JP4290990B2 - Needling machine with device for measuring the penetration - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本発明は、高温にて使用され、あるいは、ロケットエンジンの構造部分に使用され、あるいは、航空機や陸上車用の非常に高性能のブレーキディスクに使用される保護用の部品を製造するのに用いられるニードリングされた繊維構造体の製造に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention manufactures protective components used at high temperatures, used in structural parts of rocket engines, or used in very high performance brake discs for aircraft and land vehicles. It relates to the manufacture of a needled fiber structure used in the manufacturing process.
従来技術
ブレーキディスクは、特に大きな剪断力を発生する制動に耐えられなければならない。そして、航空機では、ブレーキディスクに大きな応力がかかるので、こうした現象は顕著である。
Prior art Brake discs must be able to withstand braking that generates particularly high shear forces. In an aircraft, such a phenomenon is remarkable because a large stress is applied to the brake disc.
層を剥離してしまうような剪断力に耐えられるように、ブレーキディスクは構造的に均一でないことが最小となるように製造されなければならない。不均一なブレーキディスクは、応力特性も不均一であるので、裂けてしまう可能性が著しく大きな局所的な領域を有することになる。 In order to withstand the shear forces that would delaminate the brake disc, the brake disc must be manufactured to be minimally non-structural. A non-uniform brake disc will also have a localized area that is significantly more likely to tear due to non-uniform stress characteristics.
従来、ブレーキディスクは、Z方向、すなわち、層を横断する方向に針入する1組の有刺ニードルによってニードリングされる重ね合わされた複数の層から構成される強化繊維構造体から製造される。この繊維構造体は、適切なサイズに切断された後に炭化され、次いで、マトリックス形成材料を用いて緻密化され、最後に、任意の熱処理が施される。層は支持体上で重ね合わせられる。一般的に、層が重ね合わされると、支持体が下降せしめられ、個々の層がニードリングされる。こうして得られる最終製品の力学特性は、繊維強化構造体に使用される実際のニードリング密度によって大きく左右される。「実際の」ニードリング密度とは、繊維構造体の基本体積で見て1立方センチメートル(cm3)当たりのニードルの刺の数の関数であって、単位面積当たりのニードリング密度、Z方向における針入度合、下向き変位工程の程度、および、ニードルの機能的な特性を含む。 Traditionally, brake discs are manufactured from a reinforced fibrous structure composed of a plurality of superimposed layers that are needled by a set of barbed needles that penetrate in the Z direction, i.e., across the layers. The fiber structure is carbonized after being cut to an appropriate size, then densified with a matrix-forming material and finally subjected to an optional heat treatment. The layers are overlaid on the support. In general, when the layers are overlaid, the support is lowered and the individual layers are needled. The mechanical properties of the final product thus obtained are highly dependent on the actual needling density used for the fiber reinforced structure. “Actual” needling density is a function of the number of needle stabs per cubic centimeter (cm 3 ) viewed in the basic volume of the fiber structure, and the needling density per unit area, the needles in the Z direction It includes the degree of penetration, the degree of the downward displacement process, and the functional characteristics of the needle.
今日のニードリング法によれば、その幾つかでは、特に下向き工程の程度を調整することによって優れた結果が得られるが、所望通りに完全に均一なものを得ることは困難である。重ね合わされた各層についてニードリングされる層の厚さに等しい距離だけニードルと層支持体との間の距離を増大することが米国特許第4790052号で提案されている。同様に、欧州特許第0736115号では、層支持体について変位工程を採用することによって、所定の関係に従って程度が小さくされる変位工程を層支持体に対して採用することによって、重ね合わされた各層の厚さを一定の厚さにしようとしている。 According to today's needling methods, some of them give excellent results, especially by adjusting the degree of the downward process, but it is difficult to obtain a completely uniform as desired. It has been proposed in US Pat. No. 4790052 to increase the distance between the needle and the layer support by a distance equal to the thickness of the layer to be needled for each superimposed layer. Similarly, in European Patent No. 0736115, a displacement process is adopted for the layer support by adopting a displacement process that reduces the degree according to a predetermined relationship by adopting a displacement process for the layer support. I am trying to make the thickness constant.
