CN101962878B - 一种旋转滚针式复合材料层间连接增强装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转滚针式复合材料层间连接增强装置与方法，该装置应用于树脂基复合材料构件制造领域，包括：卷筒，纤维丝束，旋转滚筒，异形针，在制复合材料预成型件。该装置通过旋转滚筒上的异形针将卷绕在卷筒上的纤维丝束从复合材料预成型件表面法向刺入，同时通过树脂在复合材料层间流动、贯通、固化粘结，使纤维丝束沿复合材料预成型件表面法向固定，将多个铺层在厚度方向串连，增加复合材料层间的连接。该装置具有结构简单，使用方便等优点。

Description

一种旋转滚针式复合材料层间连接增强装置与方法
技术领域：
本发明专利涉及树脂基复合材料制造领域，用于纤维铺放设备中，是一种旋转滚针式复合材料层间连接增强装置与方法。
背景技术：
纤维铺放装置主要应用于制造航空航天，船舶，汽车等工业领域中，所制造出的树脂基纤维增强复合材料产品具有比强度高、比模量高、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、导热和热膨胀系数小等一系列优点。
目前，纤维铺放工艺是制造复合材料构件的主要方法之一，其工艺过程是：先将纤维预浸带一层一层地铺放在芯模表面，经过若干层的铺放使复合材料构件达到设计厚度，制作出预成型件，然后将预成型件放入热压罐进行固化，接着经过后处理最终制成复合材料零件。由于沿纤维铺层的厚度方向没有增强体，层间连接主要是树脂的二维粘结作用，所以树脂基复合材料构件层间强度较低，因此层间开裂、分层等破坏形式成为复合材料构件最主要的失效形式之一，大大降低了复合材料构件的使用寿命和可靠性。
为了提高层间强度，在制造复合材料构件的工艺中引入了Z-PINS技术、缝合技术、三维编织技术，他们的共同特点是在复合材料构件层间增加连接，如Z-PINS技术在复合材料层间植入钛合金针或者碳纤维针，缝合技术是将多层织物沿其厚度方向缝合成预成型件，三维编织技术通过机织方法制作出具有三维纤维走向的复合材料预成型件。但是，Z-PINS技术中所采用的真空加压增韧方法只能制造大平面面板结构，而高压枪增韧方法不能大面积植入PIN针，制造效率较低；同时，Z-PINS技术需要先将PIN针预植入载体中，且需要专用的植入设备将PIN针植入复合材料预成型件，增加了工艺复杂度。缝合技术需要先进的缝合专用设备，特别是在制造大型复合材料构件时，设备的控制系统十分复杂，目前美国已经开发出由38台计算机控制的4针头缝纫机。三维编织技术也需要高性能的三维编织机，工艺设备成本较高，国外已经实现了三维全自动编织机，而国内编织设备发展缓慢，编织效率较低。
为了促进复合材料在我国各行各业的应用，研究高自动化程度，低成本，简易可行的提高复合材料构件层间强度的制造装置和方法已经成为亟待解决的问题。
发明内容：
针对上述现有技术存在的需要采用配套的专用设备，工艺复杂等问题，本发明目的是一种旋转滚针式复合材料层间连接增强装置，该装置通过旋转滚筒上的异形针将卷绕在卷筒上的纤维丝束从复合材料预成型件表面法向刺入，同时通过树脂在复合材料层间流动、贯通、固化粘结，使预浸纤维丝束沿复合材料预成型件表面法向固定，将多个铺层在厚度方向串连，增加复合材料层间的连接。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种旋转滚针式复合材料层间连接增强装置，包括旋转滚筒和设置在旋转滚筒表面的异形针；所述的旋转滚筒包括固定轴、轴承端盖、筒体、柔性保护层、螺栓和滚动轴承；所述筒体内部同轴设置有固定轴，筒体两端通过螺栓固定安装有轴承端盖，轴承端盖内侧设置有滚动轴承，滚动轴承内圈套接在固定轴上，滚动轴承外圈与筒体固定连接，在筒体外表面设置有柔性保护层；所述异形针穿过柔性保护层并垂直于筒体表面；所述装置还包括卷筒，该卷筒表面缠绕有纤维丝束；所述纤维丝束置于异形针的顶端。
