МАШИНА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ МНОГОМЕРНОГО ПЛЕТЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК D04C3/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к области техники, связанной с формированием композитных материалов путем плетения, и, более конкретно, к машине для формирования композитных материалов путем многомерного плетения.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В рамках различных развивающихся отраслей промышленности стратегического назначения в Китае высокопрочные волокна, в том числе углеродные волокна, арамидные волокна, полиэтилен и стекловолокно, а также содержащие их изделия из композитных материалов имеют преимущества, заключающиеся в малом весе, высокой прочности, коррозионной устойчивости, уникальных свойствах обеспечения маскировки и т.д. Композитные материалы, находящие широкое применение в сферах деятельности, к которым относятся ветроэнергетика, аэронавтика и космонавтика, автомобилестроение, железнодорожное сообщение, строительство, производство оружия й бронетехники, кораблестроение, химическое проектирование, спорт и т.д., представляют собой важную область, которая характеризуется высокой конкуренцией и развивается разными странами во всем мире в качестве приоритетной отрасли. Композитные материалы являются основными исходными материалами в различных прогрессивных отраслях промышленности, в том числе аэронавтике, космонавтике и т.д. Например, технология композитных материалов является решающей технологией в конкуренции между компаниями Boeing и Airbus, а также одним из критических вопросов в проектах создания гражданских самолетов в Китае. Композитные материалы, используемые в самолете Boeing 787, уже составляют более 50% от общей массы самолета. Обшивки малозаметных истребителей в основном выполнены из композитных материалов, обеспечивающих поглощение волн сверхвысокочастотного диапазона. Кроме того, композитные материалы являются одним из основных факторов, обеспечивающих малозаметность самолетов и военных кораблей. Несмотря на множество превосходных эксплуатационных характеристик, существует необходимость в устранении следующих недостатков для расширения диапазона применения композитных материалов.

1. Легко возникающее межслойное растрескивание.

Большинство существующих волокнистых композитных материалов изготавливается путем наложения листов из волокнистого материала, содержащих волокнистую ткань, препреги и т.д., с получением определенной толщины и путем отверждения листов с помощью смоляных субстратов. Благодаря наличию сверхпрочных волокон на поверхностях листов в двух измерениях, прочность указанных листов в несколько раз превышает прочность стали и может достигать 3000 МПа. Однако между листами имеются смоляные пластмассовые субстраты, и межслойная прочность является чрезвычайно низкой и составляет всего 100 МПа. Прочность волокон в слоях превышает прочность пластмассы между слоями более чем в 30 раз. Таким образом, легко возникающее межслойное растрескивание является недостатком, присущим волокнистым композитным материалам. Вследствие низкой межслойной прочности и относительно низкой прочности на удар и сжатие межслойное растрескивание является основной причиной разрушения композитных материалов, особенно когда они подвергаются ударным и сжимающим воздействиям, вызывающим усталость материала.

Для улучшения межслойной прочности композитных материалов могут использоваться способы, к которым относятся межслойное сшивание, трехмерное прядение, трехмерное плетение и т.д. Несмотря на то что в исследованиях и разработках были достигнуты некоторые успехи, эти технологии усложняют производственные процессы, а также характеризуются очень высокой стоимостью и ограниченным использованием. Тем не менее, широко применяемые многоосные крученые трикотажные композитные материалы не позволяют получить трехмерные структуры вследствие ограничения по толщине. Таким образом, межслойное растрескивание является основным недостатком, который ухудшает эксплуатационные качества композитных материалов. Следовательно, всеобщей задачей является улучшение межслойной прочности композитных материалов при низких издержках.

2. Низкая эффективность ламинирования и большие трудовые затраты.

Как правило, при необходимости использования длинных волокон в качестве конструкционных материалов листы из волокнистого материала изготавливаются с использованием пряжи и пластин из композитного материала, либо изделия изготавливаются путем наложения слоев из волокнистых листов с получением определенной толщины. Процессы создания пряжи, тканей, полотен/композитов являются необходимыми при использовании длинных волокон в качестве материалов. Однако во всем процессе производства изделий из волокнистых композитных материалов эффективным образом с использованием технологии прядения может быть реализован только процесс изготовления тканей из пряжи. Поскольку листы из волокнистого материала с трудом поддаются автоматической и механической обработке, дорогостоящие устройства для автоматизированной ориентации волокон могут использоваться лишь в прогрессивных отраслях промышленности, требующих очень высокой точности ламинирования таких листов, например в самолетостроении. Таким образом, в отрасли промышленности, связанной с композитными материалами, листы из волокнистых материалов главным образом изготавливают путем ламинирования с получением пластин и изделий вручную, что является неэффективным с точки зрения производства и требует больших трудовых затрат, при этом низкая эффективность ручного ламинирования всегда была критическим вопросом в процессе производства композитных материалов.

3. Дорогостоящие высокопрочные волокна, в том числе углеродные волокна, арамидные волокна, высокомодульный полиэтилен и т.д.

