专利名称：制造环形纤维预制品的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及环形纤维预制品，特别是用以形成环形零件构架的多孔预制品的制造，该环形零件构架由复合材料制成，并通过对预制品用填料增加其密度而获得。
本发明应用的具体领域是由复合材料制造的环形摩擦零件的纤维预制品的制作，如由热结构复合材料制造的摩擦片或制动盘。这样的盘包括纤维增强件，通常由碳纤维制造并由碳及/或陶瓷填料增密。
背景技术：
复合材料盘，特别是碳/碳(c/c)复合材料的制动盘的纤维增强件制作的常用方法，包括用几层二维纤维织物叠合做成环形预制品。
合适的二维纤维织物有机织布，由一维纤维织成的布，由很多层一维纤维织成布沿不同方向叠合并结合在一起，如用针刺结合法，构成的多维布，毡层，或由机织布，或布上已用针刺结合法固定一层毡制品或自由纤维的织物层构成的合成织物。
各层可平坦叠合，同时用针刺结合法结合在一起，以便构成一块其上可裁切出环形预制品的板料，如美国专利4790052和5792715中的实例所述。这种方法是c/c复合材料制动盘的预制品制造时常见的，且符合使用要求，但在切出预制品时会产生大量废料。
文献EP0424988描述了另一种已知方法，该方法包括从二维织物层切出环形段，并将这些环形段并列放置构成的环进行叠放和针刺结合以形成环形预制品。这种方法有利于减少废料量，但不能完全消除废料，且预制品较难制作。
为了避免产生废料，已建议用变形编织物(braid)或斜纹织布(helical cloth)绕成环形纤维预制品，以便形成平叠的几圈，这些圈用针刺结合法结合在一起。可参看美国专利5662855及6009605。这些方法要求使用十分特殊的纤维织物——可变形编织物或斜纹织布——其制造成本昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，使环形纤维预制品制造特别简单，成本特别便宜。
在达此目的使用的方法中，自由纤维借助于中空的投放锥投放在回转式支承转台上，投放锥的锥形外壁包围内腔且由很多小洞穿过，该锥体放置在转台上方，且其母线靠近转台顶面延伸并在转台上投放纤维区域上基本平行于该转台顶面，纤维在转台上的投放包括以下步骤将纤维带到与转台投放区隔开的锥体供料区中锥体多孔壁的外表面上；通过建立内腔中负压从而在锥体壁的小洞两侧产生吸力，将纤维固定在锥体多孔壁外表面上。
锥体绕其自身轴线转动，将纤维从锥体供料区搬运到转台上的投放区；及通过局部中断锥体壁上小洞的吸力，停止将纤维保持在投放区内的锥体上，这样，搬运的纤维便投放到转台上，该转台绕自身轴线与锥体同步转动。
有利地，纤维被带到锥体多孔壁的一部分外表面上，该部分外表面在锥体的两条母线之间延伸，其沿母线的长度基本上等于所生产的环形预制品的宽度。通过这两条母线的子午面的夹角优选在10°--40°范围内。
纤维优选通过供应通道带到锥体多孔壁的外表面。
纤维在投放到转台上后优选还受到压缩。
纤维可以通过很多层相叠的方式投放在转台上。这种情况下，转台与锥体的间距优选随着纤维层逐步投放而逐渐加大。
有利地，投放到转台上的纤维被结合在一起，形成能拿得起的纤维预制品。纤维可用针刺结合法结合在一起。
本发明的另一目的是提供一种能实现上述方法的装置。
实现此目的的装置包括
回转式支承转台；供应锥，可绕其轴线转动，其锥形外壁包围内腔且由很多小洞穿过，锥体位于转台上方且其母线靠近转台外表面延伸，并且在转台上投放纤维区域内基本与转台外表面平行；纤维输送装置，其在远离转台上投放区的锥体供料区，靠近锥体多孔壁外表面处开口；在锥体内腔中建立负压的装置，用于通过锥体壁小洞建立吸力；及局部中断吸力的装置，该装置安插在建立内腔中负压的装置与位于转台上纤维投放区内至少一部分锥体壁上的小洞之间。
纤维输送装置可由纤维供应通道构成，在刺毛锟(take-in device)与锥体供料区之间延伸。供料通道至少在与锥体相邻的部分的截面为梯形是有利的。
