连续纤维刹车盘预制件及其制造装置和制造方法与流程

本发明大体上涉及刹车盘预制件领域，并涉及刹车盘预制件及类似结构件的制造设备和方法。

背景技术：

很多应用于飞机、汽车和其他交通工具的高性能刹车盘是由纤维刹车盘预制件(本文中有时也称为预制件)制成。通常使用两种方法形成这种预制件。根据第一种方法，所述预制件由织布和/或无纺布的环形片段的层制成，其中所述织物和/或非织物布具有在弦向方向上延伸、或在径向方向上延伸、或在弦向和径向两方向延伸的纤维，或具有其他规则结构。根据第二种方法，织布或无纺布的层被结合以形成具有面内纤维的规则结构。在两种方法中，所述层随后通过针刺机在纵向方向上或在纵向上被针刺到一起，以试图由所述层形成一体的结构。在针刺之后，第二种方法中形成的结构被切割成环形形状的预制件，导致百分之二十(20％)到百分之三十(30％)的布被浪费。典型地，两种方法的预制件随后都通过在非活性氛围中加热到超过1200摄氏度的温度而被碳化。随后，碳基通过碳气相沉积(CVD)或浸树脂处理而施加到预制件上以形成碳-碳复合摩擦材料。在可选的炉中热处理之后，加工所述预制件以生产刹车盘。

不幸的是，由纤维生产织物和非织物材料相对昂贵，并且，因此由织物和非织物材料制造的预制件也会昂贵。同时，织物材料趋向于阻止气体的扩散，因此使得均匀的将碳基添加到预制件更困难并且使得预制件具有在整个预制件上不均匀的碳基。因此，织物材料在预制件的生产中具有额外的劣势。另外，织物和非织物片段或布的库存需要维护，其中织物和非织物材料被单独处理并装入针刺机。这种库存和处理消耗时间并且增加生产成本。因此，工业中需要一种由更便宜的材料制造的预制件以及制造这种预制件的不需要对织物和非织物材料进行库存和处理的装置和方法，其允许均匀地添加碳基到预制件上，并且解决这些以及其他问题、困难和与制造碳化刹车盘预制件相关的缺陷。

技术实现要素：

概括描述，本发明包括一种连续纤维刹车盘预制件以及制造该预制件的装置和方法。根据示例性实施例，连续纤维刹车盘预制件包括形成基本螺旋结构的多个连续纤维流或丝，所述基本螺旋结构具有在该结构的纵向方向上压缩在一起的层或段。每一连续纤维流或丝可以包括与其他连续纤维流或丝相同类型的纤维，也可以包括一种或多种与其他连续纤维流或丝不同的纤维。每一连续纤维流或丝大致从螺旋结构的第一端延伸到在纵向上与第一端相反设置的第二端。通常，每一连续纤维流或丝布置为横向相邻于螺旋结构的层或段之内的另一连续纤维流或丝，并且相邻于纵向相邻的层或段中的一个或多个其他连续纤维流或丝。连续纤维流或丝被设置成使得在所述螺旋结构的层或段内，每一连续纤维流或丝相对于螺旋结构的纵向轴线的径向距离随着绕该纵向轴线的角位置而变化。每一连续纤维流或丝在相对于螺旋结构的纵向轴线的每个角位置处的径向距离在层-层之间或片-片之间也不同，从而使得同一连续纤维流或丝在层-层之间或片-片之间基本不与自身重叠。

所述连续纤维刹车盘预制件进一步包括分散和混合于所述螺旋结构中的纤维幅或Z向纤维。纤维幅或Z向纤维中的一些以及一些连续纤维流或丝至少部分在纵向方向上在螺旋结构的层或段之间延伸。根据一示例性实施例，所述连续纤维流或丝包括纤维束，纤维幅包括松散的短纤维或切段纤维。

根据示例性实施例，用于制造连续纤维刹车盘预制件的装置包括配置有分离器的装置，该分离器用于接收连续纤维输入流并将所述连续纤维输入流分离或分散成多个连续纤维输出流或丝。所述装置还配置有旋转的并可升降定位的碗形件，该碗形件具有环形形状的腔体以接收所述连续纤维输出流或丝并将所述连续纤维输出流或丝形成层，从而生产出具有层或段的螺旋结构，并且其中连续纤维输出流或丝的大部分从螺旋结构的第一端延伸到螺旋结构的在纵向上相反的第二端。所述分离器适于在所述碗形件的旋转过程中相对于碗形件的中心纵向轴线在径向方向上移动，从而在相对于该纵向轴线的每个角位置处，每一连续纤维输出流或丝相对于该纵向轴线的径向距离通常是变化的并且在层-层或片-片之间变化。

