CN115679516B - 一种异型复材三维预制体编织机及织造方法 - Google Patents

Abstract

一种异型复材三维预制体编织机及织造方法，包括底座、定位板、托板座、第一钢梳、第二钢梳、喂纱头、喂纱头移动装置、插入件、钢梳垂直导向柱和垂直伸缩缸；托板座固定在底座中央的上方，定位板放置在托板座上，定位板上均匀设置有通孔，若干插入件的一端插入通孔并抵在托板座上表面，形成碳棒丛；喂纱头移动装置设置在插入件的上方，喂纱头设置在喂纱头移动装置上；本发明一种异型复材三维预制体编织机及织造方法较现有轴棒编织设备自动化更高并且能够编织各种异型的三维预制体，满足新一代航发复材涡轮叶片和火箭零部件对预制体的需求。

Description

一种异型复材三维预制体编织机及织造方法

技术领域

本发明属于三维预制体编织技术领域，特别涉及一种异型复材三维预制体编织机及织造方法。

背景技术

现有轴棒法碳纤维三维编织机，编织的三维预制体不同方向的纬纱都是直的且与轴棒垂直，不适合诸如复材叶片等复杂结构对力学性能的要求，另外现有的轴棒法碳纤维三维编织及不能做到制造过程完全自动化。CN103757818B所展示的技术方案只能用于简单的实心或空心结构的喉衬、叉车盘预制体的编织，无法编织上下之间有局部断层的涡轮叶片等复杂三维预制体，而且编织过程必须需要人手辅助打纬，无法全自动连续工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异型复材三维预制体编织机及织造方法，以解决现有技术不适合诸如复材涡轮叶片等复杂结构和对力学性能的要求的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种异型复材三维预制体编织机，包括底座、定位板、托板座、第一钢梳、第二钢梳、喂纱头、喂纱头移动装置、插入件、钢梳垂直导向柱和垂直伸缩缸；插入件为碳棒，托板座固定在底座中央的上方，定位板放置在托板座上，定位板上均匀设置有通孔，若干碳棒的一端插入通孔并抵在托板座上表面，形成碳棒丛；喂纱头移动装置设置在碳棒的上方，喂纱头设置在喂纱头移动装置上；底座上设置有数量相等的钢梳垂直导向柱和垂直伸缩缸，第一钢梳和第二钢梳的垂直导向柱顶部设置有限位挡板，第一钢梳限位挡板比第二钢梳的限位挡板位置低，第一钢梳顶部位置为编织位，垂直伸缩缸顶部设置第二钢梳或第一钢梳，第一钢梳和第二钢梳之间呈对置状平行排列；第一钢梳和第二钢梳都能够插进碳棒丛的缝隙。

进一步的，第一钢梳和第二钢梳都包含至少2个独立的钢梳，每个钢梳都安置在独立的水平伸缩缸的伸缩端，水平伸缩缸设置在垂直导向柱上，每个水平伸缩缸的下面都设有一个独立的垂直伸缩缸，第一水平伸缩缸上设置有第一垂直限位挡板，第二水平伸缩缸上设置有第二垂直限位挡板，第一垂直限位挡板的位置低于第二垂直限位挡板。

进一步的，对应90°正交布设的碳棒，第一钢梳包含两个相互垂直布设的钢梳，对应120°布设的碳棒，每组钢梳有三个互呈120°布设的钢梳，每个钢梳的设置方向均与碳棒丛的排列平行且梳齿正对两个相邻碳棒行列的中缝，第一钢梳的每个钢梳分别与和第二钢梳的钢梳对置排布。

进一步的，每个碳棒的上端套有一个端部为球面的金属头套，第一钢梳的梳齿直径或宽度小于碳棒之间的间隔，第二钢梳的梳齿直径或宽度小于碳棒头套之间的间隔，相邻梳齿的中心距离等于相邻碳棒行列的中心距。

进一步的，插入件为金属针，金属针的上端设置有挂线钩；每个金属针顶端的直径大于其它部位的直径，第一钢梳的梳齿直径或宽度小于金属针之间的间隔，第二钢梳的梳齿直径或宽度小于金属针上端之间的间隔，相邻梳齿的中心距离等于相邻金属针行列的中心距离。

进一步的，喂纱头移动装置包括三轴运动伺服驱动装置和喂纱器支柱，喂纱器支柱设置在底座上，三轴运动伺服驱动装置设置在喂纱器支柱顶部；喂纱头设置在三轴运动伺服驱动装置上。

