專利名稱：制造環(huán)形纖維預(yù)制品的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)形纖維預(yù)制品，特別是用以形成環(huán)形零件構(gòu)架的多孔預(yù)制品的制造，該環(huán)形零件構(gòu)架由復(fù)合材料制成，并通過對預(yù)制品用填料增加其密度而獲得。
本發(fā)明應(yīng)用的具體領(lǐng)域是由復(fù)合材料制造的環(huán)形摩擦零件的纖維預(yù)制品的制作，如由熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造的摩擦片或制動盤。這樣的盤包括纖維增強(qiáng)件，通常由碳纖維制造并由碳及/或陶瓷填料增密。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料盤，特別是碳/碳(c/c)復(fù)合材料的制動盤的纖維增強(qiáng)件制作的常用方法，包括用幾層二維纖維織物疊合做成環(huán)形預(yù)制品。
合適的二維纖維織物有機(jī)織布，由一維纖維織成的布，由很多層一維纖維織成布沿不同方向疊合并結(jié)合在一起，如用針刺結(jié)合法，構(gòu)成的多維布，氈層，或由機(jī)織布，或布上已用針刺結(jié)合法固定一層氈制品或自由纖維的織物層構(gòu)成的合成織物。
各層可平坦疊合，同時(shí)用針刺結(jié)合法結(jié)合在一起，以便構(gòu)成一塊其上可裁切出環(huán)形預(yù)制品的板料，如美國專利4790052和5792715中的實(shí)例所述。這種方法是c/c復(fù)合材料制動盤的預(yù)制品制造時(shí)常見的，且符合使用要求，但在切出預(yù)制品時(shí)會產(chǎn)生大量廢料。
文獻(xiàn)EP0424988描述了另一種已知方法，該方法包括從二維織物層切出環(huán)形段，并將這些環(huán)形段并列放置構(gòu)成的環(huán)進(jìn)行疊放和針刺結(jié)合以形成環(huán)形預(yù)制品。這種方法有利于減少廢料量，但不能完全消除廢料，且預(yù)制品較難制作。
為了避免產(chǎn)生廢料，已建議用變形編織物(braid)或斜紋織布(helical cloth)繞成環(huán)形纖維預(yù)制品，以便形成平疊的幾圈，這些圈用針刺結(jié)合法結(jié)合在一起。可參看美國專利5662855及6009605。這些方法要求使用十分特殊的纖維織物——可變形編織物或斜紋織布——其制造成本昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種方法，使環(huán)形纖維預(yù)制品制造特別簡單，成本特別便宜。
在達(dá)此目的使用的方法中，自由纖維借助于中空的投放錐投放在回轉(zhuǎn)式支承轉(zhuǎn)臺上，投放錐的錐形外壁包圍內(nèi)腔且由很多小洞穿過，該錐體放置在轉(zhuǎn)臺上方，且其母線靠近轉(zhuǎn)臺頂面延伸并在轉(zhuǎn)臺上投放纖維區(qū)域上基本平行于該轉(zhuǎn)臺頂面，纖維在轉(zhuǎn)臺上的投放包括以下步驟將纖維帶到與轉(zhuǎn)臺投放區(qū)隔開的錐體供料區(qū)中錐體多孔壁的外表面上；通過建立內(nèi)腔中負(fù)壓從而在錐體壁的小洞兩側(cè)產(chǎn)生吸力，將纖維固定在錐體多孔壁外表面上。
錐體繞其自身軸線轉(zhuǎn)動，將纖維從錐體供料區(qū)搬運(yùn)到轉(zhuǎn)臺上的投放區(qū)；及通過局部中斷錐體壁上小洞的吸力，停止將纖維保持在投放區(qū)內(nèi)的錐體上，這樣，搬運(yùn)的纖維便投放到轉(zhuǎn)臺上，該轉(zhuǎn)臺繞自身軸線與錐體同步轉(zhuǎn)動。
有利地，纖維被帶到錐體多孔壁的一部分外表面上，該部分外表面在錐體的兩條母線之間延伸，其沿母線的長度基本上等于所生產(chǎn)的環(huán)形預(yù)制品的寬度。通過這兩條母線的子午面的夾角優(yōu)選在10°--40°范圍內(nèi)。
纖維優(yōu)選通過供應(yīng)通道帶到錐體多孔壁的外表面。
纖維在投放到轉(zhuǎn)臺上后優(yōu)選還受到壓縮。
纖維可以通過很多層相疊的方式投放在轉(zhuǎn)臺上。這種情況下，轉(zhuǎn)臺與錐體的間距優(yōu)選隨著纖維層逐步投放而逐漸加大。