所述异形针是有缺口锥形针或无缺口锥形针，其在筒体外表面平行分布或者螺旋分布，其伸出长度可以调整。
所述固定轴两端具有方榫结构。
一种增强复合材料层间连接方法，首先，将复合材料预成型件置于旋转滚筒下面，设置在旋转滚筒表面的异形针与复合材料预成型件上表面接触；其次，将旋转滚筒向前滚动并使异形针沿复合材料预成型件厚度方向刺入，在复合材料预成型件形成孔隙并将置于异形针顶端的纤维丝束压入复合材料预成型件内部；最后，在复合材料预成型件固化过程中，树脂充分流动，填充孔隙，并粘接固定纤维丝束，完成在复合材料构件层间的增强连接。
一种增强复合材料层间连接方法，首先，将复合材料预成型件置于旋转滚筒下面，设置在旋转滚筒表面的异形针与复合材料预成型件上表面接触；其次，将旋转滚筒向前滚动并使异形针沿复合材料预成型件厚度方向刺入，在复合材料预成型件中形成孔隙；最后，在复合材料预成型件固化过程中，树脂充分流动，在各个铺层间贯通并填充孔隙，完成在复合材料构件层间的增强连接。
和现有技术相比，本发明带来的有益技术效果是：
一、增加了复合材料层间的连接，能够提高复合材料层间强度，从而延长复合材料构件使用寿命。
二、工艺方法及装置简单，无需复杂的机构和工艺流程，容易实现。
三、该装置能够和现有的纤维铺放装备结合，无需开发新的工艺装备，充分发挥纤维铺放装备自动化程度高的特点，从而适合产业化生产使用，简单高效。
附图说明：
图1是旋转滚针装置示意图一。
图2是引入纤维丝束增加层间连接方法示意图。
图3是旋转滚针装置示意图二。
图4是树脂贯通增加层间连接方法示意图。
图5是旋转滚筒结构示意图。
图6是一种异形针的结构示意图，是图5的局部放大视图。
图7是另一种异形针的结构示意图，是图5的局部放大视图。
图8是异形针分布示意图一。
图9是异形针分布示意图二。
图10是异形针分布示意图三。
图11是异形针分布示意图四。
其中：卷筒1、纤维丝束2、旋转滚筒3、异形针4、在制复合材料预成型件5、固定轴3-1、轴承端盖3-2、滚筒3-3、柔性保护层3-4、螺栓3-5、滚动轴承3-6、缺口形针4-1、锥形针4-2、铺层5-1、小孔5-2。
具体实施方式：
具体实施方式一：结合图1，图2，图6来说明本实施方式。本实施方式是通过旋转式滚针针刺的方式将纤维丝束从复合材料预成型件表面法向引入，以增加复合材料层间的连接。包括：卷筒1，纤维丝束2，旋转滚筒3，异形针4，在制复合材料预成型件5。当旋转滚筒在在制复合材料预成型件表面滚动的同时，给滚筒施加一个垂直于复合材料预成型件表面的压力，使异形针刺入，并将纤维丝束引入，以增加层间连接。具体过程如图2中所示，首先制作出具有若干铺层5-1的复合材料预成型件，接着，通过滚压使异形针4-1刺入复合材料预成型件中，形成小孔5-2并引入纤维丝束，然后在固化过程中预成型件中的树脂充分流动，填充小孔，最终固化纤维丝束，以增强复合材料构件厚度方向的连接。
