CN117415960B - 大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，包括设于预制体上方的分线装置，分线装置包括对称设置的第一分线器和第二分线器，每个分线器各包括一根转轴和以转轴为轴心的滚轮组；滚轮组包括若干滚轮，滚轮外边缘设有一圈用于引导切割线走向的环状凹槽；第一分线器和第二分线器上的滚轮一一对应设置，每根切割线从一个分线器的其中一个滚轮上引入，自另一分线器上相对应的滚轮引出，通过两个相对应滚轮间的切割线部分对碳纤维预制体进行切割；本发明适用于大尺寸碳碳复合材料预制体的高效切割，切割断面整齐，多根金刚砂线同时裁切，可大大降低整体加工时间，一次切割可生产多个产品，也可一次性生产不同厚度的产品，生产效率高。
Description
技术领域
本发明属于机械设备技术领域，具体涉及一种大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置。
背景技术
碳碳复合材料是碳纤维增强炭基体的一类复合材料，其特点是断裂韧性较高，同时具备良好的耐腐蚀性、耐摩擦性。光伏用的碳碳复合材料（碳碳热场材料）产品经过1800℃-2000℃的高温热处理，具备良好的耐热冲击性，与石墨相比，碳碳复合材料具有力学性能更强、耐高温属性更好、易成型、寿命更长、综合性价比更高等优点，可有效减少更换部件的次数，从而提高设备利用率，减少维护成本。
因此，碳碳复合材料配件，尤其是大尺寸、超大尺寸（如直径大于1000mm）的碳碳复合材料配件，正越来越多的应用于工业高温热场等多种新能源相关技术领域，逐步替代传统等静压石墨，迎来需求爆发。对于大尺寸、超大尺寸的碳碳复合材料的制造，传统制备方式为二维碳纤维布加碳纤维网胎叠层铺设后针刺成型，针刺完成后，在圆环裁切机上裁切出预制体尺寸，但现有的裁切边角余量较多，损耗率约为50%左右，成本较高（如图1所示，阴影部分均为裁切边角余量，材料的利用率约为50%）；并且，由于碳碳复合材料硬度高，材料的脆性较大，加工时容易出现崩边、碎裂等情况，裁切断面容易出现不平整的情况，导致品相差或良品率低。另外，随着碳碳复合材料在大型设备上的应用越来越多，大口径、大尺寸、大壁厚的碳碳复合材料需求越来越大，但是，越大尺寸的碳碳复合材料越难切割，这是导致大尺寸碳碳复合材料加工难度大，加工周期长的重要原因。
申请号为2020226429245，名称为《一种加厚圆环状碳纤维预制体盖板切割装置》的中国专利中，公开了一种加厚圆环状碳纤维预制体盖板切割装置，包括机架，所述机架的上端设有支撑架和旋转台，所述旋转台为空心结构，且旋转台通过转盘轴承与机架转动连接，所述旋转台的下端设有齿环，且旋转台的上侧设有载料板，所述载料板的中部设有通孔，且载料板通过插槽与旋转台插接，所述机架的下侧设有驱动电机，且驱动电机的输出轴上设有与齿环相啮合的传动齿轮，所述支撑架的内侧设有固定板，所述固定板的上端设有减速电机，且固定板的下侧设有刀具固定座和压板。与传统的加厚圆环状碳纤维预制体盖板切割装置相比，该专利可以完成碳纤维预制体的切割，调节方便、使用简单。该专利的切割方式具有一定的代表性，只能实现单任务切割，整体效率有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种切割工艺相对简单，可实现多任务同时切割，生产效率高，良品率高的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，包括带有升降功能、用于旋转并夹持固定预制体的针刺机，以及采用切割线从上方对预制体进行裁切的旋转切割装置，旋转切割装置包括用于同时分理排列多根单向循环的切割线的分线装置，分线装置设于预制体上方；分线装置包括对称设置的第一分线器和第二分线器，第一分线器和第二分线器各包括一根转轴和以转轴为轴心的滚轮组；滚轮组包括并列设置于转轴上的若干滚轮，滚轮外边缘设有一圈用于引导切割线走向的环状凹槽；第一分线器和第二分线器上的滚轮一一对应设置，每根切割线从一个分线器的其中一个滚轮上引入，自另一分线器上相对应的滚轮引出，通过两个相对应滚轮间的切割线部分对碳纤维预制体进行切割，第一分线器和第二分线器间的各切割线平行设置，多根切割线可一次将预制体分割成多个产品；
所述滚轮包括设于远离转轴中点一侧的直板半轮和设于靠近转轴中点一侧的斜面半轮，直板半轮和斜面半轮通过紧固件连接；直板半轮两侧均为垂直于转轴的平面，斜面半轮的近直板半轮一侧为向转轴中点倾斜的斜面，斜面与转轴的夹角不大于90度。