有利地，至少有一个锥形压锟安置在转台上纤维投放区下游的支承转台附近。
同样有利地，针刺结合装置设在转台上纤维投放区下游的支承转台的上方。
支承转台与供料锥的间距是可变的。
阅读了作为非限制性说明的下列说明书并参看附图后，会对本发明有较好的了解，其中图1示出根据本发明的方法的实施步骤；图2是根据本发明所述装置的一个实施例的非常概略的透视图；图3是图2装置立面的不完整的侧视图；图4是一放大的纵剖视图，示出图2及图3装置的进给(feed)锥轮；及图5是沿图3的v-v平面的剖视图。
具体实施例方式
本发明的实施例是在将其应用于从碳纤维或碳纤维元素(carbonprecursor fiber)制造环形纤维预制品的环境中作下述说明的，其目的是制造摩擦盘，特别是碳/碳(c/c)复合材料的制动盘。
尽管如此，本发明不局限于这种用途，而是能应用于制造任何环形纤维织物。
制造预制品的纤维是不连续纤维，即原料或缩绒状态的纤维(图1中方法的步骤1)。纤维由碳或碳元素制造，如预先氧化的聚丙烯腈(PAN)。
如图2所示，一层缩绒或原料10放置在传送带12上，传送带将其带到刺锟装置20上。刺锟装置20包括两个以已知方式紧紧相邻相互平行配置的刺锟22、24。刺锟22、24被驱动以相当高的速度(每分钟数千转(rpm))沿相反方向转动。因为外周表面上形成有多个凸起的针形或钳形部分，刺锟22、24将它们之间间隙上覆盖的由传送带10传递的缩绒或原料的纤维分离出来(方法的步骤2)。在刺锟装置出口，即两个锟22、24的间隙下方，被分离出的纤维呈自由纤维状态。这些纤维靠其与锟接触时获得的动能和被锟吸入的空气从刺锟装置中射出。
被分离的纤维进入通道30，通道30位于刺锟装置20的出口和回转锥体40的外壁面之间(方法的步骤3)。通道30(图2、图3、图5)末端是喷嘴形部分32，它可与通道其余部分成为一整体，也可以是单独一个零件与通道其余部分连接。喷嘴的截面32基本上呈梯形，且经出口34结束，形成了向锥体40供给纤维的区域。
锥体40是中空的，其外壁至少在多孔截锥部分42a的二个横断面之间的外壁上有许多小洞44。喷嘴32通过与多孔的截锥部分42a靠近的孔口34开口，锥体的纤维供应区由孔口34形状确定，且形成在锥体两条母线和两个横截面之间，两个横截面之间的长度L为沿锥体的母线测出的长度。
以下参照图4及图5对锥体40进行了更详细的描述，锥体40具有由截锥形壁面42包围一个内腔46。由于内腔46中建立了负压，传送到锥体供料区的纤维被压紧贴在截锥形部分42a的外表面上。锥体40绕其轴线旋转，因此靠吸力附着在表面上的纤维被传送到支承转台70的投放区，转台70呈盘状或环形(方法的步骤4)。
转台70也绕其垂直轴72转动，该轴与驱动马达(未示)相连。锥体的水平母线位于转台70的顶面上方且靠近顶面延伸。靠吸留在锥体40上纤维在投放区吸力的中止，因此锥体40运送的纤维投放到环70上(方法的步骤5)。
投放到环上后，纤维10(图3示出一部分)借用至少一个锥体88所施加压力而压实(方法的步骤6)。锥体88安装成可随意绕其自身轴线转动，并通过调整其水平的下母线与转台70的顶面之间的距离施加压实力到纤维上。压实的纤维结合在一起并与先前已投放在转台上的纤维结合。在所示实施例中，这种结合是由针刺站80的针刺实现的，针刺站80位于沿转台旋转方向压实锥的下游(方法的步骤7)。
众所周知，针刺站80有针刺头82，其上有许多针84，至少在预制品全宽上均匀伸出。曲柄连杆型传动装置86使得针刺头作上下垂直运动。
刺锟22、24连续供给纤维F，同时锥体40与转台70连续转动。因此，可通过投放许多层的叠合自由纤维并用针刺结合法将纤维结合在一起，纤维预制品74(仅示于图3)逐步在转台70上加厚。
刺锟供料速率与转台70及锥体40的转速决定了投放在转台上的连续纤维层厚度。
