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CN103707521B - 变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置及方法 - Google Patents

变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置及方法 Download PDF

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CN103707521B
CN103707521B CN201310713311.8A CN201310713311A CN103707521B CN 103707521 B CN103707521 B CN 103707521B CN 201310713311 A CN201310713311 A CN 201310713311A CN 103707521 B CN103707521 B CN 103707521B
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Abstract

本发明公开了一种变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置及方法，用于解决现有碳纤维预制体成型装置成型变截面薄壁锥形碳纤维预制体方法复杂的技术问题。技术方案是通过设计缠绕模，采用依模铺覆、缠绕定型、芯模定位、局部缝合以及编织加固的设计理念，该成型装置可以实现低成本连续碳纤维增强复合材料锥形变截面薄壁件预制体的制备，方法简单。该成型方法将纤维铺放、缠绕、缝合及编织四种工艺集中在同一装置上连续进行，显著降低变截面薄壁锥形碳纤维预制体的成型难度，制备过程能够对影响增强体成形质量的工艺参数及预制体壁厚进行实时控制。与背景技术相比，该方法无需专用的昂贵设备，由所需预制体形态自由成型。

Description

变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置及方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维预制体成型装置，特别涉及一种变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置。还涉及利用该装置的变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料具有比强度、比模量高，抗疲劳性能好，热膨胀系数低，以及破损安全性能好等优点，成为轻量化、高性能结构材料中的有力竞争者，在航空航天、汽车、电子等领域具有广泛的应用前景。碳纤维预制体制备工艺及方法在很大程度上决定了复合材料的整体性能，随着碳纤维增强复合材料应用范围的扩展，变截面薄壁锥形结构预制体成型难度大、技术要求高、制造成本过高等问题也愈发突出。据统计，复合材料构件制造成本约占其总成本的60%～70％，而预制体制备则占复合材料构件成本的25%左右。低成本预制体制备技术成为当今复合材料领域开发研究的核心问题之一，特别是复合材料变截面薄壁锥形件的结构复杂性也给预制体制备带来了新的挑战。
