專利名稱：一種復(fù)合材料預(yù)制件層間增強(qiáng)織造成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料預(yù)制件織造成形方法，屬于復(fù)合材料三維織造成形領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料因其綜合了基體材料及增強(qiáng)材料的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，具有顯著的力學(xué)性能以及輕質(zhì)的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、汽車等行業(yè)。隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)復(fù)合材料性能要求越來(lái)越高，因此對(duì)復(fù)合材料預(yù)制件織造成形方法能織造大尺寸、形狀復(fù)雜、高性能、輕量化的預(yù)制件的要求也越來(lái)越高。目前預(yù)制件的成形方法主要有正交交織法，三維編織法，縫合編織法，三維織造法。正交交織法正交交織法中纖維的基本排布分別沿著三個(gè)正交方向(經(jīng)向、緯向和軸向)，通過(guò)控制纖維的引入動(dòng)作和次序使得經(jīng)向和緯向纖維互相交織，完成一層的交織后引入軸向纖維，對(duì)預(yù)制件進(jìn)行層間交織，將得到的預(yù)制件經(jīng)樹(shù)脂浸漬后最終形成制件。美國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)家開(kāi)展了較多的研究。Siikishima Canvas公司開(kāi)發(fā)的正交交織技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，成本低，可在傳統(tǒng)的二維編織機(jī)上加以改裝以實(shí)現(xiàn)加工。然而，該技術(shù)的不足之處是預(yù)制件在分層上僅有幾排纖維束互相交織，分層的厚度受到了限制，不適用于大尺寸制件的加工。三維編織法三維編織法中纖維在三維空間中相互交織交叉在一起，不但在平面內(nèi)相互交織而且在厚度方向亦相互交織，從而形成了一個(gè)不分層的整體結(jié)構(gòu)，提高了編織件整體性能，將得到的預(yù)制件經(jīng)樹(shù)脂浸漬后最終形成制件。Quadrax Advanced Materials 公司提出四步法加工工藝，杜邦公司開(kāi)發(fā)了兩步法加工工藝，對(duì)三維編織的工藝?yán)碚撨M(jìn)行了研究。此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了多向增強(qiáng)復(fù)合材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用，受到了各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的極大關(guān)注。美國(guó)3TEX、德國(guó)Herzog、日本京都工藝?yán)w維大學(xué)等都開(kāi)發(fā)了先進(jìn)三維織造機(jī)，運(yùn)行速度較高，配合專用的大容量攜紗器可實(shí)現(xiàn)更大軸向尺寸預(yù)制件的編織。然而，三維編織技術(shù)更多地只用于加工截面尺寸變化較小的預(yù)制件，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的預(yù)制件， 需通過(guò)在編織過(guò)程中改變纖維排布或數(shù)量，使得加工工序復(fù)雜化，不易于自動(dòng)化控制?？p合編織法美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)研究了縫合編織法，其基本原理是利用成熟的縫紉工藝將二維平面織物加工成三維預(yù)制件，將得到的預(yù)制件經(jīng)樹(shù)脂浸漬后最終形成制件。其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本較低，被各國(guó)認(rèn)定是一種有潛力的加工技術(shù)。此方法在分層上僅有幾排纖維束互相交織，并且由于受到縫合工藝的限定，僅被應(yīng)用在加工垂直方向的縫合， 對(duì)于曲面預(yù)制件的加工仍有局限性，對(duì)預(yù)制件的厚度有一定的限制。三維織造法作為復(fù)合材料成形的一個(gè)領(lǐng)域，是一種新型紡織技術(shù)，是以整體織物作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合材料織造成形技術(shù)。采用此技術(shù)可以直接編織出各種形狀、不同尺寸的整體異型預(yù)制件。用這些預(yù)制件制成的復(fù)合材料制件不需再加工，這就避免了由于加工所造成的纖維損傷。此方法具有高強(qiáng)度、基體損傷不易擴(kuò)展、高抗沖擊性能和綜合力學(xué)性能好，以及耐燒蝕、抗高溫、熱絕緣性能好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)引起了美國(guó)、德國(guó)等世界各國(guó)的關(guān)注，已經(jīng)成為復(fù)合材料預(yù)制件成形的重要領(lǐng)域和研究方向。