用于制造合成材料环形件的纤维预制件的制造方法

专利名称：用于制造合成材料环形件的纤维预制件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造合成材料环形件的纤维预制件的制造方法。
本发明一个特殊的但并非唯一的应用领域是合成材料制动盘、尤其是碳-碳合成材料制动盘的制造。
合成材料环形件例如制动盘由一种纤维加强件或预制件构成，这种纤维加强件或预制件由一个模具加以致密化。对于碳-碳合成材料制动盘来说，预制件是用碳纤维或一种碳的母体纤维制成的，这种母体在预制件制成后通过热处理转变成碳。一种可用的纤维状碳的母体尤其是预氧化的聚丙烯腈(PNA)。预制件的致密化可用液体方法进行-用一种碳的液态母体例如一种树脂进行浸渍，并通过热处理使母体转变，或者用汽相化学渗透法进行。
制造合成材料构件的纤维预制件的一种公知方法是对一种双幅纤维织物的若干层进行叠置和针刺。纤维组织例如是一种织物，这种织物可以由一层纤维网加以覆盖，纤维通过对叠置层进行针刺而加以移动；当织物是由一种针刺难度大且纱线不断裂的纤维尤其是碳纤维构成的织物时更是如此。这种方法尤其在文献FR-A-2584106和FR-A-2584107中有所描述，分别用于制造平面预制件和回转预制件。
用于制动盘的环形预制件可以在由经过针刺的平整的叠置层形成的厚板材上切割而成。材料损失接近50％，如果是用碳纤维制造的预制件，那么，由于纤维材料价格贵，因此成本很高。
为了减少这种损失，有人提出通过叠置环形层并进行针刺来制造预制件，每个环形层由若干连接起来的扇形部分所形成。这些扇形部分在一种双幅织物上切割而成。
材料损失比从完整的环形件上进行切割要少，但仍然不可忽视。另外，操作方法复杂，掌握起来难度大，也难以进行自动化生产，尤其是因为在使纱层彼此错开以便不叠置扇形部分之间的分割线时必须使扇形部分准确定位。
可以在由一种织物带盘绕在一个卷辊上并同时进行针刺而制成的纱筒上切割环形预制件，如文献FR-A-2584107所述。操作方法比较容易掌握，也不损失纤维材料。但是，在应用于制动盘的情况下，与上述一些实施例相反，预制件的纱层是与摩擦面相垂直地进行布置的。因此，与纱层平行，抗剪强度较小，在制动盘外圆周或内圆周上的一些凹口处存在很大的缺陷，而这些凹口用于安装用来传递或消除施加在制动盘上的应力的跨接件。
制造合成材料环形件的纤维预制件的另一个公知方法是使用一种螺旋形带状织物，织物带平整地盘绕成叠置的纱圈。这种织物可以是一种由螺旋形经纱和径向纬纱形成的织物。
如文献FR-A-2490687和FR-A-2643656所述，通过一个截锥形辊对从安装在一个筒子架上的各个纱管退绕的经纱进行导纱，使织物形成螺旋形。在这样制成的织物中，径向纬纱之间的间距在螺旋形织物的宽度上在其内径及其外径之间逐渐增大。为了使织物在其整个宽度上保持均匀特性，上述两份文献中提出插入一些补充的纬纱，这些纬纱从织物的外径开始仅仅在织物的一部分宽度上延伸。这个解决办法使制造织物的成本过高，而且存在不可忽视的缺陷。
文献EP-A-0528336中所述的另一个方法是使用一种管状织物。这种织物因其可变形性，在压扁之后可以盘绕成螺旋形，形成叠置的环形纱圈，这些纱圈通过针刺彼此连接。在制造管状织物时，单向纱可以与管状织物的轴线相平行地进行插入。通过适当改变压扁的织物两个相对边缘之间的单向纱的支数和/或彼此的间距，就可以使织物在盘绕成平整的螺旋形纱圈时的变形而造成的两个边缘之间织物表面密度的变化得到补偿。但是，插入单向纱会使织物变形。此外，当织物盘绕成螺旋形时，单向纱的长度在环形预制件的内圆周和外圆周之间变化很大。如EP-A-0528336所述，在制造织物时，根据单向纱是位于环形预制件的内圆周附近还是外圆周附近，对单向纱施加或大或小的压力。但是，除了这只能非常有限地补偿单向纱的长度的差别之外，织物制造后压力的保持却得不到保证，由此可能造成单向纱的收缩和卷曲。另外，如果管状织物用不同的压力制成，那么，在管状织物中插入单向纱则使预制件的制造非常复杂。