进一步的，喂纱器支柱上还设置有纱线筒，纱线筒的纱线释放端通过滑轮和导丝器喂入碳棒丛。

进一步的，一种异型复材三维预制体编织机的织造方法，包括以下步骤：

三轴运动伺服驱动装置驱动将纬纱按照设计的图样喂入碳棒的间隙中，每完成一层喂纱头就向上后退一层，完成若干层纬纱喂入后，第二钢梳以不同的方向插入碳棒丛，然后第一组钢梳抽出，第二组钢梳向下运动将之前喂入的纬纱层向下压，待第二钢梳的上部低于第一钢梳底部后，第一钢梳插入碳棒丛，第二钢梳将之前喂入的纬纱层向下压紧后抽出返回顶部；重复上述动作直至编织按完成；

将定位板上的碳棒换成金属针，金属针的一端做有挂线钩或穿线孔，金属针顶端附近的直径略大于其它部位的直径；在全部引纬工作结束后将编织物整体从定位板上取下，给金属针的挂线钩或穿线孔逐个穿上纤维并将金属针拔出，金属针顺势将碳纤维引入编织物并填充到原来金属针的位置。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明一种异型复材三维预制体编织机及织造方法较现有轴棒编织设备自动化更高并且能够编织各种异型的三维预制体，满足新一代航发复材涡轮叶片和火箭零部件对预制体的需求。

本发明第一钢梳和第二钢梳都包含至少2个独立的钢梳，第一钢梳和第二钢梳之间呈对置状平行排列，能满足90°正交布设或者120°布设，能够编织各种异型的三维预制体。

本发明第一钢梳限位挡板比第二钢梳的限位挡板位置低，第一钢梳顶部位置为编织位，配合垂直伸缩缸和水平伸缩缸，实现自动化复杂三位预制体的编织，全程连续工作，工作效率高。

附图说明

图1为本发明主视图；

图2为本发明一种实施例的俯视图；

图3为本发明另一种实施例的俯视图；

图4为本发明碳棒结构示意图；

图5为本发明金属针结构示意图；

图6为本发明带有周向加强纱的2.5D矩管预制体的编制结构图。

其中：1——碳棒、2——第一钢梳、3——水平伸缩缸、4——喂纱头、5——定位板、6——纱线筒、7——滑轮、8——导丝器、9——垂直伸缩缸、10——第二钢梳、11——喂丝嘴、12——横轨、13——纵轨、14——限位挡板、16——托板座、17——喂纱器支柱、18——钢梳垂直导向柱、19——底座、21——金属头套、22——金属针。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

实施例1：请参阅图1、图2、图4，一种三维异型复材预制体编织机，包括底座19、定位板5、托板座16、第一钢梳2、第二钢梳10、喂纱头4和伺服控制系统，托板座16固定在底座19中央的上方，定位板5放置在托板座16上，定位板5上设有间隔、方向一定的通孔，碳棒1的下端插入定位板5并抵在托板座16上部的平面上。为了防止纬纱在碳棒1上贴的过紧，每个碳棒1的上端套有一个上端为近似的球面的金属头套21，见图3。

钢梳采用坚硬的金属丝棒或板制成，第一钢梳2的梳齿直径或宽度略小于碳棒之间的间隔，第二钢梳10的梳齿直径或宽度略小于碳棒头套21之间的间隔，俯视钢梳的前端为锐角，相邻梳齿的中心距离等于相邻碳棒的中心距离。采用90°布设的碳棒丛，即碳棒丛的每一根碳棒1对应的定位板5上的孔心位置都坐落于两组相互垂直的等间隔平行线阵列的交点。

两个上下距离较近且相互垂直布设的钢梳形成第一钢梳，每个钢梳分别由一个水平伸缩缸和一个垂直伸缩缸驱动，能插入和离开碳棒丛及上下移动；第一钢梳2以不同的方向插入设定在碳棒丛上部、金属头套21下方附近的编织位置，起到对碳棒1的限位作用，以保证碳棒的直线度和位置度。第二钢梳10主要用作打纬起到压紧作用。

喂纱头4由一个三轴运动伺服驱动装置驱动，喂丝嘴11将纬纱按照设计的图样喂入碳棒1的间隙中，每喂完成一层的纬纱，喂纱头4就向上后退一个层距；完成若干层纬纱喂入后，第二钢梳10以不同的方向水平插入碳棒丛，然后第一钢梳2水平抽出，第二钢梳10向下运动；第二钢梳10在经过了原先第一钢梳2的编织位置后，第一钢梳2重新水平插入碳棒丛，第二钢梳10继续向下运动将之前喂入的纬纱层向下压紧，然后抽出返回顶部；重复上述动作直至编织按完成。

