CN111636154A - 一种碳纤维坩埚针刺成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种碳纤维坩埚针刺成型设备，包括底部针刺装置、侧部针刺装置、定型承件装置、移动支承装置以及雾化喷淋装置，底部针刺装置与坩埚预制体的底部位置对应，由底部针刺装置对坩埚预制体底部进行针刺成型处理，侧部针刺装置与坩埚预制体的侧部位置对应，由侧部针刺装置对坩埚预制体侧部进行针刺成型处理，定型承件装置与底部针刺装置及侧部针刺装置位置对应，由定型承件装置对坩埚预制体进行承托，侧部针刺装置及定型承件装置分别位于移动支承装置上，由移动支承装置带动侧部针刺装置及定型承件装置调整位置，雾化喷淋装置与定型承件装置位置对应，由雾化喷淋装置对置于定型承件装置上的坩埚预制体进行喷液。

Description

一种碳纤维坩埚针刺成型设备

技术领域

本发明涉及回转体碳纤维产品生产设备，尤其涉及一种碳纤维坩埚针刺成型设备。

背景技术

单晶硅拉晶炉中，需要用到坩埚作为硅料的载体，由于需要承受1600多度的高温并且保持很高的强度，故只能选用石墨或者碳碳两种材料。随着技术的进步，碳碳复合材料的生产成本在不断下降，且随着拉晶炉尺寸的不断加大，石墨的成本原来越高，且碳碳复合材料有着石墨不能比拟的优异性能，所以目前市场上基本都使用的碳碳坩埚。坩埚作为拉晶炉的耗材，使用寿命一般只有6个月左右，所以市场需求量巨大。生产碳碳坩埚，首先需要生产坩埚预制体。坩埚预制体就是以碳纤维为原料，通过编织、缠绕、针刺等方法使其成型。

如图1所示，所述坩埚是一种回转体结构，主要由一段直筒形状和一段圆弧形状结构组成，生产时一般需要根据坩埚内部形状制作模具，然后在模具表面铺放碳纤维，再进行成型处理。目前常用的两种成型工艺，一种是在坩埚模具表面直接进行碳纤维丝束缠绕，通过反复缠绕成型到需要的尺寸，缠绕时需在碳纤维丝束表面预浸树脂或者沥青。另外一种是在模具表面铺放碳纤维布(单向布、经纬布等)，然后再铺放网胎层，通过针刺的方式将网胎的纤维引入各层间，从而使层间形成一定的结合力，并在里面加入定向绕丝，从而增强结合强度。本发明主要针对第二种工艺即针刺成型工艺的设备进行改进。碳纤维预制体成型后，还需通过气相法或者液相法引入碳，使其形成致密的碳碳复合材料结构，最后经过高温处理和机械加工完成产品。从整个过程中可以看出，预制体的结构设计对产品的性能将起到决定性的作用。

当前市场主要有以下几种针刺成型设备：

1.半机械针刺设备。其缺陷在于弧面段面积大，手工针刺效率低，以28寸坩埚预制体为例，一个工人操作需要一周才可完成一件产品。

2.模具可调角度机械针刺。其缺陷在于弧面段分段针刺，一个单元层需要调整模具角度5次以上，且需要5次以上的环向针刺，效率相对半机械针刺提升不少，一个工人操作3天可完成一件28寸的产品。由于频繁调角度，每次调整完成都需要重新寻找刺针零位，对工人操作有较高要求，也影响效率。

3.机械臂式针刺设备。其缺陷在于弧面段需分多段进行针刺，即环向需要多个周期针刺才能完成整个弧面段的针刺成型，此外，由于每家客户设计的圆弧尺寸区别较大，且设备需要经常换型号生产，所以机械臂的运动轨迹程序需要经常变动，所以对操作者要求非常高。

因此，有必要对这种碳纤维坩埚针刺成型设备进行改进，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纤维坩埚针刺成型设备，以方便快捷地对碳纤维坩埚进行针刺成型处理。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种碳纤维坩埚针刺成型设备，包括：

