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1 引言
近年來，以合成樹脂為基體材料，以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料（玻璃鋼）生產(chǎn)工藝技術(shù)發(fā)展很快，機(jī)械化、自動(dòng)化水平不斷提高，新的高效生產(chǎn)方法不斷出現(xiàn)。已在生產(chǎn)中采用的成型方法（工藝）主要有手糊、噴射、層壓、SMZ、纏繞、注射、拉擠、模壓等成型工藝。
生產(chǎn)復(fù)合材料制品的特點(diǎn)是材料的形成與制品的成型是同時(shí)完成的，玻璃鋼錨桿的生產(chǎn)自不例外。因此，成型工藝必須同時(shí)滿足玻璃鋼錨桿的性能、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素的基本要求。在確定成型工藝時(shí)，主要考慮了以下三個(gè)方面：1.玻璃鋼錨桿的外型構(gòu)造和尺寸大小；2.玻璃鋼錨桿的性能和質(zhì)量要求，如錨桿的物化性能、強(qiáng)度等；3.綜合經(jīng)濟(jì)效益。
但目前生產(chǎn)玻璃鋼錨桿主要采用普通拉擠、拉擠模壓成型工藝。盡管連續(xù)拉擠成型生產(chǎn)工藝雖然機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，經(jīng)濟(jì)效益好，制品的軸向抗拉強(qiáng)度高，但只能生產(chǎn)等直徑的實(shí)心棒材，不能滿足新型玻璃鋼錨桿的外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且生產(chǎn)出來的制品抗剪切能力小，所以不能簡(jiǎn)單套用。
2001年礦業(yè)大學(xué)曾經(jīng)使用拉擠模壓復(fù)合成型工藝，拉擠模壓復(fù)合成型工藝的原理是，浸膠后的玻璃纖維無捻粗紗在牽引裝置的作用下，被牽引經(jīng)預(yù)成型后進(jìn)入熱成型組合模具，然后夾頭在扭轉(zhuǎn)裝置的作用下迅速扭勁，在樹脂加熱固化但未完全固化，樹脂還具有一定的變形能力時(shí)，組合模具上方的活動(dòng)模下壓，樹脂和增強(qiáng)材料隨之流動(dòng)，發(fā)生變形，填滿模具型腔的各個(gè)部位，由于組合模具型腔的尾段為楔錐形，故成型后的制品即可滿足新型玻璃鋼錨桿的外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。成型物繼續(xù)受熱固化后，活動(dòng)模上移，然后牽引出模，定長切割。采用這一工藝生產(chǎn)的錨桿雖然符合玻璃鋼錨桿的外型結(jié)構(gòu)要求，但卻有模具復(fù)雜，尾部難于加工的缺點(diǎn)。
2 間歇式拉擠錨尾后固化成型工藝
2.1新型玻璃鋼結(jié)構(gòu)
新型玻璃鋼錨桿結(jié)構(gòu)如下圖1所示，這種錨桿由桿體、抗扭加強(qiáng)筋和錨尾組成。錨桿桿體為直桿，采用玻璃鋼制作而成：桿體中的纖維方向沿桿體軸向方向，用于承受錨桿的拉伸力；抗扭加強(qiáng)筋由浸膠玻璃纖維束在桿體周圍纏繞制成，呈左旋方向分布，可以增加錨桿的抗扭強(qiáng)度。錨尾是帶有金屬套管，其上加工有螺紋。金屬套管錨尾的套管與玻璃鋼桿體的連接采用一段或幾段帶有錐度的凹槽，將金屬套管壓入到玻璃鋼桿體中，形成二者的相互嵌接，使二者形成一個(gè)整體，提高連接強(qiáng)度。
考慮到生產(chǎn)玻璃鋼制品的特點(diǎn)是材料的形成與制品的成型是同時(shí)完成的，為尋找到既能成型出符合新型玻璃鋼錨桿的外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，又能滿足玻璃鋼錨桿的力學(xué)性能要求、同時(shí)機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，有較好綜合經(jīng)濟(jì)效益的成型工藝，本課題組通過大量研究和試驗(yàn)，找到了一種新的成型工藝方法―間歇式拉擠錨尾后固化成型工藝。
2.2間歇式拉擠錨尾后固化成型工藝原理
間歇式成型工藝的原理是，浸膠后的玻璃纖維無捻粗紗在牽引裝置的作用下，被牽引經(jīng)預(yù)成型后進(jìn)入蒸汽加熱成型模具，如下圖1（圖略）所示兩模具間留有100mm間距作為錨尾，從而使錨尾易于加工，故成型后的制品即可滿足新型玻璃鋼錨桿的外型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。模具加熱5分鐘后，模具內(nèi)桿體固化，然后牽引出模，定長切割。接下來錨桿尾部套上鐵套管，通過鎖緊機(jī)構(gòu)使鐵套管與桿體形成一個(gè)整體，后將桿體放入后桿體放置于80℃的烤箱中，從而使未固化的錨尾部分得到固化。
2.3間歇式拉擠錨尾后固化成型工藝過程
拉擠模壓復(fù)合成型工藝過程由玻璃纖維粗紗排布、浸膠、預(yù)成型、入模加熱固化、牽引、定長切割、錨尾緊固等環(huán)節(jié)組成。具體工藝流程如圖3（圖略）所示。
玻璃纖維無捻粗紗從放置在紗架上的紗筒內(nèi)壁引出，經(jīng)導(dǎo)向環(huán)、分紗板均勻排布后進(jìn)入浸膠槽浸膠，浸膠后的紗束（纖維/樹脂混合物）經(jīng)過擠膠，排除多余樹脂和氣泡后，進(jìn)入預(yù)成型模具。預(yù)成型模具是根據(jù)玻璃鋼錨桿桿體的斷面形狀和尺寸要求而配置的導(dǎo)向賦型裝置。浸膠的紗束在通過預(yù)成型模擠壓實(shí)的過程中，進(jìn)一步排除多余的樹脂和氣泡，并完成初次賦型。初步賦型后的浸膠紗束被牽引迅速進(jìn)入帶加熱裝置的組合模具，此時(shí)牽引裝置停止動(dòng)作，制品在組合模具內(nèi)受熱固化，待完全固化后，牽引裝置再次開始動(dòng)作，將制品拉出模具，然后定長切割，啟動(dòng)鎖緊油缸鎖緊錨尾，后得到玻璃鋼錨桿。
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3 新玻璃鋼錨桿性能實(shí)驗(yàn)研究
3.1金屬套管與與桿體的連接性能
