CN115012120A - 一种复合材料三维预制体穿刺织造装置及织造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料三维预制体穿刺织造方法，利用配套穿刺织造装置，通过穿刺织造布针，逐层液压穿刺，Z向碳纤维穿纱的方式，穿刺织造出垂直方向由连续碳纤维缝合而成的三维立体织物。本发明还公开了一种复合材料三维预制体穿刺织造装置，解决了现有技术中超长穿刺钢针由于具有一定的韧性，在Z方向上易弯曲，无法有效定位，密集阵列的超长钢针在高强度液压穿刺过程中刚度和韧性不可调节适应性差等问题。这种方法保证了超长穿刺钢针可受较大压力，通过改变阵列钢针的排布，适用于穿刺任何结构形状和密度的三维织物，具有较高的通用性。

Description

一种复合材料三维预制体穿刺织造装置及织造方法
技术领域
本发明属于三维穿刺织造成型技术领域，具体涉及一种复合材料三维预制体穿刺织造方法。
背景技术
整体穿刺成型三维织物是由碳纤维布平面方向均匀铺设层叠增强，垂直方向由连续碳纤维缝合而成的三维立体织物。其工艺采用预先制造的机织布置于等距密排Z向钢针方针的顶端,机织布在穿刺模板与钢针方阵的顶端，机织布在穿刺模板与钢针方阵的相对运动下,被钢针刺过,并被推至钢针的下端施加压密实,待达到一定高度后,再由Z向纤维逐一取代Z向钢针,如此形成机织物整体穿刺织物。碳纤维立体织物穿刺装置是将叠层碳纤维织物放置在穿刺模板上,通过控制系统自动完成碳纤维织物的整体穿刺与压实工作。
整体穿刺成型三维织物具有良好的整体结构和较高的碳纤维体积含量，是制作高性能结构材料和热防护材料的优良基材，目前成功用于固体火箭发动机喷管、喉衬、燃烧室，运载火箭固体助推器等。由于碳纤维立体织物成型工艺复杂，技术难度高，目前我国整体穿刺成型碳纤维立体织物织造设备以半机械、半自动化的装备为主，有的甚至是手工操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合材料三维预制体穿刺织造方法，解决现有整体穿刺成型过程中，密集阵列的超长钢针在高强度液压穿刺过程中刚度和韧性不可调节适应性差等问题。
本发明的目的在于提供一种复合材料三维预制体穿刺织造方法。
本发明所采用的第一种技术方案是：一种复合材料三维预制体穿刺织造装置，包括内部中空的底座，在底座上固定有钢针阵列插板，钢针阵列插板上均匀设置有阵列钢针，钢针阵列插板的四个边角处对称设置有纵向的导向丝杆，导向丝杆上连接有钢针定位导板，钢针定位导板上设置有钢针孔，钢针孔与阵列钢针一一对应；
导向丝杆的下端固定连接有蜗杆，蜗杆竖直向下穿入底座内，蜗杆与电机的涡轮相啮合；
本发明的特点还在于，
钢针阵列插板的XY方向的四条边上分别通过导板活动连接相同数量的定位及增强隔板，每组定位及增强隔板均处于不同高度。
每组定位及增强隔板的插杆远离钢针定位导板的一端通过固定夹板固定连接。
钢针插接在钢针阵列插板上的固定孔内。
定位及增强隔板总数量为N个，由低到高依次形成N层，N为4的整数倍；X方向与Y方向的定位及增强隔板分别相对分布；X方向的定位及增强隔板均为奇数层或偶数层，Y方向的定位及增强隔板层数与X方向相反；定位及增强隔板在四个方向的排布顺序为绕阵列钢针一周逐层螺旋上升。
定位及增强隔板包括若干个并排分布的插杆组成，插杆的后端通过固定夹板固定连接在一起，每个方向上的定位及增强隔板靠近阵列钢针的一端设置有导板，导板上均匀有若干个导孔，每个导孔对应一个插杆；定位及增强隔板的插板能够同时穿过导板嵌插入阵列钢针中。