有利地，投放到轉(zhuǎn)臺上的纖維被結(jié)合在一起，形成能拿得起的纖維預(yù)制品。纖維可用針刺結(jié)合法結(jié)合在一起。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置。
實(shí)現(xiàn)此目的的裝置包括
回轉(zhuǎn)式支承轉(zhuǎn)臺；供應(yīng)錐，可繞其軸線轉(zhuǎn)動，其錐形外壁包圍內(nèi)腔且由很多小洞穿過，錐體位于轉(zhuǎn)臺上方且其母線靠近轉(zhuǎn)臺外表面延伸，并且在轉(zhuǎn)臺上投放纖維區(qū)域內(nèi)基本與轉(zhuǎn)臺外表面平行；纖維輸送裝置，其在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)臺上投放區(qū)的錐體供料區(qū)，靠近錐體多孔壁外表面處開口；在錐體內(nèi)腔中建立負(fù)壓的裝置，用于通過錐體壁小洞建立吸力；及局部中斷吸力的裝置，該裝置安插在建立內(nèi)腔中負(fù)壓的裝置與位于轉(zhuǎn)臺上纖維投放區(qū)內(nèi)至少一部分錐體壁上的小洞之間。
纖維輸送裝置可由纖維供應(yīng)通道構(gòu)成，在刺毛錕(take-in device)與錐體供料區(qū)之間延伸。供料通道至少在與錐體相鄰的部分的截面為梯形是有利的。
有利地，至少有一個(gè)錐形壓錕安置在轉(zhuǎn)臺上纖維投放區(qū)下游的支承轉(zhuǎn)臺附近。
同樣有利地，針刺結(jié)合裝置設(shè)在轉(zhuǎn)臺上纖維投放區(qū)下游的支承轉(zhuǎn)臺的上方。
支承轉(zhuǎn)臺與供料錐的間距是可變的。


閱讀了作為非限制性說明的下列說明書并參看附圖后，會對本發(fā)明有較好的了解，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施步驟；圖2是根據(jù)本發(fā)明所述裝置的一個(gè)實(shí)施例的非常概略的透視圖；圖3是圖2裝置立面的不完整的側(cè)視圖；圖4是一放大的縱剖視圖，示出圖2及圖3裝置的進(jìn)給(feed)錐輪；及圖5是沿圖3的v-v平面的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例是在將其應(yīng)用于從碳纖維或碳纖維元素(carbonprecursor fiber)制造環(huán)形纖維預(yù)制品的環(huán)境中作下述說明的，其目的是制造摩擦盤，特別是碳/碳(c/c)復(fù)合材料的制動盤。
盡管如此，本發(fā)明不局限于這種用途，而是能應(yīng)用于制造任何環(huán)形纖維織物。
制造預(yù)制品的纖維是不連續(xù)纖維，即原料或縮絨狀態(tài)的纖維(圖1中方法的步驟1)。纖維由碳或碳元素制造，如預(yù)先氧化的聚丙烯腈(PAN)。
如圖2所示，一層縮絨或原料10放置在傳送帶12上，傳送帶將其帶到刺錕裝置20上。刺錕裝置20包括兩個(gè)以已知方式緊緊相鄰相互平行配置的刺錕22、24。刺錕22、24被驅(qū)動以相當(dāng)高的速度(每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)(rpm))沿相反方向轉(zhuǎn)動。因?yàn)橥庵鼙砻嫔闲纬捎卸鄠€(gè)凸起的針形或鉗形部分，刺錕22、24將它們之間間隙上覆蓋的由傳送帶10傳遞的縮絨或原料的纖維分離出來(方法的步驟2)。在刺錕裝置出口，即兩個(gè)錕22、24的間隙下方，被分離出的纖維呈自由纖維狀態(tài)。這些纖維靠其與錕接觸時(shí)獲得的動能和被錕吸入的空氣從刺錕裝置中射出。
被分離的纖維進(jìn)入通道30，通道30位于刺錕裝置20的出口和回轉(zhuǎn)錐體40的外壁面之間(方法的步驟3)。通道30(圖2、圖3、圖5)末端是噴嘴形部分32，它可與通道其余部分成為一整體，也可以是單獨(dú)一個(gè)零件與通道其余部分連接。噴嘴的截面32基本上呈梯形，且經(jīng)出口34結(jié)束，形成了向錐體40供給纖維的區(qū)域。
錐體40是中空的，其外壁至少在多孔截錐部分42a的二個(gè)橫斷面之間的外壁上有許多小洞44。噴嘴32通過與多孔的截錐部分42a靠近的孔口34開口，錐體的纖維供應(yīng)區(qū)由孔口34形狀確定，且形成在錐體兩條母線和兩個(gè)橫截面之間，兩個(gè)橫截面之間的長度L為沿錐體的母線測出的長度。