底部针刺装置，该底部针刺装置与坩埚预制体的底部位置对应，由底部针刺装置对坩埚预制体底部进行针刺成型处理；

侧部针刺装置，该侧部针刺装置与坩埚预制体的侧部位置对应，由侧部针刺装置对坩埚预制体侧部进行针刺成型处理；

定型承件装置，该定型承件装置与底部针刺装置及侧部针刺装置位置对应，由定型承件装置对坩埚预制体进行承托；

移动支承装置，侧部针刺装置及定型承件装置分别位于移动支承装置上，由移动支承装置带动侧部针刺装置及定型承件装置调整位置；

雾化喷淋装置，该雾化喷淋装置与定型承件装置位置对应，由雾化喷淋装置对置于定型承件装置上的坩埚预制体进行喷液。

其中，底部针刺装置包括：

中部弧面段针刺部件，该中部弧面段针刺部件与坩埚底部的中部弧面段位置对应，由弧面段针刺部件对坩埚预制体底部的中部弧面段进行针刺成型处理；

边缘衔接段针刺部件，该边缘衔接段针刺部件与坩埚底部衔接坩埚侧部的边缘衔接段位置对应，由衔接段针刺部件对坩埚预制体底部的边缘衔接段进行针刺成型处理；

进一步，

中部弧面段针刺部件包括内环面针刺机构、中环面针刺机构以及外环面针刺机构，边缘衔接段针刺部件包括内缘面针刺机构与外缘面针刺机构，内环面针刺机构、中环面针刺机构、外环面针刺机构、内缘面针刺机构以及外缘面针刺机构沿坩埚底部的半径方向由内至外顺次排布，由内环面针刺机构、中环面针刺机构、外环面针刺机构、内缘面针刺机构以及外缘面针刺机构共同对坩埚预制体底部进行针刺成型处理；

具体地，

内环面针刺机构包括内环面支架组件，内环面支架组件指向坩埚底部的内环面，中环面针刺机构包括中环面支架组件，中环面支架组件指向坩埚底部的中环面，外环面针刺机构包括外环面支架组件，外环面支架组件指向坩埚底部的外环面，内缘面针刺机构包括内缘面支架组件，内缘面支架组件指向坩埚底部的内缘面，外缘面针刺机构包括外缘面支架组件，外缘面支架组件指向坩埚底部的外缘面；

内环面支架组件、中环面支架组件、外环面支架组件、内缘面支架组件以及外缘面支架组件上分别装配有弧面针刺组件，由各弧面针刺组件分别对坩埚预制体底部的内环面、中环面、外环面、内缘面及外缘面部分进行针刺成型处理。

侧部针刺装置包括：

侧部柱面段针刺部件，该侧部柱面段针刺部件与坩埚侧部的柱面段位置对应，由侧部柱面段针刺部件对坩埚侧部的柱面段进行针刺成型处理；

进一步，

侧部柱面段针刺部件包括柱面段支架组件，该柱面段支架组件指向坩埚侧部的柱面段，柱面段支架组件上装配有直段针刺组件，由直段针刺组件对坩埚侧部的柱面段部分进行针刺成型处理。

定型承件装置包括：

原料承托部件，该原料承托部件装配于移动支承装置上，并与坩埚预制体的形状适配，用于制作坩埚预制体的碳纤维原料置于原料承托部件上；

回转驱动部件，该回转驱动部件装配于移动支承装置上，并与原料承托部件衔接，由回转驱动部件带动原料承托部件回转；

进一步，

原料承托部件包括坩埚模具，坩埚预制体置于该坩埚模具上，坩埚模具底部装设有回转轴杆，该回转轴杆通过轴承装配于移动支承装置上，回转驱动部件包括驱动电机，该驱动电机通过传动齿轮与回转轴杆衔接，由驱动电机带动坩埚模具以回转轴杆为轴线旋转。