所述的伸缩缸可以是气缸、液压缸或直线电动伺服装置。第一钢梳2包含的两个独立的水平伸缩缸和两个独立的垂直伸缩缸可以通过绳、杆系连接分别由一个水平伸缩缸驱动和一个垂直伸缩缸驱动，第二钢梳2包含的两个独立的水平伸缩缸和两个独立的垂直伸缩缸可以通过绳、杆系连接分别由一个水平伸缩缸驱动和一个垂直伸缩缸驱动。

实施例2：

请参阅图1、图3、图5。一种三维异型复材预制体编织机，包括底座19、定位板5、托板座16、第一钢梳2、第二钢梳10、喂纱头4和伺服控制系统，托板座16固定在底座19中央的上方，定位板5放置在托板座16上，定位板5上设有间隔、方向一定的通孔，图中的碳棒1改换成金属针22，金属针22的上端做有挂线钩；金属针22的下端插入定位板5并抵在托板座16上部的平面上。为了防止纬纱在金属针22上贴的过紧，每个金属针22顶端附近的直径略大于其它部位的直径并且具有上大下小的锥度。钢梳采用坚硬的金属丝棒或板制成，第一钢梳2的梳齿直径或宽度略小于金属针22之间的间隔，第二钢梳10的梳齿直径或宽度略小于金属针22上端之间的间隔，俯视钢梳的前端为锐角，相邻梳齿的中心距离等于相邻金属针22的中心距离。

采用120°布设的金属针丛，即金属针丛的每一根金属针对应的定位板5上的孔心位置都坐落于三组相互呈120°的等间隔平行线阵列的交点。第一钢梳2和第二钢梳2分别有三个相互呈120°布设的钢梳，每个钢梳分别由一个水平伸缩缸驱动和一个垂直伸缩缸驱动，能做插入和离开金属针丛及上下移动。为了简化结构第一钢梳2可以不设垂直伸缩缸，第二钢梳10可以只用一个垂直移动的伸缩缸。第一钢梳2以不同的方向插入金属针丛的编织位置，主要起到对金属针的限位作用，以保证金属针的直线度和位置度。第二钢梳10主要用作打纬起到压紧作用。喂纱头4由一个三轴运动伺服驱动装置驱动，喂丝嘴11将纬纱按照设计的图样喂入金属针的间隙中，每完成一层的纬纱，喂纱头4就向上后退一个层距；完成若干层纬纱喂入后，第二钢梳10以不同的方向水平插入金属针丛，然后第一钢梳2水平抽出，第二钢梳10向下运动；第二钢梳10在经过了原先第一钢梳2的编织位置后，第一钢梳2重新水平插入金属针丛，第二钢梳10继续向下运动将之前喂入的纬纱层向下压紧，然后抽出返回顶部；重复上述动作直至编织按完成。

在全部引纬工作结束后将编织物整体从定位板5上取下，给金属针22的挂线钩逐个挂上纤维并将金属针拔出，金属针顺势将碳纤维引入编织物并填充到原来金属针的位置。

实施例3：

请参阅图6。一种含有周向增强纤维的2.5D矩管预制体的编织方法，使用实施例1所述的编织机，按照矩管的尺寸要求在定位板5对应的孔位插入碳棒，并给碳棒的上端套上金属头套21；将第一组钢梳2的两个钢梳从正交的两个方向插入碳棒丛；喂纱头4按照设计的纬纱穿行路径将纬纱喂入碳棒丛的间隙中，每完成一层的纬纱后，喂纱头4就向上后退一个层距继续下一层的喂纱，完成若干层纬纱喂入后，第二钢梳10从正交的两个方向在刚位入的纬纱层的上方插入碳棒丛，然后第一钢梳2抽出，第二钢梳10向下运动，第二钢梳10在经过了原先第一钢梳2的位置后，第一钢梳2重新插入金属针丛，第二钢梳10继续向下运动将之前喂入的纬纱层向下压紧，然后抽出返回顶部；重复上述动作直至编织按完成。

如果需要较柔软的预制体，可将碳棒1更换成金属针22，在全部引纬工作结束后将编织物整体从定位板5上取下，给金属针22的挂线钩逐个挂上纤维并将金属针拔出，金属针顺势将碳纤维引入编织物并填充到原来金属针的位置。