根据一示例性实施例，所述装置进一步包括用于将纤维幅传送到碗状件的传送头。该传送头配置成相对于碗形件的纵向轴线径向移动以将纤维幅分散在碗状件内已有的连续纤维输出流或丝上。定位于分离器和传送头之间的径向延伸的辊可操作地与碗形件的纵向定位相协同地动作并在所述连续纤维刹车盘预制件在所述碗形件内形成时对预制件的连续纤维输出流和纤维幅进行压缩，另外，所述装置包括适于在基本垂直于待成型预制件的第一和第二纵向端部的方向上运动的针刺头，该针刺头用于针刺所述预制件以在大致纵向方向上并在预制件的层或段之间拉动所述连续纤维输出流和纤维幅的纤维。线性纵向位移传感器及相应的电路用于控制碗形件相对于分离器、辊、传送头和针刺头的高度(并且，由此控制所述预制件的高度)。

根据示例性实施例，用于制造连续纤维刹车盘预制件的方法包括形成螺旋结构，所述螺旋结构由基本上在其纵向设置的两端之间延伸的连续纤维组成，并具有在两端之间的多个层或段。所述方法包括，但不限于，接收连续纤维输入流、将连续纤维输入流分离成多个连续纤维输出流，并将连续纤维输出流设置成所述层或阶的步骤。所述设置步骤包括在相对于纵向轴线的角位置处，改变每一连续纤维输出流在每一层或段内以及在纵向相邻层或段之间的、相对于预制件的中心纵向轴线的径向距离。所述方法进一步包括在预制件的层或段之间添加纤维幅并且针刺所述连续纤维输出流和纤维幅的步骤，以更好地将层或段与所述连续纤维输出流和纤维幅的纤维连接，所述连续纤维输出流和纤维幅的纤维基本上沿预制件的纵向轴线方向被拉入到层或段之间。

有利地，所述连续纤维刹车盘预制件相比于其他预制件具有更均匀的和更强的机械和结构性能，至少部分上归因于基本在预制件的纵向的第一和第二端部之间延伸的连续纤维输出流或丝。更均匀的和更强的机械和结构性能也至少部分上归因于每一连续纤维输出流或丝在每一层或段内以及在纵向相邻层或段之间的相对于预制件的中心纵向轴线的变化的径向距离。同样有利地，连续纤维或丝的使用减少了织物或非织物环形片段的库存和处理的需求并且减少了由织物材料的引起的碳化中的困难。

在结合附图阅读和理解了本申请的说明书的基础上，本发明的其他的用途、优点和益处变得显而易见。

附图说明

图1为示出根据本发明的示例性实施例的用于制造连续纤维刹车盘预制件的针刺机的一些组件的侧视示意图。

图2为图1中示出的针刺机的组件的俯视示意图。

图3为示出根据本发明的示例性实施例制造的连续纤维刹车盘预制件的一部分的剖面示意图，其沿图2的线3-3形成。

图4为根据本发明的示例性实施例制造的连续纤维刹车盘预制件的第一层的纤维束的俯视示意图。

图5为根据本发明的示例性实施例制造的连续纤维刹车盘预制件的第二层的纤维束的俯视示意图，该第二层和图4所述的第一层在纵向方向上或在纵向上相邻。

图6为根据本发明的示例性实施例制造的连续纤维刹车盘预制件的纵向相邻的第一和第二层的纤维束的俯视示意图，其示出纵向相邻层的纤维束的径向偏移。

具体实施方式

如附图所示，其中在多个视图中同样的附图标记表示同样的部件或步骤。根据本发明的一个示例的实施例，图1、2分别示出装置100的某些部件的侧视示意图和俯视示意图，该装置用于制造基本上包括纤维束104的连续纤维刹车盘预制件102(文中有时也称预制件102)。该装置100(文中有时也称针刺机100)包括碗状件106，其具有纵向内壁108和纵向外壁110，该纵向内壁108和纵向外壁110构成相对于中心纵向轴线112的旋转体。该碗状件106限定一环形腔体114(参见附图2)，该环形腔体114在内壁108和外壁110之间延伸以接收纤维束104，以及根据另一示例性实施例，接收短纤维116。该内壁108和外壁110定位于相对于中间纵向轴线112的径向位置处，该径向位置适于之后形成的特定预制件102的尺寸以在其之间接收预制件材料的纤维束104并有助于由纤维束104以连续的类似于螺旋的结构形成所述预制件102。碗状件106还包括由底板118形成的活动底部，该底板118为环形形状并且具有在碗状件的内外壁108、110之间纵向平移的尺寸。设置一驱动机构(未示出)以在所述针刺机100的操作期间升降所述底板118。该驱动装置也适于以合适的旋转速度相对于中心纵向轴线112转动所述碗状件106和底板118。