本发明旨在提出一种不存在已有技术中所述缺陷的方法，即一种制造用于生产合成材料构件的环形预制件而不损失材料、成本又不太高、却能在整个预制件中完全保持基本均匀的纤维支数的方法。
借助于这样一种方法即可达到此目的，这种方法包括将一种螺旋形织物带盘绕成叠置的纱层，这种螺旋形织物带包括基本呈螺旋形的经纱和基本呈径向的纬纱，根据这种方法，螺旋形织物经纱的表面密度在其内径及其外径之间逐渐增大，织物带的纱层进行针刺以便纤维彼此进行连接，就预制件的体积密度而言，经纱表面密度的增大至少大致上补偿内径和外径之间纬纱密度的减小。
为了制造合成材料环形件尤其是制动盘，特别重要的是要保证在预制件的整个体积上纤维的体积支数基本恒定不变，纤维的体积支数是在预制件的单位体积上纤维有效占据的百分比。实际上，基本均匀的体积支数意味着基本均匀的孔隙度。预制件可以采用基本均匀的方式进行致密化，使合成材料在其整个体积上具有基本均匀的特性。
采用本发明方法，将内径和外径之间经纱表面密度的增大与针刺结合起来，获得孔隙度的均匀性。
当然，增大经纱的表面密度，而不是如同上述已有技术中那样增大纬纱的表面密度，在一定程度上加重了螺旋形织物的表面不均匀性。但是，尤其是对于应用于制动盘来说，当织物的内径不太小而内径和外径之间的差别不太大时，这种表面不均匀性还是完全可以接受的。
另外，通过在织物的一部分宽度上插入一些补充纬纱来增大纬纱的表面密度，会使织物的制造复杂化，并使成本显著增加，而增大经纱的表面密度实施起来比较简单，成本也不太高，例如使用支数逐渐增大的经纱和/或增大织物内径与外径之间经纱的密度。
最后，底布结构这里是指螺旋形织物的织造不因添加单向纱或补充纱而复杂化。
螺旋形织物必须适合于针刺工序而对构成织物的纱没有破坏作用。当预制件必须用碳纤维或陶瓷纤维制造的时候，最好使用一种至少部分地由具有短纤维的纱构成的螺旋形织物，这些纱可以很容易地被针拉出来。这些纱可以由碳纤维或陶瓷纤维构成，或者由碳或陶瓷的一种母体纤维构成，通过例如在针刺后进行的热处理使母体变成碳或陶瓷。
最好使用这样一种螺旋形织物，这种织物的纱如EP-A-0489637所述由彼此平行的非加拈短纤维以及一种确保纱的坚牢度的编结纱所形成。编结纱在针刺前被除去。去除编结纱是为了对纤维进行针刺，并且由于纤维的膨胀而避免存在大孔隙度。
在其它实施例中，编结纱可以由一种平行的短纤维束加以取代，这种纤维束具有足以进行织造的抱合力而不妨碍以后的针刺。这种最小的抱合力可以通过略为加拈例如不超过每米15转而加以获得。
最好在织物带层的整个表面上以基本恒定不变的针刺表面密度进行针刺。为此，可以采用在螺旋形织物带的整个宽度上展开的覆盖一个扇形的一组针进行针刺。
随着螺旋形织物带盘绕成平整的叠置纱圈，最好在基本恒定不变的深度上进行针刺。
可以围绕一个轴盘绕织物带，形成基本与该轴相垂直的叠置层，或者形成截锥形叠置层。织物带所盘绕的轴可以具体化为一个管子。
本发明方法的其它特征和优越性通过下述参照附图和非限制性实施例的说明将得到较好的理解。
附图如下

图1是可用于实施本发明方法的一种螺旋形织物的示意图；图2也是可用于实施本发明方法的一种螺旋形织物的一个实施变型的示意图；图3是可实施本发明方法的一个装置的第一实施例的正剖视图4是沿图3中Ⅳ-Ⅳ面的俯视剖视图；图5是图3和4所示装置的一个实施变型的正剖视图；图6是沿图5中Ⅵ-Ⅵ线的俯视剖视图；图7是图3和4所示装置的另一个实施变型的正剖视图；图8是实施本发明方法的第二实施例的正剖视图。
下面是用于制造碳-碳合成材料制动盘的环形碳纤维预制件的实施例。
预制件是通过将例如图1或2所示的一条螺旋形织物带10盘绕成若干叠置层并对其进行针刺而制成的。
螺旋形织物带10由螺旋形经纱12和径向纬纱14形成。如同前面及FR-A-2490687和FR-A-2643656所述，通过一个锥形导辊分别从供给卷筒引出经纱12进行织造。