移动支承装置包括：

装配支承部件，侧部针刺装置及定型承件装置分别位于装配支承部件上；

移动调整部件，装配支承部件位于该移动调整部件上，由移动调整部件带动装配支承部件调整位置，以调整定型承件装置与底部针刺装置之间的相对位置；

进一步，

装配支承部件包括针刺支架组件与承件支架组件，侧部针刺装置位于针刺支架组件上，定型承件装置位于承件支架组件上；

移动调整部件包括导向轨杆，该导向轨杆与底部针刺装置位置对应，针刺支架组件及承件支架组件分别通过滑动结构装配于导向轨杆上，并分别携带侧部针刺装置与定型承件装置靠近或远离底部针刺装置。

雾化喷淋装置包括雾化喷头，该雾化喷头指向定型承件装置，并与喷液储罐连通，由雾化喷头向置于定型承件装置上的坩埚预制体进行喷液，对坩埚预制体中的碳纤维进行柔顺、定型处理。

本发明的优点在于：

该针刺成型设备布置不同角度的针刺组件，并对应在坩埚底部的不同位置，当模具旋转一周时即可完成一个单元层的针刺，相对于现有设备针刺效率提高4～5倍，起始层通过手动调节设置好针板位置后，后续每层只需通过程序就可控制针刺深度，操作相对比较简单，有利于提升工作效率；该针刺成型设备还设置了雾化喷淋装置，可在针刺的同时将柔顺剂、定型剂引入预制体，可以较少针刺对纤维的损伤，同时针刺完成后将产品放入烘箱进行加热，可使产品具有一定强度，使其在整个运输、搬运过程中不易变形，有利于提高产品质量。

附图说明

图1是坩埚预制体的剖面结构示意图；

图2是本发明提出的针刺成型设备的立体结构示意图；

图3是该设备的俯视结构示意图；

图4是弧面针刺组件的结构示意图；

图5是坩埚模具的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

如图2～图5所示，本发明提出的碳纤维坩埚针刺成型设备包括底部针刺装置、侧部针刺装置、定型承件装置、移动支承装置以及雾化喷淋装置，底部针刺装置与坩埚预制体的底部位置对应，由底部针刺装置对坩埚预制体底部进行针刺成型处理，侧部针刺装置与坩埚预制体的侧部位置对应，由侧部针刺装置对坩埚预制体侧部进行针刺成型处理，定型承件装置与底部针刺装置及侧部针刺装置位置对应，由定型承件装置对坩埚预制体进行承托，侧部针刺装置及定型承件装置分别位于移动支承装置上，由移动支承装置带动侧部针刺装置及定型承件装置调整位置，雾化喷淋装置与定型承件装置位置对应，由雾化喷淋装置对置于定型承件装置上的坩埚预制体进行喷液。其中，底部针刺装置包括中部弧面段针刺部件与边缘衔接段针刺部件，中部弧面段针刺部件与坩埚底部的中部弧面段位置对应，由弧面段针刺部件对坩埚预制体底部的中部弧面段进行针刺成型处理，边缘衔接段针刺部件与坩埚底部衔接坩埚侧部的边缘衔接段位置对应，由衔接段针刺部件对坩埚预制体底部的边缘衔接段进行针刺成型处理；在本实施例中，中部弧面段针刺部件包括内环面针刺机构、中环面针刺机构以及外环面针刺机构，边缘衔接段针刺部件包括内缘面针刺机构与外缘面针刺机构，内环面针刺机构、中环面针刺机构、外环面针刺机构、内缘面针刺机构以及外缘面针刺机构沿坩埚底部的半径方向由内至外顺次排布，由内环面针刺机构、中环面针刺机构、外环面针刺机构、内缘面针刺机构以及外缘面针刺机构共同对坩埚预制体底部进行针刺成型处理；具体地，内环面针刺机构包括内环面支架组件101，内环面支架组件指向坩埚底部的内环面，中环面针刺机构包括中环面支架组件102，中环面支架组件指向坩埚底部的中环面，外环面针刺机构包括外环面支架组件103，外环面支架组件指向坩埚底部的外环面，内缘面针刺机构包括内缘面支架组件104，内缘面支架组件指向坩埚底部的内缘面，外缘面针刺机构包括外缘面支架组件105，外缘面支架组件指向坩埚底部的外缘面；内环面支架组件、中环面支架组件、外环面支架组件、内缘面支架组件以及外缘面支架组件上分别装配有弧面针刺组件110，由各弧面针刺组件分别对坩埚预制体底部的内环面R1、中环面R2、外环面R3、内缘面R4及外缘面R5部分进行针刺成型处理，各部位与坩埚模具的对应关系如图5所示。弧面针刺组件的结构如图4，其往复运动可以采取以下方式：1、偏心轮-连杆机构，电机带动主轴旋转，主轴安装在一个偏心轮上，偏心轮通过连杆与针板连接，通过偏心轮沿轴的圆周运动带动针板的往复运动；2、伺服电机-丝杆机构，伺服电机直接与丝杆连接，丝杆一端直接与针板连接，通过伺服电机控制丝杆的正转与反转，实现针板的往复运动；3、气缸结构，直接将气缸与针板连接，通过气缸的往复运动带动针板的往复运动。弧面针刺组件具有可旋转支架，该可旋转支架通过一端的旋转轴111和另一端的螺栓112固定在安装板上，使弧面针刺组件可以绕着旋转轴旋转，旋转到需要的角度后，锁紧螺栓，从而实现针刺角度的调节，以匹配不同曲率的弧面。