针刺机110还包括环形形状的泡沫基底120，该泡沫基底120的尺寸形成为基本在碗状件的内壁108和外壁110之间延伸。泡沫基底129位于底板118的上面并且和底板118同步上升和/或下降。泡沫基底120具有上表面122和相反的下表面124，并在两者之间定义一厚度T。上表面122支撑所述预制件102，下表面124和所述底板118相邻并抵靠于其上。根据示例性的实施例，泡沫基底120由具有低密度和/或快速回弹速率的泡沫材料制成，以使得当针刺机100的倒刺针176(下文描述)在预制件102的针刺过程中穿透并且向下偏转所述泡沫基底120的上表面122的部分时，该偏转被最小化并且泡沫基底120的偏转部分迅速恢复至其初始的未偏转位置和状态。这种泡沫材料可以包括交联聚乙烯或具有在2.5～8.0磅每立方英尺的范围内的密度的类似的半刚性材料，其中3.0～3.5磅每立方英尺的密度为最佳。同样根据示例性的实施例，泡沫基底120具有一个一般在0.75～3.0英寸的范围内的厚度T，其中1.0英寸的厚度T是最常见的。

进一步地，针刺机100包括分离器130，该分离器130从纤维束源(未示出，但是可能包括纤维束已预绕于其上的辊或者滚筒)接收纤维束104的连续输入流132并且将所述输入流132分离成纤维束104的多个输出流134，其中每个输出流134包括纤维束104的一根或多根单纤维。该分离器130将纤维束104的输出流134基本相互平行地并相对于碗状件的中心纵向轴线112具有不同距离地引导进入所述碗状件106。由于碗状件的中心纵向轴线112与预制件102的中心纵向轴线136共线，在所述纤维束104的输出流134离开所述分离器130时，所述预制件102的纤维束104也大体相互平行并且位于相对于预制件的中心纵向轴线136的不同距离处。

根据示例的实施例并且由箭头138所示，所述分离器130在时间上协同于所述碗状件106的转动而前后平移，从而在碗状件106转动时改变所述纤维束104的每一输出流134分别相对于碗状件的中心纵向轴线112的距离。通过以这种方式改变每一输出流134的各自的距离，预制件102的各纤维束104被定位成相对于所述预制件的中心纵向轴线136位于不同的距离和不同的角位置。同样，根据示例性的实施例，所述分离器130如箭头138指示左右平移，从而对应于所述预制件的类似螺旋的结构的每一纵向相邻层142(或“段”142)的特定输出流134的纤维束104基本相对于所述预制件的中心纵向轴线136偏移不同的径向距离，或“异相”，相对于所述预制件的中心纵向轴线136位于各自的角位置。

所述针刺机100还包括传送头150，如箭头152所示，传送头150在碗状件的内壁108和外壁110之间沿着碗状件106的半径154前后平移。所述传送头150通过在传送头150和短纤维源158之间延伸的管道156接收松散的短纤维116。根据示例性的实施例，短纤维源158可以包括将短纤维116截断为期望的尺寸并且将所述短纤维116经由管道156吹向传送头150的装置。当所述碗状件106旋转时，所述短纤维116从所述传送头150落到制造中的预制件102上的随机位置，并且通过所述传送头150的移动而被分布。该截断了的、松散的短纤维116作为预制件102的纤维幅或Z-向纤维。

进一步地，针刺机100包括安装在所述碗形件的内壁108和外壁110之间且从所述碗形件的中心纵向轴线112沿着半径162延伸的辊160。根据示例性实施例，所述辊160在弧向方向上定位在分离器130和传送头150之间。在所述针刺机100的操作期间，该辊160绕轴(未示出)旋转并且与制造中的预制件102的上表面接触。根据示例性的实施例，该辊160在由水平平面切开时具有锥形横截面形状并且在最接近碗形件的内壁108处具有较小的直径以及在最接近碗形件的外壁110处具有较大的直径。该辊160在预制件102上施加基本向下的力，以将预制件102的纵向相邻层142的纤维束102在纵向方向上按压或压缩到一起。辊160的操作也倾向于将短纤维116基本向下推入预制件的纵向相邻层142中，以助于在所述预制件的纵向方向上将所述纵向相邻层142连接在一起。