径向纬纱14彼此的间距在螺旋形织物的内径16和外径18之间逐渐增大。为了至少大致补偿纬纱表面密度的这种减小，经纱的表面密度要基本相应地予以增大。
在图1所示的实施例中，使用其支数在织物的内径16和外径18之间通过逐渐增加而进行变化的经纱12，来增大经纱的表面密度。这种变化可以是连续进行的，或者是分阶段进行的。如果是分阶段进行变化，那么，经纱被分成若干部分，一个部分中经纱12的支数相同，但不同于其它经纱部分中的经纱支数。
在图2所示的实施例中，在织物的内径16和外径18之间增加经纱12的密度，也就是减小具有相同支数的经纱之间的间距，来增大经纱的表面密度。可以将经纱分成若干毗连的部分，连续地或分阶段地调整经纱的密度。
显然，可以同时改变经纱12的支数和密度。
采用本发明方法的第一实施例示于图3和4。
螺旋形织物10存放在一个水平固定盘20上，围绕一个中央圆柱形心轴22盘绕成平整的叠置螺旋纱圈。呈圆盘形状的固定盘20具有一个径向槽24，螺旋织物带从该径向槽向下拉出。
这样从存放用的固定盘20拉出来的织物带在一个转板30上盘绕成平整的叠置螺旋纱圈。转板30安装在一个竖轴32上，竖轴32与一个支承件34相连。支承件34还支承一个马达36，马达36通过一个传动带38驱动转板30围绕其竖直轴线40进行转动(图1)。
包括支承件34和转板30的组件沿着一个具有轴线40的中央固定导管42进行竖直移动。导管42在其上端支承固定盘20。因此，支承件34、转板30和固定盘20是同轴的。支承件34支承在竖直的伸缩杆44上，支承件34的竖直移动由一个或若干千斤顶46加以控制。
螺旋形织物带10随着平整地盘绕在转板30上，通过一个针板50进行针刺，针板50具有针52，进行竖直往复运动。针板的运动由一个马达54通过一种曲柄连杆机构式传动加以控制。马达54由支承件34加以支承。
螺旋织物带10的针刺是以基本恒定不变的表面密度和深度进行的。为了在织物10的环形层的整个表面上获得针52的恒定不变的针刺密度，针板50具有一种扇形形状，相应于织物环形层的扇形，针在这个扇形上均匀分布，在织造过程中支承预制件60的转板30进行恒速转动。
针刺深度，也就是针52每次刺入预制件60的距离，基本保持恒定不变，例如等于由若干叠置的层所形成的厚度。为此，随着织物带10盘绕在转板30上，转板30朝下竖直移动所需的距离，以便预制件的表面和针板之间的相对位置在其竖直行程的终点保持不变。为了在最后一层织物10叠置好以后制造预制件60，一边继续转动转板30一边进行多次针刺，以便织物表面层的针刺体积密度基本与预制件的其余部分相同。在至少一部分最终针刺过程中，转板30的逐渐下降可以像先前阶段那样加以控制。这种使预制件的支承件逐渐下降并进行最终针刺的恒定深度的针刺原理尤其在FR-A-2584106中已予以描述。另外，转板30覆盖有一层保护层56，在织物10的最初几层纱圈进行针刺时，针可以刺入这个保护层而不会损坏。保护层56可以由一层垫毡例如聚丙烯毡形成，上面覆盖一层塑料膜例如聚氯乙烯塑料，以避免当针回升时将垫毡上的纤维带到预制件60中。
螺旋形织物10进行针刺时对构成织物的纱没有很大损伤。
纱14、16可以由碳纤维或者碳的母体纤维例如预氧化的聚丙烯腈纤维形成，通过针刺后对预制件进行热处理将母体变成碳。
纱14、16最好由短纤维例如彼此平行的非加拈短纤维形成，如EP-A-0489637所述。
平行的短纤维可以通过对具有多长丝的碳丝束有控制地进行截取。编结纱是用一种通过热处理或溶解作用可以去除的物质例如可溶于水的聚乙烯醇制成的。编结确保织造期间纱的坚牢度。使螺旋形织物去除编结纱再进行针刺，例如使存放在固定盘20上的织物去除编结纱再将该固定盘安装到导管42上。
在其它实施例中，纱14、16可以由平行的短纤维束形成，其抱合力通过略为加拈而加以确保，足以进行织造而不妨碍以后的针刺。
