一段１５０Ｗ不锈钢加热套，Ｋ型感温电偶，ＲＫＣ温度控制器ＰＩＤ控制加热，自然冷却。温度、螺杆转速可由操作面板

密度／（ｋｇ·ｍ－３）１．８９×１０３１．２４×１０３

拉伸强度／４９００１０３ＭＰａ

拉伸模量／２３０×１０３

１４５ＭＰａ

碳纤维增强复合材料的原材料图７　３Ｄ打印机包含：（１）碳纤维粉末：日本东丽Ｔ７００Ｓ，用来测定碳纤维含量对增强复合材料性能的影响。（２）聚乳酸粉末：美国ＮａｔｕｒｅＷｏｒｋｓＰＬＡ粉末，特性如表３所示。混合粉末如图８所示。

比热容／７５３．６２２１２０

热导率／０．０２２４０．２３１

表３　材料特性表

材料碳纤维ＰＬＡ

［ｋＪ·ｋｇ－１·（℃）－１］（Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１）

直径／μｍ

７

２􀆰３　实验分组

７０

图８　碳纤维短纤与ＰＬＡ的混合

以不同材料配比、加热温度、螺杆转速作为条件对实际成型结果进行测试。方法为：保证其中两个条件不变的情况下，改变第三个条件参数，进行３Ｄ打印测试。根据仿真分析与材料自身需求，设置碳纤维材料质量分数为０％、５％、１０％、１５％和２５％共５组不同的值，设置加热温度为１７５、１８５、１９５和２０５℃４组不同的值，设置螺杆转速为３０、６０、７２和９０ｒ／ｍｉｎ共４组不同的值。每个小组分别有５组打印件

·１４·

机床与液压第４６卷

供测试，确保数据的可靠性。工艺参数选择和设置如表４所示。３Ｄ打印过程及打印测试样件如图９和图１０所示。

表４　工艺条件参数设置

序号Ａ１Ａ２Ａ３Ａ４碳纤维质温度／量分数／％

０１０１５５

１８５１８５１８５１８５℃

（ｒ·ｍｉｎ－１）（Ｐａ·ｓ）

６０６０６０６０９６４．７５７２９．２５６３１．３４５８０．２５

转速／

黏度／

考察对象

不同配比

ＭＰａ和６０􀆰２５ＭＰａ，比纯ＰＬＡ的４８􀆰８ＭＰａ提升了２３􀆰７７％和２３􀆰４６％；拉伸模量最大值也在碳纤维质量分数１０％和２５％处，分别对应１９６８ＭＰａ和２０７６􀆰５ＭＰａ，比纯ＰＬＡ的１２２８ＭＰａ提升了６０􀆰２６％和６９􀆰１％。弯曲强度最大值在碳纤维质量分数１５％处，为１０２􀆰７４ＭＰａ，比纯ＰＬＡ的７６􀆰０６ＭＰａ提升了３５􀆰０８％；弯曲模量最大值在碳纤维质量分数２０％处，为４４１８􀆰０６ＭＰａ，比纯ＰＬＡ的２９３６ＭＰａ提升了５０􀆰４８％。不同碳纤维质量分数下的复合材料较纯ＰＬＡ力学性能的提升百分比趋势曲线如图１３所示。Ａ５Ｂ１２５１８５１Ｂ２１５１７５６０８８５．００２４０．００Ｂ３１５１８５６０５８０．２５Ｂ４１５１９５６０３９１．７５不同温度

Ｃ１１５２０５６０３２５．８３Ｃ２１５１７５６０５８６．３４Ｃ４１５１７５３０Ｃ３

１５１５１７５６０１７５７２５８０．２５９０

５７８．３６螺杆转速

５７６．６８

图９　３Ｄ打印机正在

打印测试

打印测试件

图１０　３Ｄ件实物图

３　实验数据分析

螺杆挤出丝材质量的高低通过３Ｄ打印制品的力学强度来判断。如果熔体在挤出机构内塑化得不好，有可能会出现生料、气泡等塑化不均匀现象，影响力学强度。因此，可以通过测试３Ｄ打印制品的力学性能来反映挤料过程对复合材料的质量影响以及验证３Ｄ行性打印。按表ＦＤＭ４成型工艺碳纤维复合材料快速制造的可中不同工艺条件下挤料装置挤出的碳纤维复合丝材经过３Ｄ打印为测试件，通过对测试件的力学检测实验３􀆰１　，分析实验结果。

从图不同碳纤维质量分数实验分析

１１和图１２可以直观看出不同碳纤维质量分数对打印件主要力学性能的影响：随着碳纤维质量分数的增加，复合材料的拉伸强度和弯曲强度均呈现先提升后下降再回升的趋势。拉伸强度曲线中最大值在碳纤维质量分数为１０％和２５％处，分别对应６０􀆰４

