CN108823785A - 一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于该预制体为皮芯结构，芯层由芯纱和四步法编织的带轴纱的圆型三维编织结构组成；皮层为编织纱排列在轴纱同侧的斜交三向结构。将芯层最外层编织纱充当斜交三向的轴纱，实现皮芯结构的整体编织。该预制体经过四步循环后得到一个预制体花节长度，根据需要编织成目标长度的预制体。该预制体的制造方法可以灵活设计编织纱的走向、皮芯层厚度和斜交三向花节长度，解决了预置螺纹的三维编织预制体整体编织和加工螺纹时对纤维造成损伤的难题，有利于提高预制体的整体力学性能，同时该方法具有操作简单和制造稳定等优点，可以满足高性能低成本复合材料的制造需求。

Description

一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法

技术领域

本发明涉及复合材料紧固件制备技术，具体是一种预置螺纹的三维编织预制体的制造方法。该预制体用于制备复合材料紧固件，可以使螺纹部分纤维连续，提高复合材料紧固件的连接强度。

背景技术

目前，国内外各种型号的飞机使用大量紧固件，这些紧固件包括铆钉和螺栓等，其重量占飞机总重的 5%到6%，紧固件连接的工作量占飞机机体制造工作量的20%左右，飞机紧固件的成本占飞机成本的 3%到5%。在选择紧固件材料时，除了要满足力学方面的要求以外，还需考虑许多因素，如最大和最小工作温度，环境的腐蚀性，不同材料间的电偶腐蚀，疲劳和冲击载荷等。目前，航空航天用紧固件材料主要有：轻质金属（如铝合金，钛合金）、石墨、复合材料（如碳/碳复合材料，陶瓷基复合材料）等。复合材料是继天然材料、加工材料和合成材料之后发展起来的新一代材料，它既可以保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征，它可以根据需要进行设计，从而最合理地达到使用要求的性能。

复合材料紧固件的增强结构相一般使用短纤维和连续纤维，二维铺层结构以及三维针刺结构。采用短纤维和连续纤维增强的复合材料紧固件，不宜用于承力较大的场合，这是因为纤维间缺乏有效的缠结，纤维取向不确定，纤维预制件的结构整体性只能由纤维间的摩擦力来决定；二维铺层结构虽然解决了层内断裂问题，但由于层与层之间缺乏有效的纤维增强，层间的强度受到基体强度的制约，易分层和产生裂纹，抗剪切能力较差，各向同性也较差；针刺技术依靠刺针上的倒向钩刺抓住纤网层中的部分纤维将它们带到 Z 向，使层与层之间的纤维互相缠结、约束，形成平面和层间均有一定强度的准三维网状结构增强体，克服了二维叠层材料层间缺乏连接的缺点，具有孔隙分布均匀、易致密成型、较高的面内和层间强度等特点，但这种增强体纤维之间的结合力较小，纤维体积含量不高，并且难以精确控制纤维的取向，采用针刺结构作为增强相的复合材料紧固件，其螺纹部分的纤维体积含量较低，难以控制纤维取向，经机加工后，多为不连续纤维，故连接强度也不高。所以，本发明提出了一种预置螺纹的三维编织预制体的制造方法，即采用四步法三维圆型编织结构和斜交三向结构的有机耦合整体编织，使螺纹部分纤维整体连续，同时提高了复合材料的纤维体积分数，从而提高了复合材料整体力学性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明解决的是，提供一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法。该方法设计预置螺纹的三维编织预制体为皮芯结构，芯层由芯纱和带轴纱的圆型三维编织结构组成；皮层为编织纱排列在轴纱同侧的斜交三向结构。将芯层最外层编织纱充当斜交三向的轴纱，实现皮芯结构的整体连接编织。该方法显著提高了预置螺纹的三维编织预制体的结构稳定性，满足了复合材料紧固件的多种高性能需求。

本发明解决所述问题的技术方案是，提供一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于该织造方法包括如下步骤：

（1）排列悬挂纱线：根据螺纹型号尺寸，选择合适的纱线种类和规格，确定纱线排列的列数和层数。纱线系统包括芯纱、四步法编织纱、四步法轴纱、斜交三向编织纱和斜交三向轴纱；将芯纱、四步法编织纱、四步法轴纱、斜交三向编织纱和斜交三向轴纱一端在三维编织机的挂纱装置中的末端固定连接，另一端连接相应的携纱器按照一定的规律排列在编织机底盘上，纱线平行于预制体的成型方向。