传统的铺层缝合方式制备预制体大都是将碳纤维织物铺层和碳纤维网胎铺层交替铺设，然后针刺增强，使用碳纤维网胎铺层往往制备较厚预制体，无法达到薄壁制件的要求，且采用此法铺层制备的预制体大都为简单的平板或非变形筒形结构等，较难实现变截面预制体的形成。对于异形变截面预制体通常采用编织或者缠绕成形，编织法成形预制体结构完整，但是编织过程中，碳纤维弯折严重，预制体整体结构性能下降，且该方法制备周期长；缠绕法成形预制体能够成形复杂异形变截面，成形效率高，但缠绕成形需要专门昂贵的缠绕设备，技术附加值含量高，使用要求高，成本高；如何低成本的制备出薄壁变截面预制体成为预制体制备的一个关键。
中国专利公开号CN102173846A公布了“一种光学望远镜C/C复合材料镜筒的制造方法”，该发明采用碳纤维织物与碳纤维网胎在圆柱状镜筒成型芯模上沿圆周方向进行0°、90°交替铺层的方式进行铺层，并相应形成由碳纤维织物铺层与碳纤维网胎铺层交替布设的三维C/C复合材料预制体，所获得的预制体中相邻的碳纤维织物铺层与碳纤维网胎铺层之间通过径向针刺进行增强，该方法制备预制体方法简单，但其只适用于制备筒形件，对于变截面锥形薄壁预制体的制备，单纯的由碳纤维织物和碳纤维网胎0°、90°交替铺放无法实现锥体部分的连续成形，再者，由碳纤维织物和网胎铺层制备的预制体较厚，无法实现薄壁构件的成形。
对于变截面薄壁预制体的制备，现有技术主要是采用编织和缠绕成形，但编织法成形预制体存在的问题是，制备周期长，效率低，且纤维弯折严重，影响预制体的整体性能。缠绕法成形预制体效率高，但其存在的问题是，缠绕成形需要专门昂贵的缠绕设备，技术附加值含量高，使用要求高，成本高。如何低成本，较高效率的制备出变截面薄壁锥形预制体成为预制体制备的一个关键问题。
发明内容
为了克服现有碳纤维预制体成型装置成型变截面薄壁锥形碳纤维预制体方法复杂的不足，本发明提供一种变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置。该装置通过设计缠绕模，采用依模铺覆、缠绕定型、芯模定位、局部缝合以及编织加固的设计理念，该成型装置可以实现低成本连续碳纤维增强复合材料锥形变截面薄壁件预制体的制备。该成型装置集纤维铺放、缠绕、缝合，编织优势于一身，将四种工艺集中在同一装置上连续进行，显著降低变截面薄壁锥形碳纤维预制体的成型难度，制备过程能够对影响增强体成形质量的工艺参数及预制体壁厚进行实时控制。本发明成型方法通过缠绕过程中的缠绕张力有效的解决直接铺层时织物层间贴合不紧密，纤维增强体松散，制品体积分数低的问题；所成型的锥形变截面薄壁件预制体尺寸稳定性好，经验证明该方法成型锥形变截面薄壁预制体复合材料的力学性能优良。
本发明还提供这种截面薄壁锥形碳纤维预制体成型方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置，其特点是：包括底板1、左支撑板2、右支撑板3、缠绕模4、左轴端5、右轴端6、轴承7、齿轮组8、丝杠9、连杆10、给丝口11、摇杆12、凸轮13、滑道14、上滑块15、下滑块16、上综杆17、下综杆18、固定环19、推杆20和镶块21；所述的左支撑板2和右支撑板3分别采用螺栓固定在底板1的左右两端，缠绕模4顶部与底部加工有螺纹孔，分别与左轴端5和右轴端6的一端螺纹连接；缠绕模4的筒壁分布有二十四个槽，二十四个槽平均间隔，筒壁内部加工有四条滑道，对应于滑道运动路线的筒体部分铣槽，镶块21呈T字状，四个镶块21分别安装于缠绕模4内部的4条滑道上，镶块21底面为斜面，镶块21顶部安插有等间距的定位杆，推杆20与镶块21组底面斜度相等，通过手动调节推杆20轴向进给量，控制定位杆高度；左轴端5的另一端与固定在左支撑板2上的轴承7配合；凸轮13安装在右轴端6的另一端，凸轮13的圆周面上有两条正弦形状的滑道14；上综杆17和下综杆18组成综杆，综杆共有八组，每组中的上综杆17控制奇数根纤维运动，下综杆18控制偶数根纤维运动；上滑块15和下