在此条件下，１５％的碳纤维质量分数的碳纤维聚乳酸混合比例对于复合材料的力学性能综合提升最佳。

图１１　测试件拉伸强度和拉伸模量

图１２　测试件弯曲强度和弯曲模量

３􀆰图２　１３　不同温度对打印件力学性能的影响

不同碳纤维质量分数下的复合材料性能提升百分比

从图１４和图１５中可看出不同挤料温度对打印件力学性能的影响。随着挤料温度的升高，复合材料的拉伸强度和拉伸模量呈现先升高后下降再回升的变化趋势，弯曲强度和弯曲模量基本呈现下降趋势。拉伸强度和拉伸模量均在ＭＰａ１８５℃下最大℃同挤料温度下复合材料较纯下最大和２，１０８􀆰分别为５ＭＰａ；，分别为６４􀆰９２１１１􀆰弯曲强度和弯曲模量均在４３５ＭＰａ１７５ＰＬＡ和力学性能提升曲线４６２０􀆰１４ＭＰａ。不如图１６所示，可得１７５和１８５℃的挤料温度下得到

第２０期张帆等：３Ｄ打印用碳纤维增强复合材料挤料机设计与工艺分析

·　１５　·　

的３Ｄ打印碳纤维增强复合材料的综合力学性能提高

最大，故此条件下，最优的挤料温度应为１７５～１８５℃之间值。

图１４　不同温度下测试件拉伸强度和拉伸模量

图１５　不同温度下测试件弯曲强度和弯曲模量

３􀆰图３　１６　不同挤料温度下的复合材料较纯ＰＬＡ材料的性能提升

从图不同螺杆转速对打印件力学性能的影响

１７和图１８可见：与碳纤维质量分数和挤料温度相比，不同螺杆转速对打印件力学性能的影响较小。随着螺杆转速的增加，复合材料的拉伸强度呈现小范围波动，螺杆转速对拉伸强度影响不大；弯曲强度呈现先上升后下降再回升的趋势６０大点为ｒ／ｍｉｎ处，最高点在转速为３０９３６􀆰８３６０ＭＰａｒ；／ｍｉｎ；拉伸模量变化趋势与拉伸强度一致降到弯曲模量变化呈现下降趋势，最３３５５􀆰４１ＭＰａ。，从料的力学性能最佳～９０ｒ／ｍｉｎ内取值时。

，转速为６０ｒ可知螺杆转速在／ｍｉｎ时，复合材图１７　不同螺杆转速打印件的拉伸强度和拉伸模量

图１８　不同螺杆转速打印件的弯曲强度和弯曲模量

综上所述，挤料装置在不同碳纤维质量分数、挤料温度和螺杆转速工艺条件下挤出丝材，再将丝材在相同工艺条件下的３Ｄ打印机中进行打印，最后对３Ｄ打印得到的测试件进行力学测试实验。分析实验数据得出：碳纤维质量分数１５％、挤料温度１７５～１８５℃、螺杆转速６０ｒ／ｍｉｎ时，碳纤维增强复合材料力学性能最佳，较３Ｄ打印纯ＰＬＡ弯曲强度增强３５􀆰０８％，弯曲模量增强４１􀆰２４％，拉伸强度增强１９􀆰４７％，拉伸模量增强５３􀆰２６％。结果如表５所示。

表５　最优工艺条件下３Ｄ打印样件性能对比

材料拉伸强拉伸模弯曲强弯曲模度／ＭＰａ量／ＭＰａ度／ＭＰａ量／ＭＰａ纯ＰＬＡ４８．８１２２８７６．０６２９３６碳纤维复合材料５８．３１８８２１０２．７４４１４６．７５性能增强值／％

３５．０８

４１．２４

１９．４７

５３．２６

４　总结

对所设计的３Ｄ打印用碳纤维增强复合材料挤料装置进行仿真分析，保证通过挤料装置的材料能够达到均匀混料、稳定挤出的要求。通过材料挤出、３Ｄ打印成型、力学性能测试，分析了不同碳纤维质量分数、螺杆转速和加热温度对材料力学性能的影响。得出如下结论：（１）１５％的碳纤维质量分数的碳纤维聚乳酸混合比例对于复合材料的力学性能提升最佳（２）力学性能１７５～；；１８５（３）℃的挤料温度能较好地提升复合材料在保证顺利挤出条件下，转速对性能影响不明显。螺杆转速限制在０～９０ｒ／ｍｉｎ内取值时，转速为６０ｒ／ｍｉｎ效果较好。在最佳工艺参数下制备的３Ｄ打印碳纤维增强复合材料较３Ｄ打印纯ＰＬＡ弯曲强度增强３５􀆰０８％，弯曲模量增强４１􀆰２４％，拉伸强度增强１９􀆰４７％，拉伸模量增强５３􀆰２６％。重复多组实验，验证了挤料装置和工艺参数的正确性。