こうした方法の不都合は、層支持体に対する下向き変位工程の程度が、特に、結果として得られる繊維構造体を構成する層の数の関数でもって理論的に予め大まかに計算され、ニードルの実際の針入度については何ら考慮されないということである。残念ながら、均一性の優れた最終繊維構造体を得るための必要条件である均一なニードリング密度を保証するためにも、上記パラメータを知ることが重要である。さらに、繊維構造体が厚いと、針入度の認識に関する誤差マージンはそれだけ大きくなる。 The disadvantage of such a method is that the degree of the downward displacement process relative to the layer support is theoretically preliminarily calculated theoretically, in particular as a function of the number of layers constituting the resulting fiber structure, and the actual needle of the needle This means that no consideration is given to the entrance. Unfortunately, it is important to know the above parameters in order to ensure a uniform needling density, which is a prerequisite for obtaining a final fiber structure with good uniformity. Furthermore, when the fiber structure is thick, the error margin related to the recognition of the penetration is increased accordingly.
欧州特許出願第0695823号は、ニードリング操作間において繊維構造体の上面の位置を測定し、ニードルの動作領域の横に配置されたフィーラローラによってニードル針入度の認識を改善するようにしている。 European Patent Application No. 0 695 823 measures the position of the upper surface of the fiber structure during the needling operation and improves the needle penetration recognition by means of a feeler roller located next to the working area of the needle. .
しかしながら、こうした解決方法も、繊維構造体がニードリング力の作用で測定の実行によっても検出されない程度に圧縮されてしまうので不満足なものである。繊維構造体の変形を考慮できないという不都合は、実際のニードル針入度について正確な認識を得ることができないことを意味する。 However, such a solution is also unsatisfactory because the fiber structure is compressed to the extent that it is not detected by the measurement due to the needling force. The inconvenience that the deformation of the fiber structure cannot be taken into account means that accurate recognition of the actual needle penetration cannot be obtained.
本発明の目的および定義
そこで、本発明は、繊維構造体を形成する各層をニードリングしている間に繊維構造体の変形を考慮するために、ニードリング毎に繊維構造体における実際のニードル針入深さを測定できるようにすることによって上記不都合を軽減したニードリング機械およびそれに関連する方法を提案する。
OBJECT AND DEFINITION OF THE INVENTION Therefore, the present invention provides an actual needle needle in the fiber structure for each needling in order to take into account deformation of the fiber structure while needing each layer forming the fiber structure. A needling machine and a related method are proposed in which the above inconvenience is reduced by enabling the penetration depth to be measured.
上記目的は、重ね合わされた複数の層から構成される繊維構造体をニードリングするための機械であって、鉛直方向に移動可能なニードリングテーブルと、該ニードリングテーブル上方に鉛直に配置される所定数の有刺ニードルを有するニードリングヘッドと、該ニードリングヘッドを駆動して繊維構造体における最大ニードル針入低点を規定するように該ニードリングヘッドを鉛直方向に往復運動させる手段とを具備する機械であって、最大ニードル針入低点における繊維構造体の上面の位置を測定するために前記ニードリングヘッドに配置される測定手段をさらに具備する機械によって達成される。
測定手段をニードルボードに配置することによって、ニードリング力の効果でもって繊維構造体が圧縮される程度を考慮し、実際のニードル針入深さを割り出すことができる。
The above object is a machine for needling a fiber structure composed of a plurality of superposed layers, and a needling table movable in the vertical direction, and vertically disposed above the needling table. A needling head having a predetermined number of barbed needles, and means for driving the needling head to reciprocate the needling head in a vertical direction so as to define a maximum needle entry low point in the fiber structure. This is achieved by a machine further comprising measuring means arranged on the needling head for measuring the position of the upper surface of the fiber structure at the maximum needle penetration low point.
By disposing the measuring means on the needle board, the actual needle penetration depth can be determined in consideration of the degree to which the fiber structure is compressed by the effect of the needling force.
前記測定手段が繊維構造体の前進方向に対して垂直に前記ニードリングヘッドの中央面に配置されることが好ましい。
また、好ましい実施の形態では、繊維構造体の上面の位置を測定するための前記手段が非接触測定を行う光学組立体を有する。また、該測定手段がブロードビームタイプのレーザエミッタ・レシーバを有することが好ましい。
また、代替可能な実施の形態では、前記測定手段が接触による測定を行う機械的フィーラを有する。
It is preferable that the measuring means is disposed on the center surface of the needling head perpendicular to the advancing direction of the fiber structure.
In a preferred embodiment, the means for measuring the position of the upper surface of the fiber structure includes an optical assembly that performs non-contact measurement. The measurement means preferably has a broad beam type laser emitter / receiver.
In an alternative embodiment, the measuring means has a mechanical feeler for measuring by contact.