滑块16组成滑块，滑块共有八组，上综杆17与上滑块15固定，下综杆18与下滑块16固定，与上滑块15的孔间隙配合，固定环19安装在底板1上，其表面的八个立柱与下滑块16的孔间隙配合，上滑块15和下滑块16分别在上下两条滑道14随着凸轮13的周向转动上下滑动；右轴端6同时安装齿轮组8中的主动齿，右轴端6的另一端与固定在右支撑板3上的轴承配合，齿轮组8中的从动齿固定在丝杠9上，与主动齿紧密啮合，丝杆9两端分别与左支撑板2和右支撑板3配合，连杆10两端有螺纹，使用螺帽固定在左支撑板2和右支撑板3上，给丝口11下部与丝杆9螺纹配合，中部与连杆10间隙配合，丝杆9与连杆10共同约束给丝口11的运动轨迹，摇杆12与右轴端6固定连接。
一种采用上述装置的变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型方法，其特点是包括以下步骤：
步骤1：第一层使用碳纤维单向布沿模铺覆；将碳纤维单向布按照变截面薄壁锥形预制体尺寸剪裁成矩形，纤维排列方向与变截面薄壁锥形预制体轴向一致，根据圆筒段、锥筒段、上下凸缘尺寸裁剪单向布，使其沿缠绕模4铺覆一圈形成变截面薄壁锥形预制体的完整形状；上凸缘部分，沿单向布纤维轴向剪切成小片段，逐段向内翻折形成法兰部分增强体，下凸缘向外翻折，然后用纤维束缝合使其在缠绕模4上紧密贴合；
步骤2：第二层使用纤维束环向缠绕定型；纤维束缠绕定型过程中的丝线进给采用齿轮-丝杠机构定量控制，通过更改齿轮传动比、丝杠导程，实现不同的缠绕形式；将纤维束固定在圆筒段底端，手动旋转摇杆12带动缠绕模4转动，主动齿随轴旋转，带动从动齿转动，丝杠9将转动转化为给丝口11的轴向运动，在缠绕模4转动的同时带动纤维均匀的摊铺在外壁上；设定主动齿的齿数与从动齿相等，丝杠9的导程等于纤维束宽度，即：纤维束环向缠绕一圈，轴向走过一个纤维束宽度的距离；缠绕至锥筒段，手动调节推杆20轴向进给量，控制定位杆高度，避免因定位杆高度不够造成的丝线滑落和定位杆高度过高造成的丝线损伤，缠绕至末端固定纤维束，完成纤维束均匀缠绕定型；
步骤3：交替进行步骤1、步骤2；奇数层使用碳纤维单向布沿模铺覆，偶数层使用纤维束环向缠绕定型，直至达到变截面薄壁锥形预制体要求厚度，每进行下一步骤操作前，手动调节推杆20轴向进给量，控制定位杆高度；
步骤4：使用纤维束对变截面薄壁锥形预制体进行改进式锁式高密度径向缝合，缝合密度控制在5～17针/cm2；
步骤5：纤维束二维编织，实现预制体表层加固；剪裁纤维束作为轴向纤维从预制体顶部引出，奇数纤维束的低端被固定上综杆17上，偶数纤维束被固定同组的下综杆18上，凸轮转动过程中偶数纤维束与奇数纤维束之间产生一个高度差，纬线从奇偶纤维束间穿过，完成第一次环向缠绕，继续转动摇杆，奇偶纤维上下交替运动，直至完成增强体最外层的编织加固。
本发明的有益效果是：该装置通过设计缠绕模，采用依模铺覆、缠绕定型、芯模定位、局部缝合以及编织加固的设计理念，该成型装置可以实现低成本连续碳纤维增强复合材料锥形变截面薄壁件预制体的制备。该成型装置集纤维铺放、缠绕、缝合，编织优势于一身，将四种工艺集中在同一装置上连续进行，显著降低变截面薄壁锥形碳纤维预制体的成型难度，制备过程能够对影响增强体成形质量的工艺参数及预制体壁厚进行实时控制。本发明成型方法通过缠绕过程中的缠绕张力有效的解决直接铺层时织物层间贴合不紧密，纤维增强体松散，制品体积分数低的问题；所成型的锥形变截面薄壁件预制体尺寸稳定性好，经验证明该方法成型锥形变截面薄壁预制体复合材料的力学性能优良。与背景技术相比，该方法无需专用的昂贵设备，由所需预制体形态自由成型。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置的结构示意图。