以下參照圖4及圖5對錐體40進(jìn)行了更詳細(xì)的描述，錐體40具有由截錐形壁面42包圍一個(gè)內(nèi)腔46。由于內(nèi)腔46中建立了負(fù)壓，傳送到錐體供料區(qū)的纖維被壓緊貼在截錐形部分42a的外表面上。錐體40繞其軸線旋轉(zhuǎn)，因此靠吸力附著在表面上的纖維被傳送到支承轉(zhuǎn)臺70的投放區(qū)，轉(zhuǎn)臺70呈盤狀或環(huán)形(方法的步驟4)。
轉(zhuǎn)臺70也繞其垂直軸72轉(zhuǎn)動，該軸與驅(qū)動馬達(dá)(未示)相連。錐體的水平母線位于轉(zhuǎn)臺70的頂面上方且靠近頂面延伸?？课粼阱F體40上纖維在投放區(qū)吸力的中止，因此錐體40運(yùn)送的纖維投放到環(huán)70上(方法的步驟5)。
投放到環(huán)上后，纖維10(圖3示出一部分)借用至少一個(gè)錐體88所施加壓力而壓實(shí)(方法的步驟6)。錐體88安裝成可隨意繞其自身軸線轉(zhuǎn)動，并通過調(diào)整其水平的下母線與轉(zhuǎn)臺70的頂面之間的距離施加壓實(shí)力到纖維上。壓實(shí)的纖維結(jié)合在一起并與先前已投放在轉(zhuǎn)臺上的纖維結(jié)合。在所示實(shí)施例中，這種結(jié)合是由針刺站80的針刺實(shí)現(xiàn)的，針刺站80位于沿轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)方向壓實(shí)錐的下游(方法的步驟7)。
眾所周知，針刺站80有針刺頭82，其上有許多針84，至少在預(yù)制品全寬上均勻伸出。曲柄連桿型傳動裝置86使得針刺頭作上下垂直運(yùn)動。
刺錕22、24連續(xù)供給纖維F，同時(shí)錐體40與轉(zhuǎn)臺70連續(xù)轉(zhuǎn)動。因此，可通過投放許多層的疊合自由纖維并用針刺結(jié)合法將纖維結(jié)合在一起，纖維預(yù)制品74(僅示于圖3)逐步在轉(zhuǎn)臺70上加厚。
刺錕供料速率與轉(zhuǎn)臺70及錐體40的轉(zhuǎn)速決定了投放在轉(zhuǎn)臺上的連續(xù)纖維層厚度。
有利地，隨著連續(xù)投放纖維層，轉(zhuǎn)臺70與錐體40底部水平線母線的距離逐步加大，因此母線總在轉(zhuǎn)臺70頂面處或略高些(在工藝開始時(shí))，此后便在堆積的預(yù)制品頂面處或略高些。為此，轉(zhuǎn)臺70及其回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置能夠作垂直運(yùn)動(圖3的箭頭F)。
以公知的方式，支承轉(zhuǎn)臺70可覆蓋一層底氈76，其纖維例如可用聚丙烯制造，當(dāng)轉(zhuǎn)臺70上投放的自由纖維初始層作針刺時(shí)針能穿透但不會受損。在氈面76上可覆蓋例如聚丙烯膜78，以免因針刺而造成環(huán)形纖維織物與底氈結(jié)合得太牢。文獻(xiàn)FR2626294所述的裝置，可在轉(zhuǎn)臺相對于針刺頭逐步運(yùn)動的同時(shí)，完成對纖維織物的環(huán)形針刺作業(yè)，該纖維織物是通過在回轉(zhuǎn)式支承轉(zhuǎn)臺上投放疊合纖維層而獲得。
沿錐體40供應(yīng)區(qū)的距離L是根據(jù)待加工環(huán)形預(yù)制品寬度選用的。錐體40在兩條母線或子午面之間形成的供應(yīng)區(qū)，其形狀相當(dāng)于環(huán)的一部分。兩個(gè)子午面的夾角范圍優(yōu)選為10°--40°。由于其截面呈梯形，噴嘴32噴到支承轉(zhuǎn)臺70上的投放區(qū)整個(gè)寬度上的厚度相同。從刺錕22、24出來的纖維基本均勻地在噴嘴整個(gè)截面上投放，因此，轉(zhuǎn)臺70上投放的纖維密度也基本均勻。纖維的壓實(shí)與針刺有利于預(yù)制品的纖維密度，即容積率達(dá)到要求值。于是直接得到能用手操縱，無廢料需要切除的環(huán)形纖維預(yù)制品。然后可將預(yù)制品用傳統(tǒng)方法以碳填料填實(shí)，從而獲得c/c復(fù)合制動盤。
圖4及圖5示出了錐體40的詳圖。錐體外壁42包括固定到環(huán)48上的部分42b，和帶有小洞44的部分42a，42a那部分位于錐體小直徑端40a一側(cè)。
