专利名称：二维锥形壳体织物的织造方法
技术领域：
本发明涉及一种二维织物织造技术，具体是一种二维锥形壳体织物的织造方法，国际专利主分类号拟为Int.Cl D03D 13/00(2006.01)。
背景技术：
二维锥形壳体织物属于异型织物。它具有形状特殊、纱线均匀分布、型面尺寸准确性要求高、整体性要求好等特点，在航天领域中特别是在固体火箭发动机复合材料壳体中的应用较为广泛。用碳纤维织造的二维锥形壳体织物经渗碳处理后制成C/C复合材料壳体，与传统的金属制件相比具有很好的减重效果，同时各种性能也均能满足要求。
目前，二维锥形壳体织物的制备或成型方法主要有1.裁剪铺层法，即采用机织平面织物通过适当裁剪和合理铺层来制成二维锥形壳体状织物的方法。这种成型方法的主要缺点是平面织物经裁剪后的整体性很差，铺层操作的可控性不好，二维锥形壳体织物制件各部分的纤维体积含量均匀性和一致性不良，型面尺寸的准确性较低，影响制件的整体性能，尤其是壳体制件的环向力学性能薄弱，质量难以保证。2.缠绕法，即采用纤维束沿环向、母线方向直接缠绕到模具上的方法。该成型方法的主要缺点是纵、横纤维束之间无交织，使得壳体制件的整体性很差，当缠绕的是异形件时很难保证各处的纤维排列的均匀性，特别是进入后续加工时常常发生纤维从表层开始的逐层无紊乱甚至脱落的问题，质量较差。
发明内容
本发明拟解决所述二维锥形壳体织物成型方法技术问题是，设计一种二维锥形壳体织物的织造方法，该织造方法特别适用于制作C/C复合材料壳体的预制件，具有操作简单，效率高，适应性强，方便实际应用等特点，所织造出的二维锥形壳体织物具有减重效果明显，织物整体性好，制件各部分的纤维体积含量均匀一致，型面准确性好等特点。当然该织造方法同样适用于制作树脂基、陶瓷基复合材料壳体的预制件。
本发明解决所述织造方法技术问题的技术方案是设计一种二维锥形壳体织物的织造方法，该织造方法以成型模具为中心采用3台或3台以上均布的织机织造，首先按织物结构要求预置经纱，然后采用环形引纬法并配合模具成型法将纬纱逐一引入经纱并使经纬纱交织；随着锥形模具直径的增大或减小，按照与所述锥形模具直径增减变化相适应的数量在加纱点加入经纱或在减纱点减掉经纱，尔后继续采用所述的环形引纬法并配合模具成型法进行经纬纱交织；依此反复进行，直至二维锥形壳体织物整体织造完成。
与现有技术相比，本发明的织造方法将预置经纱法、环形引纬法并配合模具成型法、加减经纱法三种织造工艺巧妙结合并运用于二维锥形壳体织物的织造过程中，可实现二维锥形壳体织物的立体化整体织造，解决了制件织物的整体性差，铺层操作可控性低，制件各部分的纤维体积含量均匀一致性不良，型面尺寸准确性差，尤其是壳体的环向力学性能薄弱、质量难以保证等问题，同时可获得最大限度地减重和增强织物整体性及确保织物质量的积极效果。本发明织造方法所织造出的二维锥形壳体织物具有整体性好、环向力学性能高、纤维分布均匀、型面尺寸准确等优良性能，可广泛用于航空、航天、武器和民用等有关领域。
图1为本发明二维锥形壳体织物的织造方法一种实施例所采用的组织结构示意图；图2为本发明二维锥形壳体织物的织造方法一种实施例所采用的预置经纱法的部分示意图；图3为本发明二维锥形壳体织物的织造方法一种实施例所采用的环形引纬法的示意图；图4为本发明二维锥形壳体织物的织造方法一种实施例所采用的经纱开口和预置经纱法的另一部分示意图；图5为本发明二维锥形壳体织物的织造方法一种实施例所织造的曲线圆台锥锥形壳体织物整体结构形状的示意图；图6为本发明二维锥形壳体织物的织造方法另一种实施例所织造的小端对接的两节直线圆台锥锥形壳体织物整体结构形状的示意