最大ニードル針入低点を測定するために、好ましくは、誘導型または光学型のセンサが設けられ、最大ニードル針入低点における前記測定手段によって測定される繊維構造体の上面の位置の関数でもって鉛直方向におけるニードリングテーブルの変位を制御するプロセッサ手段を設けることが有利である。
また、本発明は、繊維構造体を製造するために上記機械を使用する方法、および、該方法によって得られる繊維構造体を提供する。繊維構造体の上面の位置は、繊維構造体の全長に亘ってリアルタイムで行われる瞬間測定を平均することによって測定されることが好ましい。
図面を参照し、非限定的な表現を用いた後述の記載を読めば、本発明の特性と利点は、さらに明らかに理解されるであろう。
In order to measure the maximum needle penetration low point, preferably an inductive or optical sensor is provided, as a function of the position of the upper surface of the fiber structure measured by the measuring means at the maximum needle penetration low point. It is therefore advantageous to provide processor means for controlling the displacement of the needling table in the vertical direction.
The present invention also provides a method of using the above machine to produce a fiber structure and a fiber structure obtained by the method. The position of the upper surface of the fiber structure is preferably measured by averaging instantaneous measurements made in real time over the entire length of the fiber structure.
The characteristics and advantages of the present invention will be more clearly understood from the following description with reference to the drawings and in a non-limiting manner.
好ましい実施形態の詳細な説明
平坦な繊維構造体をニードリングするための機械の2つの実施の形態が、図1および図2に示されている。もちろん、シートまたは布が平坦に重ね合わさるように環状で且つ螺旋状に撚られるか否か、あるいは、シートが重ね合わさるようにマンドレル上に巻き付けられるか否かに係わらず、本発明は平坦な構造体の製造のみに限定されるものではなく、繊維シートを巻回することによって構造体を製造することも本発明の適用範囲である。
Detailed Description of the Preferred Embodiments Two embodiments of a machine for needling flat fiber structures are shown in FIGS. Of course, regardless of whether the sheet or fabric is twisted in an annular and spiral manner so that the sheets overlap, or whether the sheets are wound on a mandrel so that they overlap, the present invention provides a flat structure. It is not limited only to manufacture of a body, and it is also the scope of application of the present invention to manufacture a structure by winding a fiber sheet.
従来通り、機械は、製造される最終構造体に応じて決まる長さおよび幅を有し且つ連続した層で重ね合わさるようにして次々に供給される層またはシート12を支持するために「ニードリング」テーブル10を有する。ニードリングテーブルは、ニードルボード16に設けられた所定数の従来の有刺ニードル18を有するニードリングヘッド14の下に鉛直に配置されており、ニードリングヘッドは、1つ以上のモータによって駆動される1つ以上のクランク組立体20によって鉛直方向に往復動するように駆動せしめられることができる。ニードリングテーブル上方には機械のフレーム24に固定されたストリッパ22が設けられ、このストリッパ22はニードルが上昇するときに繊維構造体がついてきてしまうことを防止する。もちろん、ニードリングテーブルおよびストリッパの両方には、ニードルを通過させるためのそれぞれ対応する孔26、28が穿孔されている。ニードリングテーブルは、例えば、モータ駆動のウォームねじによって構成された装置30による駆動により鉛直方向に移動せしめられる。上流側と下流側とに配置された2連の駆動ローラ32、34(入口プレスおよび出口プレスとしても公知)は、繊維構造体をニードリングヘッドに向かって水平方向に給送する。
As is conventional, the machine has a length and width that depend on the final structure to be manufactured, and “needling” to support layers or
本発明は、最大ニードル針入低点において繊維構造体における有刺ニードルの実際の針入深さを割り出すために繊維構造体の上面の位置を測定するためにニードリングヘッド14に配置される手段36を提供する。有刺ニードルの行程がこれら有刺ニードルが接続されるフレームに対して一定であって、ニードリングテーブルがフレームに対して既知の距離に配置されているので、有刺ニードルが織物材料に針入する深さは、ニードリングテーブルと測定された上面との間に存在する材料の厚さに直接関係する。
The present invention provides a means disposed on the
このため、測定手段36はフレーム24に固定され、ニードリングボード16(およびストリッパ22)には、それぞれ、測定手段と繊維構造体の上面との協働を可能にするオリフィス38,40が穿孔される。
For this reason, the
図示した例では、この協働は、接触なしで(繊維構造体の上面の位置を遠隔的に測定することによって)、あるいは、接触ありで(機械的フィーラを繊維構造体の上面上へと下げることによって)行うことができる。 In the illustrated example, this cooperation is either without contact (by remotely measuring the position of the top surface of the fiber structure) or with contact (lowering the mechanical feeler onto the top surface of the fiber structure). Can be done).