图2是图1中缠绕模的放大图。
图中，1-底板，2-左支撑板，3-右支撑板，4-缠绕模，5-左轴端，6-右轴端，7-轴承，8-齿轮组，9-丝杠，10-连杆，11-给丝口，12-摇杆，13-凸轮，14-滑道，15-上滑块，16-下滑块，17-上综杆，18-下综杆，19-固定环，20-推杆，21-镶块。
具体实施方式
以下实施例参照图1-2。
装置实施例：本发明变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置，包括底板1、左支撑板2、右支撑板3、缠绕模4、左轴端5、右轴端6、轴承7、齿轮组8、丝杠9、连杆10、给丝口11、摇杆12、凸轮13、滑道14、上滑块15、下滑块16、上综杆17、下综杆18、固定环19、推杆20和镶块21；所述的左支撑板2和右支撑板3分别采用螺栓固定在底板1的左右两端，缠绕模4顶部与底部加工有螺纹孔，分别与左轴端5和右轴端6的一端螺纹连接；缠绕模4的筒壁分布有二十四个槽，二十四个槽平均间隔，筒壁内部加工有四条滑道，对应于滑道运动路线的筒体部分铣槽，镶块21呈T字状，四个镶块21分别安装于缠绕模4内部的4条滑道上，镶块21底面为斜面，镶块21顶部安插有等间距的定位杆，推杆20与镶块21组底面斜度相等，通过手动调节推杆20轴向进给量，控制定位杆高度；左轴端5的另一端与固定在左支撑板2上的轴承7配合；凸轮13安装在右轴端6的另一端，凸轮13的圆周面上有两条正弦形状的滑道14；上综杆17和下综杆18组成综杆，综杆共有八组，每组中的上综杆17控制奇数根纤维运动，下综杆18控制偶数根纤维运动；上滑块15和下滑块16组成滑块，滑块共有八组，上综杆17与上滑块15固定，下综杆18与下滑块16固定，与上滑块15的孔间隙配合，固定环19安装在底板1上，其表面的八个立柱与下滑块16的孔间隙配合，上滑块15和下滑块16分别在上下两条滑道14随着凸轮13的周向转动上下滑动；右轴端6同时安装齿轮组8中的主动齿，右轴端6的另一端与固定在右支撑板3上的轴承配合，齿轮组8中的从动齿固定在丝杠9上，与主动齿紧密啮合，丝杆9两端分别与左支撑板2和右支撑板3配合，连杆10两端有螺纹，使用螺帽固定在左支撑板2和右支撑板3上，给丝口11下部与丝杆9螺纹配合，中部与连杆10间隙配合，丝杆9与连杆10共同约束给丝口11的运动轨迹，摇杆12与右轴端6固定连接。
方法实施例1：
一种连续碳纤维变截面薄壁锥形预制体制造方法，选用12K碳纤维单向布，3K碳纤维束，铺放缠绕编织共11层。
步骤1：第一层使用12K纤维单向布沿模铺覆。将12K碳纤维单向布按照变截面薄壁锥形预制体尺寸剪裁成矩形，纤维排列方向与变截面薄壁锥形预制体轴向一致，根据圆筒段、锥筒段、上下凸缘尺寸裁剪12K碳纤维单向布，使其沿缠绕模4铺覆一圈可形成变截面薄壁锥形预制体的完整形状。上凸缘部分，沿12K碳纤维单向布纤维轴向剪切成小片段，逐段向内翻折形成法兰部分预制体，下凸缘同理向外翻折，然后用3K碳纤维束缝合使其在缠绕模4上紧密贴合。
步骤2：第二层使用3K碳纤维束环向缠绕定型。将3K碳纤维束固定在圆筒段底端，手动旋转摇杆12带动缠绕模4转动，主动齿随轴旋转，带动从动齿转动，丝杠9将转动转化为給丝口11的轴向运动，在缠绕模4转动的同时带动3K碳纤维束均匀的摊铺在外壁上。缠绕至锥筒段，手动调节推杆20轴向进给量，控制定位杆高度，避免因定位杆高度不够造成的丝线滑落和定位杆高度过高造成的丝线损伤，缠绕至末端固定纤维束，完成3K碳纤维束均匀缠绕定型。