環(huán)48的截錐形外表面與錐壁42的42b部分的內(nèi)表面接觸，并成為錐體40組裝到非回轉(zhuǎn)軸50的支承。在環(huán)48與軸50之間裝有滾子軸承52、54，環(huán)48與滑輪56固定，滑輪56上穿過皮帶58，皮帶與馬達(dá)(未示)連接，可驅(qū)動錐體繞其軸線轉(zhuǎn)動。
環(huán)48與錐體40的封閉端40a之間的空間形成內(nèi)腔46。此空間與抽吸裝置(未示)通過軸50中的軸向通道50a連通。諸如60、62的密封環(huán)位于軸50和環(huán)48之間，以及軸50與滑輪52之間。
軸50的端部50b伸到內(nèi)腔46中，其上固定著固定的隔板64(見圖5)。隔板64具有形狀為錐形一部分的實(shí)心壁板66，與錐壁42的多孔部分42a的內(nèi)表面緊貼。錐體40轉(zhuǎn)動過程中，當(dāng)小孔44與壁板66對準(zhǔn)時(shí)，壁板66就中斷通過小孔44的抽氣效應(yīng)，因而使靠吸力吸住且在錐體上運(yùn)送的纖維在重力作用下掉落。隔板62安裝成可松脫纖維，因而纖維可投放到轉(zhuǎn)臺70的投放區(qū)。
如圖5所示，壁板66位于兩個(gè)子午面66a、66b之間。上游平面66a(沿錐體轉(zhuǎn)動方向的上游)位于子午面P處或其上游一點(diǎn)，該子午面P包括錐體40的水平下母線。平面66b位于平面P下游，且其位置可直至錐體的纖維供應(yīng)區(qū)入口，使得當(dāng)錐體表面進(jìn)入錐體纖維供應(yīng)區(qū)時(shí)沒有被纖維蓋住。平面66a與66b的夾角可大到180°，但可小于此值。
隔板66固定在桿68上，桿68固定在軸50的端部50a上。
權(quán)利要求
1.一種制造環(huán)形纖維預(yù)制品的方法，其特征在于，自由纖維通過中空的投放錐投放到回轉(zhuǎn)式支承轉(zhuǎn)臺上，投放錐的錐形外壁圍成一內(nèi)腔且其上穿過許多小洞，該錐體安置在轉(zhuǎn)臺上方且其母線與轉(zhuǎn)臺頂面接近且在轉(zhuǎn)臺的纖維投放區(qū)與轉(zhuǎn)臺頂面平行，向轉(zhuǎn)臺投放纖維的方法包括以下幾步將纖維帶到錐體的錐體供應(yīng)區(qū)內(nèi)的多孔壁外表面，該錐體供應(yīng)區(qū)遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)臺上的投放區(qū)；通過建立內(nèi)腔中的負(fù)壓而通過錐體壁上的小孔上產(chǎn)生吸力，從而將纖維吸附在錐體多孔壁的外表面上；使錐體繞其軸線轉(zhuǎn)動，將纖維從錐體供應(yīng)區(qū)運(yùn)送到轉(zhuǎn)臺上的投放區(qū)；及通過局部中斷錐形外壁至少在投放區(qū)的通過小洞的吸力，來中止錐體投放區(qū)上對纖維的吸附，從而使運(yùn)送的纖維被投放在轉(zhuǎn)臺上，該轉(zhuǎn)臺隨錐體的回轉(zhuǎn)繞其自身軸線同步轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，纖維被帶到錐體多孔壁外表面的一部分上，該部分介于錐體兩條母線之間沿母線的長度基本等于待生產(chǎn)的環(huán)形預(yù)制件的寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過上述兩條母線的子午面形成的夾角范圍優(yōu)選為10°-40°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，纖維經(jīng)過供應(yīng)通道被帶到錐體多孔壁的外表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，纖維在投放到轉(zhuǎn)臺上后受到壓縮。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，纖維在轉(zhuǎn)臺上投放很多疊合層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，當(dāng)逐步投放纖維層時(shí)，轉(zhuǎn)臺與錐體的間距逐步擴(kuò)大。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，投放到轉(zhuǎn)臺上的纖維結(jié)合在一起，構(gòu)成能用手操縱的纖維預(yù)制品。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，纖維用針刺結(jié)合法結(jié)合在一起。