図1は、非接触タイプの測定手段がレーザエミッタ・レシーバ42のような光学式測定組立体によって構成されている本発明の好適な実施形態を示している。エミッタは、ニードルボードとストリッパとを通して繊維構造体の上面に向かってレーザビームを送り、次いで、該繊維構造体の上面がレーザビームをレシーバに反射する。先の測定によってエミッタとニードリングテーブルとの間の距離が認識されているので、レーザビームの往復経路を分析することによってエミッタと繊維構造体の上面との間の距離が割り出され、そして、これにより、ニードリングテーブルに支持された繊維構造体の厚さが十分に正確に求められる。さらに、繊維構造体の目立った欠陥を伴う問題を避けるために、レーザ組立体はブロードビームタイプであることが好ましい(この種のレーザは、ビームの全幅に亘る測定による統合効果を奏するからである)。もちろん、赤外線がないほうが好ましいが、赤外線で動作する光学式測定組立体を使用してもよい。 FIG. 1 shows a preferred embodiment of the invention in which the non-contact type measuring means is constituted by an optical measuring assembly such as a laser emitter / receiver 42. The emitter sends a laser beam through the needle board and stripper toward the top surface of the fiber structure, and the top surface of the fiber structure then reflects the laser beam to the receiver. Since the distance between the emitter and the needling table is known by the previous measurement, the distance between the emitter and the top surface of the fiber structure is determined by analyzing the round trip path of the laser beam, and Thereby, the thickness of the fiber structure supported by the needling table is obtained sufficiently accurately. Furthermore, in order to avoid problems with noticeable defects in the fiber structure, the laser assembly is preferably of the broad beam type (since this type of laser has an integrated effect by measurement over the full width of the beam). ). Of course, it is preferred that there be no infrared, but an optical measurement assembly that operates in the infrared may be used.
図2は代替的な実施の形態を示しており、ここでの測定手段はフレーム24に固定された内側のピストン44によって形成される機械的フィーラによって構成され、フレーム24上には外側のスリーブ46が摺動可能に装着されており、スリーブは(ニードルボードおよびストリッパを通過した後に)繊維構造体に直接接触する僅かに丸い端部を有する。スリーブは、フレーム24に固定される制御モジュール48からピストンに流体、好ましくは、圧縮空気を制御して注入することによって摺動せしめられる。流体の圧力はニードリングすべき繊維構造体の性質(硬度、反発反応)に基づいて調整され、スリーブが繊維構造体上で跳ねることがないよう調整される。また、スリーブは、その頂端に、フレームに固定されたレーザまたは赤外線エミッタ・レシーバ52のような光学式測定組立体と協働するための反射カラー50を有する。エミッタがビームをスリーブ上の反射カラーに導き、次いで、ビームが反射カラーによってレシーバに反射される。フィーラの端部がニードリングテーブルに接触したときのエミッタとレシーバとの間の距離が事前の測定によって判っているので、フィーラの端部が繊維構造体の上面に接触したときのエミッタとレシーバとの間の距離を(ビームの往復経路を分析することによって)割り出すことで、ニードリングテーブルに支持された繊維構造体の厚さが十分に正確に求められる。
FIG. 2 shows an alternative embodiment in which the measuring means is constituted by a mechanical feeler formed by an
上述した両実施形態において、測定手段36は(もちろん、ニードリングヘッド14の中央面から相当に離れていてもよいが)繊維構造体が前進する方向に対して垂直にニードリングヘッド14の中央面に配置されることが好ましい。繊維構造体がニードリングヘッドの下に互いに平行に前進する2つの隣接プレートの形態であるならば、測定手段を2つにしてもよい。図3に示した構造では、ニードリングヘッドは並んで配置された2つの独立したニードルボードを有し、この場合、測定手段は各ボードの略中心に配置される。理解しやすいように、図3は、2つの別個の位置における上記代替的な実施の形態の機械を示し、一方の位置(図3の左側半部)はニードリングヘッドが上昇した静止位置に対応し、他方の位置(右側部分)はニードリングヘッドが最大ニードル針入低点におけるニードリングヘッドの位置に対応する。
In both embodiments described above, the measuring means 36 (of course may be considerably away from the center plane of the needling head 14), the center plane of the needling
最大ニードル針入低点は、例えば、フレームに固定された誘導型または光学型のセンサ54によってリアルタイムで測定され、このセンサは、例えば、ニードリングヘッドの鉛直方向における往復運動を制御するためのクランク組立体20上の特定のカムプロフィル56と協働する。このカムプロフィルは、好ましくは、低点に近接したところで、ニードルボードの下降行程中に時間期間(単に、単一で瞬間的な測定時間ではない)を決定し、この時間期間中に測定手段36が動作して複数の測定値を得て、これら測定値から、センサ54および測定手段36の両方に接続された演算処理モジュール58がニードリングされた層の厚さの第1の平均値を割り出す。これら測定は繊維構造体を水平方向へ前進させる各々の工程の後に続いて繰り返され、所定のパスの終わりに得られる一組の値は有刺ニードルの実際の平均針入度を決定するために使用され、これに基づきニードリングテーブルを駆動するためにプロセッサ手段58に接続された装置30が次のパスを受け入れるようにニードリングテーブルを自動的に鉛直方向に移動させ、ここで、ニードリングテーブルの下向き工程の程度が有刺ニードルが決められた距離だけ繊維構造体に針入するように制御される。
