CN113089178A - 一种二维四轴编织套管预制件及其制备装置和制备方法 - Google Patents

一种二维四轴编织套管预制件及其制备装置和制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种二维四轴编织套管预制件，包括管状的三轴编织层，三轴编织层包括沿预制件成型方向取向的0°方向纤维及与0°纤维交叉排列的+θ°纤维、‑θ°纤维；三轴编织层的表面覆盖有与预制件成型方向垂直的90°纤维层。本发明还公开一种二维四轴编织套管预制件制备装置及制备方法，制备装置包括立式圆形编织机和芯模，立式圆形编织机编织的纤维缠绕在所述芯模上；芯模的一侧设有90°方向纤维退绕机构，90°方向纤维退绕机构上的纤维沿与预制件成型方向垂直的方向覆盖在所述芯模上的纤维上。本发明可以实现二维编织套管预制件增加90°方向纤维层，提高预制件90°方向的拉伸性能，使该二维编织套管预制件的复合材料拥有更大的应用前景。

Description

一种二维四轴编织套管预制件及其制备装置和制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维预制件制备领域，尤其涉及一种二维四轴编织套管预制件及其制备装置和制备方法。
背景技术
传统的编织技术一般通过圆环编织机来生产软管、绳索、电缆等类似的管状产品，而新型二维编织技术在传统编织技术的基础上，利用七轴机械臂夹持芯轴来控制芯轴的运动，通过沿预制件成型方向取向的多根纱线按照一定的规律倾斜交叉，使纱线相互交织在一起并包裹芯轴，实现大直径复杂形状的二维编织套管预制件的制备。
目前，利用圆环编织机制备的二维编织套管预制件内纤维最多三个轴向，包括沿预制件成型方向取向的0°方向、与0°方向成一定角度的θ°方向和-θ°方向(θ°<90°)，缺乏与预制件成型方向垂直的90°方向纤维，导致90°方向的拉伸性能较弱，限制了该预制件的广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种二维四轴编织套管预制件及其制备装置和制备方法，可以实现二维编织套管预制件增加90°方向纤维层，提高预制件90°方向的拉伸性能，使该二维编织套管预制件的复合材料拥有更大的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明提供一种二维四轴编织套管预制件，包括管状的三轴编织层，所述三轴编织层包括沿预制件成型方向取向的0°方向纤维及与0°纤维交叉排列的+θ°纤维、-θ°纤维；所述三轴编织层的表面覆盖有与预制件成型方向垂直的90°纤维层。
优选地，所述0°<θ°<90°。
本发明还提供一种二维四轴编织套管预制件制备装置，包括立式圆形编织机和芯模，所述立式圆形编织机编织的沿预制件成型方向取向的0°方向纤维及与0°纤维交叉排列的+θ°纤维、-θ°纤维缠绕在所述芯模上，所述芯模与驱动芯模运动的驱动装置连接；所述芯模的一侧设有90°方向纤维退绕机构，所述90°方向纤维退绕机构上的纤维沿与预制件成型方向垂直的方向覆盖在所述芯模上的纤维上。
优选地，所述90°方向纤维退绕机构包括固定架，所述固定架上设有退绕筒，所述退绕筒上安装有纤维纱锭，纤维穿过第一导辊、第二导辊缠绕在所述芯模上。
优选地，所述立式圆形编织机包括主框架和设置在主框架上的圆盘，所述圆盘的中心设有中心圆环，所述圆盘上分布有纤维纱锭。
优选地，所述驱动装置为七轴机械臂。
本发明还提供一种二维四轴编织套管预制件制备方法，包括：
驱动装置驱动芯模穿过立式圆形编织机的中心圆环；
利用立式圆形编织机在芯模上编织三轴编织层；
将90°方向纤维退绕机构上的纤维退绕，并固定在所述芯模尾部，驱动装置夹持所述芯模以设计的速度旋转，并按设计的速度和运动轨迹从立式圆形编织机的中心圆环退回，使所述90°方向纤维退绕机构上的纤维覆盖在所述芯模三轴编织层表面；
待所述芯模需要覆盖90°纤维的部位全部穿过所述中心圆环后，将90°纤维固定在所述芯模靠近头端的位置，剪断90°纤维，使所述芯模与所述90°方向纤维退绕机构上的纤维分离。
优选地，所述三轴编织层的编织方法为：
将芯模头端对准立式圆形编织机的中心圆环；
将立式圆形编织机上的纤维固定在芯模需要编织的头端位置；
立式圆形编织机开机编织，驱动装置驱动芯模移动，使所述芯模按设计的速度和直线运动轨道穿过所述中心圆环，纤维相互交织在一起包裹所述芯模；
待所述芯模需要覆盖纤维的部位全部穿过所述中心圆环，并被纤维包裹后，固定所述芯模尾部的纤维，并将纤维全部剪断使所述芯模与所述立式圆形编织机上的纤维分离。
优选地，所述芯模设计的旋转速度为V1＝V2/L，其中，L为纱线宽度，所述芯模设计的退回速度为V2＝V环*S截*A/Tanθ，其中，V环为纱锭绕圆盘旋转速度，为80-100转/min，S截为芯模截面面积，A为固定系数，设计的运动轨迹为直线轨迹。
