專利名稱：一種旋轉(zhuǎn)滾針式復合材料層間連接增強裝置與方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明專利涉及樹脂基復合材料制造領域，用于纖維鋪放設備中，是一種旋轉(zhuǎn)滾針式復合材料層間連接增強裝置與方法。
背景技術(shù)：
纖維鋪放裝置主要應用于制造航空航天，船舶，汽車等工業(yè)領域中，所制造出的樹 脂基纖維增強復合材料產(chǎn)品具有比強度高、比模量高、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、導熱 和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點。目前，纖維鋪放工藝是制造復合材料構(gòu)件的主要方法之一，其工藝過程是先將纖 維預浸帶一層一層地鋪放在芯模表面，經(jīng)過若干層的鋪放使復合材料構(gòu)件達到設計厚度， 制作出預成型件，然后將預成型件放入熱壓罐進行固化，接著經(jīng)過后處理最終制成復合材 料零件。由于沿纖維鋪層的厚度方向沒有增強體，層間連接主要是樹脂的二維粘結(jié)作用，所 以樹脂基復合材料構(gòu)件層間強度較低，因此層間開裂、分層等破壞形式成為復合材料構(gòu)件 最主要的失效形式之一，大大降低了復合材料構(gòu)件的使用壽命和可靠性。為了提高層間強度，在制造復合材料構(gòu)件的工藝中引入了 Z-PINS技術(shù)、縫合技 術(shù)、三維編織技術(shù)，他們的共同特點是在復合材料構(gòu)件層間增加連接，如Z-PINS技術(shù)在復 合材料層間植入鈦合金針或者碳纖維針，縫合技術(shù)是將多層織物沿其厚度方向縫合成預成 型件，三維編織技術(shù)通過機織方法制作出具有三維纖維走向的復合材料預成型件。但是， Z-PINS技術(shù)中所采用的真空加壓增韌方法只能制造大平面面板結(jié)構(gòu)，而高壓槍增韌方法不 能大面積植入PIN針，制造效率較低；同時，Z-PINS技術(shù)需要先將PIN針預植入載體中，且 需要專用的植入設備將PIN針植入復合材料預成型件，增加了工藝復雜度?？p合技術(shù)需要 先進的縫合專用設備，特別是在制造大型復合材料構(gòu)件時，設備的控制系統(tǒng)十分復雜，目前 美國已經(jīng)開發(fā)出由38臺計算機控制的4針頭縫紉機。三維編織技術(shù)也需要高性能的三維編 織機，工藝設備成本較高，國外已經(jīng)實現(xiàn)了三維全自動編織機，而國內(nèi)編織設備發(fā)展緩慢， 編織效率較低。為了促進復合材料在我國各行各業(yè)的應用，研究高自動化程度，低成本，簡易可行 的提高復合材料構(gòu)件層間強度的制造裝置和方法已經(jīng)成為亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的需要采用配套的專用設備，工藝復雜等問題，本發(fā)明目 的是一種旋轉(zhuǎn)滾針式復合材料層間連接增強裝置，該裝置通過旋轉(zhuǎn)滾筒上的異形針將卷繞 在卷筒上的纖維絲束從復合材料預成型件表面法向刺入，同時通過樹脂在復合材料層間流 動、貫通、固化粘結(jié)，使預浸纖維絲束沿復合材料預成型件表面法向固定，將多個鋪層在厚 度方向串連，增加復合材料層間的連接。為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種旋轉(zhuǎn)滾針式復合材料層間連接增強裝置，包括旋轉(zhuǎn)滾筒和設置在旋轉(zhuǎn)滾筒表面的異形針；所述的旋轉(zhuǎn)滾筒包括固定軸、軸承端蓋、筒體、柔性保護層、螺栓和滾動軸承；所述筒體內(nèi)部同軸設置有固定軸，筒體兩端通過螺栓固定安裝有軸承端蓋，軸承端蓋內(nèi)側(cè) 設置有滾動軸承，滾動軸承內(nèi)圈套接在固定軸上，滾動軸承外圈與筒體固定連接，在筒體外 表面設置有柔性保護層；所述異形針穿過柔性保護層并垂直于筒體表面；所述裝置還包括 卷筒，該卷筒表面纏繞有纖維絲束；所述纖維絲束置于異形針的頂端。所述異形針是有缺口錐形針或無缺口錐形針，其在筒體外表面平行分布或者螺旋 分布，其伸出長度可以調(diào)整。所述固定軸兩端具有方榫結(jié)構(gòu)。一種增強復合材料層間連接方法，首先，將復合材料預成型件置于旋轉(zhuǎn)滾筒下面， 設置在旋轉(zhuǎn)滾筒表面的異形針與復合材料預成型件上表面接觸；其次，將旋轉(zhuǎn)滾筒向前滾 動并使異形針沿復合材料預成型件厚度方向刺入，在復合材料預成型件形成孔隙并將置于 異形針頂端的纖維絲束壓入復合材料預成型件內(nèi)部；最后，在復合材料預成型件固化過程 中，樹脂充分流動，填充孔隙，并粘接固定纖維絲束，完成在復合材料構(gòu)件層間的增強連接。一種增強復合材料層間連接方法，首先，將復合材料預成型件置于旋轉(zhuǎn)滾筒下面， 設置在旋轉(zhuǎn)滾筒表面的異形針與復合材料預成型件上表面接觸；其次，將旋轉(zhuǎn)滾筒向前滾 動并使異形針沿復合材料預成型件厚度方向刺入，在復合材料預成型件中形成孔隙；最后， 在復合材料預成型件固化過程中，樹脂充分流動，在各個鋪層間貫通并填充孔隙，完成在復 合材料構(gòu)件層間的增強連接。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明帶來的有益技術(shù)效果是一、增加了復合材料層間的連接，能夠提高復合材料層間強度，從而延長復合材料 構(gòu)件使用壽命。二、工藝方法及裝置簡單，無需復雜的機構(gòu)和工藝流程，容易實現(xiàn)。三、該裝置能夠和現(xiàn)有的纖維鋪放裝備結(jié)合，無需開發(fā)新的工藝裝備，充分發(fā)揮纖 維鋪放裝備自動化程度高的特點，從而適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)使用，簡單高效。