在本实施例中，侧部针刺装置包括侧部柱面段针刺部件，侧部柱面段针刺部件与坩埚侧部的柱面段位置对应，由侧部柱面段针刺部件对坩埚侧部的柱面段进行针刺成型处理；具体地，侧部柱面段针刺部件包括柱面段支架组件201，该柱面段支架组件指向坩埚侧部的柱面段，柱面段支架组件上装配有直段针刺组件202，由直段针刺组件对坩埚侧部的柱面段L1部分进行针刺成型处理；直段针刺组件的往复运动针刺动作可以通过以下几种方式实现：1、偏心轮-连杆机构，电机带动主轴旋转，主轴安装在一个偏心轮上，偏心轮通过连杆与针板连接，通过偏心轮沿轴的圆周运动带动针板的往复运动；2、伺服电机-丝杆机构，伺服电机直接与丝杆连接，丝杆一端直接与针板连接，通过伺服电机控制丝杆的正转与反转，实现针板的往复运动；3、气缸结构，直接将气缸与针板连接，通过气缸的往复运动带动针板的往复运动。

定型承件装置包括原料承托部件与回转驱动部件，原料承托部件装配于移动支承装置上，并与坩埚预制体的形状适配，用于制作坩埚预制体的碳纤维原料置于原料承托部件上，回转驱动部件装配于移动支承装置上，并与原料承托部件衔接，由回转驱动部件带动原料承托部件回转；在本实施例中，原料承托部件包括坩埚模具301，坩埚预制体置于该坩埚模具上，坩埚模具底部装设有回转轴杆302，该回转轴杆通过轴承装配于移动支承装置上，回转驱动部件包括驱动电机303，该驱动电机通过传动齿轮与回转轴杆衔接，由驱动电机带动坩埚模具以回转轴杆为轴线旋转。

在本实施例中，移动支承装置包括装配支承部件与移动调整部件，侧部针刺装置及定型承件装置分别位于装配支承部件上，装配支承部件位于该移动调整部件上，由移动调整部件带动装配支承部件调整位置，以调整定型承件装置与底部针刺装置之间的相对位置；具体地，装配支承部件包括针刺支架组件401与承件支架组件402，侧部针刺装置位于针刺支架组件上，定型承件装置位于承件支架组件上，移动调整部件包括导向轨杆403，该导向轨杆与底部针刺装置位置对应，针刺支架组件及承件支架组件分别通过滑动结构装配于导向轨杆上，并分别携带侧部针刺装置与定型承件装置靠近或远离底部针刺装置，并可采用伺服电机与丝杆作为驱动结构，从而使其移动位置可精确控制。