有利地，随着连续投放纤维层，转台70与锥体40底部水平线母线的距离逐步加大，因此母线总在转台70顶面处或略高些(在工艺开始时)，此后便在堆积的预制品顶面处或略高些。为此，转台70及其回转驱动装置能够作垂直运动(图3的箭头F)。
以公知的方式，支承转台70可覆盖一层底毡76，其纤维例如可用聚丙烯制造，当转台70上投放的自由纤维初始层作针刺时针能穿透但不会受损。在毡面76上可覆盖例如聚丙烯膜78，以免因针刺而造成环形纤维织物与底毡结合得太牢。文献FR2626294所述的装置，可在转台相对于针刺头逐步运动的同时，完成对纤维织物的环形针刺作业，该纤维织物是通过在回转式支承转台上投放叠合纤维层而获得。
沿锥体40供应区的距离L是根据待加工环形预制品宽度选用的。锥体40在两条母线或子午面之间形成的供应区，其形状相当于环的一部分。两个子午面的夹角范围优选为10°--40°。由于其截面呈梯形，喷嘴32喷到支承转台70上的投放区整个宽度上的厚度相同。从刺锟22、24出来的纤维基本均匀地在喷嘴整个截面上投放，因此，转台70上投放的纤维密度也基本均匀。纤维的压实与针刺有利于预制品的纤维密度，即容积率达到要求值。于是直接得到能用手操纵，无废料需要切除的环形纤维预制品。然后可将预制品用传统方法以碳填料填实，从而获得c/c复合制动盘。
图4及图5示出了锥体40的详图。锥体外壁42包括固定到环48上的部分42b，和带有小洞44的部分42a，42a那部分位于锥体小直径端40a一侧。
环48的截锥形外表面与锥壁42的42b部分的内表面接触，并成为锥体40组装到非回转轴50的支承。在环48与轴50之间装有滚子轴承52、54，环48与滑轮56固定，滑轮56上穿过皮带58，皮带与马达(未示)连接，可驱动锥体绕其轴线转动。
环48与锥体40的封闭端40a之间的空间形成内腔46。此空间与抽吸装置(未示)通过轴50中的轴向通道50a连通。诸如60、62的密封环位于轴50和环48之间，以及轴50与滑轮52之间。
轴50的端部50b伸到内腔46中，其上固定着固定的隔板64(见图5)。隔板64具有形状为锥形一部分的实心壁板66，与锥壁42的多孔部分42a的内表面紧贴。锥体40转动过程中，当小孔44与壁板66对准时，壁板66就中断通过小孔44的抽气效应，因而使靠吸力吸住且在锥体上运送的纤维在重力作用下掉落。隔板62安装成可松脱纤维，因而纤维可投放到转台70的投放区。
如图5所示，壁板66位于两个子午面66a、66b之间。上游平面66a(沿锥体转动方向的上游)位于子午面P处或其上游一点，该子午面P包括锥体40的水平下母线。平面66b位于平面P下游，且其位置可直至锥体的纤维供应区入口，使得当锥体表面进入锥体纤维供应区时没有被纤维盖住。平面66a与66b的夹角可大到180°，但可小于此值。
隔板66固定在杆68上，杆68固定在轴50的端部50a上。
权利要求
1.一种制造环形纤维预制品的方法，其特征在于，自由纤维通过中空的投放锥投放到回转式支承转台上，投放锥的锥形外壁围成一内腔且其上穿过许多小洞，该锥体安置在转台上方且其母线与转台顶面接近且在转台的纤维投放区与转台顶面平行，向转台投放纤维的方法包括以下几步将纤维带到锥体的锥体供应区内的多孔壁外表面，该锥体供应区远离转台上的投放区；通过建立内腔中的负压而通过锥体壁上的小孔上产生吸力，从而将纤维吸附在锥体多孔壁的外表面上；使锥体绕其轴线转动，将纤维从锥体供应区运送到转台上的投放区；及通过局部中断锥形外壁至少在投放区的通过小洞的吸力，来中止锥体投放区上对纤维的吸附，从而使运送的纤维被投放在转台上，该转台随锥体的回转绕其自身轴线同步转动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，纤维被带到锥体多孔壁外表面的一部分上，该部分介于锥体两条母线之间沿母线的长度基本等于待生产的环形预制件的宽度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过上述两条母线的子午面形成的夹角范围优选为10°-40°。