优选地，所述滚轮组中，越靠近转轴中部的斜面半轮，斜面与转轴的夹角越大。
优选地，还包括放线轮和收线轮，放线轮和收线轮上均设有与切割线数量相对应的线槽；多根切割线从放线轮上引出后呈扇形散开并分布至分线装置上，从分线装置引出后又归拢于收线轮上，如此循环。
优选地，所述切割线在斜面半轮的过渡下从分线装置引入或引出。
优选地，所述放线轮和收线轮包括两组，一组放线轮和收线轮将部分切割线从第一分线器引入后从第二分线器引出，另一组放线轮和收线轮将部分切割线从第二分线器引入后从第一分线器引出。
优选地，相邻的切割线运动方向相反，即不同运动方向的切割线交错布置；处于分线装置同侧的放线轮和收线轮不处于同一高度，以防止不同运动方向的切割线产生接触或干扰。
优选地，所述切割线采用直径为0.5-1mm的金刚砂线。
优选地，还包括用于在正式切割开始前在预制体表面划出切割轨迹的划线装置，划线装置包括划线笔、安装座和连接杆，安装座可滑动的设于连接杆上，划线笔固定于安装座底部；
安装座中部设有用于供切割线通过的贯通孔，贯通孔一侧加工有供切割线进入贯通孔的缺口，贯通孔位置高于缺口。
优选地，安装座底部设有用于与划线笔上部连接的插孔。
优选地，所述划线笔包括笔杆和笔头，笔杆采用可伸缩弹性结构，笔头用于在预制体表面划出明显轨迹。
优选地，使用时，将划线装置架设于两分线器之间的切割线上，连接杆固定，每根切割线穿过一个安装座的贯通孔；
启动针刺机和旋转切割装置，使预制体旋转，切割线移动，向上抬升预制体，使预制体表面与笔头接触，从而在预制体表面留下一圈轨迹；
观察轨迹，切割线若在水平方向上移动，则会带动划线装置沿连接杆移动，从而表现在轨迹上；
若轨迹形成的圆与预制体不同轴，则说明针刺机对预制体的夹持位置不正，重新进行调整；
开始切割后，如发现切缝未沿着轨迹走，则立即停机检查。
本发明的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置及其切割方法，至少具有以下优点：
1.适用于大尺寸碳碳复合材料预制体的高效切割，切割断面整齐，多根金刚砂线同时裁切，可大大降低整体加工时间，一次切割可生产多个产品，也可一次性生产不同厚度的产品，生产效率高。
2.正式切割开始前，先用划线装置模拟出切割线的切割轨迹，有利于工人确定夹装是否到位或切割线是否到位，同时形成裁切基准，防止跑偏，提高良品率。
3.裁切时，一部分的切割线向一个方向运动，另一部分的切割线反向运动，能在一定程度上减少切割时间，也使裁切后的断面更加平整。
附图说明
图1为一种大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置的切割原理示意图。
图2为一种大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置中分线装置分布分割线的结构示意图，其中，图中箭头示出了切割线的移动方向。
图3为一种滚轮的结构示意图。
图4为一种划线装置的结构示意图。
图5为另一种大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置中分线装置分布分割线的结构示意图，其中，图中箭头示出了切割线的移动方向。
图中标号为：100-预制体，200-切割线，1-分线装置，2-第一分线器，3-第二分线器，4-转轴，5-滚轮，51-环状凹槽，52-直板半轮，53-斜面半轮，6-放线轮，7-收线轮，8-划线装置，81-划线笔，82-安装座，83-连接杆，84-贯通孔，85-缺口，86-笔头，87-笔杆
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
如图1-4所示，一种大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，包括带有升降功能、用于旋转并夹持固定预制体100的针刺机，以及采用切割线200从上方对预制体进行裁切的旋转切割装置，旋转切割装置包括用于同时分理排列多根单向循环的切割线的分线装置1，分线装置设于预制体上方；分线装置包括对称设置的第一分线器2和第二分线器3，第一分线器2和第二分线器3各包括一根转轴4和以转轴为轴心的滚轮组，转轴4可通过轴承安装于旋转切割装置的机架上；滚轮组包括并列设置于转轴上的若干滚轮5，滚轮4外边缘设有一圈用于引导切割线走向的环状凹槽51；第一分线器2和第二分线器3上的滚轮5一一对应设置，每根切割线200从一个分线器的其中一个滚轮上引入，自另一分线器上相对应的滚轮引出，通过两个相对应滚轮间的切割线部分对碳纤维预制体进行切割；切割时，第一分线器2和第二分线器3间的各切割线平行设置且同向转动，针刺机使预制体100转动，同时缓缓抬升预制体100，使预制体100与切割线200接触从而被切割，多根切割线200可一次将预制体100分割成多个产品；