復(fù)合材料三維織造成形方法以其優(yōu)越的性能，已經(jīng)成為復(fù)合材料預(yù)制件成形的重要領(lǐng)域和研究方向，但絕大多數(shù)三維織造成形方法仍面臨效率低、層間性能差等問(wèn)題，由機(jī)械科學(xué)研究總院提出的基于數(shù)字化導(dǎo)向模板的三維織造成形方法效率極高，但因?yàn)閷优c層之間沒(méi)有纖維進(jìn)行有效連接，層間性能仍然較差、沖擊后易受損傷以及機(jī)械連接孔和幾何形狀突變處的強(qiáng)度會(huì)顯著下降，限制了它在主要承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。本發(fā)明是在研究目前復(fù)合材料三維織造成形方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前織造成形方法預(yù)制件層間力學(xué)性能差的問(wèn)題，提出了一種新的復(fù)合材料預(yù)制件層間增強(qiáng)織造成形方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前預(yù)制件三維織造方法零部件的層間強(qiáng)度低、整體性差等缺點(diǎn)，現(xiàn)提出一種以導(dǎo)向套(2a)為支點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)向套坎合槽(2b)錯(cuò)層纏繞的預(yù)制件層間增強(qiáng)織造成形方法。該方法包括如下步驟預(yù)制件模型分層(3)，在導(dǎo)向模板上布置具有等間距坎合槽的導(dǎo)向套陣列，當(dāng)前層內(nèi)纖維以導(dǎo)向套為支點(diǎn)，纖維分別沿0度(4)、45度(5)、90度(6)、135度 (7)方向平行的導(dǎo)向套逐行進(jìn)行編織，每一行內(nèi)兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套纖維錯(cuò)層纏繞(8)，并鎖緊導(dǎo)向套上的坎合槽，完成一層編織后(9)，再進(jìn)行下一層坎合槽之間的錯(cuò)層編織，直到所有層編完后，將纏繞纖維的導(dǎo)向套從導(dǎo)向柱模板取下，得到預(yù)制件(10)。本方法特征在于導(dǎo)向套坎合層間加入了纖維連接，因此大大增強(qiáng)了層間的力學(xué)性能。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案流程(1)如下
a)首先將零件三維CAD模型沿Z向分層，得到每層的二維輪廓信息；
b)根據(jù)每一層的二維輪廓信息，在數(shù)字化導(dǎo)向模板上布置具有等間距坎合槽(2b)的導(dǎo)向套(2a)陣列；
c)將要編織的當(dāng)前層(3b)沿Z向位置設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)向套坎合槽平行層(3a)之間；
d)以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿0度方向平行的導(dǎo)向套(4)之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿45度方向平行的導(dǎo)向套(5) 之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿 90度方向平行的導(dǎo)向套(6)之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿135度方向平行的導(dǎo)向套(7)之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞(8)；纏繞順序可以根據(jù)每一層內(nèi)和層間的二維輪廓信息任意排列組合，完成一層輪廓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的編織(9)；
e)完成一層編織后，繼續(xù)采用步驟d)在兩個(gè)導(dǎo)向套坎合槽平行層之間完成下一層編
織；
f)所有層間增強(qiáng)編完后，將纏繞纖維的導(dǎo)向套從導(dǎo)向模板取下，得到預(yù)制件(10)。所述導(dǎo)向套上的坎合槽(2b)是層間增強(qiáng)的關(guān)鍵，坎合槽的特征在于坎合槽的截面形狀包括多種形狀，如矩形，梯形，半圓形等可以加工出來(lái)的形狀，尺寸也可以根據(jù)預(yù)制件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。所述導(dǎo)向套(2a)的特征在于材料種類很多，除了包括傳統(tǒng)的金屬以及合金之外，還包括碳棒、聚四氟等可以加工出坎合槽的非金屬材料。所述纖維的特征在于材料的種類很多，包括碳纖維、碳化硅纖維、石英纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等可以實(shí)現(xiàn)織造的復(fù)合材料增強(qiáng)纖維，纖維粗度也可以根據(jù)織造要求進(jìn)行選擇。所述纏繞的特征在于纏繞方式包括空間直線式(11)和空間‘8’字式(12)，也可以兩種方式相組合，不同的纏繞方法疊加纏繞在導(dǎo)向套凹槽內(nèi)，可以增強(qiáng)纖維的體積含量。本復(fù)合材料預(yù)制件織造方法與現(xiàn)有復(fù)合材料預(yù)制件織造方法相比具有以下優(yōu)占.