图；图7为本发明二维锥形壳体织物的织造方法又一种实施例所织造的对接的两节腰鼓形锥形壳体织物整体结构形状的示意图；图8为本发明二维锥形壳体织物的织造方法再一种实施例所织造的圆柱形壳体织物整体结构形状的示意图；图9为本发明二维锥形壳体织物的织造方法一种实施例采用围成四边形的四台织机织造示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明，但本发明不受实施例限制本发明设计的二维锥形壳体织物(以下简称壳体织物)的织造方法(以下简称织造方法)以成型模具3为中心，采用3台或3台以上均布的织机9织造，首先是按织物结构要求预置经纱2，然后采用环形引纬法并配合模具成型法将纬纱5逐一引入经纱2开口并使经纬纱交织；随着锥形成型模具3直径的增大或减小，按照与所述锥形成型模具3直径增减变化相适应的数量在加纱点11加入经纱2或在减纱点10减掉经纱2，尔后继续采用所述的环形引纬法并配合模具成型法进行经纬纱交织；依此反复进行，直至二维锥形壳体织物整体织造完成。
本发明织造方法是C/C复合材料壳体制造的关键技术之一。以织造圆锥体形壳体织物为例，其具体织造工艺如下(参见图1-9)1.首先预置经纱。根据壳体织物底部的周长要求设计预置经纱2的总根数，并根据壳体织物的长度确定经纱2的长度，将这些经纱2的一端均匀挂在成型模具3的大端(底端)上，另一端穿过一台织机9上的综丝7后与经轴8相连。3台及以上的织机围成一个多边形，n台织机围成的n边形。一般情况下，所述的织机为4-8台。实施例采用了4台织机91、92、93和94，围成一个正方形(参见图9)。将模具3大端上的所有经纱2等分成彼此相邻的n份，每一份中的所有经纱2依次穿入同一台织机上的综丝，一根综丝只穿一根经纱2。
2.采用环形引纬法引纬并配合模具成型法使经纬纱交织。织机运转时，其上的综框6进行上升或下降的往复运动，从而带动穿过其上综丝的经纱2也上升或下降往复运动，在上升与下降的同时经纱2之间形成一条通道-梭口，n(n大于2)台织机围成的n边形就有n个梭口，并构成一个n边环形；此时梭子12按照n边形折线方式顺次穿过每一个梭口，并将一根连续的纬纱5留在其中，当综框再次进行上升或下降的往复运动后，经、纬纱二者产生交织，同时形成n个新梭口，再次引入纬纱5，依次反复交织织造。在给定适当的纬纱张力条件下，使每一圈纬纱5的长度恰好等于模具3在此处的周长，以此措施使得壳体织物紧紧贴附在所述模具3的表面。所述的织机可以是传统织机。为了节约成本，实施例所述的织机是大为简化的传统织机，只组装了传统织机的综框6、经纱轴8、梭子、开口机构和一些必要的导辊等，且对它们之间的相对位置进行了调整(参见图4)。将调整后的n(n大于2)台织机组合起来，围成n边形即可织造各种形状的壳体织物。
所述梭口形成的具体方法与采用的具体组织结构有关。以图1所示的2/2斜纹组织结构为例，织造此组织结构需4页综框61、62、63、64(参见图4)，这4页综框将分成两组分别上升或下降，按照组织结构的要求，在形成4次梭口中它们上升或下降的规律是61、62上升，63、64下降；62、63上升64、61下降；63、64上升，61、62下降；64、61上升，62、63下降。四台织机保持同步，形成四次不同的环形梭口。如此周而复始，连续织造。