具体实施方式二：结合图3，图4，图7来说明本实施方式。本实施方式是通过旋转式滚针针刺的方式使树脂在复合材料层间流动、贯通，粘接固化，以增加复合材料层间的连接。包括：旋转滚筒3，异形针4，在制复合材料预成型件5。当旋转滚筒在在制复合材料预成型件表面滚动的同时，给滚筒施加一个垂直于复合材料预成型件表面的压力，使异形针刺入形成孔隙，待固化时树脂充分流动，沿复合材料预成型件厚度方向贯通，从而增加层间连接。具体过程如图4中所示，首先制作出具有若干铺层5-1的复合材料预成型件，接着，通过滚压使异形针4-1刺入复合材料预成型件中，形成小孔5-2，然后在固化过程中预成型件中的树脂充分流动，沿复合材料预成型件厚度方向贯通，填充小孔，最终固化，增强复合材料构件厚度方向的连接。该方法取消了纤维丝束，更加简单便捷。
具体实施方式三：结合图5来说明本实施方式。本实施方式中的旋转滚筒装置包括：固定轴3-1，轴承端盖3-2，滚筒3-3，柔性保护层3-4，螺栓3-5，滚动轴承3-6。滚筒通过轴承，轴承端盖，螺栓联接在固定轴上，绕固定轴旋转，固定轴两端的方榫用于和其他机械装置联接。柔性保护层包裹在滚筒的外面，用于防止滚筒滚动时对复合材料预成型件表面的损伤。
具体实施方式四：结合图5，图6，图7来说明本实施方式。本实施方式中的异形针包括缺口形针4-1和锥形针4-2，缺口形针用于在刺穿复合材料预成型件铺层形成孔隙的同时引入纤维丝束，当针头从复合材料预成型件中拔出时使纤维丝束留在孔隙中，经过固化后增强层间的连接；锥形针用于刺穿复合材料预成型件铺层形成孔隙，在固化时使树脂流动贯通，填充该孔隙，经过固化后增强层间的连接。
具体实施方式五：结合图5，图8，图9来说明本实施方式。本实施方式中的异形针在滚筒圆周上分布的数量根据工艺需要来确定，可以是四个(图8)，六个(图9)，或者其他数量。
具体实施方式六：结合图5，图10，图11来说明本实施方式。本实施方式中的异形针在滚筒圆柱上的分布方式根据工艺需要来确定，可以采用平行式(图10)，也可以采用螺旋式(图10)，或者其他分布形式。同时，异形针的长度可以根据工艺要求来调整。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下所做出若干简单的推演或替换都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种旋转滚针式复合材料层间连接增强装置，其特征在于：包括旋转滚筒和设置在旋转滚筒表面的异形针；所述的旋转滚筒包括固定轴、轴承端盖、筒体、柔性保护层、螺栓和滚动轴承；所述筒体内部同轴设置有固定轴，筒体两端通过螺栓固定安装有轴承端盖，轴承端盖内侧设置有滚动轴承，滚动轴承内圈套接在固定轴上，滚动轴承外圈与筒体固定连接，在筒体外表面设置有柔性保护层；所述异形针穿过柔性保护层并垂直于筒体表面；所述装置还包括卷筒，该卷筒表面缠绕有纤维丝束；所述纤维丝束置于异形针的顶端。
2.如权利要求1所述一种旋转滚针式复合材料层间连接增强装置，其特征在于：所述异形针是有缺口锥形针或无缺口锥形针，其在筒体外表面平行分布或者螺旋分布，其伸出长度可以调整。
3.如权利要求1所述一种旋转滚针式复合材料层间连接增强装置，其特征在于：所述固定轴两端具有方榫结构。
4.基于权利要求1所述装置的增强复合材料层间连接方法，其特征在于：首先，将复合材料预成型件置于旋转滚筒下面，设置在旋转滚筒表面的异形针与复合材料预成型件上表面接触；其次，将旋转滚筒向前滚动并使异形针沿复合材料预成型件厚度方向刺入，在复合材料预成型件形成孔隙并将置于异形针顶端的纤维丝束压入复合材料预成型件内部；最后，在复合材料预成型件固化过程中，树脂充分流动，填充孔隙，并粘接固定纤维丝束，完成在复合材料构件层间的增强连接。
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