步骤3：交替进行步骤一、步骤二。奇数层使用12K碳纤维单向布沿模铺覆，共铺层5层，偶数层使用3K碳纤维束环向缠绕定型，共缠绕5圈，达到变截面薄壁锥形预制体要求厚度，每进行下一步骤操作前，手动调节推杆20轴向进给量，控制定位杆高度。
步骤4：变截面薄壁锥形预制体局部缝合加强。使用3K碳纤维束对变截面薄壁锥形预制体进行改进式锁式高密度径向缝合，缝合密度控制在5～17针/cm2。
步骤5：剪裁3K碳纤维束作为轴向纤维从预制体顶部引出，奇数碳纤维束的低端被固定上综杆17上，偶数碳纤维束被固定同组下综杆18上，凸轮13转动过程中偶数碳纤维束与奇数碳纤维束之间产生一个高度差，纬线从奇偶碳纤维束间穿过，完成第一次环向缠绕，继续转动摇杆12，奇偶碳纤维上下交替运动，直至完成增强体最外层的编织加固。
方法实施例2：
一种连续碳纤维变截面薄壁锥形预制体制造方法，选用6K碳纤维单向布，6K碳纤维束，铺放缠绕编织共15层。
步骤1：第一层使用6K碳纤维单向布沿模铺覆。将6K碳纤维单向布按照变截面薄壁锥形预制体尺寸剪裁成矩形，纤维排列方向与变截面薄壁锥形预制体轴向一致，根据圆筒段、锥筒段、上下凸缘尺寸裁剪碳纤维单向布，使其沿缠绕模4铺覆一圈可形成变截面薄壁锥形预制体的完整形状。上凸缘部分，沿6K碳纤维单向布纤维轴向剪切成小片段，逐段向内翻折形成法兰部分预制体，下凸缘同理向外翻折，然后用3K碳纤维束缝合使其在缠绕模4上紧密贴合。
步骤2：第二层使用6K碳纤维束环向缠绕定型。将纤维束固定在圆筒段底端，手动旋转摇杆12带动缠绕模4转动，主动齿随轴旋转，带动从动齿转动，丝杠9将转动转化为給丝口11的轴向运动，在缠绕模4转动的同时带动6K碳纤维束均匀的摊铺在外壁上。缠绕至锥筒段，手动调节推杆20轴向进给量，控制定位杆高度，避免因定位杆高度不够造成的丝线滑落和定位杆高度过高造成的丝线损伤，缠绕至末端固定6K碳纤维束，完成6K碳纤维束均匀缠绕定型。
步骤3：交替进行步骤一、步骤二。奇数层使用6K碳纤维单向布沿模铺覆，共铺层7层，偶数层使用6K碳纤维束环向缠绕定型，共缠绕7圈，达到变截面薄壁锥形预制体要求厚度，每进行下一步骤操作前，手动调节推杆20轴向进给量，控制定位杆高度。
步骤4：变截面薄壁锥形预制体局部缝合加强。使用6K碳纤维束对变截面薄壁锥形预制体进行改进式锁式高密度径向缝合，缝合密度控制在5～17针/cm2。
步骤5：剪裁3K碳纤维束作为轴向纤维从预制体顶部引出，奇数碳纤维束的低端被固定上综杆17上，偶数碳纤维束被固定同组下综杆18上，凸轮13转动过程中偶数碳纤维束与奇数碳纤维束之间产生一个高度差，纬线从奇偶碳纤维束间穿过，完成第一次环向缠绕，继续转动摇杆12，奇偶碳纤维上下交替运动，直至完成增强体最外层的编织加固。

Claims (2)

1.一种变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型装置，其特征在于：包括底板(1)、左支撑板(2)、右支撑板(3)、缠绕模(4)、左轴端(5)、右轴端(6)、轴承(7)、齿轮组(8)、丝杠(9)、连杆(10)、给丝口(11)、摇杆(12)、凸轮(13)、滑道(14)、上滑块(15)、下滑块(16)、上综杆(17)、下综杆(18)、固定环(19)、推杆(20)和镶块(21)；所述的左支撑板(2)和右支撑板(3)分别采用螺栓固定在底板(1)的左右两端，缠绕模(4)顶部与底部加工有螺纹孔，分别与左轴端(5)和右轴端(6)的一端螺纹连接；缠绕模(4)的筒壁分布有二十四个槽，二十四个槽平均间隔，筒壁内部加工有四条滑道，对应于滑道运动路线的筒体部分铣槽，镶块(21)呈T字状，四个镶块(21)分别安装于缠绕模(4)内部的4条滑道上，镶块(21)底面为斜面，镶块(