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通過(guò)層間增強(qiáng)織造，纖維可以在相鄰導(dǎo)向套不同坎合層之間連接，因?yàn)閷优c層之間加入了纖維連接，大大增強(qiáng)了層間力學(xué)性能。導(dǎo)向套表面的坎合槽可以將各層有機(jī)結(jié)合，使預(yù)制件成為一個(gè)整體，克服傳統(tǒng)編織方法層間僅靠聚合物粘結(jié)易撕裂的缺點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)了層間力學(xué)性能。導(dǎo)向套本身在層間方向也可以承擔(dān)很大的力學(xué)性能，也將大大增強(qiáng)層間方向的力學(xué)性能；
本方法從以上三個(gè)方面提高了復(fù)合材料預(yù)制件層間方向的力學(xué)性能，解決的了復(fù)合材料預(yù)制件織造的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。


圖1 預(yù)制件織造成形流程圖； 圖2:表面為坎合槽的導(dǎo)向套；
a)導(dǎo)向套b)坎合槽； 圖3 預(yù)制件分層示意圖； a)兩個(gè)導(dǎo)向套坎合槽平行層b)當(dāng)前層； 圖4:0度方向織造示意圖； 圖5:45度方向織造示意圖； 圖6:90度方向織造示意圖； 圖7 :135度方向織造示意圖； 圖8:錯(cuò)層纏繞側(cè)面效果圖； 圖9 預(yù)制件俯視面效果圖； 圖10 預(yù)制件側(cè)面效果圖； 圖11 空間直線式纏繞方式俯視面效果圖； 圖12 空間“8”字式纏繞方式俯視面效果圖。
具體實(shí)施例方式
為詳細(xì)的描述本發(fā)明的特點(diǎn)和步驟，列舉尺寸為IlOmmX IlOmmX IOOmm的六面體預(yù)制件的織造方法。首先選擇直徑IOmm高度IOOmm材料為碳棒的導(dǎo)向套，坎合槽截面為矩形，槽寬3mm槽深2mm，槽間距5mm ；將零件三維CAD模型沿Z向分層，得到每層的二維輪廓信息； 根據(jù)每一層的二維輪廓信息，在數(shù)字化導(dǎo)向模板上等間距布置5X5個(gè)導(dǎo)向套，導(dǎo)向套中心距25mm ；將要編織的當(dāng)前層沿Z向位置設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)向套坎合槽平行層之間；以導(dǎo)向套為支撐，選取3k規(guī)格的碳纖維沿0度方向平行的導(dǎo)向套之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿45度方向平行的導(dǎo)向套之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿90度方向平行的導(dǎo)向套之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿135度方向平行的導(dǎo)向套之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；纏繞順序可以根據(jù)每一層內(nèi)和層間的二維輪廓信息任意排列組合，完成一層輪廓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的編織；完成一層編織后，繼續(xù)采用上述步驟在兩個(gè)導(dǎo)向套坎合槽平行層之間完成下一層編織；所有層間增強(qiáng)編完后，將纏繞纖維的導(dǎo)向套從導(dǎo)向模板取下，得到預(yù)制件。 以上對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式的描述是示意性的，沒(méi)有限制性。