另外，雾化喷淋装置包括雾化喷头501，该雾化喷头指向定型承件装置，并与喷液储罐502连通，由雾化喷头向置于定型承件装置上的坩埚预制体进行喷液，对坩埚预制体中的碳纤维进行柔顺、定型处理。使用时，通过软管将喷液储罐与雾化喷头连接，将调配好的溶液装入喷液储罐内，通过压缩空气将溶液压入软管，然后从雾化喷头喷出，整个喷淋过程由程序控制，通过PLC控制电磁阀卡关，针刺开始时喷头喷液，针刺结束时喷液结束，溶液可以是硅油、酚醛树脂、环氧树脂等，通过稀释后使用，可以起到柔顺剂的作用，树脂在产品成型后通过加热固化，可以使产品在增密前就有一定的强度，保证搬运、包装、运输过程中产品不发生变形。

该针刺成型设备布置不同角度的针刺组件，并对应在坩埚底部的不同位置，每个针刺组件均独立工作，当模具旋转一周时即可完成一个单元层的针刺，相对于现有设备针刺效率提高4～5倍，起始层通过手动调节设置好针板位置后，后续每层只需通过程序就可控制针刺深度，操作相对比较简单，有利于提升工作效率；该针刺成型设备还设置了雾化喷淋装置，可在针刺的同时将柔顺剂、定型剂引入预制体，可以较少针刺对纤维的损伤，同时针刺完成后将产品放入烘箱进行加热，可使产品具有一定强度，使其在整个运输、搬运过程中不易变形，有利于提高产品质量。

该针刺成型设备在使用时，包括以下步骤：

1.模具安装。操作移动支承装置，将侧部针刺装置及定型承件装置移出针刺区域，然后将坩埚模具装配至定型承件装置上，再操作移动支承装置，将侧部针刺装置及定型承件装置移至针刺位置，使侧部针刺装置与坩埚预制体的侧部位置对应；

2.零位调整。对直段针刺组件进行调节，使其刺针停留在离坩埚模具最近的位置，操作移动支承装置，使侧部针刺装置向坩埚模具方向移动，使其刺针轻微接触到坩埚模具表面；然后打开直段针刺组件使刺针往复运动，同时打开回转驱动部件，使坩埚模具运动一周，观察坩埚模具上是否留下了针眼，局部区域无针眼的，则将该区域调整至与直段针刺组件接触的位置，重新调整直段针刺组件，使其轻微接触到模具，并以该位置为零位。以同样的方法，调整内环面针刺机构、中环面针刺机构、外环面针刺机构、内缘面针刺机构以及外缘面针刺机构，使其角度分别适配R1～R5部分的形状，使坩埚模具运动一周，观察坩埚模具上留下的针眼状态是否满足要求；所有位置调整完毕后，程序自动记录当前各针刺机构位置。

3.单元层铺放。零位调整完毕后，移动定型承件装置至非针刺区域，然后在坩埚模具上铺放碳纤维单元层，通过手工针刺的方式固定几个点，防止碳纤维单元层脱落。

4.针刺。单元层铺放完毕后，将定型承件装置移动至针刺几何中心，使所有针刺机构回到步骤2中记录的位置，然后开始针刺，雾化喷头开始喷液，模具自转，针刺机构开始针刺，旋转一周后针刺动作停止，定型承件装置移动至非针刺区域。

5.重复针刺操作。继续铺放碳纤维单元层，然后根据工艺要求设定每层针刺机构的抬针高度，即每刺完一个单元层，针刺机构的往复运动单元都会在零位的基础上移动设定的抬针高度值。重复上述操作，直至厚度达到设计要求，完成坩埚预制体的针刺。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于，包括：

底部针刺装置，该底部针刺装置与坩埚预制体的底部位置对应，由底部针刺装置对坩埚预制体底部进行针刺成型处理；

侧部针刺装置，该侧部针刺装置与坩埚预制体的侧部位置对应，由侧部针刺装置对坩埚预制体侧部进行针刺成型处理；

定型承件装置，该定型承件装置与底部针刺装置及侧部针刺装置位置对应，由定型承件装置对坩埚预制体进行承托；

移动支承装置，侧部针刺装置及定型承件装置分别位于移动支承装置上，由移动支承装置带动侧部针刺装置及定型承件装置调整位置。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于，底部针刺装置包括：