3.加减经纱法成型。随着织造的进行，模具尺寸逐渐变小(或变大)，需减掉(或加上)部分经纱，以保证需要的经纱密度。每织一纬可减或加经一次，每一次可减掉(图5、图6中的10为减纱点)或加上(图6中的11为加纱点)任意根数的经纱(加减经纱数量与织物或模具的锥度有关)，以达到模具此处所需经纱根数为准。在减纱点10减纱时，应当将经纱2从被新织入的一根纬纱5压住部位的根部剪断，同时剪断其与经纱轴8相连的另一端，抽出此段经纱后，继续正常织造。类似，在加纱点11处加纱时，应当将经纱2的一端挂在成型模具3的一端(例如大端或底端)上，另一端穿过相应的一台织机9上的相应综丝7后与经轴8相连接。该根经纱2应在加纱点11处被刚刚织入的纬纱5压住，此后参与后续的正常交织织造。若一次减掉或加上一根以上的经纱，则需将这些减纱或加纱点均匀分布在此处的圆周上。织造、减纱或加纱反复进行，直至达到模具3的顶部(小端)，从根部剪断所有的剩余经纱2后，完成所需壳体织物的织造。
本发明所述的模具3可由石墨材料或聚氨酯泡沫塑料制成，所述的二维锥形壳体织物可以为1层及1层以上的多层，或者说二维锥形壳体织物为m所述层(m＝1，2，3，4……)。1层以上多层织物的织造按照第1层的织造方法接续织造即可。实施例的二维锥形壳体织物为4层。
本发明所述的二维锥形壳体织物是一类二维锥形壳体织物的统称，包括直线圆台锥锥形壳体织物(参见图3)、曲线圆台锥锥形壳体织物(参见图5)、圆柱形壳体织物(参见图8，可认为锥形壳体织物的锥度是0)等；也包括对接或组合锥形壳体织物，例如小端对接的两节直线圆台锥锥形壳体织物(参见图6)、对接的两节腰鼓形锥形壳体织物(参见图7)等，不难理解，对接或组合也可以是锥形壳体织物大端的对接或组合，同时对接或组合不限于两节锥形壳体织物，也可以是多节锥形壳体织物对接或组合，同理对接或组合锥形壳体织物也不限于是同样结构形状的锥形壳体织物，也可以是不同结构形状的多节锥形壳体织物对接或组合。本发明所述的二维锥形壳体织物的织造方法具有广泛适用性，对于所述的各种锥形壳体织物均可织造完成，并且保证质量。
本发明所述的二维锥形壳体织物的组织结构是一类简单二维组织结构，可以是平纹组织、斜纹组织、缎纹组织、平纹变化组织、斜纹变化组织、缎纹变化组织、联合组织等结构中的任何一种[参见蔡陛霞，织物结构与设计，北京纺织工业出版社，1979年]。实施例织物的组织结构是2/2斜纹组织结构(参见图1)，但实际使用中可根据制件的要求，具体确定织物组织结构以及纱线粗细和纱线原料等工艺参数，这些都是业内普通技术人员容易完成的工作。
用本发明所述的织造方法织造出的壳体织物，具有良好的整体性，所有的环向纱线是一根连续的纬纱5，连续完成织造；壳体织物中的纱线是均匀分布的，壳体织物的型面尺寸能够精确满足工艺要求，因而使用该织物作增强体的复合材料具有整体性好、型面尺寸精度高、纤维含量分布均匀、环向力学性能好等优良性能。
本发明未述及之处适用于现有技术。
下面给出本发明的具体实施例。
实施例1采用本发明织造方法织造曲线圆台锥形壳体织物(参见图5)。
图5所示模具的大端直径为500mm，母线长度为650mm，经纱密度为70根/10cm，纬纱密度为70根/cm。根据模具大端的尺寸要求和密度要求计算得出所需的经纱根数为1099根，根据壳体的母线长度要求截取长度为1300mm的经纱1099根，将1099根经纱的一端均匀挂在模具的大端上，再将这些经纱等分成相邻的四份，将经纱的另一端分别穿过图9中的四台织机中的对应一台上的综丝并与织机下方的经纱轴8相连。
采用图9所示的4台织机织造。启动织机，综框作上升下降的往复运动，经纱随之形成上下两层，构成引入纬纱的通道——梭口，四台织机的四个纬纱通道组成一个四边环形，梭子12在此四边环行梭口中按照折线4的方式通过并留下一根连续的环行纬纱。此后综框继续作上升下降运动，部分综框的上、下位置发生转变，从而在完成一次经纬纱交织的同时，又形成一个新的环行通道，进入下一次环行引纬。每一次环行引纬留在梭口中的纬纱在纬纱张力的作用下其长度恰好等于模具此处的周长，使得织成的织物紧紧贴附在模具表面。