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，進(jìn)行其他實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料預(yù)制件層間增強(qiáng)織造成形方法，該方法包括如下步驟a)首先將零件三維CAD模型沿Z向分層，得到每層的二維輪廓信息；b)根據(jù)每一層的二維輪廓信息，在數(shù)字化導(dǎo)向模板上布置具有等間距坎合槽的導(dǎo)向套陣列；c)將要編織的當(dāng)前層沿Z向位置設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)向套坎合槽平行層之間；d)以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿0度方向平行的導(dǎo)向套(4a)之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿45度方向平行的導(dǎo)向套(4b) 之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿 90度方向平行的導(dǎo)向套(4c)之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，纖維沿135度方向平行的導(dǎo)向套(4d)之間逐行進(jìn)行編織，在每一行兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套坎合槽內(nèi)錯(cuò)層纏繞；纏繞順序可以根據(jù)每一層內(nèi)和層間的二維輪廓信息任意排列組合，完成一層輪廓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的編織；e)完成一層編織后，繼續(xù)采用步驟d)在兩個(gè)導(dǎo)向套坎合槽平行層之間完成下一層編織；f)所有層間增強(qiáng)編完后，將纏繞纖維的導(dǎo)向套從導(dǎo)向模板取下，得到預(yù)制件(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的導(dǎo)向套上坎合槽，其特征在于，所述導(dǎo)向套上坎合槽的截面的形狀包括多種形狀，如矩形，梯形，半圓形等可以加工出來(lái)的形狀，尺寸也可以根據(jù)預(yù)制件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的導(dǎo)向套，其特征在于，所述導(dǎo)向套的材料種類除了包括傳統(tǒng)的金屬以及合金之外，還包括碳棒、聚四氟等可以加工出坎合槽的非金屬材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的纖維，其特征在于，所述纖維的材料包括碳纖維、碳化硅纖維、石英纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等可以實(shí)現(xiàn)織造的復(fù)合材料增強(qiáng)纖維，纖維粗度也可以根據(jù)織造要求進(jìn)行選擇。
5.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的纏繞，其特征在于，所述纏繞的方式包括空間直線式(5a) 和空間‘8’字式( )，也可以兩種方式相組合。
全文摘要
針對(duì)目前預(yù)制件三維織造方法零部件的層間強(qiáng)度低、整體性差等缺點(diǎn)，現(xiàn)提出一種以導(dǎo)向套為支點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)向套坎合槽錯(cuò)層纏繞的預(yù)制件層間增強(qiáng)織造成形方法。該方法包括如下步驟預(yù)制件模型分層，在導(dǎo)向模板上布置具有等間距坎合槽的導(dǎo)向套陣列，當(dāng)前層內(nèi)纖維以導(dǎo)向套為支點(diǎn)，纖維分別沿0度、45度、90度、135度方向平行的導(dǎo)向套逐行進(jìn)行編織，每一行內(nèi)兩個(gè)相鄰導(dǎo)向套纖維錯(cuò)層纏繞，并鎖緊導(dǎo)向套上的坎合槽，完成一層編織后，再進(jìn)行下一層坎合槽之間的錯(cuò)層編織，直到所有層編完后，將纏繞纖維的導(dǎo)向套從導(dǎo)向柱模板取下，得到預(yù)制件。本方法特征在于導(dǎo)向套坎合層間加入了纖維連接，因此大大增強(qiáng)了層間的力學(xué)性能。
文檔編號(hào)D03D25/00GK102517761SQ201110458790
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉豐, 單忠德, 秦紹衍, 陳海波 申請(qǐng)人:機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心