将要述及的装置可以连续制造具有各种长度的预制件，最大长度由支承件34沿导管42的竖直行程加以确定。应当指出，导管42不仅对支承件34和转板30的组件起导向作用，而且在制造过程中也对预制件60起导向作用。在一个预制件60制造好以后，沿径向面对它进行切割，以获得具有所需厚度的制动盘的环形预制件，然后，这些预制件进行致密化。
使用一种其纬纱密度在内径和外径之间的逐渐减小由经纱密度的逐渐增大而加以补偿的螺旋形织物10，在针刺后可以获得这样一种预制件，在预制件的整个体积上纤维支数和孔隙度基本是均匀的。另外，使用由短纤维所形成的纱可使纤维膨胀，避免存在大孔隙度，从而避免不均匀的致密化。
图5和6示出可以采用本发明方法的一个装置的一个实施变例，该实施例与图3和4所示的实施例的区别仅仅在于支承螺旋形织物的支承件20的布置情况。在该实施变例中，支承件20的竖直轴线与轴线40错开一个略大于针板50的长度的距离。这样，支承件20可以相对于针板50进行侧向布置，以便在制造过程中使织物10在支承件20的径向出口槽24和预制件60的上表面之间的行程缩短到最短距离。这种布置还可以在高度上减小装置的尺寸。因此，支承件20支承在一个特殊的支座56上。
螺旋形织物的供给方法的另一个实施变例示于图7。螺旋形织物带10盘绕在一个水平转动卷辊70上，形成一个具有若干截锥形叠层的叠层件73。织物叠层与卷辊的轴线71所成的角度例如约为45°。织物叠层盘绕在一个截锥形侧板72上，该侧板与卷辊的轴线71相平行地进行平移。
卷辊70围绕其轴线的转动(箭头f2)是由一个马达74驱动的，而侧板72的平移是由布置在侧板72和一个卷辊支座77之间的伸缩式千斤顶76加以控制的。
织物带10在与侧板72相对的一侧从卷辊拉出，以便盘绕在转板30上。织物带在转板30上盘绕成平整的叠置纱圈，这些叠置纱圈的针刺如同参照图3和4所述的那样进行。
一个电路78控制两个马达36、74和千斤顶76，以便卷辊70的转动和截锥形织物叠层件73在卷辊上的前移与转板30的转动(箭头f3)同步进行，使织物带10在针刺过程中以适当的几何形状叠置在预制件60上而不发生织物带变形。一个由支承件34加以支承的压辊79可以配置在针板50的上游，以便在针刺以前使织物带10处于最佳状态。
在图3至7所示的情况下，螺旋形织物10同预制件的轴线相垂直地盘绕成平整的环形叠置纱圈。
可以使螺旋形织物10例如以图8所示的方式盘绕成截锥形纱圈。
图8所示的实施例与图7所示的实施例的区别在于，在制造过程中支承预制件的转板30配有一个对构成预制件60的纱圈的形状加以确定的截锥形支座80。
预制件60的截锥形纱圈与轴线40所成的角度等于45°，与存放在卷辊70上的织物带10的截锥形层所成的角度相同。
转板30和卷辊70以相同的速度进行转动(箭头f5和f4)，卷辊70上的层叠层件73的前移由这个转速加以控制，以便通过叠层件73和预制件60之间的切向接触将卷辊70的螺旋形织物带转移到转板30上。不必如同图7所示的实施例那样在针板50的上游配置一个压辊。
转板30上的织物带10的针刺是根据参照图3和4所述的相同原理进行的，针板50与水平面倾斜45°，以便针与预制件60的纱圈相垂直地刺入纱圈。针板50的位置确定成针和导管42之间完全不发生接触，可以使导管42配有与覆盖截锥形支座80的垫毡56相类似的一层覆盖层。
预制件60盘绕成截锥形纱圈，可以在切割制动盘的环形预制件之后，使摩擦面不平行于织物层。
以上所述是制造碳-碳合成材料制动盘的环形预制件。本发明适用于制造具有其它应用的碳-碳合成材料构件例如轮子的环形预制件，也适用于制造除了碳-碳合成材料以外的其它合成材料构件的环形预制件，预制件的纤维性质根据合成材料构件的纤维加强件所需的结构材料加以选择。
权利要求
1．一种用于制造合成材料环形件的纤维预制件的制造方法，这种方法包括将一种螺旋形织物带盘绕成叠置的层，这种螺旋形织物带包括基本呈螺旋形的经纱和基本呈径向的纬纱，其特征在于，螺旋形织物经纱的表面密度在其内径及其外径之间逐渐增大，织物带的纱层进行针刺以便纤维彼此进行连接，就预制件的体积密度而言，经纱表面密度的逐渐增大至少大致上补偿内径和外径之间纬纱密度的逐渐减小。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，螺旋形织物(10)至少部分地由具有平行短纤维的纱构成。