The maximum needle penetration low point is measured in real time by, for example, an inductive or
このように、本発明の機械で実施されるニードリング法は、次のように要約することができる。初めに、ニードリングテーブルに配置された厚みのある第1の層上に厚みのある第2の層が重ね合わせられ、これら重ね合わせられた2つの層が所定の条件下でニードリングヘッドの有刺ニードルによって互いに接合される。その後、最大ニードル針入低点において適切な測定手段によって測定される2つの重ね合わせ層の上面の位置の関数でもって決定される程度の変位工程によって、ニードリングテーブルがニードリングヘッドに対して移動せしめられる。最後に、先の厚みのある2つの層上に厚みのある第3の層が重ね合わせられ、この厚みのある第3の層が同じ所定の条件下で先の厚みのある2つの層に接合される。そして、繊維構造体が所望の厚さに形成されるまで、上述した工程が次の層に対しても繰り返される。 Thus, the needling method performed on the machine of the present invention can be summarized as follows. First, a thick second layer is superposed on a thick first layer disposed on a needling table, and the two superposed layers are provided under a predetermined condition. They are joined together by a piercing needle. The needling table is then moved relative to the needling head by a displacement step determined by a function of the position of the upper surface of the two superimposed layers measured by suitable measuring means at the maximum needle penetration point. I'm damned. Finally, a thick third layer is superimposed on the two thick layers, and the thick third layer is bonded to the two thick layers under the same predetermined conditions. Is done. And the process mentioned above is repeated also with respect to the following layer until a fiber structure is formed in desired thickness.
上述した機械で実施される方法は、最初に、1つまたは2つの重ね合わせ層をニードリングテーブル10の上に配置することにあり、次に、これら層は、前進ローラ32、34によって繊維構造体の全長に亘って水平方向に移動せしめられる間に、ニードルボード16を用いたニードリングによって互いに接合される。次いで、ニードリングテーブルは決定サイズの変位工程によって下降されて、第3の層を重ね合わせ、次いで、所望の厚さとなるまで他の2つの層等にニードリングできるようにする。
The machine-implemented method described above consists in first placing one or two superposed layers on the needling table 10, and then these layers are made up of fiber structures by
本発明においては、変位工程の決定された程度は固定の程度でもなく、また、所定の降下関係を受けることもなく、繊維構造体において所望の実密度のニードリングが得られるように最大ニードル針入低点において測定される繊維構造体の先の層における実際のニードル針入度から決定され、ここでの密度は一定であったり、あるいは、繊維構造体の厚さによって変わる密度であったりする。したがって、ニードリングテーブルの所定の程度の下向き工程が行われ、ニードルが決定された距離だけ繊維構造体に針入せしめられるように、繊維構造体の上面の位置はニードルの中央で測定される。 In the present invention, the determined degree of the displacement process is neither fixed nor subjected to a predetermined descent relationship, and the maximum needle needle is obtained so that a desired actual density needling is obtained in the fiber structure. Determined from the actual needle penetration in the previous layer of the fiber structure measured at the entry point, where the density is constant or may vary depending on the thickness of the fiber structure . Accordingly, a predetermined degree downward process of the needling table is performed, and the position of the upper surface of the fiber structure is measured at the center of the needle so that the needle can be inserted into the fiber structure by the determined distance.
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