以上所述，仅为本发明最典型的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。所列数据也仅为描述本发明的工作原理，不表示是必须的数值。任何熟悉机械制造和立体编织技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的等效变化或替换，都应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种异型复材三维预制体编织机，其特征在于，包括底座（19）、定位板（5）、托板座（16）、第一钢梳（2）、第二钢梳（10）、喂纱头（4）、喂纱头移动装置、插入件、限位挡板（14）、钢梳垂直导向柱（18）和垂直伸缩缸（9）；插入件为碳棒，托板座（16）固定在底座（19）中央的上方，定位板（5）放置在托板座（16）上，定位板（5）上均匀设置有通孔，若干碳棒的一端插入通孔并抵在托板座（16）上表面，形成碳棒丛；喂纱头移动装置设置在碳棒的上方，喂纱头（4）设置在喂纱头移动装置上；底座（19）上设置有数量相等的钢梳垂直导向柱（18）和垂直伸缩缸（9），钢梳垂直导向柱（18）设置在垂直伸缩缸（9）侧面；钢梳垂直导向柱（18）顶部设置第一钢梳（2），第一钢梳（2）和第二钢梳（10）的垂直导向柱顶部设置有限位挡板（14），第一钢梳限位挡板比第二钢梳的限位挡板位置低，第一钢梳顶部位置为编织位，垂直伸缩缸（9）顶部设置第二钢梳（10）或第一钢梳（2），第一钢梳（2）和第二钢梳（10）之间呈对置状平行排列；第一钢梳（2）和第二钢梳（10）都能够插进碳棒丛的缝隙；

第一钢梳（2）和第二钢梳（10）都包含至少2个独立的钢梳，每个钢梳都安置在独立的水平伸缩缸（3）的伸缩端，水平伸缩缸（3）设置在垂直导向柱上，每个水平伸缩缸（3）的下面都设有一个独立的垂直伸缩缸（9）。

2. 根据权利要求1所述的一种异型复材三维预制体编织机，其特征在于，对应90 °正交布设的碳棒，第一钢梳（2）和第二钢梳（10）均包含两个相互垂直布设的钢梳，对应120 °布设的碳棒，第一钢梳（2）和第二钢梳（10）均设有三个互呈120°布设的钢梳，每个钢梳的设置方向均与碳棒丛的排列平行且梳齿正对两个相邻碳棒行列的中缝，第一钢梳的每个钢梳分别与第二钢梳的钢梳对置排布。

3.根据权利要求2所述的一种异型复材三维预制体编织机，其特征在于，每个碳棒（1）的上端套有一个端部为球面的金属头套（21），第一钢梳（2）的梳齿直径或宽度小于碳棒之间的间隔，第二钢梳（10）的梳齿直径或宽度小于碳棒头套之间的间隔，相邻梳齿的中心距离等于相邻碳棒行列的中心距。

4.根据权利要求3所述的一种异型复材三维预制体编织机，其特征在于，插入件为金属针（22），金属针（22）的上端设置有挂线钩；每个金属针（22）顶端的直径大于其它部位的直径，第一钢梳（2）梳齿的直径或宽度小于金属针（22）之间的间隔，第二钢梳（10）梳齿的直径或宽度小于金属针（22）上端之间的间隔，相邻梳齿的中心距离等于相邻金属针（22）行列的中心距。

5.根据权利要求1所述的一种异型复材三维预制体编织机，其特征在于，喂纱头移动装置包括三轴运动伺服驱动装置和喂纱器支柱（17），喂纱器支柱（17）设置在底座上，三轴运动伺服驱动装置设置在喂纱器支柱（17）顶部；喂纱头（4）设置在三轴运动伺服驱动装置上。

6.根据权利要求5所述的一种异型复材三维预制体编织机，其特征在于，喂纱器支柱（17）上还设置有纱线筒（6），纱线筒（6）的纱线释放端通过滑轮（7）和导丝器（8）喂入碳棒丛。

7.一种异型复材三维预制体编织机的织造方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的异型复材三维预制体编织机，包括以下步骤：

三轴运动伺服驱动装置驱动将纬纱按照设计的图样喂入碳棒的间隙中，每完成一层喂纱头就向上后退一层，完成若干层纬纱喂入后，第二钢梳以不同的方向插入碳棒丛，然后第一组钢梳抽出，第二组钢梳向下运动将之前喂入的纬纱层向下压，待第二钢梳的上部低于第一钢梳底部后，第一钢梳插入碳棒丛，第二钢梳将之前喂入的纬纱层向下压紧后抽出返回顶部；重复上述动作直至编织按完成；

将定位板上的碳棒换成金属针，金属针的一端做有挂线钩或穿线孔，金属针顶端附近的直径略大于其它部位的直径；在全部引纬工作结束后将编织物整体从定位板上取下，给金属针的挂线钩或穿线孔逐个穿上纤维并将金属针拔出，金属针顺势将碳纤维引入编织物并填充到原来金属针的位置。