进一步地，所述针刺机100包括针刺头170和在纵向方向上位于所述针刺头下方并安装于其上的针刺板172。所述针刺头170由驱动机构(未示出)驱动以使得所述针刺头170以及由此所述针刺板172沿由双向箭头174指示的纵向的上下方向快速往复移动。所述针刺板172具有安装于其中的多个倒刺针176，从而在所述针刺板172上下平移时，所述倒刺针176上下移动通过一固定的距离。在所述针刺机100的操作和对所述纤维束104及所述短纤维116进行针刺以形成所述预制件102的过程中，所述倒刺针176将所述预制件的最上面的纵向相邻层142的纤维向下拉进定位于最上面的纵向相邻层142下方的纵向相邻层142或拉进所述泡沫基底120。通过将最上面的纵向向相邻层142中的纤维拉进位于最上面的纵向相邻层142下方的纵向相邻层，最上面的纵向相邻层142和下面的纵向相邻层142得以相连并且形成大体成整体的预制件结构。

更进一步地，所述针刺机100包括纵向线性位移传感器180(文中有时也称“VLDT 180”)，该传感器180牢固地固定到所述针刺机100的位于所述碗状件的环形形状的腔体114的上方的其他结构上，并位于沿着从所述碗状件的中心纵向轴线112延伸的半径182并位于碗状件的内壁108和外壁110(见图2)之间的位置处。所述纵向线性位移传感器180可操作地连续测量所述预制件102的最上层142的上表面和所述纵向线性位移传感器180之间的竖直或纵向距离。一旦确定该纵向距离，所述VLDT 180产生输出信号，该输出信号使得碗形件的驱动机构将所述碗形件的底板118降低到足够保持所述预制件102的最上层142的上表面始终处于基本相同的竖直或纵向高度。

在所述针刺机100的操作过程中，碗形件106如箭头190所示绕中心纵向轴线112正时针旋转以基本由连续纤维束104形成预制件102而不是由预切割的织物或非织物纤维的环形片段形成预制件。在所述碗形件106旋转的同时，所述针刺机100接收来自纤维束源并进给到所述分离器130的纤维束104的连续输入流132，输入流132在所述分离器130处被分成多个相邻的连续的纤维束104的输出流134。碗形件106转动的同时，所述分离器130基本上在所述碗形件的内壁108和外壁110之间平移，从而所述纤维束104的输出流134开始被铺放在泡沫基底120的上面，并且在碗形件106的一个完整旋转之后，被铺放于预制件102的之前的纵向相邻层142的上面。

在纤维束104的每一纵向相邻层142被铺放时，所述碗形件的底板118下降以将预制件102的上表面保持在基本恒定的竖直或纵向高度。所述分离器的平移与所述碗形件106的转动使得纤维束104的输出流134铺放于相对于预制件的中心纵向轴线136而变化的距离处以及铺放于绕预制件的中心纵向轴线136的不同角位置处。所述分离器的平移与所述碗形件106的转动也使得相应于特定的输出流134的纤维束104被铺放，以便在预制件102的每一纵向相邻层142或段142中，纤维束104相对于预制件的中心纵向轴线136基本上偏移不同的距离并且“异相”，位于相对于预制件的中心纵向轴136的各个角位置处。由于纤维束104的这种异相，预制件102整体具有更一致和均匀的物理和机械性能

一旦所述纤维束104被初始铺放，所述纤维束即与所述碗形件106在辊160下同步旋转。所述辊160在基本上向下的纵向方向上推压所述纤维束104。所述辊160的下压力趋向于压缩所述预制件102的纵向相邻层142或段142并且使得任何之前加入的松散的短纤维116(如下文所述)被向下压入到预制件102的层142或段142之间和/或被推压成特定的定向，以使得松散短纤维116在之后对预制件102的操作中不再重新定向。

由此，所述碗状件106在所述传送头150下进一步旋转之后，松散的短纤维116由所述传送头150输送到制造中的预制件102上。所述传送头150基本在碗形件106的内壁108和外壁110之间平移同时将松散的短纤维116输送到制造中的预制件102上。这种平移使得在所述预制件102的径向方向上更均匀地散发短纤维116。一些松散的短纤维116留在预制件102的上表面上，而一些松散的短纤维116向下落入预制件102的其他层142中。