圖1是旋轉(zhuǎn)滾針裝置示意圖一。圖2是引入纖維絲束增加層間連接方法示意圖。圖3是旋轉(zhuǎn)滾針裝置示意圖二。圖4是樹脂貫通增加層間連接方法示意圖。圖5是旋轉(zhuǎn)滾筒結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是一種異形針的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖5的局部放大視圖。圖7是另一種異形針的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖5的局部放大視圖。圖8是異形針分布示意圖一。圖9是異形針分布示意圖二。圖10是異形針分布示意圖三。圖11是異形針分布示意圖四。其中卷筒1、纖維絲束2、旋轉(zhuǎn)滾筒3、異形針4、在制復合材料預成型件5、固定軸 3-1、軸承端蓋3-2、滾筒3-3、柔性保護層3-4、螺栓3_5、滾動軸承3_6、缺口形針4_1、錐形針4-2、鋪層5-1、小孔5-2。
具體實施例方式
具體實施方式
一結(jié)合圖1，圖2，圖6來說明本實施方式。本實施方式是通過旋轉(zhuǎn) 式滾針針刺的方式將纖維絲束從復合材料預成型件表面法向引入，以增加復合材料層間的 連接。包括卷筒1，纖維絲束2，旋轉(zhuǎn)滾筒3，異形針4，在制復合材料預成型件5。當旋轉(zhuǎn) 滾筒在在制復合材料預成型件表面滾動的同時，給滾筒施加一個垂直于復合材料預成型件 表面的壓力，使異形針刺入，并將纖維絲束引入，以增加層間連接。具體過程如圖2中所示， 首先制作出具有若干鋪層5-1的復合材料預成型件，接著，通過滾壓使異形針4-1刺入復合 材料預成型件中，形成小孔5-2并引入纖維絲束，然后在固化過程中預成型件中的樹脂充 分流動，填充小孔，最終固化纖維絲束，以增強復合材料構(gòu)件厚度方向的連接。
具體實施方式
二 結(jié)合圖3，圖4，圖7來說明本實施方式。本實施方式是通過旋轉(zhuǎn) 式滾針針刺的方式使樹脂在復合材料層間流動、貫通，粘接固化，以增加復合材料層間的連 接。包括旋轉(zhuǎn)滾筒3，異形針4，在制復合材料預成型件5。當旋轉(zhuǎn)滾筒在在制復合材料預 成型件表面滾動的同時，給滾筒施加一個垂直于復合材料預成型件表面的壓力，使異形針 刺入形成孔隙，待固化時樹脂充分流動，沿復合材料預成型件厚度方向貫通，從而增加層間 連接。具體過程如圖4中所示，首先制作出具有若干鋪層5-1的復合材料預成型件，接著， 通過滾壓使異形針4-1刺入復合材料預成型件中，形成小孔5-2，然后在固化過程中預成型 件中的樹脂充分流動，沿復合材料預成型件厚度方向貫通，填充小孔，最終固化，增強復合 材料構(gòu)件厚度方向的連接。該方法取消了纖維絲束，更加簡單便捷。
具體實施方式
三結(jié)合圖5來說明本實施方式。本實施方式中的旋轉(zhuǎn)滾筒裝置包 括固定軸3-1，軸承端蓋3-2，滾筒3-3，柔性保護層3-4，螺栓3_5，滾動軸承3_6。滾筒通 過軸承，軸承端蓋，螺栓聯(lián)接在固定軸上，繞固定軸旋轉(zhuǎn)，固定軸兩端的方榫用于和其他機 械裝置聯(lián)接。柔性保護層包裹在滾筒的外面，用于防止?jié)L筒滾動時對復合材料預成型件表 面的損傷。
具體實施方式
四結(jié)合圖5，圖6，圖7來說明本實施方式。本實施方式中的異形針 包括缺口形針4-1和錐形針4-2，缺口形針用于在刺穿復合材料預成型件鋪層形成孔隙的 同時引入纖維絲束，當針頭從復合材料預成型件中拔出時使纖維絲束留在孔隙中，經(jīng)過固 化后增強層間的連接；錐形針用于刺穿復合材料預成型件鋪層形成孔隙，在固化時使樹脂 流動貫通，填充該孔隙，經(jīng)過固化后增強層間的連接。
具體實施方式
五結(jié)合圖5，圖8，圖9來說明本實施方式。本實施方式中的異形針 在滾筒圓周上分布的數(shù)量根據(jù)工藝需要來確定，可以是四個(圖8)，六個(圖9)，或者其他數(shù)量。
具體實施方式
六結(jié)合圖5，圖10，圖11來說明本實施方式。本實施方式中的異形 針在滾筒圓柱上的分布方式根據(jù)工藝需要來確定，可以采用平行式(圖10)，也可以采用螺 旋式(圖10)，或者其他分布形式。同時，異形針的長度可以根據(jù)工藝要求來調(diào)整。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下所做出若干簡單的推演或替換都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍.