插杆靠近阵列钢针的一端为三角尖端，相邻插杆的间距与阵列钢针中个相邻钢针的间距一致。
本发明所采用的第二种技术方案是：一种复合材料三维预制体穿刺织造方法，具体操作步骤如下：
步骤1：在钢针阵列插板上布针，形成阵列钢针，然后通过钢针定位导板为钢针阵列进行初步定位，再依次从下至上采用定位及增强隔板对密集阵列钢针进行逐层定位和增强；
步骤2：完成步骤的增强后，取下钢针定位导板，在阵列钢针上方铺放上需要穿刺的碳布，碳布上方放置模板方框，采用用液压机对碳布上方模板方框逐层液压，压制的过程中从上到下逐层抽出定位及增强隔板，完成整体穿刺；
步骤3：最后整体取下钢针阵列插板，在每个钢针下端的穿线端连接碳纤维，将每个钢针向上拔出，碳纤维逐一取代Z向钢针融入疏松的碳布中，形成由碳布平面方向均匀铺设层叠增强，垂直方向由连续碳纤维缝合而成三维立体织物。
本发明的特点还在于，
步骤1中穿刺钢针定位及增强隔板，有多种尺寸，可根据具体穿刺需要来选择隔板的宽度和高度，来满足不同穿刺密度和一次液压下降厚度的需求。
步骤2中可根据具体穿刺情况来选择抽取出一层或是多层穿刺钢针定位及增强隔板，模板方框有多种形状来满足不同穿刺预制体的需求。
步骤3中可改变阵列钢针在底板上的排列密度和形状，来选择穿刺不同形状的三维预制体。
本发明的有益效果是：本发明的一种复合材料三维预制体穿刺织造方法，利用配套穿刺织造装置，通过穿刺织造布针，逐层液压穿刺，Z向碳纤维穿纱的方式，穿刺织造出垂直方向由连续碳纤维缝合而成的三维立体织物。解决了现有技术中超长穿刺钢针由于具有一定的韧性，在Z方向上易弯曲，无法有效定位，密集阵列的超长钢针在高强度液压穿刺过程中刚度和韧性不可调节适应性差等问题。这种方法保证了超长穿刺钢针可受较大压力，通过改变阵列钢针的排布，适用于穿刺任何结构形状和密度的三维织物，具有较高的通用性。
附图说明
图1是本发明的一种复合材料三维预制体穿刺织造方法所用的穿刺织造装置整体结构示意图图；
图2是本发明的定位及增强隔板对钢针进行定位增强后取下钢针定位导板的结构示意图；
图3是本发明的穿刺钢针的定位原理俯视图；
图4是本发明的液压穿刺过程图；
图5是本发明的三维预制体在穿刺过程中厚度变化示意图；
图6是本发明的三维预制体在完成穿刺后的穿刺钢针尾端挂上碳纤维的结构示意图；
图7是本发明的穿刺钢针定位及增强用隔板的结构示意图。
图中，1.导向丝杆，2.定位及增强隔板，3.导板，4.阵列钢针，5.固定夹板，6.底座，7.钢针定位导板，8.插杆，9.碳布，10.碳纤维。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种复合材料三维预制体穿刺织造，如图1-3所示，包括内部中空的底座6，在底座6上固定有钢针阵列插板，钢针阵列插板上均匀设置有阵列钢针4，钢针阵列插板的四个边角处对称设置有纵向的导向丝杆1，导向丝杆1上连接有钢针定位导板7，钢针定位导板7上设置有钢针孔，钢针孔与阵列钢针4一一对应；
导向丝杆1的下端固定连接有蜗杆，蜗杆竖直向下穿入底座6内，蜗杆与电机的涡轮相啮合；
钢针阵列插板的XY方向的四条边上分别通过导板3活动连接有相同数量的定位及增强隔板2，每组定位及增强隔板2均处于不同高度。
钢针插接在钢针阵列插板上的固定孔内。