為了克服以往成型工藝中，錨尾性能不佳，故采用錨尾后固化成型工藝，所以金屬套管與桿體的連接性能是評(píng)價(jià)此成型工藝優(yōu)劣的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)。
衡量錨桿力學(xué)性能好壞重要指標(biāo)是抗拉拔力大小和錨桿的延伸能力。直徑為16mm的壓痕式金屬套管錨尾玻璃鋼錨桿的延伸量與抗拉拔力關(guān)系的典型曲線如圖2（圖略）所示。該圖表明，這種錨桿的工作狀態(tài)可以分為急增阻和降阻兩個(gè)工作階段。
在急增阻工作階段，在變形很小時(shí)抗拉拔力上升很快，直至達(dá)到其極限抗拉峰值，這一階段錨桿主要發(fā)生彈性變形。在降阻工作階段，錨桿的抗拉拔力從峰值強(qiáng)度86kN開始抗拉拔強(qiáng)度逐漸降低，同時(shí)在產(chǎn)生一定的延伸量，后錨桿完全破壞。
錨桿的出現(xiàn)上述兩種工作狀態(tài)，是壓痕式金屬套管錨尾玻璃鋼錨桿的特殊結(jié)構(gòu)決定的，這一結(jié)構(gòu)是依靠間歇式拉擠錨尾后固化成型工藝實(shí)現(xiàn)的，在金屬套管錨尾與玻璃鋼桿體未發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)之前，錨桿的抗抗拉拔力可以一直保持上升狀態(tài)，直至達(dá)到峰值抗拉拔力；一旦外部載荷超過該峰值，金屬套管錨尾與玻璃鋼桿體之間就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)使它們之間的固結(jié)強(qiáng)度遭到一定程度的損失，但由于金屬套管錨尾與玻璃鋼桿體之間的連接關(guān)系較好，錨桿的抗拉拔力在發(fā)生下降后，還可使錨桿的強(qiáng)度保持在一個(gè)較高的水平[1]。
錨桿的抗拉試驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃鋼錨桿的抗拉強(qiáng)度大于80kN，并有一定的延伸量，完全可以滿足煤幫錨桿的要求（煤幫錨桿抗拉強(qiáng)度一般要求為大于50kN）
3.2 錨桿拉伸實(shí)驗(yàn)研究
衡量錨桿力學(xué)性能好壞重要指標(biāo)是錨桿的抗拉伸能力。實(shí)驗(yàn)試件為采用本工藝制成的圓截面直桿，長度為300mm，其中兩端各100mm為夾具所夾持，中間100mm為工作區(qū)，試件直徑為16mm。試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，所得數(shù)據(jù)見如表1所示。
表1錨桿拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果
|
編號(hào) |
直徑/mm |
橫截面積/mm |
破斷力/KN |
破斷應(yīng)力/MPa |
|
1 |
16 |
201.06 |
75.0 |
373.02 |
|
2 |
16 |
201.06 |
93.5 |
462.54 |
|
3 |
16 |
201.06 |
82.5 |
410.32 |
|
4 |
16 |
201.06 |
68.0 |
338.82 |
通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析得到：當(dāng)桿體直徑為16mm、即使是在試驗(yàn)發(fā)生意外的情況下（內(nèi)錐套和試件脫離），小拉力仍能達(dá)到68.0KN，破斷拉力達(dá)到338.82Mpa，達(dá)到了預(yù)期的如桿體直徑16mm，破斷力達(dá)到40-60KN的要求。所以這種結(jié)構(gòu)的錨桿滿足煤幫錨桿的要求（煤幫錨桿抗拉強(qiáng)度一般要求為大于50kN）[2]。
4 結(jié) 語
間歇式拉擠錨尾后固化成型工藝很好地滿足了玻璃鋼結(jié)構(gòu)、性能要求，與其它成型工藝相比還具有工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)，說明采用此成型工藝生產(chǎn)的玻璃鋼錨桿各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)
[1] MA Nianjie. The new structure of fibre glass reinforced plastics bolt[J]. Journal of Coal Science &
Engineering (China), 2003, (7).
[2] 楊振茂,馬念杰等. 玻璃鋼錨桿試驗(yàn)研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù),2002,(2).
MOULDING TECHNOLOGY OF FRP BOLT WITH NEW STRUCTURE
MA Nian-jie, LI Ying-ming
( China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)
Abstract: The author puts forward the moulding technology of FRP bolt with new structure called batch pulling and FRP bolt-end solidified lately on the base of analysis of FRP bolt style and present moulding technology. The experiment is done on bolt with the moulding technology. It turns out all kinds of performance reach or surpass the national standard. In a word, the mouding technology is worth popularizing and applying.
Key words: FRP; bolt; moulding technology; bolt-end solidifying lately