所述滚轮5包括设于远离转轴中点一侧的直板半轮52和设于靠近转轴中点一侧的斜面半轮53，直板半轮52和斜面半轮53通过紧固件连接，斜面半轮53更容易受到切割线的磨损，维护时可单独更换斜面半轮53；直板半轮52两侧均为垂直于转轴的平面，斜面半轮的近直板半轮一侧为向转轴中点倾斜的斜面，斜面与转轴的夹角不大于90度。
所述滚轮组中，越靠近转轴中部的斜面半轮53，斜面与转轴的夹角越大。切割线在斜面半轮的过渡下从分线装置引入或引出。例如，多根切割线从放线轮引出后，呈扇形排开，分别进入到各滚轮的环状凹槽51内。斜面的倾斜角度与切割线的倾斜角度（切割线与扇形中线夹角）相适配，越靠近扇形中线的切割线的倾斜角度越小，这也就导致越靠近转轴中部的斜面半轮，斜面与转轴的夹角越大。这使得切割线200能在斜面处较为平滑的实现转向，避免对切割线较大的磨损或出现局部较大的支撑压力，减少断线情况的发生。
还包括设于分线装置1上方的放线轮6和收线轮7，放线轮6和收线轮7上均设有与切割线数量相对应的线槽；多根切割线从放线轮上引出后呈扇形散开并分布至分线装置上，从分线装置引出后又归拢于收线轮上，如此循环。
所述切割线200采用直径为0.5-1mm的金刚砂线。0.5的金刚砂线切割时具有更细的切缝，切割效率更高；但1mm的金刚砂线可承受15公斤的拉力，更不易断线，因而1mm的金刚砂线是较优选择。
还包括用于在正式切割开始前在预制体表面划出切割轨迹的划线装置8，划线装置8包括划线笔81、安装座82和连接杆83，多个安装座82可滑动的设于连接杆83上，安装座82可沿连接杆83滑动，划线笔81固定于安装座82底部；
安装座中部设有用于供切割线通过的贯通孔84，贯通孔一侧加工有供切割线进入贯通孔的缺口85，贯通孔84位置高于缺口85，以防止切割线出现横移情况时滑出缺口85。
安装82座底部设有用于与划线笔上部连接的插孔。
所述划线笔81包括笔杆87和笔头86，笔杆87采用可伸缩弹性结构，笔头用于在预制体表面划出明显轨迹。笔杆87采用可伸缩弹性结构，笔头86含颜料，颜料可采用颜色不同于预制体表面、可在预制体表面划出明显痕迹的油墨、彩色铅笔或粉笔等。当预制体表面有不平时，笔头可相适应的伸缩移动，避免轨迹的中断。
使用时，将划线装置8架设于两分线器之间的切割线上，连接杆两端与机架固定，每根切割线200穿过一个安装座82的贯通孔84；
启动针刺机和旋转切割装置，使预制体旋转，切割线移动，向上抬升预制体，使预制体表面与笔头接触，从而在预制体表面留下一圈轨迹；
观察轨迹，切割线若在水平方向上移动，则会带动划线装置沿连接杆移动，从而表现在轨迹上；
若轨迹形成的圆与预制体不同轴，则说明针刺机对预制体的夹持位置不正，重新进行调整；
开始切割后，如发现切缝未沿着轨迹走，则立即停机检查。
实施例2：
如图5所示，与实施例1类似，其区别之处在于，所述放线轮和收线轮包括两组，一组放线轮6’和收线轮7’将部分切割线从第一分线器2引入后从第二分线器3引出，另一组放线轮6’和收线轮7’将部分切割线从第二分线器3引入后从第一分线器2引出。
相邻的切割线运动方向相反，即不同运动方向的切割线交错布置；
处于分线装置同侧的放线轮和收线轮不处于同一高度，以防止不同运动方向的切割线产生接触或干扰。采用外径为1110mm，内径为668mm，高度为198mm，重量约为55kg的预制体100进行对比测试，切割线组为6根直径1mm的金刚砂线，一个预制体可裁切出5个产品；从裁切效果来看，相对于全部同向移动的切割线200布置方式8小时左右的切割用时，相邻的切割线200运动方向相反的布置方式，切割时间一般能控制在8小时以内，我们分析原因在于，由于切割线组中，相邻的切割线运动方向相反，产品在被切割时两侧所受的力相平衡，也能在一定程度上减轻或抵消切割时彼此所产生的震动，减少切割阻力，这也使切缝宽度变小，切割效率提高。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (10)
