CN108866755A - 一种平面极坐标圆形织物的织造方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一种基于平面极坐标的圆形织物的织造方法及编织设备。该方法简单易行，主要适用于碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等，性能高，较难编织的纤维，编织方式为极性编织，纤维束按照环形方向和径向相互交织，编织结构可以为平纹、斜纹或缎纹；织物具有可设计、可调整性；所用的编织设备，制作简单，降低生产成本。预制体具有较强的结构整体性，其复合材料具有更优异的力学性能。

Description

一种平面极坐标圆形织物的织造方法及设备

技术领域

本发明涉及二维编织成型技术，具体是一种基于平面极坐标的圆形织物的织造方法及编织设备，该预制件的径向编织纱为极坐标排列，环向编织纱圆周缠绕，织物结构可以是平纹、斜纹或者缎纹。主要用于陶瓷基复合材料和连续碳纤维增强碳化硅基复合材料，以及树脂基复合材料等。

背景技术

目前，公知的圆形织物一般是采用针织的方法，通过线圈与线圈之间的穿套而形成，但是针织方法不适于碳化硅纤维、碳纤维、石英纤维等具有高强度高模量的高性能纤维，因为在织造的过程中，纤维要形成线圈会不断的被弯折、扭曲，极易断裂，而无法成形为织物；当用在航天等方面，例如加工为涡轮轴孔和叶片外形等，对纤维的性能要求很高，都需要使用高性能纤维织造而成的圆形织物，常用的方法是采用直角坐标编织，纤维束以0°和90 °两个垂直的方向相互交织在一起，从而形成一个平面的编织件，并根据所需要圆形织物的直径的大小，切掉部分甚至更多的承载纤维，这样圆形织物虽然满足了形状要求，但是在使用的过程中，当受到外部的载荷时，该种预制体往往会因为承载纤维的缺失而造成结构破坏，同时抗损伤性能较差。

为了克服现有的织造方式无法织造出更理想的圆形织物的不足，本发明提出了一种基于平面极坐标圆形织物的织造方法以及编织设备，其中纤维束是按照环形方向和径向编织，这是增强整体叶盘的一种理想二维编织结构，纤维束以最佳位置定位而不必切掉承载纤维，本编织方式不仅适用于碳化硅、碳纤维、石英纤维等高性能纤维，同时能保证预制件具有较好的尺寸稳定性和更优的机械性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出一种基于平面极坐标的圆形织物的织造方法及编织设备。该编织方法主要适用于碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等，性能高，较难编织的纤维，编织方式为极性编织，纤维束按照环形方向和径向相互交织，相比较于直角坐标0°和90°两个垂直方向相互交织，根据尺寸切割形成的预制件，极性编织使纤维束以最佳位置定位而不必切掉承载纤维，能保证预制件具有较好的尺寸稳定性和更优的机械性能，并且具有可设计、可调整性，预制体具有较强的结构整体性，其复合材料具有更优异的力学性能。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供基于平面极坐标的圆形织物的编织方法及编织设备，其特征在于包括以下步骤：首先，根据预制体的设计尺寸和所需的纤维体积含量，确定不同半径长度处径向编织纱的根数（经密）以及所对应半径处环向编织纱的根数（纬密）；其次，利用所设计的编织设备，将径向编织纱呈极坐标排列，环向编织纱以交织的方式，沿半径方向由最内圈开始，沿周向一圈一圈逐渐向外圈缠绕；最后，径向编织纱以均匀分区，局部加线的方式，由内径向外径随着纬数的增加依次增加，直到织造到织物所需要的尺寸。

所述的径向编织纱均匀分区是指，若最内圈的径向编织纱为i根，最外圈的径向编织纱为e根，编织所需要直径的织物共需要缠绕纬纱（环向编织纱）s纬，径向编织纱所需要均匀分布的区域数为z=2（i-e）/s ，若所得的区域数为非整数，则四舍五入。

所述的径向编织纱局部加线的方式是指，将所分的区域进行编号，区域数为1, 2,3……z，每织造两纬加一次径向编织纱，第一次加径向编织纱需在1,3,5……z-1，奇数区域，每个区域加两根相邻的径向编织纱；第二次加径向编织纱需要在2,4,6……z，偶数区域，每个区域加两根相邻的径向编织纱；奇数次加径向编织纱同第一次一样，偶数次加径向编织纱同第二次一样，按照这个规律依次循环加纱，直到编织到所需要的尺寸。