当所述碗状件106继续旋转时，最新铺放的纤维束104和短纤维116在针刺板172下经过，在该处当所述针刺板172相对于预制件102在纵向方向上向下移动时所述纤维束104和短纤维116由所述板的倒刺针176接合。被接合的纤维束104和短纤维116被纵向向下拉向所述泡沫基底120并进入纵向相邻层142，如果有的话，在最新铺放的纤维束104和短纤维116之下。将不饿接合的纤维束104和短纤维116向下拉入纵向相邻层142或段142中，使得将所述预制件102的纵向相邻层142在纵向方向上连接成为整体结构，并且还趋向于阻止预制件102的纵向相邻层142或段142的分离或脱层。

在经过针刺板172下方之后，最新铺下的纤维束104和短纤维116以及预制件102的上表面在VLDT 180的下方旋转。该VLDT 180确定上表面的高度并且向碗形件的驱动机构输出信号以将碗形件的底板118足够降低，从而在整个预制件102的制造中保持预制件102的上表面始终处于同样的高度。通过碗形件106的进一步旋转，最新铺放的纤维束104和短纤维116在分离器130下旋转，在该处新的纤维束104铺放到预制件102上。针刺机100的操作按照上述方法继续进行直到制造出整个预制件102。在从碗形件106上移除所述预制件102之后，预制件102可能会被模切以根据预制件102的具体要求来对预制件102的内外径向尺寸进行修整。

由于所述预制件102由纤维束104的连续流制成，因此所述预制件102具有基本螺旋形结构，该螺旋形结构包括与螺钉的螺纹相类似的纵向相邻层或段142。图3示出使用针刺机100和本文描述的方法所制造的连续纤维刹车预制件102的一部分的截面图。在图3中，预制件102的螺旋结构的纵向相邻层142或段142可见。也如交叉平行阴影线所示，纵向相邻层142或段142的纤维束104相对于预制件的中心纵向轴线136偏移变化的距离，以达到更高的强度和整体上更一致的物理和机械性能。通过图4-6能更清晰地理解这种偏移。

图4示出预制件102的一扇形区的第一层142A的纤维束104的俯视示意图，其示出当纤维束104绕中心纵向轴线136延伸时，所述纤维束相对于预制件的中心纵向轴线136偏移不同的距离。图5示出预制件102的同一扇形区的第二层142B的纤维束104的俯视示意图，其中示出当纤维束104绕中心纵向轴线136延伸时，所述纤维束相对于预制件的中心纵向轴线136偏移不同的距离。图6示出层-层(或片-片)间的偏移效果，在图6中，图4的预制件102的一扇形区的第一层142A的纤维束104的俯视图被叠加到图5的预制件102的同一扇形区的第二层142B的纤维束104的俯视图上。如图6所示，每一纵向相邻层142A、142B的纤维束104相对于预制件中心纵向轴线136变化地、径向地偏移，而相邻层142A、142B中的每一层的纤维束104也相对于另一层的纤维束104变化地偏移。因此，通过在预制件102的制造过程中分离器130的适当的平移，纵向相邻层142A、142B的纤维束104在纵向方向上未对齐，从而提高预制件102的物理和力学性能。

在本发明的可替换实施例中，短纤维116可以被输送到传送头150，而不是被吹起并通过管道156提供给传送头150。在本发明的另一可替换实施例中，短纤维116可由来自纤维幅卷的纤维幅代替，该纤维幅卷在径向展开。同样在本发明的可替换实施例中，辊160可以定位于传送头150和针刺板172之间的位置，从而最新铺下的纤维束104在短纤维116添加其上之后在基本纵向方向下被向下按压。仍然在本发明的可替换实施例中，可用多个分离器130以完善纤维束104的每一流的偏移。

将会理解和认识到，本文所描述制造预制件的装置和方法制造出一预制件，在该预制件中，靠近预制件内径的纤维角度不同于靠近预制件外径的纤维角度。进一步的将会理解和认识到，在使用由不同的纤维束采用不同的进给速度进给的多个分离器的另一可替换实施例中，靠近预制件内径处的纤维角度与外径处的纤维角度的差别被削弱。

尽管上文已经通过一个示例及其可替换的实施例详细描述了本发明，但将会理解，在本发明的思想和范围之内可以做出改变和变更。