Низкая межслойная прочность, низкая эффективность ламинирования и большие трудовые затраты в процессе ламинирования волокнистых композитных материалов приводят к ограниченному применению композитных материалов и ограниченному спросу на высокопрочные волокна, в том числе углеродные волокна, арамидные волокна, высокомодульный полиэтилен и т.д., которые на рынке в основном используются в изделиях высокого технического уровня. В дополнение к технической монополии развитых стран на углеродные волокна, арамидные волокна и высокомодульный полиэтилен, эти высокопрочные волокна по своей природе весьма дорогостоящи. Хорошими новостями является то, что производственные проблемы, связанные с углеродными волокнами и высокомодульным полиэтиленом, недавно были решены в Китае для реализации производства на месте, так что арамидные волокна скоро будут производить внутри страны.

В случае повышения межслойной прочности композитных материалов и автоматизации ламинирования композитных материалов при низких затратах спрос на композитные материалы будет неизбежно увеличиваться, при этом также значительно возрастет объем выпуска углеродных волокон, арамидных волокон и высокомодульного полиэтилена, а затраты на их производство, предположительно, снизятся.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью данного изобретения является создание машины для формирования композитных материалов путем многомерного плетения для решения технической проблемы, заключающейся в отсутствии в уровне техники высокоавтоматизированных производственных установок, способных создавать композитные материалы высокой прочности.

Для реализации указанной цели в данном изобретении предложена машина для формирования композитных материалов путем многомерного плетения, содержащая направляющий шаблон с цилиндрическими направителями, расположенными в соответствии с геометрической формой заранее изготовленного элемента, электрический механизм управления трехмерным перемещением, расположенный над направляющим шаблоном и содержащий терминал приема управляющего сигнала, предназначенный для приема сигналов управления перемещением, соответствующих геометрической форме заранее изготовленного элемента, и выходной терминал для обеспечения трехмерного перемещения, предназначенный для формирования траектории перемещения в соответствии с сигналом управления перемещением, ткацкий механизм, содержащий ткацкую иглу, соединенную с указанным выходным терминалом и предназначенную для перемещения переплетаемых волокон между цилиндрическими направителями вдоль траектории перемещения так, что волокна распределяются между цилиндрическими направителями в соответствии с геометрической формой указанного заранее изготовленного элемента.

Кроме того, направляющий шаблон сдержит ткацкую пластину, на которой выполнены равномерно распределенные первые сквозные отверстия. Под ткацкой пластиной установлена перфорированная пластина, под которой установлены направляющие стойки с регулируемыми высотами, при этом в перфорированной пластине выполнены вторые сквозные отверстия, коаксиальные соответствующим первым сквозным отверстиям, направляющие стойки проходят через первые сквозные отверстия и вторые сквозные отверстия, а цилиндрические направители представляют собой цилиндрические втулки, установленные на направляющих стойках и имеющие необходимые высоты.

На выходном терминале установлен пневматический патрон для зажимного крепления ткацкой иглы, цилиндрических направителей и/или направляющих стоек.

Каждая направляющая стойка выполнена с зажимными канавками, распределенными в осевом направлении с равными интервалами. Под перфорированной пластиной установлена подвижная регулировочная пластина. Под подвижной регулировочной пластиной установлена опорная пластина для направляющих стоек, являющаяся неподвижной относительно перфорированной пластины. Подвижная регулировочная пластина выполнена с возможностью скольжения относительно перфорированной пластины. На подвижной регулировочной пластине выполнены удлиненные и закругленные проходы, расположенные напротив вторых сквозных отверстий перфорированной пластины. Направляющие стойки проходят через указанные удлиненные и закругленные проходы и перемещаются в них при перемещении подвижной регулировочной пластины.

На подвижной регулировочной пластине установлены блокирующие элементы, соответствующие указанным зажимным канавкам. Подвижная регулировочная пластина имеет положение блокировки для совмещения блокирующих элементов с зажимными канавками с обеспечением фиксации высот направляющих стоек, и положение разблокировки для разделения блокирующих элементов и зажимных канавок.

Блокирующий элемент представляет собой пластинчатую пружину, установленную у конца удлиненного и закругленного прохода в его продольном направлении и проходящую наклонно к направляющей стойке, расположенной в указанном проходе. Зажимные канавки образованы коническими частями направляющей стойки и выступами, выполненными у концов этих частей, имеющих малый диаметр.

Под подвижной регулировочной пластиной установлена первая опорная рамная конструкция. Указанная первая рама выполнена с первой опорной рамой, расположенной на периферии подвижной регулировочной пластины. На первой опорной раме расположена установочная пластина. На боковой поверхности установочной пластины выполнен регулировочный резьбовой стержень, проходящий горизонтально. Первый конец указанного стержня прочно соединен с подвижной регулировочной пластиной.

На нижней поверхности подвижной регулировочной пластины выполнен смещающий хомут. Первый конец регулировочного резьбового стержня прочно соединен с подвижной регулировочной пластиной при помощи смещающего хомута, а на втором конце указанного стержня выполнена регулировочная рукоятка.