优选地，所述二维四轴编织套管预制件的厚度为1～100mm。
本发明所达到的有益效果：
1、该二维四轴编织套管预制件，由于增加了90°方向纤维层，可提高预制件90°方向的拉伸性能，使该二维编织套管预制件的复合材料拥有更大的应用前景。
2、该二维四轴编织套管预制件制备装置，在原有的设备上只需新增的90°方向纤维退绕机构，就可以生产准各向同性编织套管预制件，使编织套管预制件的复合材料拥有更大的应用前景。
3、该二维四轴编织套管预制件制备方法简单易操作，新增90°方向纤维退绕机构价格便宜，在不增加太多生产成本的基础上，让原有设备产生更多的价值。
附图说明
图1是本发明二维四轴编织套管预制件装备的结构示意图；
图2是本发明立式圆形编织机的结构意图；
图3是本发明90°方向纤维退绕机构的结构意图；
图4是本发明的预制件铺层示意图；
图5是本发明的工作原理示意图；
其中，1-立式圆形编织机，2-七轴机械臂，3-芯模，4-90°方向纤维退绕机构，5-缠绕芯模的+θ°纤维，6-缠绕芯模的-θ°纤维，7-缠绕芯模的90°纤维层，8-缠绕芯模的0°纤维；101-主框架，102-圆盘，103-中心圆环，401-固定架，402-退绕筒，403-导辊1，404-导辊2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种二维四轴编织套管预制件制备装置，包括立式圆形编织机1、七轴机械臂2、芯模3和90°方向纤维退绕机构4。
如图2所示，立式圆形编织机1为现有设备，本实施例中的立式圆形编织机为徐州恒辉编织机械有限公司的YBI-2D-176型号编织机，其结构包括主框架101和设置在主框架101上的圆盘102，圆盘102的中心设有中心圆环103，圆盘102上分布有纤维纱锭。立式圆形编织机1编织的沿预制件成型方向取向的0°方向纤维及与0°纤维交叉排列的+θ°纤维、-θ°纤维缠绕在芯模3上，芯模3与驱动芯模3运动的七轴机械臂2连接。KUKA公司七轴机械臂2与控制电脑连接，控制电脑内储存有驱动芯模3运动的程序。如图3所示，芯模3的一侧设有90°方向纤维退绕机构4，90°方向纤维退绕机构4上的纤维沿与预制件成型方向垂直的方向覆盖在芯模3上的纤维上。90°方向纤维退绕机构4包括固定架401、退绕筒402、第一导辊403、第二导辊404。固定架401上设有退绕筒402，退绕筒402上安装有纤维纱锭，纤维穿过第一导辊403、第二导辊404缠绕在芯模3上。
该二维四轴编织套管预制件制备装置，在原有的设备上只需新增的90°方向纤维退绕机构，就可以生产准各向同性编织套管预制件，使编织套管预制件的复合材料拥有更大的应用前景。
实施例2
如图5所示，本发明提供一种二维四轴编织套管预制件制备方法，包括以下步骤：
步骤1、移动七轴机械臂2，将芯模3头端对准中心圆环102；
步骤2、用固定带将立式圆形编织机1上的纤维固定在芯模3靠近头端的位置；
步骤3、对七轴机械臂2进行编程，立式圆形编织机1在开机编织的过程中，七轴机械臂2按编程设计的速度和运动轨迹夹持芯模3移动，使芯模3按设计的速度和运动轨道穿过中心圆环102；
步骤4、立式圆形编织机1在开机编织的过程中，纤维规律倾斜交叉，使纤维相互交织在一起并包裹芯模3；
步骤5、待芯模3需要覆盖纤维的部位全部穿过中心圆环102，并被纤维包裹后，用固定带固定芯模3尾部的纤维，并将纤维全部剪断使芯模3与大型立式圆形编织机1上的纤维分离；
步骤6、将90°方向纤维退绕机构4上的纤维退绕，固定在芯模3尾部，对七轴机械臂2进行编程，使七轴机械臂2夹持芯模3以设计的速度均匀旋转，并按设计的速度和运动轨迹从中心圆环102退回，将90°方向纤维退绕机构4上的纤维均匀的缠绕在芯模3需要覆盖的部位；
步骤7、待芯模3需要缠绕90°纤维的部位全部穿过中心圆环102，退回最初位置后，将90°纤维固定在芯模3靠近头端的位置，剪断90°纤维使芯模3与90°方向纤维退绕机构4上的纤维分离。
步骤8、重复步骤1至步骤7，进行芯模3上其他层纤维的包裹，完成预制件要求的厚度。
该二维四轴编织套管预制件制备方法简单易操作，新增90°方向纤维退绕机构价格便宜，在不增加太多生产成本的基础上，让原有设备产生更多的价值。
实施例3
如图4所示，一种二维四轴编织套管预制件，包括管状的三轴编织层，三轴编织层包括沿预制件成型方向取向的0°方向纤维8及与0°纤维交叉排列的+θ°纤维5、-θ°纤维6；三轴编织层的表面覆盖有与预制件成型方向垂直的90°纤维层7，0°<θ°<90°，本实施例中，θ°＝45°。其中，单层纤维厚度为0.1～0.5mm。