（2）四步循环：第一步：芯层相邻周向的四步法编织纱携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置，斜交三向编织纱逆（顺）时针运动，穿过每一层斜交三向轴纱和最外层四步法编织纱，即由层外到里层；第二步：芯层相邻径向的四步法编织纱携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置，斜交三向编织纱继续逆（顺）时针运动，穿过最外层四步法编织纱和每一层斜交三向轴纱回到斜交三向轴纱外围，即由里层到外层；第三步和第四步：四步法编织纱携纱器运动方向分别与第一步和第二步相反，斜交三向编织纱继续逆（顺）时针运动，编织纱运动规律第三步与第一步相同，第二步与第四步相同，即先由外层到里层，再由里层到外层。一个编织循环后，四步法编织纱和斜交三向编织纱均回到初始位置。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：该预置螺纹的三维编织预制体可以由皮芯结构整体编织而成，提高了复合材料整体力学性能；该预置螺纹的三维编织预制体可灵活设计编织尺寸，以满足不同大小复合材料紧固件的制备要求；该预置螺纹的三维编织预制体可根据螺距调整编织纱花节长度，减小加工螺纹过程中对预制体的损伤，从而提高复合材料力学性能；同时该方法具有操作简单和制造稳定等优点，可以满足高性能复合材料的制造需求。

附图说明

图1为本发明预置螺纹的三维编织预制体横截面纱线排列结构示意图；

图2为本发明预置右旋螺纹的三维编织预制体横截面纱线排列结构示意图。其中，图2（a）为右旋螺纹正视图；图2（b）为斜交三向编织纱走向示意图；

图3为本发明预置左旋螺纹的三维编织预制体横截面纱线排列结构示意图。其中，图3（a）为左旋螺纹正视图；图3（b）为斜交三向编织纱走向示意图；

图4为本发明预置螺纹的三维编织预制体实施例芯层横截面纱线排列方式和四步法1×1圆型编织示意图。其中，图4（a）为圆型编织初始状态示意图；图4（b）为四步法第一步编织纱运动示意图；图4（c）为四步法第二步编织纱运动示意图；图4（d）为四步法第三步编织纱运动示意图；图4（e）为四步法第四步编织纱运动示意图；

图5为本发明预置左旋螺纹的三维编织预制体实施例编织过程中横截面纱线排列结构以及斜交三向编织纱走向示意图。其中，图5（a）为斜交三向结构编织纱第一步运动示意图；图5（b）为斜交三向结构编织纱第二步运动示意图（图中：1、斜交三向轴纱；2、斜交三向编织纱；3、四步法轴纱；4、四步法编织纱；5、芯纱）。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权力要求的保护范围。

本发明提供一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法（参见图4-5），其特征在于该预制体由斜交三向轴纱1、斜交三向编织纱2、四步法轴纱3、四步法编织纱4和芯纱5五个系列组成，且芯纱、斜交三向轴纱和四步法轴纱均平行排列于编织方向不动；四步法编织纱按照四步法圆型三维编织方法运动；斜交三向所有编织纱排列在轴纱的同一侧，编织纱按照二步法三维编织技术中编织纱的运动形式运动；具体编织步骤为：第一步：芯层相邻周向的四步法编织纱携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置，斜交三向编织纱逆（顺）时针运动，穿过每一层斜交三向轴纱和最外层四步法编织纱，即由层外到里层；第二步：芯层相邻径向的四步法编织纱携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置，斜交三向编织纱继续逆（顺）时针运动，穿过最外层四步法编织纱和每一层斜交三向轴纱回到斜交三向轴纱外围，即由里层到外层；第三步和第四步：四步法编织纱携纱器运动方向分别与第一步和第二步相反，斜交三向编织纱继续逆（顺）时针运动，编织纱运动规律第三步与第一步相同，第二步与第四步相同，即先由外层到里层，再由里层到外层。一个编织循环后，四步法编织纱和斜交三向编织纱均回到初始位置并完成一个花节长度的编织，根据需要编织成目标长度的预制体。

所述斜交三向轴纱的列数等于四步法编织纱的列数或是四步法编织纱列数的整数倍。

所述皮芯结构中的芯层以四步法圆型编织结构为基础，通过加入芯纱和轴纱提高预制体的轴向力学性能；皮层结构包覆芯层，通过将芯层最外层编织纱充当斜交三向轴纱，实现皮芯结构的整体编织。

所述预置螺纹的三维编织预制体的直径根据螺纹公称直径设计；四步法圆型三维编织结构的外径根据螺纹小径设计；斜交三向结构厚度根据螺纹原始三角形高度设计；斜交三向结构花节长度根据螺纹螺距设计。

所述四步法圆型三维编织的花节长度一般为斜交三向的整数倍，斜交三向编织纱的运动方向根据螺纹旋向设计。

实施例

本实施例设计的是制造螺纹型号为M10的左旋预置螺纹的三维编织预制体，所述预制体均采用日本东丽公司生产的规格为T300B-3000-40B和T300-1000-50A的碳纤维在三维编织机上编织而成。皮芯结构中的芯纱、四步法编织纱和轴纱用碳纤维细度均为3K,斜交三向编织纱细度为4K，斜交三向轴纱细度为3K和6K。