21)顶部安插有等间距的定位杆，推杆(20)与镶块(21)组底面斜度相等，通过手动调节推杆(20)轴向进给量，控制定位杆高度；左轴端(5)的另一端与固定在左支撑板(2)上的轴承(7)配合；凸轮(13)安装在右轴端(6)的另一端，凸轮(13)的圆周面上有两条正弦形状的滑道(14)；上综杆(17)和下综杆(18)组成综杆，综杆共有八组，每组中的上综杆(17)控制奇数根纤维运动，下综杆(18)控制偶数根纤维运动；上滑块(15)和下滑块(16)组成滑块，滑块共有八组，上综杆(17)与上滑块(15)固定，下综杆(18)与下滑块(16)固定，与上滑块(15)的孔间隙配合，固定环(19)安装在底板(1)上，其表面的八个立柱与下滑块(16)的孔间隙配合，上滑块(15)和下滑块(16)分别在上下两条滑道(14)随着凸轮(13)的周向转动上下滑动；右轴端(6)同时安装齿轮组(8)中的主动齿，右轴端(6)的另一端与固定在右支撑板(3)上的轴承配合，齿轮组(8)中的从动齿固定在丝杠(9)上，与主动齿紧密啮合，丝杆(9)两端分别与左支撑板(2)和右支撑板(3)配合，连杆(10)两端有螺纹，使用螺帽固定在左支撑板(2)和右支撑板(3)上，给丝口(11)下部与丝杆(9)螺纹配合，中部与连杆(10)间隙配合，丝杆(9)与连杆(10)共同约束给丝口(11)的运动轨迹，摇杆(12)与右轴端(6)固定连接。
2.一种采用权利要求1所述装置的变截面薄壁锥形碳纤维预制体成型方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：第一层使用碳纤维单向布沿模铺覆：将碳纤维单向布按照变截面薄壁锥形预制体尺寸剪裁成矩形，纤维排列方向与变截面薄壁锥形预制体轴向一致，根据圆筒段、锥筒段、上下凸缘尺寸裁剪单向布，使其沿缠绕模(4)铺覆一圈形成变截面薄壁锥形预制体的完整形状；上凸缘部分，沿单向布纤维轴向剪切成小片段，逐段向内翻折形成法兰部分增强体，下凸缘向外翻折，然后用纤维束缝合使其在缠绕模(4)上紧密贴合；
步骤2：第二层使用纤维束环向缠绕定型：纤维束缠绕定型过程中的丝线进给采用齿轮-丝杠机构定量控制，通过更改齿轮传动比、丝杠导程，实现不同的缠绕形式；将纤维束固定在圆筒段底端，手动旋转摇杆(12)带动缠绕模(4)转动，主动齿随轴旋转，带动从动齿转动，丝杠(9)将转动转化为给丝口(11)的轴向运动，在缠绕模(4)转动的同时带动纤维均匀的摊铺在外壁上；设定主动齿的齿数与从动齿相等，丝杠(9)的导程等于纤维束宽度，即：纤维束环向缠绕一圈，轴向走过一个纤维束宽度的距离；缠绕至锥筒段，手动调节推杆(20)轴向进给量，控制定位杆高度，避免因定位杆高度不够造成的丝线滑落和定位杆高度过高造成的丝线损伤，缠绕至末端固定纤维束，完成纤维束均匀缠绕定型；
步骤3：交替进行步骤1、步骤2：奇数层使用碳纤维单向布沿模铺覆，偶数层使用纤维束环向缠绕定型，直至达到变截面薄壁锥形预制体要求厚度，每进行下一步骤操作前，手动调节推杆(20)轴向进给量，控制定位杆高度；
步骤4：使用纤维束对变截面薄壁锥形预制体进行改进式锁式高密度径向缝合，缝合密度控制在5～17针/c㎡；
步骤5：纤维束二维编织，实现预制体表层加固：剪裁纤维束作为轴向纤维从预制体顶部引出，奇数纤维束的低端被固定上综杆(17)上，偶数纤维束被固定同组的下综杆(18)上，凸轮转动过程中偶数纤维束与奇数纤维束之间产生一个高度差，纬线从奇偶纤维束间穿过，完成第一次环向缠绕，继续转动摇杆，奇偶纤维上下交替运动，直至完成增强体最外层的编织加固。
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