参考文献［１］刘树良：

术研究进展，陈涛ＬＩＵ［Ｊ］．，魏宇祥航空制造技术，等．碳纤维增强复合材料加工技

ＭａｃｈｉｎｉｎｇＳＬ，ＣＨＥＮＴ，ＷＥＩＹＸ，ｅｔ，２０１５（１４）：８１－ａｌ．ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓ８６．

ｏｎ８６．

［Ｊ］．ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆＣａｒｂｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１５（１４）：８１ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ（下转第２０页）

－

·２０·

机床与液压第４６卷

ｌａｔｉｏｎｏｆＬｉｔｈｉｕｍ⁃ｉｏｎＢａｔｔｅｒｙＣａｓｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，４９６－５００：６８３－６８７．ｔｅｍｆｏｒＬｉｔｈｉｕｍ⁃ｉｏｎＢａｔｔｅｒｙＡｕｔｏｍａｔｉｃＣａｓｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ

了套胶管的效率。两套胶管放料输送系统对每组电池前后两个电池分别进行套胶管，其工作互不影响。

（３）垫片成形及输送系统的区别。将系统中的冲裁模设计为同时冲制两个绝缘垫片，并将取、放垫片工位设计为双工位，以便对两个套好胶管的电池同时进行上垫片工序，提高上垫片工作效率。

（４）转位机构的区别。设计采用两个转位齿轮的转位机构进行电池转位可以避免因一个转位转盘尺寸过大而造成设备布局不合理。同时由于两个转位齿轮中间连接有缓冲皮带，既可以起堆料的作用，也可以起平衡速度的作用。

（５）胶管热收缩系统的区别。为提高胶管热缩口的工作效率，将热缩转盘的工作速度加快，增大了胶管热收缩系统的热缩炉尺寸，以便有足够的热缩时间进行胶管热缩口。

［６］ＸＩＡＱＸ，ＬＩＡＮＧＫＥ，ＬＩＹＸ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓ⁃

［７］夏琴香，李志伟，李尤祥，等．锂离子电池自动套管设备工作

系统各机构设计［Ｊ］．现代制造工程，２０１４（９）：１２６－１２９．

ＸＩＡＱＸ，ＬＩＺＷ，ＬＩＹＸ，ｅｔａｌ．ＭｅｃｈａｎｉｓｍＤｅｓｉｇｎｏｆＷｏｒｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＣａｓｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＵｓｅｄｆｏｒｔｈｅ

ＢａｓｅｄｏｎＰＬＣ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１４，８４６／８４７：１２１－１２５．

［８］曹宝华．锂离子电池自动套管工艺研究及结构优化设计［９］梁凯恩，夏琴香，李尤祥，等．基于ＭＡＲＣ的锂离子电池

［Ｄ］．广州：华南理工大学，２０１３．

ｌｉｔｈｉｕｍ⁃ｉｏｎＢａｔｔｅｒｙ［Ｊ］．ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４（９）：１２６－１２９．

参考文献：

［１］ＳＣＲＯＳＡＴＩＢ，ＧＡＲＣＨＥＪ．ＬｉｔｈｉｕｍＢａｔｔｅｒｉｅｓ：Ｓｔａｔｕｓ，Ｐｒｏｓ⁃

套胶管机构的优化设计［Ｊ］．机床与液压，２０１５，４３（４）：１－４．

ＬＩＡＮＧＫＥ，ＸＩＡＱＸ，ＬＩＹＸ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＬｉｔｈｉｕｍ⁃ｉｏｎＢａｔｔｅｒｙＣａｓｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍＢａｓｅｄｏｎＭＡＲＣ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１５，４３（４）：１－４．ＸＩＡＱＸ，ＣＡＯＢＨ，ＬＩＹＸ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＨｅａｔｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍＵｓｅｄｆｏｒＬｉｔｈｉｕｍＩｏｎＢａｔｔｅｒｙＡｕｔｏ⁃ｍａｔｉｃＣａｓｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃ⁃ｔｕｒｅ，２０１４（３）：１－４．

［２］贾磊．２０１３－２０１９年全球锂离子电池市场报告［Ｊ］．无机［３］黄干．１８６５０锂电池自动检测线研发及关键部件研究［４］梁凯恩．锂离子动力电池套管机关键机构及控制系统设［５］ＸＩＡＱＸ，ＪＩＬＢ，ＬＩＹＸ，ｅｔａｌ．ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕ⁃

计与研究［Ｄ］．广州：华南理工大学，２０１３．［Ｄ］．杭州：浙江大学，２０１７．盐工业，２０１４，４６（２）：６０．

ｐｅｃｔｓａｎｄＦｕｔｕｒｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，２０１０，１９５（９）：２４１９－２４３０．

［１０］夏琴香，曹宝华，李尤祥，等．锂离子电池自动套管加热

机构的优化设计［Ｊ］．机械设计与制造，２０１４（３）：１－４．

（责任编辑：张艳君）

（上接第１５页）

［２］ＴＥＫＩＮＡＬＰＨＬ，ＫＵＮＣＶ，ＶＥＬＥＺ－ＧＡＲＣＩＡＧＭ，ｅｔａｌ．

［８］ＡＬＴＬＮＫＡＹＮＡＫＡ，ＧＵＰＴＡＭ，ＳＰＡＬＤＩＮＧＭＡ，ｅｔａｌ．Ａｎ

ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎＳｈｅａｒＳｔｒｅｓｓＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＰｏｌｙ⁃ｍｅｒｓｉｎＰｌａｓｔｉｃａｔｉｎｇＳｉｎｇｌｅ⁃ｓｃｒｅｗＥｘｔｒｕｄｅｒｓ［Ｊ］．ＰｏｌｙｍｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００９，４９（３）：４７１－４７７．

［３］ＫＵＭＡＲＳ，ＫＲＵＴＨＪＰ．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ，２０１０，３１（２）：８５０－［４］ＮＩＮＧＦ，ＣＯＮＧＷ，ＱＩＵＪ，ｅｔａｌ．ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆ

ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＢＥｎｇｉ⁃ｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，８０：３６９－３７８．

Ｊ．ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｂｙＦＤＭＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙ⁃８５６．

ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＴｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＵｓｉｎｇ

ｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，１０５：１４４－１５０．

ＨｉｇｈｌｙＯｒｉｅｎｔｅｄＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ⁃ｐｏｌｙｍｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｖｉａＡｄｄｉ⁃

［９］宗原，戴干策．单螺杆挤出机中停留时间分布的数值模

拟［Ｊ］．华东理工大学学报（自然科学版），２０１１，３７（６）：６７３－６７８．

ＺＯＮＧＹ，ＤＡＩＧＣ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＲｅｓｉｄｅｎｃｅＴｉｍｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎＳｉｎｇｌｅＳｃｒｅｗＥｘｔｒｕｄｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１１，３７（６）：６７３－６７８．

ＨＥＨ，ＺＨＵＦＨ．ＳｕｂｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃＢｒｅａｋｕｐＴｈｅｏｒｙｏｆＳｏｌｉｄＢｅｄｉｎｔｈｅＭｅｌｔｉｎｇＺｏｎｅｏｆＳｉｎｇｌｅＳｃｒｅｗＥｘｔｒｕｓｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｌａｓｔｉｃＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００２，３０（７）：２２－２４．

［５］ＮＯＶＡＫＯＶＡ－ＭＡＲＣＩＮＣＩＮＯＶＡＬ，ＮＯＶＡＫ－ＭＡＲＣＩＮＣＩＮ

ｐｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，４７４：１８６－１９１．

ｉｎｇＥｘｔｕｄｅｒｓＴｈｅｏｒｙａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＰｏｌｙｍｅｒＥｎｇｉ⁃ｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９６７，７（７）：１９８－２１７．

［１０］何红，朱复华．单螺杆挤出过程亚宏观固相破碎理论

［Ｊ］．工程塑料应用，２００２，３０（７）：２２－２４．

［６］ＴＡＤＭＯＲＺ，ＤＵＶＤＥＶＡＮＩＩ，ＫＬＥＩＮＩ．ＭｅｌｔｉｎｇｉｎＰｌａｓｔｉｃａｔ⁃

［１１］黄志刚，刘凯，付晓宇，等．单螺杆挤出机固体输送段的

优化设计［Ｊ］．中国塑料，２０１４（１１）：１０４－１０７．

ｏｆＳｉｎｇｌｅ⁃ｓｃｒｅｗＥｘｔｒｕｓｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｎｔｈｅＳｏｌｉｄＣｏｎｖｅ⁃ｙｉｎｇＳｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＰｌａｓｔｉｃｓ，２０１４（１１）：１０４－１０７．

［７］ＳＹＲＪÄＬÄＳ．ＡＮｅｗＡｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｔｈｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭｅｌｔｉｎｇ

ＨＵＡＮＧＺＧ，ＬＩＵＫ，ＦＵＸＹ，ｅｔａｌ．ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ

ｉｎＥｘｔｒｕｄｅｒｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＨｅａｔ＆ＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒ，２０００，２７（５）：６２３－６３４．

（责任编辑：张艳君）