本实施例中，二维四轴编织套管预制件的厚度为8mm，纤维为江苏恒神股份有限公司的HF10-12K型号碳纤维，单层纤维的厚度为0.4mm，依次按照0°纤维、+45°纤维、-45°纤维、90°纤维的缠绕方向进行缠绕。
实施例4
本实施例中，θ°＝60°，二维四轴编织套管预制件的厚度为36mm。0°纤维、+60°纤维、-60°纤维、90°纤维需经过多次循环往复缠绕在芯模上。其余内容与实施例3相同。
对比例1
本对比例与实施例3的区别点在于，本对比例中无90°纤维层。
对比例2
本对比例与实施例4的区别点在于，本对比例中无90°纤维层。
性能测试
将实施3-4及对比例1得到的编织套管预制件进行性能测试，测试数据如表1所示：
表1实施例3-4及对比例1-2的编织套管预制件性能对比表
测试标准 0°拉伸强度 90°拉伸强度
实施例3 ISO 527 342MPa 330MPa
实施例4 ISO 527 328MPa 346MPa
对比例1 ISO 527 356 MPa 59MPa
对比例2 ISO 527 345 MPa 78MPa
由表1可知，实施例3及实施例4得到编织套管预制件能在保持0°方向拉伸性能良好的基础上，90°方向拉伸性能也较佳，能够满足相关客户的性能需求，90°方向拉伸性能远优于对比例1-2。
本发明可以实现二维编织套管预制件增加90°方向纤维层，提高预制件90°方向的拉伸性能，使该二维编织套管预制件的复合材料拥有更大的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二维四轴编织套管预制件，其特征在于，包括管状的三轴编织层，所述三轴编织层包括沿预制件成型方向取向的0°方向纤维及与0°纤维交叉排列的+θ°纤维、-θ°纤维；所述三轴编织层的表面覆盖有与预制件成型方向垂直的90°纤维层。
2.根据权利要求1所述的二维四轴编织套管预制件，其特征在于，所述0°<θ°<90°。
3.一种二维四轴编织套管预制件制备装置，其特征在于，包括立式圆形编织机和芯模，所述立式圆形编织机编织的沿预制件成型方向取向的0°方向纤维及与0°纤维交叉排列的+θ°纤维、-θ°纤维缠绕在所述芯模上，所述芯模与驱动芯模运动的驱动装置连接；所述芯模的一侧设有90°方向纤维退绕机构，所述90°方向纤维退绕机构上的纤维沿与预制件成型方向垂直的方向覆盖在所述芯模上的纤维上。
4.根据权利要求3所述的二维四轴编织套管预制件制备装置，其特征在于，所述90°方向纤维退绕机构包括固定架，所述固定架上设有退绕筒，所述退绕筒上安装有纤维纱锭，纤维穿过第一导辊、第二导辊缠绕在所述芯模上。
5.根据权利要求3所述的二维四轴编织套管预制件制备装置，其特征在于，所述立式圆形编织机包括主框架和设置在主框架上的圆盘，所述圆盘的中心设有中心圆环，所述圆盘上分布有纤维纱锭。
6.根据权利要求3所述的二维四轴编织套管预制件制备装置，其特征在于，所述驱动装置为七轴机械臂。
7.一种二维四轴编织套管预制件制备方法，其特征在于，包括：
驱动装置驱动芯模穿过立式圆形编织机的中心圆环；
利用立式圆形编织机在芯模上编织三轴编织层；
将90°方向纤维退绕机构上的纤维退绕，并固定在所述芯模尾部，驱动装置夹持所述芯模以设计的速度旋转，并按设计的速度和运动轨迹从立式圆形编织机的中心圆环退回，使所述90°方向纤维退绕机构上的纤维覆盖在所述芯模三轴编织层表面；
待所述芯模需要覆盖90°纤维的部位全部穿过所述中心圆环后，将90°纤维固定在所述芯模靠近头端的位置，剪断90°纤维，使所述芯模与所述90°方向纤维退绕机构上的纤维分离。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述三轴编织层的编织方法为：
将芯模头端对准立式圆形编织机的中心圆环；
将立式圆形编织机上的纤维固定在芯模需要编织的头端位置；
立式圆形编织机开机编织，驱动装置驱动芯模移动，使所述芯模按设计的速度和直线运动轨道穿过所述中心圆环，纤维相互交织在一起包裹所述芯模；
待所述芯模需要覆盖纤维的部位全部穿过所述中心圆环，并被纤维包裹后，固定所述芯模尾部的纤维，并将纤维全部剪断使所述芯模与所述立式圆形编织机上的纤维分离。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述芯模设计的旋转速度为V1＝V2/L，其中，L为纱线宽度，所述芯模设计的退回速度为V2＝V环*S截*A/Tanθ，其中，V环为纱锭绕圆盘旋转速度，S截为芯模截面面积，A为固定系数，设计的运动轨迹为直线轨迹。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述二维四轴编织套管预制件的厚度为1～100mm。
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