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，纤维经过供应通道被带到锥体多孔壁的外表面。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，纤维在投放到转台上后受到压缩。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，纤维在转台上投放很多叠合层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当逐步投放纤维层时，转台与锥体的间距逐步扩大。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，投放到转台上的纤维结合在一起，构成能用手操纵的纤维预制品。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，纤维用针刺结合法结合在一起。
10.一种环形纤维预制品的制造装置，该装置包括回转式支承转台(30)及将纤维带到转台的设备(10)，该装置的特征在于，它还包括供应锥体(40)，能绕其轴线转动，其锥形外壁围成一内腔(46)且其上有许多小洞(44)穿过，该锥体安置在转台上方，且其母线在转台外表面附近延伸并且在转台纤维投放区基本平行于转台外表面；纤维输送装置(30、32)，在锥体多孔壁的远离转台投放区的锥体供给区的外表面附近开口；在锥体内腔中建立负压，以便通过锥体壁的小洞建立吸力的装置；及局部中断这种吸力的部件(66)，该部件介于内腔中建立负压的装置，以及位于转台纤维投放区的至少一部分锥体壁的小洞之间。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，它还包括用于传送自由纤维刺锟装置(20)，以及纤维供给通道(30，32)，该通道介于刺锟装置与锥体供应区之间。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述供应通道，至少在其靠近锥体(40)的部分(32)，其截面呈梯形。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个锥形压锟(88)位于转台纤维投放区下游的支承转台(30)的上方。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的装置，其特征在于，针刺装置(80)位于转台纤维投放区下游的支承转台(30)的上方。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的装置，其特征在于，支承转台与供应锥体之间距离是可变的。
16.根据权利要求10-15中任一项所述的装置，其特征在于，用于局部中断吸力的部件包括一固定的隔板(66)，它沿着并贴近转动锥体(40)的一部分多孔壁延伸。
全文摘要
自由纤维(10)通过中空投放锥体(40)投放到回转式支承转台(30)上，该锥体外壁包围一内腔且由许多小孔穿过。纤维被运送到锥体(40)在远离转台(30)上投放区的锥体供应区的多孔壁外表面。随后靠内腔中的负压引起的在锥体小孔两侧的吸力吸住，以便由于锥体转动从锥体供应区运送到转台上投放区。通过至少在所述区域内使通过锥体壁小孔的吸力局部中断，使纤维不再附着在锥体投放区上，因此运送的纤维便投放在转台上，转台绕自身轴线随着锥体的转动同步旋转。投放在回转式转台(30)上的纤维可以被压实和作针刺结合。
文档编号D04H3/10GK1656270SQ03811814
公开日2005年8月17日 申请日期2003年5月22日 优先权日2002年5月23日
发明者R·杜瓦尔 申请人:马塞尔-布加蒂股份有限公司