本发明解决所述编织设备技术问题的技术方案是，设计一种基于平面极坐标圆形织物的编织设备，该设备适用于本发明所述的平面极坐标圆形织物的编织，其特征在于该编织设备包括环形挂纱装置和编织圆盘平台，所述的环形挂纱装置，由可拆装的三个部件依次连接紧固而成，所述的环形挂纱装置的三个部件为：一个直径为织物外径4～６倍，厚度为30mm，周向被均匀分为z个区域的底座圆盘，一个调节挂纱装置高度的板型体构件，以及一个圆环状的定点径向编织纱挂纱装置；所述的编织圆盘平台是由一个直径为织物外径1.2~1.5倍，厚度为30mm，上面打有定位孔的编织圆盘平台和一个底部直径为织物内径的织物内径定型部件，上端配有直径为3mm的径向编织纱加纱器。

与现有技术相比，本发明平面极坐标的平纹圆形织物的编织方法及编织设备的增益效果是，径向编织纱与环向编织纱采用极性编织，纤维束以最佳位置定位，与直角坐标平面编织相比，不必切掉承载纤维，可以保证预制件具有较好的尺寸稳定性和更优的机械性能；该编织方法主要适用于碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维和氧化铝纤维等，对编织条件和方法有较高要求的高性能纤维；该编织结构具有可设计、可调整性，所使用的设备结构简化，加工方便，制作成本低，保证织物具有均匀的结构，编织过程更加方便。

附图说明

图1为本发明所述编织方法一种实施例的平纹圆形预制件结构示意图；

图2为本发明所述编织方法一种实施例的编织设备示意图;

图3为本发明所述编织方法一种实施例的实心平纹圆形预制件开始径向编织纱2搭接方式；

图4（a）为本发明所述编织方法一种实施例穿入第一纬环向编织纱示意图；

图4（b）为本发明所述编织方法一种实施例第一纬环向编织纱的穿入位置示意图；

图4（c）为本发明所述编织方法一种实施例穿入第二纬环向编织纱示意图；

图4（d）为本发明所述编织方法一种实施例第二纬环向编织纱的穿入位置示意图

（图中：1、径向编织纱；2、环向编织纱；3、底座圆盘；4、板型体构件；5、环形径向纱携纱器；6、编织圆盘平台；7、径向编织纱加纱器；8、织物内径定型部件；）。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于平面极坐标的圆形织物及其编织设备（参见图1-4），其特征在于包括以下步骤：

（1）编织前，首先将径向编织纱1进行分区，具体的分区方法为若最内圈的径向编织纱为i根，最外圈的径向编织纱为e根，编织所需要直径的织物共需要缠绕环向编织纱（纬纱）s纬，径向编织纱所需要均匀分布的区域数为z为：2（e-i）/s ，若所得的区域数为非整数，则四舍五入，将所分的区域进行编号，区域数为1, 2, 3……z。将径向编织纱1，按照圆形编织物的尺寸半径和所需要的根数进行截取，径向编织纱的长度为织物半径的1.5~2倍；若织物结构为图1，中心为空心圆环结构，先确定织物最内圈径向编织纱根数i，径向编织纱1的一端固定于径向编织纱携纱器7，另一端固定于环形径向纱携纱器5，将所有径向编织纱周向均匀分布排列；若所编织的圆形织物不是空心圆环结构，头端则是由四根径向编织纱相互搭接起头，水平0°径向编织纱11与竖直90°径向编织纱12相互交织，径向编织纱加纱器从四根纱线的中心通过。