3．根据权利要求2所述的方法，其特征在于，螺旋形织物(10)至少部分地由具有平行短纤维的纱构成，其坚牢度由一种编结纱加以确保，编结纱在针刺前予以去除。
4．根据权利要求2所述的方法，其特征在于，螺旋形织物(10)至少部分地由具有短纤维的纱构成，其抱合力通过略加加拈予以确保。
5．根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，经纱(12)的支数在内径和外径之间逐渐增大。
6．根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，经纱(12)的密度在内径和外径之间逐渐增大。
7．根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在织物带层的整个表面上以基本恒定不变的针刺表面密度进行针刺。
8．根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，使用在织物带的整个宽度上展开的覆盖一个扇形的一组针(50)进行针刺。
9．根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在基本恒定不变的深度上进行针刺。
10．根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，随着织物带的平整盘绕，逐渐进行针刺。
11．根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，螺旋形织物带围绕一个轴进行盘绕，形成基本与该轴相垂直的叠置层。
12．根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，螺旋形织物带围绕一个轴进行盘绕，形成截锥形叠置层。
13．根据权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，织物带围绕一个导管(42)进行盘绕。
14．根据权利要求1至13之一所述的方法，其特征在于，织物带存放在一个盘(20)上，通过一个径向槽(24)从该盘拉出来。
15．根据权利要求1至13之一所述的方法，其特征在于，织物带(10)存放在一个卷辊(70)上，从这里被进行盘绕，形成一个具有若干截锥形叠置层的叠置件(73)。
16．根据权利要求15所述的方法，其特征在于，织物带从卷辊(70)上取出，逐渐盘绕在一个转板上，形成一个由截锥形叠置纱圈构成的预制件(60，图8)，织物带的转移是通过卷辊上的截锥形层叠置件与形成过程中的预制件之间的切向接触进行的。
17．根据权利要求1至16之一所述的方法，其特征在于，织物带(10)平整地进行盘绕，并且随着盘绕而进行针刺，以形成一个纱管，用于制造环形件的预制件在纱管上切割而成。
18．根据权利要求1至17之一所述的方法用来生产用于制造合成材料制动盘的环形预制件。
全文摘要
用于制造合成材料环形件的纤维预制件通过一种螺旋形织物带(10)盘绕成叠置层而制成,螺旋形织物带包括基本呈螺旋形的经纱和基本呈径向的纬纱。螺旋形织物经纱的表面密度在其内径及其外径之间逐渐增大,织物带的层进行针刺,以便纤维彼此进行连接,就预制件的体积密度而言,经纱表面密度的逐渐增大至少大致上补偿内径和外径之间纬纱密度的逐渐减小。
文档编号B29C70/32GK1212034SQ9619934
公开日1999年3月24日 申请日期1996年11月26日 优先权日1995年11月27日
发明者皮埃尔·奥尔里, 多米尼克·库佩, 布律诺·邦帕尔, 让·奥卡涅 申请人:航空发动机的结构和研究公司, 黑克斯塞尔法布里克斯公司