中部弧面段针刺部件，该中部弧面段针刺部件与坩埚底部的中部弧面段位置对应，由弧面段针刺部件对坩埚预制体底部的中部弧面段进行针刺成型处理；

边缘衔接段针刺部件，该边缘衔接段针刺部件与坩埚底部衔接坩埚侧部的边缘衔接段位置对应，由衔接段针刺部件对坩埚预制体底部的边缘衔接段进行针刺成型处理。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于：

中部弧面段针刺部件包括内环面针刺机构、中环面针刺机构以及外环面针刺机构，边缘衔接段针刺部件包括内缘面针刺机构与外缘面针刺机构，内环面针刺机构、中环面针刺机构、外环面针刺机构、内缘面针刺机构以及外缘面针刺机构沿坩埚底部的半径方向由内至外顺次排布，由内环面针刺机构、中环面针刺机构、外环面针刺机构、内缘面针刺机构以及外缘面针刺机构共同对坩埚预制体底部进行针刺成型处理。

4.根据权利要求1所述的一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于，侧部针刺装置包括：

侧部柱面段针刺部件，该侧部柱面段针刺部件与坩埚侧部的柱面段位置对应，由侧部柱面段针刺部件对坩埚侧部的柱面段进行针刺成型处理。

5.根据权利要求1所述的一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于，定型承件装置包括：

原料承托部件，该原料承托部件装配于移动支承装置上，并与坩埚预制体的形状适配，用于制作坩埚预制体的碳纤维原料置于原料承托部件上；

回转驱动部件，该回转驱动部件装配于移动支承装置上，并与原料承托部件衔接，由回转驱动部件带动原料承托部件回转。

6.根据权利要求1所述的一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于，移动支承装置包括：

装配支承部件，侧部针刺装置及定型承件装置分别位于装配支承部件上；

移动调整部件，装配支承部件位于该移动调整部件上，由移动调整部件带动装配支承部件调整位置，以调整定型承件装置与底部针刺装置之间的相对位置。

7.根据权利要求1所述的一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于：

还包括雾化喷淋装置，该雾化喷淋装置与定型承件装置位置对应，由雾化喷淋装置对置于定型承件装置上的坩埚预制体进行喷液。

8.根据权利要求3所述的一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于：

内环面针刺机构包括内环面支架组件，内环面支架组件指向坩埚底部的内环面，中环面针刺机构包括中环面支架组件，中环面支架组件指向坩埚底部的中环面，外环面针刺机构包括外环面支架组件，外环面支架组件指向坩埚底部的外环面，内缘面针刺机构包括内缘面支架组件，内缘面支架组件指向坩埚底部的内缘面，外缘面针刺机构包括外缘面支架组件，外缘面支架组件指向坩埚底部的外缘面；

内环面支架组件、中环面支架组件、外环面支架组件、内缘面支架组件以及外缘面支架组件上分别装配有弧面针刺组件，由各弧面针刺组件分别对坩埚预制体底部的内环面、中环面、外环面、内缘面及外缘面部分进行针刺成型处理。

9.根据权利要求4所述的一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于，侧部柱面段针刺部件包括柱面段支架组件，该柱面段支架组件指向坩埚侧部的柱面段，柱面段支架组件上装配有直段针刺组件，由直段针刺组件对坩埚侧部的柱面段部分进行针刺成型处理。

10.根据权利要求5所述的一种碳纤维坩埚针刺成型设备，其特征在于：

原料承托部件包括坩埚模具，坩埚预制体置于该坩埚模具上，坩埚模具底部装设有回转轴杆，该回转轴杆通过轴承装配于移动支承装置上，回转驱动部件包括驱动电机，该驱动电机通过传动齿轮与回转轴杆衔接，由驱动电机带动坩埚模具以回转轴杆为轴线旋转。

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