1.一种大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于，包括带有升降功能、用于旋转并夹持固定预制体的针刺机，以及采用切割线从上方对预制体进行裁切的旋转切割装置，旋转切割装置包括用于同时分理排列多根单向循环的切割线的分线装置，分线装置设于预制体上方；分线装置包括对称设置的第一分线器和第二分线器，第一分线器和第二分线器各包括一根转轴和以转轴为轴心的滚轮组；滚轮组包括并列设置于转轴上的若干滚轮，滚轮外边缘设有一圈用于引导切割线走向的环状凹槽；第一分线器和第二分线器上的滚轮一一对应设置，每根切割线从一个分线器的其中一个滚轮上引入，自另一分线器上相对应的滚轮引出，通过两个相对应滚轮间的切割线部分对碳纤维预制体进行切割，第一分线器和第二分线器间的各切割线平行设置，多根切割线可一次将预制体分割成多个产品；
所述滚轮包括设于远离转轴中点一侧的直板半轮和设于靠近转轴中点一侧的斜面半轮，直板半轮和斜面半轮通过紧固件连接；直板半轮两侧均为垂直于转轴的平面，斜面半轮的近直板半轮一侧为向转轴中点倾斜的斜面，斜面与转轴的夹角不大于90度。
2.根据权利要求1所述的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于：所述滚轮组中，越靠近转轴中部的斜面半轮，斜面与转轴的夹角越大。
3.根据权利要求1所述的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于：还包括放线轮和收线轮，放线轮和收线轮上均设有与切割线数量相对应的线槽；多根切割线从放线轮上引出后呈扇形散开并分布至分线装置上，从分线装置引出后又归拢于收线轮上，如此循环。
4.根据权利要求3所述的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于：所述切割线在斜面半轮的过渡下从分线装置引入或引出。
5.根据权利要求3所述的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于：所述放线轮和收线轮包括两组，一组放线轮和收线轮将部分切割线从第一分线器引入后从第二分线器引出，另一组放线轮和收线轮将部分切割线从第二分线器引入后从第一分线器引出。
6.根据权利要求5所述的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于：相邻的切割线运动方向相反，即不同运动方向的切割线交错布置；处于分线装置同侧的放线轮和收线轮不处于同一高度，以防止不同运动方向的切割线产生接触或干扰。
7.根据权利要求1所述的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于：所述切割线采用直径为0.5-1mm的金刚砂线。
8.根据权利要求1所述的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于：还包括用于在正式切割开始前在预制体表面划出切割轨迹的划线装置，划线装置包括划线笔、安装座和连接杆，安装座可滑动的设于连接杆上，划线笔固定于安装座底部；
安装座中部设有用于供切割线通过的贯通孔，贯通孔一侧加工有供切割线进入贯通孔的缺口，贯通孔位置高于缺口；
安装座底部设有用于与划线笔上部连接的插孔。
9.根据权利要求8所述的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于：所述划线笔包括笔杆和笔头，笔杆采用可伸缩弹性结构，笔头用于在预制体表面划出明显轨迹。
10.根据权利要求9所述的大尺寸碳碳复合材料预制体切割装置，其特征在于：使用时，将划线装置架设于两分线器之间的切割线上，连接杆固定，每根切割线穿过一个安装座的贯通孔；
启动针刺机和旋转切割装置，使预制体旋转，切割线移动，向上抬升预制体，使预制体表面与笔头接触，从而在预制体表面留下一圈轨迹；
观察轨迹，切割线若在水平方向上移动，则会带动划线装置沿连接杆移动，从而表现在轨迹上；
若轨迹形成的圆与预制体不同轴，则说明针刺机对预制体的夹持位置不正，重新进行调整；
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