螺纹型号为M10的复合材料螺栓成品规格：公称直径为 10mm，长度为 80mm，螺距为1.5mm，螺纹原始三角形高度为 1.3mm。通过计算，预置螺纹预制件工艺设计参数为：预制件直径为 12mm，四步法圆型三维编织结构的外径为 7mm，四步法圆型三维编织结构的厚度为 2mm，斜交三向结构的厚度为 2.5mm，预制件长度为 300mm，斜交三向结构的花节长度为1.4mm，四步法圆型三维编织结构的花节长度为 2.8mm。

（1）排列悬挂纱线：根据预置螺纹预制件工艺设计参数，分别计算不同结构部分的纱线根数，确定纱线排列的列数和层数：芯纱根数为 40 根；四步法圆型三维编织结构部分主体编织纱的列数为 16 列，层数为 6层，最外 3 层满加轴纱；斜交三向结构部分轴纱的列数为 32 列，层数为 7 层，其中，里面5 层的轴纱细度为 3K，最外 2 层的轴纱细度为6K。根据纱线排列根数和列数，将芯纱、四步法编织纱、四步法轴纱、斜交三向编织纱和斜交三向轴纱一端按一定规律在三维编织机的挂纱装置末端固定连接，另一端也按照一定的规律连接相应的携纱器排列在编织机底盘上，纱线平行于预制体的成型方向。

（2）四步循环：第一步：芯层相邻周向的四步法编织纱携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置（图4（b）），斜交三向编织纱逆时针运动（图5（a）），穿过每一层斜交三向轴纱和最外层四步法编织纱，即由层外到里层；第二步：芯层相邻径向的四步法编织纱携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置（图4（c）），斜交三向编织纱继续逆时针运动（图5（b）），穿过最外层四步法编织纱和每一层斜交三向轴纱回到斜交三向轴纱外围，即由里层到外层；第三步和第四步：四步法编织纱携纱器运动方向分别与第一步和第二步相反（图4（d）和图4（e）），斜交三向编织纱继续逆时针运动，编织纱运动规律第三步与第一步相同（图5（a）），第二步与第四步相同（图5（b）），即先由外层到里层，再由里层到外层。一个编织循环后打紧，斜交三向结构的花节长度为 1.4mm，四步法圆型三维编织结构的花节长度为 2.8mm，单个循环结束后继续执行第一到第四步直到预制体长度为300mm。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于该制造方法包括以下步骤：

（1）排列悬挂纱线：根据螺纹型号尺寸，选择合适的纱线种类和规格，确定沙线排列的列数和层数;纱线系统包括芯纱、四步法编织纱、四步法轴纱、斜交三向编织纱和斜交三向轴纱；将芯纱、四步法编织纱、四步法轴纱、斜交三向编织纱和斜交三向轴纱一端在三维编织机的挂纱装置中的末端固定连接，另一端连接相应的携纱器按照一定的规律排列在编织机底盘上，纱线平行于预制体的成型方向;（2）四步循环：第一步：芯层相邻周向的四步法编织纱携纱器以相反的方向沿周向运动一个携纱器的位置，斜交三向编织纱逆（顺）时针运动，穿过每一层斜交三向轴纱和最外层四步法编织纱，即由层外到里层；第二步：芯层相邻径向的四步法编织纱携纱器以相反的方向沿径向运动一个携纱器的位置，斜交三向编织纱继续逆（顺）时针运动，穿过最外层四步法编织纱和每一层斜交三向轴纱回到斜交三向轴纱外围，即由里层到外层；第三步和第四步：四步法编织纱携纱器运动方向分别与第一步和第二步相反，斜交三向编织纱继续逆（顺）时针运动，编织纱运动规律第三步与第一步相同，第二步与第四步相同，即先由外层到里层，再由里层到外层;一个编织循环后，四步法编织纱和斜交三向编织纱均回到初始位置。

2.根据权利要求1所述的预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于所述斜交三向中所有的编织纱排列在轴纱的同一侧，每一根编织纱在预制体表面形成的斜向和螺旋线的方向保持一致。

3.根据权利要求1所述的预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于所述斜交三向轴纱的列数等于四步法编织纱的列数或是四步法编织纱列数的整数倍。

4.根据权利要求1所述的预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于所述皮芯结构中的芯层以四步法圆型编织结构为基础，通过加入芯纱和轴纱提高预制体的轴向力学性能；皮层结构包覆芯层，通过将芯层最外层编织纱充当斜交三向轴纱，实现皮芯结构的整体编织。

5.根据权利要求1所述的预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于所述预置螺纹三维编织预制体的直径根据螺纹公称直径设计；四步法圆型三维编织结构的外径根据螺纹小径设计；斜交三向结构厚度根据螺纹原始三角形高度设计；斜交三向结构花节长度根据螺纹螺距设计。

6.根据权利要求1所述的预置螺纹的三维编织预制体及其制造方法，其特征在于所述四步法圆型三维编织的花节长度一般为斜交三向的整数倍，斜交三向编织纱的运动方向根据螺纹旋向设计。