（2）编织开始，将环向编织纱2连续螺旋缠绕于一个类似于梭型的轴上，把其中一根径向编织纱13作为每一圈环向编织纱2穿入的起始纱线，挂好最内圈径向编织纱1后，开始编织第一纬环向编织纱2，先将第一圈以径向编织纱线13为起始线的奇数径向编织纱线抬起，将环向编织纱21从顺时针沿周向从抬起的奇数径向编织纱1和未抬起的径向编织纱1之间穿入，收紧环向编织纱2，使其紧贴着织物内径定型部件，形成第一纬；在开始编织第二纬时，开始加入径向编织纱1，第一次加径向径向编织纱，需加在1,3,5……z-1，奇数区域，在每个区域中间位置加两根相邻的径向编织纱1；将增加径向编织纱1的一端固定于径向编织纱携纱器7，另一端固定于环形径向纱携纱器5，加好径向编织纱1后，开始编织第二纬环向编织纱2，先将第二圈以径向编织纱线13为起始线的偶数列径向编织纱线抬起，将环向编织纱2从顺时针沿周向从抬起的偶数径向编织纱1和未抬起的径向编织纱1之间穿入，收紧环向编织纱2，使其紧贴着织物环向第一纬纱线，形成第二纬；接着开始编织第三纬，第三纬无需加径向编织纱1，直接将第三圈以径向编织纱线13为起始线的奇数径向编织纱线1抬起，将环向编织纱2再次从顺时针沿周向从抬起的奇数径向编织纱1和未抬起的径向编织纱1之间穿入，收紧环向编织纱2，使其紧贴着织物环向第二纬纱线，形成第三纬；编织第四纬环向编织纱2时，需要再次加纱，此时加纱的区域为2,4,6……z，在每个区域中间位置加两根相邻的径向编织纱1；将增加径向编织纱1的一端固定于径向编织纱携纱器7，另一端固定于环形径向纱携纱器5，加好径向编织纱1后，开始编织第四纬环向编织纱2，先将第二圈以径向编织纱线13为起始线的偶数列径向编织纱线抬起，将环向编织纱2从顺时针沿周向从抬起的偶数径向编织纱1和未抬起的径向编织纱1之间穿入，收紧环向编织纱2，使其紧贴着织物环向第三纬纱线，形成第四纬；第五纬编织重复第一纬的步骤，无需加纱，第六纬编织筒第二纬一样，第七纬编织同第三纬一样，第八纬编织同第四纬一样，四纬纱线一个循环，依次循环以上步骤，编织到相应的织物尺寸；最后用剪刀将每2纬增加的径向编织纱1未编织到织物内部的那部分纱线沿纱线根部剪掉，最终完成织物的编织过程。

所述径向编织纱1是碳化硅纤维、空心石英纤维、Nextel 纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维或硅酸铝纤维。

所述环向编织纱2是碳化硅纤维、空心石英纤维、Nextel 纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维或硅酸铝纤维。

所述编织结构为极坐标平纹、斜纹或缎纹编织结构。

本发明同时设计了平面极坐标的圆形织物的编织设备，该设备适用于本发明所述的平面极坐标圆形织物的编织，其主要构成有底部圆盘3，圆盘的直径为织物外径的4～６倍，厚度约为30mm，距离圆盘边缘10mm处周向均匀分布着z个一定深度的长方形方孔，用于插入板型体构件4，板型体构件4下端（即插入长方形方孔那端）厚度略小，沿板型体构件中心轴上，均匀等距的排列着一定数量圆孔，用于穿入环形径向携纱器5，圆孔的直径需大于环形携纱器5的直径，便于环形携纱器从z个板型体构件4中同高度的圆孔中穿入，不同高度的圆孔用于调节环形携纱器5的高度，环形携纱器5的外表面周向均匀分布着与最外层径向编织纱22等数量的凹槽，用于控制径向编织纱2周向分布的均匀度；底部圆盘3中心有一个一定深度的圆孔，底部圆盘3中心位置上放置着一个编织圆盘平台6，所述的圆形编织平台6直径为织物外径1.2~1.5倍，厚度为30mm，主要用于支撑编织的织物，编织圆盘平台6的中心也有一个与底部圆盘3同样直径大小的圆孔，织物内径定型部件8插入编织圆盘平台6与底部圆盘3中，既保证了编织圆盘平台6在底部圆盘3中间，又控制了圆环形平纹织物内径的大小，在织物内部定型部件8上表面中心位置中，插着一根内径约为3mm，长度约和板型体构件4同样长的径向编织纱加纱器7，所述的径向编织纱加纱器7主要用于挂每2纬增加的径向编织纱1。

下面给出本发明方法的优选实施例，以进一步详细说明本发明（参见图1）：

实施例1（参见图1-4）

所述径向编织纱1、环向编织纱2均采用200tex的碳化硅纤维；编织参数为：圆环形平纹织物的内部直径为8mm，外部直径为150mm，经密为8根/cm，纬密为5根/cm；环向编织纱2的细度为200tex单股，径向编织纱1的细度为200tex×2合股；根据经密和织物的内部直径与外部直径，可以直接计算出最内圈径向编织纱1根数i为20根，最外圈径向编织纱1根数e为375根，根据纬密为5根/cm，计算得出环向编织纱2圈数s是 71圈（71纬），径向编织纱所需要均匀分布的区域数为z为：2（e-i）/s，计算得出z=10，则把径向编织纱1分为10个区域。