定位及增强隔板2总数量为N个，由低到高依次形成N层，N为4的整数倍；X方向与Y方向的定位及增强隔板2分别相对分布；X方向的定位及增强隔板2均为奇数层或偶数层，Y方向的定位及增强隔板2层数与X方向相反；定位及增强隔板2在四个方向的排布顺序为绕阵列钢针4一周逐层螺旋上升。
如图7所示，定位及增强隔板2包括若干个并排分布的插杆8组成，插杆8的后端通过固定夹板5固定连接在一起，每个方向上的定位及增强隔板2靠近阵列钢针4的一端设置有导板3，导板3上均匀有若干个导孔，每个导孔对应一个插杆；定位及增强隔板2的插板同时穿过导板3。
每一层的导板3与对应的定位及增强隔板2处于同一平面；
插杆8靠近阵列钢针4的一端为三角尖端，相邻插杆8的间距与阵列钢针4中个相邻钢针的间距一致。
本发明的一种复合材料三维预制体穿刺织造方法，采用一种复合材料三维预制体穿刺织造装置，具体操作步骤如下：
步骤1：在钢针阵列插板上布针，形成阵列钢针4，然后通过钢针定位导板7为钢针阵列进行初步定位，再依次从下至上采用定位及增强隔板2对密集阵列钢针进行逐层定位和增强；
步骤2：完成步骤1的增强后，取下钢针定位导板7(如图2所示)，在阵列钢针4上方铺放上需要穿刺的碳布9，碳布9上方放置模板方框，采用用液压机对碳布上方模板方框逐层液压，压制的过程中从上到下逐层抽出定位及增强隔板，完成整体穿刺；
步骤3：最后整体取下钢针阵列插板，在每个钢针下端的穿线端连接碳纤维10，将每个钢针向上拔出，碳纤维逐一取代Z向钢针融入疏松的碳布中，形成由碳布平面方向均匀铺设层叠增强，垂直方向由连续碳纤维缝合而成三维立体织物。
步骤1具体如下：基于图1～6说明穿刺织造布针过程。
步骤1.1：首先将钢针定位导板7通过导向丝杆1上升一定的高度，X方向第4层定位及增强隔板和Y方向第4层定位及增强隔板，依次推入阵列钢针中，完成对钢针该局部位置的定位及增强。
步骤1.2：然后将钢针定位导板7通过导向丝杆1上升一定的高度，Y方向第3层定位及增强隔板和X方向第3层定位及增强隔板，依次推入阵列钢针中，完成对钢针该局部位置的定位及增强；
步骤1.3：继续将钢针定位导板7通过导向丝杆1上升一定的高度，X方向第2层定位及增强隔板组和Y方向第2层定位及增强隔板组，依次推入阵列钢针中，完成对钢针该局部位置的定位及增强；
步骤1.3：最后再将钢针定位导板7通过导向丝杆1上升一定的高度，Y方向第1层定位及增强隔板和X方向第1层定位及增强隔板，依次推入阵列钢针中，完成对钢针该局部位置的定位及增强，穿刺钢针的定位原理如图6所示。
步骤2具体如下：
步骤2.1：在阵列钢针4上方铺放具有一定厚度的碳布9，将液压模板方框压在碳布9上，对液压模板方框进行液压使阵列钢针4穿过碳布9，完成该层碳布的穿刺；
步骤2.2：如图4所示，从阵列钢针中抽出Y方向第1层定位及增强隔板和X方向第1层定位及增强隔板，阵列钢针4上方继续铺放具有一定厚度的碳布9，将液压模板方框压在碳布9上，对液压模板方框进行液压使阵列钢针4穿过碳布9，完成该层碳布的穿刺；
步骤2.3：从阵列钢针中抽出X方向第2层定位及增强隔板和Y方向第2层定位及增强隔板，阵列钢针4上方再次铺放具有一定厚度的碳布，将液压模板方框压在碳布上，对液压模板方框进行液压使阵列钢针穿过碳布，完成该层碳布的穿刺；
步骤2.4：从阵列钢针中抽出Y方向第3层定位及增强隔板和X方向第3层定位及增强隔板，阵列钢针上方继续铺放具有一定厚度的碳布，将液压模板方框压在碳布上，对液压模板方框进行液压使阵列钢针穿过碳布，完成该层碳布的穿刺；