На установочной пластине также выполнено соединительное отверстие, предназначенное для присоединения первой опорной рамы.

Первая рамная конструкция содержит четыре первые опорные ножки, при этом опорная пластина для направляющих стоек расположена между указанными четырьмя ножками.

На перфорированной пластине также выполнены установочные втулки, коаксиально совмещенные со вторыми сквозными отверстиями, при этом направляющие стойки проходят через указанные установочные втулки.

Верхний конец направляющей стойки выполнен с первой кольцевой платформой, проходящей в наружном радиальном направлении.

На периферии цилиндрического направителя выполнены кольцевые канавки, предназначенные для ограничения положений переплетаемых волокон.

Верхний конец цилиндрического направителя выполнен со второй кольцевой платформой, проходящей в наружном радиальном направлении.

Электрический механизм управления трехмерным перемещением дополнительно содержит блок перемещения по оси X, содержащий опорный элемент оси X, проходящий вдоль первого направления, направляющий рельс оси X, установленный на указанном опорном элементе оси X, синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси X, установленный вдоль направляющего рельса оси X и снабженный ползуном оси X, блок перемещения по оси Y, содержащий опорный элемент оси Y, соединенный с ползуном оси X и проходящий вдоль второго направления, вертикального относительно первого направления, направляющий рельс оси Y, установленный на опорном элементе оси Y, синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси Y, установленный вдоль направляющего рельса оси Y и снабженный ползуном оси Y, и блок перемещения по оси Z, содержащий опорный элемент оси Z, проходящий вдоль третьего направления, вертикального относительно плоскости, образованной первым и вторым направлениями, направляющий рельс оси Z, установленный на опорном элементе оси Z, и синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси Z, установленный вдоль направляющего рельса оси Z и снабженный ползуном оси Z, который прочно соединен с ползуном оси Y, при этом у нижнего конца опорного элемента оси Z выполнен выходной терминал для обеспечения трехмерного перемещения.

Опорный элемент оси X содержит первый опорный элемент и второй опорный элемент, расположенные параллельно. Направляющий рельс оси X содержит первый направляющий рельс и второй направляющий рельс, установленные соответственно на первом опорном элементе и втором опорном элементе. Синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси X установлен на первом опорном элементе. Синхронизирующий ремень указанного механизма соединен с первым концом опорного элемента оси Y. Ползун оси X содержит первый ползун, расположенный на первом направляющем рельсе, и второй ползун, расположенный на втором направляющем рельсе. Первый ползун и второй ползун расположены соответственно под первым концом и вторым концом опорного элемента оси Y.

Предложенная машина для формирования композитных материалов путем многомерного плетения дополнительно содержит стеллаж для хранения цилиндрических направителей, расположенный у первой стороны направляющего шаблона. Указанный стеллаж содержит опорный кронштейн и пластину для хранения, установленную на указанном кронштейне. На указанной пластине заготовлены цилиндрические направители с различными высотами.

Кроме того, на пластине для хранения выполнены равномерно распределенные резьбовые отверстия. В резьбовых отверстиях расположены накопительные опорные стержни для поддержания цилиндрических направителей. На нижних концах накопительных опорных стержней выполнена наружная резьба, сопряженная с резьбовыми отверстиями.

Ткацкий механизм дополнительно содержит механизм для подачи и натяжения волокнистой пряжи, расположенный у второй стороны направляющего шаблона.

Механизм для подачи и натяжения волокнистой пряжи содержит третий кронштейн, кронштейн для размещения бобин с волокном, установленный на опорном брусе третьего кронштейна и снабженный опорными стержнями для поддержания бобин с волокном, и несущие пластины натяжных шкивов, установленные на опорном брусе третьего кронштейна. На каждой несущей пластине расположены натяжной шкив для подачи волокнистой пряжи к ткацкой игле и направляющий шкив.

Кроме того, механизм для подачи и натяжения волокнистой пряжи дополнительно содержит основание для хранения ткацкой иглы, которое расположено на одной стороне опорной пластины натяжного шкива.

Полезный эффект изобретения заключается в следующем.

В предложенной машине для формирования композитных материалов путем многомерного плетения цилиндрические направители и электрический механизм управления трехмерным перемещением используются для перемещения переплетаемых жгутов при помощи ткацкой иглы с обеспечением их распределения между цилиндрическими направителями вдоль траектории перемещения с образованием направляющего шаблона. Указанная машина может применяться при формировании путем многомерного плетения крупногабаритных и сложных материалов и может повышать межслойную прочность композитных материалов. В формирующей машине используется технология быстрого формирования для осуществления многомерного плетения композитных материалов, при этом технические процессы являются автоматизированными.

Помимо вышеописанных целей, особенностей и преимуществ, изобретение имеет другие цели, особенности и преимущества. Ниже приведено подробное описание изобретения со ссылкой на чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, являющиеся частью заявки, служат для обеспечения более полного понимания изобретения. