[發(fā)明專利]一種復(fù)合材料預(yù)制件分層織造成形方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110458786.8
• 申請(qǐng)日: 2011-12-31
• 公開（公告）號(hào): CN102517760A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 單忠德;劉豐;陳海波;秦紹衍;喬娟娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心
• 主分類號(hào): D03D25/00
• 分類號(hào): D03D25/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料預(yù)制件分層織造成形方法，屬于復(fù)合材料三維織造成形領(lǐng)域。

背景技術(shù)

復(fù)合材料顯著的力學(xué)性能以及輕質(zhì)的特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工等方面。隨著技術(shù)發(fā)展，復(fù)合材料制件向大型化、復(fù)雜化、高性能化發(fā)展，復(fù)合材料成形技術(shù)也不斷地發(fā)展。

傳統(tǒng)復(fù)合材料由于層間沒有纖維通過，而容易分層,為了達(dá)到厚度上的要求，絕大多數(shù)采用層合的形式，但由于較弱的層間性能、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)度顯著下降等弱點(diǎn)，限制了它在主要承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。三維織造復(fù)合材料是以三維整體織物作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型織物復(fù)合材料，其由一維和二維結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，三維結(jié)構(gòu)織物的纖維不僅通過二維平面，而且通過厚度方向在空間相互交織，形成整體結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)性好，同時(shí)克服了二維復(fù)合材料抗沖擊性能差、易分層等缺點(diǎn)，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，已經(jīng)引起了美國(guó)、德國(guó)等世界各國(guó)的關(guān)注，被越來越廣泛地應(yīng)用航空航天、軍工、汽車等關(guān)鍵領(lǐng)域。

用于復(fù)合材料預(yù)制件制備的三維織造技術(shù)主要包括三維編織、三維機(jī)織、三維針織等。復(fù)合材料三維織造技術(shù)相比于傳統(tǒng)的層壓復(fù)合材料、自動(dòng)鋪放技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但織造成形過程中存在的成形尺寸小、工序復(fù)雜、設(shè)備自動(dòng)化低、纖維含量低，難以實(shí)現(xiàn)大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造等問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)傳統(tǒng)三維織造預(yù)制件的層間強(qiáng)度低、成形尺寸小、工序復(fù)雜、不易自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)，將快速成形技術(shù)與復(fù)合材料織造技術(shù)結(jié)合起來，提出一種基于數(shù)字化導(dǎo)向模板的預(yù)制件分層織造成形方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料預(yù)制件制備的自動(dòng)化，為大型、復(fù)雜預(yù)制件的織造提供一種柔性加工方法。

該方法引入了陣列式導(dǎo)向柱模板，為每層編織纖維提供支點(diǎn)。根據(jù)三維模型分層后的二維輪廓設(shè)計(jì)導(dǎo)向柱模板，并將導(dǎo)向套布置在導(dǎo)向柱上，近似逼近零件的輪廓；織造纖維通過纏繞、鎖緊導(dǎo)向套形成內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和內(nèi)外輪廓，達(dá)到各種結(jié)構(gòu)的織造。導(dǎo)向套為不同層纖維提供支撐，加強(qiáng)層間強(qiáng)度。

為了便于織造成形，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化纏繞導(dǎo)向套，確定每層截面輪廓內(nèi)沿0度、45度、90度、135度四個(gè)方向逐行纏繞平行的導(dǎo)向套，如圖2所示，相鄰兩個(gè)導(dǎo)向套的纖維纏繞方式可以是直線式和‘8’字式，如圖3所示；四個(gè)纏繞方向疊加后，得到每層截面輪廓內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如圖4所示；?

一種復(fù)合材料預(yù)制件分層織造成形方法，其特征包括如下步驟:

a)??????對(duì)復(fù)合材料零件CAD模型沿Z向進(jìn)行分層，生成截面輪廓信息；

b)??????根據(jù)截面輪廓信息將導(dǎo)向套布置在陣列布局的導(dǎo)向柱模板上；

c)??????在當(dāng)前織造層輪廓內(nèi)，以導(dǎo)向套為支撐，將纖維沿0度方向平行的導(dǎo)向套逐行纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，將纖維沿45度方向平行的導(dǎo)向套逐行纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，將纖維沿90度方向平行的導(dǎo)向套逐行纏繞；以導(dǎo)向套為支撐，將纖維沿135度方向平行的導(dǎo)向套逐行纏繞；纖維沿不同方向纏繞的順序可以任意組合，所有織造路徑疊加后完成一層輪廓內(nèi)部的織造；當(dāng)前層內(nèi)外輪廓的織造由纖維沿內(nèi)外輪廓附近的導(dǎo)向套纏繞完成；

d)??????完成一層織造后，繼續(xù)采用步驟c）進(jìn)行下一層的織造；

e)??????完成所有層織造后，將所有纏繞纖維的導(dǎo)向套從導(dǎo)向柱模板取下，完成復(fù)合材料預(yù)制件的織造。

所述織造纖維包括碳纖維、石墨纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、玻璃纖維等，纖維規(guī)格可根據(jù)復(fù)合材料零件三維模型選擇。

所述導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)是可以設(shè)計(jì)的，其外部可以是光滑的，也可以是帶有凹槽的，織造時(shí)纖維在導(dǎo)向套凹槽內(nèi)進(jìn)行纏繞；導(dǎo)向套高度、直徑、截面形狀等參數(shù)可根據(jù)零件三維模型設(shè)計(jì)。

所述導(dǎo)向套可以根據(jù)實(shí)際需要選擇不同材質(zhì)，如鋁合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、鈦合金、不銹鋼等。

所述導(dǎo)向柱模板上有直徑、間距可設(shè)計(jì)的導(dǎo)向柱陣列。

所述沿平行的導(dǎo)向套逐行纏繞和沿內(nèi)外輪廓附近導(dǎo)向套纏繞過程中，相鄰導(dǎo)向套間的纏繞方式可以是直線式和‘8’字式。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）??復(fù)合材料預(yù)制件分層織造方法工藝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，為大型、復(fù)雜預(yù)制件織造提供一種柔性加工方法；

2）??導(dǎo)向柱在模板上的排列可以根據(jù)零件的尺寸、形狀等特點(diǎn)進(jìn)行靈活布置，大大提升了三維織造零部件的靈活性和可操作性；

3）??該織造方法通過導(dǎo)向套實(shí)現(xiàn)層間連接，避免層間分層，使預(yù)制件有較好的力學(xué)性能。

附圖說明