步骤2.5：从阵列钢针中抽出X方向第4层定位及增强隔板和Y方向第4层定位及增强隔板，阵列钢针上方继续铺放具有一定厚度的碳布，将液压模板方框压在碳布上，对液压模板方框进行液压使阵列钢针穿过碳布，完成该层碳布的穿刺；
整个穿刺过程中碳布的厚度变化如图5所示；
步骤3具体如下：Z向碳纤维逐一取代钢针过程；
如图6所示，将所有阵列钢针4末端穿上碳纤维10，由Z向碳纤维逐一取代Z向钢针，完成对整体织物的穿刺。

Claims (6)

1.一种复合材料三维预制体穿刺织造装置，其特征在于，包括内部中空的底座(6)，在所述底座(6)上固定有钢针阵列插板，所述钢针阵列插板上均匀设置有阵列钢针(4)，所述钢针阵列插板的四个边角处对称设置有纵向的导向丝杆(1)，所述导向丝杆(1)上连接有钢针定位导板(7)，所述钢针定位导板(7)上设置有钢针孔，所述钢针孔与阵列钢针一一对应；
所述导向丝杆(1)的下端固定连接有蜗杆，所述蜗杆竖直向下穿入底座(6)内，所述蜗杆与电机的涡轮相啮合；
所述钢针阵列插板的XY方向的四条边上分别通过导板(3)活动连接有相同数量定位及增强隔板(2)，每组定位及增强隔板(2)均处于不同高度。
2.根据权利要求1述的一种复合材料三维预制体穿刺织造装置，其特征在于，所述钢针插接在钢针阵列插板上的固定孔内。
3.根据权利要求1述的一种复合材料三维预制体穿刺织造装置，其特征在于，所述定位及增强隔板(2)总数量为N个，N为4的整数倍；X方向与Y方向的定位及增强隔板(2)分别相对分布；X方向的定位及增强隔板(2)均为奇数层或偶数层，Y方向的定位及增强隔板(2)层数与X方向相反；所述定位及增强隔板(2)在四个方向的排布顺序为绕阵列钢针(4)一周逐层螺旋上升。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料三维预制体穿刺织造装置，其特征在于，所述定位及增强隔板(2)包括若干个并排分布的插杆(8)组成，所述(8)的后端通过固定夹板(5)固定连接在一起，每个方向上的定位及增强隔板(2)靠近阵列钢针(4)的一端设置有导板(3)，所述导板(3)上均匀有若干个导孔，每个导孔对应一个插杆；所述定位及增强隔板(2)的插板能够同时穿过导板(3)嵌插入阵列钢针中。
5.根据权利要求4所述的一种复合材料三维预制体穿刺织造装置，其特征在于，所述插杆(8)靠近阵列钢针(4)的一端为三角尖端，相邻插杆(8)的间距与阵列钢针(4)中个相邻钢针的间距一致。
6.一种复合材料三维预制体穿刺织造方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的一种复合材料三维预制体穿刺织造装置，具体操作步骤如下：
步骤1：在钢针阵列插板上布针，形成阵列钢针(4)，然后通过钢针定位导板(7)为钢针阵列进行初步定位，再依次从下至上采用定位及增强隔板(2)对密集阵列钢针进行逐层定位和增强；
步骤2：完成步骤1的定位和增强后，取下钢针定位导板(7)，在阵列钢针(4)上方铺放上需要穿刺的碳布(9)，碳布(9)上方放置模板方框，采用用液压机对碳布上方模板方框逐层液压，压制的过程中从上到下逐层抽出定位及增强隔板，完成整体穿刺；
步骤3：最后整体取下钢针阵列插板，在每个钢针下端的穿线端连接碳纤维(10)，将每个钢针向上拔出，碳纤维(10)逐一取代Z向钢针融入疏松的碳布中，形成由碳布平面方向均匀铺设层叠增强，垂直方向由连续碳纤维缝合而成三维立体织物。
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