10.一種環(huán)形纖維預(yù)制品的制造裝置，該裝置包括回轉(zhuǎn)式支承轉(zhuǎn)臺(30)及將纖維帶到轉(zhuǎn)臺的設(shè)備(10)，該裝置的特征在于，它還包括供應(yīng)錐體(40)，能繞其軸線轉(zhuǎn)動，其錐形外壁圍成一內(nèi)腔(46)且其上有許多小洞(44)穿過，該錐體安置在轉(zhuǎn)臺上方，且其母線在轉(zhuǎn)臺外表面附近延伸并且在轉(zhuǎn)臺纖維投放區(qū)基本平行于轉(zhuǎn)臺外表面；纖維輸送裝置(30、32)，在錐體多孔壁的遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)臺投放區(qū)的錐體供給區(qū)的外表面附近開口；在錐體內(nèi)腔中建立負(fù)壓，以便通過錐體壁的小洞建立吸力的裝置；及局部中斷這種吸力的部件(66)，該部件介于內(nèi)腔中建立負(fù)壓的裝置，以及位于轉(zhuǎn)臺纖維投放區(qū)的至少一部分錐體壁的小洞之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，它還包括用于傳送自由纖維刺錕裝置(20)，以及纖維供給通道(30，32)，該通道介于刺錕裝置與錐體供應(yīng)區(qū)之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述供應(yīng)通道，至少在其靠近錐體(40)的部分(32)，其截面呈梯形。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，至少一個(gè)錐形壓錕(88)位于轉(zhuǎn)臺纖維投放區(qū)下游的支承轉(zhuǎn)臺(30)的上方。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，針刺裝置(80)位于轉(zhuǎn)臺纖維投放區(qū)下游的支承轉(zhuǎn)臺(30)的上方。
15.根據(jù)權(quán)利要求10-14中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，支承轉(zhuǎn)臺與供應(yīng)錐體之間距離是可變的。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，用于局部中斷吸力的部件包括一固定的隔板(66)，它沿著并貼近轉(zhuǎn)動錐體(40)的一部分多孔壁延伸。
全文摘要
自由纖維(10)通過中空投放錐體(40)投放到回轉(zhuǎn)式支承轉(zhuǎn)臺(30)上，該錐體外壁包圍一內(nèi)腔且由許多小孔穿過。纖維被運(yùn)送到錐體(40)在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)臺(30)上投放區(qū)的錐體供應(yīng)區(qū)的多孔壁外表面。隨后靠內(nèi)腔中的負(fù)壓引起的在錐體小孔兩側(cè)的吸力吸住，以便由于錐體轉(zhuǎn)動從錐體供應(yīng)區(qū)運(yùn)送到轉(zhuǎn)臺上投放區(qū)。通過至少在所述區(qū)域內(nèi)使通過錐體壁小孔的吸力局部中斷，使纖維不再附著在錐體投放區(qū)上，因此運(yùn)送的纖維便投放在轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺繞自身軸線隨著錐體的轉(zhuǎn)動同步旋轉(zhuǎn)。投放在回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)臺(30)上的纖維可以被壓實(shí)和作針刺結(jié)合。
文檔編號D04H3/10GK1656270SQ03811814
公開日2005年8月17日 申請日期2003年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月23日
發(fā)明者R·杜瓦爾 申請人:馬塞爾-布加蒂股份有限公司