采用图1所示的2/2斜纹组织结构。完成4个环形引纬后织入了4根纬纱，根据设计工艺，进入减纱点10，每台织机在相同的经纱位置将经纱从被新织入的一根纬纱压住部位的根部剪断，同时剪断其与经纱轴相连的另一端，抽出此段经纱后，继续正常织造。
当纬纱到达模具另一端后，从根部剪断所有的剩余经纱，第一层曲线圆台锥形壳体织物织造完成。
如果需要2层织物，则第二层曲线圆台锥形壳体织物的织造重复上述第一层织物的整个织造过程织造即可。第三层、第四层等的多层织物均可依此方法织造。
实施例2采用本发明织造方法织造两节直线圆台锥锥形壳体织物(参见图6)。
两节直线圆台锥锥形壳体织物前一截锥的织造过程同于实施例1。后一节锥的织造也基本等同于前一节锥，所不同的是将减纱操作改为了加纱操作。即织造达到两节连接处后，继续织造，随着形成的壳体织物的逐渐增长，进入加纱点11，取一根长度为L的纱线，将其一端挂在模具大端(起始端)的对应位置上，另一端穿过相应织机上的相应综丝后与织机下方的经纱轴相连，此后，当棕框作上下往复运动时将带动此根经纱一同运动，从而开始参与纬纱的交织。
实施例3采用本发明织造方法织造圆柱形壳体织物(参见图8)。
圆柱形壳体织物的织造方法同于实施例1的织造方法，但要简单得多。区别仅是所述的织造过程自始至终无需减纱或加纱操作。
权利要求
1.一种二维锥形壳体织物的织造方法，该织造方法以成型模具为中心采用3台或3台以上均布的织机织造，首先按织物结构要求预置经纱，然后采用环形引纬法并配合模具成型法将纬纱逐一引入经纱并使经纬纱交织；随着锥形模具直径的增大或减小，按照与所述锥形模具直径增减变化相适应的数量在加纱点加入经纱或在减纱点减掉经纱，尔后继续采用所述的环形引纬法并配合模具成型法进行经纬纱交织；依此反复进行，直至二维锥形壳体织物整体织造完成。
2.根据权利要求1所述的二维锥形壳体织物的织造方法，其特征在于所述的织机为4-8台；所述的模具由石墨材料或聚氨酯泡沫塑料制成；所述的二维锥形壳体织物为1层及1层以上的多层。
3.根据权利要求1所述的二维锥形壳体织物的织造方法，其特征在于在所述的减纱点减纱操作时，应当将经纱从被新织入的一根纬纱压住部位的根部剪断，同时剪断其与经纱轴相连的另一端，抽出此段经纱后，继续正常织造；在所述的加纱点处加纱时，应当将经纱的一端挂在成型模具的一端上，另一端穿过相应的织机上的相应综丝后与经轴相连接；该根经纱应在加纱点处被刚刚织入的纬纱压住，此后参与后续的正常交织织造。
4.一种二维锥形壳体织物，它采用权利要求1、2或3所述的织造方法织造而得。
全文摘要
本发明涉及一种二维锥形壳体织物的织造方法。该织造方法以成型模具为中心采用3台或3台以上均布的织机织造，首先按织物结构要求预置经纱，然后采用环形引纬法并配合模具成型法将纬纱逐一引入经纱并使经纬纱交织；随着锥形模具直径的增大或减小，按照与所述锥形模具直径增减变化相适应的数量在加纱点加入经纱或在减纱点减掉经纱，尔后继续采用所述的环形引纬法并配合模具成型法进行经纬纱交织；依此反复进行，直至二维锥形壳体织物整体织造完成，可实现二维锥形壳体织物的立体化整体织造，力学性能好，可控性高，一致性优，型面尺寸准确，确保织物质量。
文档编号D03D13/00GK1932101SQ20061001611
公开日2007年3月21日 申请日期2006年10月9日 优先权日2006年10月9日
发明者杨彩云, 李嘉禄 申请人:天津工业大学