（1）编织前，需将连续长度的径向编织纱1进行截取，本实施例中的圆形编织物外径尺寸半径为75mm，一共所需要的根数为375根，编织纱的长度取织物半径的1.5倍，截取长度为113mm；由于径向编织纱1是2合股，故径向编织纱1一共截取的长度×根数为：113mm×750根；单层织物最终结构为图1，根据工艺参数，最内圈径向编织纱22需要20根，20根径向编织纱1的一端固定于径向编织纱携纱器7，另一端固定于环形径向纱携纱器5，将所有径向编织纱周向均匀分布排列（10个区域每个区域分别均匀排列两根）。

（2）编织开始，将环向编织纱2连续螺旋缠绕于一个类似于梭型的轴上，把其中一根径向编织纱13作为每一圈环向编织纱2穿入的起始纱线，在开始编织第一纬环向编织纱21之前，沿着顺时针方向把编织纱线23做为最内圈20根（列）径向编织纱1的第一列，把以编织纱23为第一列的奇数列径向编织纱线抬起，将环向编织纱21从顺时针方向沿靠近径向纱加纱器7那端，从环向编织纱23点起，从抬起的奇数径向编织纱1和未抬起的径向编织纱1之间穿入，并从环向23点穿出，之后收紧第一纬环向编织纱21，使其紧贴着织物内径定型部件，形成第一纬环向编织纱21；在开始编织第二纬时，开始加入径向编织纱1，第一次加径向径向编织纱，需加在1，3，5，7，9奇数区域，在每个区域中间位置加两根相邻的径向编织纱1，5个区域共增加10根径向编织纱1；将增加径向编织纱1的一端固定于径向编织纱携纱器7，另一端固定于环形径向纱携纱器5，加好径向编织纱1后，开始编织第二纬环向编织纱22，沿顺时针方向，第二纬环向编织纱22依然把径向编织纱线13作为做为第二纬上所有列径向编织纱1的第一列，把以径向编织纱13为第一列的偶数列径向编织纱线抬起，将环向编织纱22从顺时针方向沿靠近径向第一纬环向编织纱21那端，从环向起始点24点起，从抬起的偶数径向编织纱1和未抬起的径向编织纱1之间穿入，并从环向起始点24点穿出，之后收紧第二纬环向编织纱22，使其紧贴着织物第一纬环向编织纱21，形成第二纬环向编织纱22；接着开始编织第三纬，在开始编织第三纬环向编织纱之前，沿着顺时针方向仍然把径向编织纱线13做为此圈所有列径向编织纱1的第一列，把以径向编织纱13为第一列的奇数列径向编织纱线抬起，将第三纬环向编织纱2从顺时针方向沿靠近第二纬环向编织纱22那端，第三纬环向编织纱2依然从径向编织纱13那端起，从抬起的奇数径向编织纱1和未抬起的径向编织纱1之间穿入，并从起始点出穿出，之后收紧第三纬环向编织纱2，使其紧贴着织物第二纬环向编织纱22，形成第三纬环向编织纱；编织第四纬环向编织纱2时，需要再次加入径向编织纱2，但是需加在2，4，6，8，10偶数区域，同样在每个区域中间位置加两根相邻的径向编织纱1，5个区域共增加10根径向编织纱1；其它编织步骤与第二纬环向编织纱21相同；第五纬编织重复第一纬的步骤，无需加纱，仍然是需要抬起以径向编织纱线13为起始线的奇数列径向编织纱线穿入环向编织纱2；第六纬编织完全重复第二纬步骤，第三纬完全重复第三纬的步骤，第八纬完全重复第四纬的步骤，包括加径向编织纱2的区域以及抬起的奇偶列和穿入第六纬环向编织纱的顺序与穿入位置均一致；依次循环以上步骤，四纬一个循环，直到编织到相应的织物尺寸；最后用剪刀将每2纬增加的径向编织纱1未编织到织物内部的那部分纱线沿纱线根部剪掉，最终完成织物的编织过程。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种圆形织物的织造方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）编织前，需要将径向编织纱进行分区，具体的分区方法为：若最内圈的径向编织纱为i根，最外圈的径向编织纱为e根，织造所需要直径的织物共需要缠绕环向编织纱（纬纱）s纬，径向编织纱所需要均匀分布的区域数为z=2（e-i）/s ，若所得的区域数为非整数，则四舍五入；径向编织纱的一端固定于径向编织纱携纱器，另一端固定于环形径向纱携纱器，将所有径向编织纱沿周向均匀分布排列；

（2）将环向编织纱连续螺旋缠绕于一个类似于梭型的轴上，把其中一根径向编织纱作为每一圈环向编织纱穿入的起始纱线，挂好最内圈径向编织纱后，开始编织第一纬环向编织纱，先将第一圈奇数径向编织纱线抬起，将环向编织纱按顺时针沿周向从抬起的奇数径向编织纱和未抬起的径向编织纱之间穿入，收紧环向编织纱，使其紧贴着织物内径定型部件，形成第一纬；在编织第二纬时，先加入径向编织纱，第一次加径向编织纱，需加在1,3,5……z-1，奇数区域，在每个区域中间位置加两根相邻的径向编织纱；将所增加径向编织纱的一端固定于径向编织纱携纱器，另一端固定于环形径向纱携纱器；然后编织第二纬环向编织纱，先将第二圈偶数列径向编织纱线抬起，将环向编织纱按顺时针沿周向从抬起的偶数径向编织纱和未抬起的径向编织纱之间穿入，收紧环向编织纱，使其紧贴着织物环向第一纬纱线，形成第二纬；接着编织第三纬，不加径向编织纱，直接将第三圈的奇数径向编织纱线抬起，将环向编织纱再次按顺时针沿周向从抬起的奇数径向编织纱和未抬起的径向编织纱之间穿入，收紧环向编织纱，使其紧贴着织物环向第二纬纱线，形成第三纬；编织第四纬环向编织纱时，需要再次加入径向编织纱，此时加纱的区域为2,4,6……z偶数区，在每个区域中间位置加两根相邻的径向编织纱；将增加径向编织纱的一端固定于径向编织纱携纱器，另一端固定于环形径向纱携纱器，加好径向编织纱后，编织第四纬环向编织纱，将偶数列径向编织纱线抬起，将环向编织纱从顺时针沿周向从抬起的偶数径向编织纱和未抬起的径向编织纱之间穿入，收紧环向编织纱，使其紧贴着织物环向第三纬纱线，形成第四纬；第五纬编织重复第一纬的步骤，无需加纱，第六纬编织同第二纬步骤，第七纬编织同第三纬步骤，第八纬编织同第四纬步骤，四纬纱线一个循环，依次循环以上步骤，织造到相应的织物尺寸；最后用剪刀将每纬增加的径向编织纱未编织到织物内部的纱线沿纱线根部剪掉，最终完成织物的编织过程。

2.一种权利要求1所述织造方法得到的圆形织物，其特征在于所述圆形是由沿极坐标排列的径向编织纱和沿周向排列的环向编织纱相互交织编织而成，所述的织物结构可以是平纹、斜纹或者缎纹。

3.一种权利要求1所述制造方法得到的圆形织物，其特征在于该编织方法主要适用于碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等，性能高，较难编织的纤维。

4.一种适用于权利要求1所述平面极坐标圆形织物编织方法的编织设备，其特征在于该编织设备包括环形挂纱装置和圆形编织平台，所述的环形挂纱装置，由可拆装的三个部件依次连接紧固而成，所述的环形挂纱装置的三个部件为：一个直径为织物外径4～６倍，有一定厚度，周向被均匀分为z个区域的底座圆盘，一个调节挂纱装置高度的板型体构件，以及一个圆环状的定点径向编织纱挂纱装置；所述的圆形编织平台是由一个直径为织物外径1.2~1.5倍，有一定厚度，上面打有定位孔的编织圆盘平台和一个底部直径为织物内径的织物内径定型部件，织物内径定型部件上配有径向编织纱加纱器装置。

5.根据权利要求4所述的板型体构件，其特征板型体构件下端（即插入长方形方孔那端）厚度略小，沿板型体构件中心轴上，均匀等距的排列着一定数量圆孔，用于穿入环形径向携纱器并调节其高度。

6.根据权利要求4所述的环型径向携纱器，其特征在于外表面周向均匀分布着与最外层径向编织纱等数量的凹槽，用于控制径向编织纱周向分布的均匀度。