權(quán)利要求
一種旋轉(zhuǎn)滾針式復合材料層間連接增強裝置，其特征在于包括旋轉(zhuǎn)滾筒和設置在旋轉(zhuǎn)滾筒表面的異形針；所述的旋轉(zhuǎn)滾筒包括固定軸、軸承端蓋、筒體、柔性保護層、螺栓和滾動軸承；所述筒體內(nèi)部同軸設置有固定軸，筒體兩端通過螺栓固定安裝有軸承端蓋，軸承端蓋內(nèi)側(cè)設置有滾動軸承，滾動軸承內(nèi)圈套接在固定軸上，滾動軸承外圈與筒體固定連接，在筒體外表面設置有柔性保護層；所述異形針穿過柔性保護層并垂直于筒體表面；所述裝置還包括卷筒，該卷筒表面纏繞有纖維絲束；所述纖維絲束置于異形針的頂端。
2.如權(quán)利要求1所述一種旋轉(zhuǎn)滾針式復合材料層間連接增強裝置，其特征在于所述 異形針是有缺口錐形針或無缺口錐形針，其在筒體外表面平行分布或者螺旋分布，其伸出 長度可以調(diào)整。
3.如權(quán)利要求1所述一種旋轉(zhuǎn)滾針式復合材料層間連接增強裝置，其特征在于所述 固定軸兩端具有方榫結(jié)構(gòu)。
4.基于權(quán)利要求1所述裝置的增強復合材料層間連接方法，其特征在于首先，將復 合材料預成型件置于旋轉(zhuǎn)滾筒下面，設置在旋轉(zhuǎn)滾筒表面的異形針與復合材料預成型件上 表面接觸；其次，將旋轉(zhuǎn)滾筒向前滾動并使異形針沿復合材料預成型件厚度方向刺入，在復 合材料預成型件形成孔隙并將置于異形針頂端的纖維絲束壓入復合材料預成型件內(nèi)部；最 后，在復合材料預成型件固化過程中，樹脂充分流動，填充孔隙，并粘接固定纖維絲束，完成 在復合材料構(gòu)件層間的增強連接。
5.基于權(quán)利要求1所述裝置的增強復合材料層間連接方法，其特征在于首先，將復合 材料預成型件置于旋轉(zhuǎn)滾筒下面，設置在旋轉(zhuǎn)滾筒表面的異形針與復合材料預成型件上表 面接觸；其次，將旋轉(zhuǎn)滾筒向前滾動并使異形針沿復合材料預成型件厚度方向刺入，在復合 材料預成型件中形成孔隙；最后，在復合材料預成型件固化過程中，樹脂充分流動，在各個 鋪層間貫通并填充孔隙，完成在復合材料構(gòu)件層間的增強連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種旋轉(zhuǎn)滾針式復合材料層間連接增強裝置與方法，該裝置應用于樹脂基復合材料構(gòu)件制造領域，包括卷筒，纖維絲束，旋轉(zhuǎn)滾筒，異形針，在制復合材料預成型件。該裝置通過旋轉(zhuǎn)滾筒上的異形針將卷繞在卷筒上的纖維絲束從復合材料預成型件表面法向刺入，同時通過樹脂在復合材料層間流動、貫通、固化粘結(jié)，使纖維絲束沿復合材料預成型件表面法向固定，將多個鋪層在厚度方向串連，增加復合材料層間的連接。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便等優(yōu)點。
文檔編號D04H18/00GK101962878SQ20101027020
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者盧秉恒, 張小輝, 李滌塵, 段玉崗 申請人:西安交通大學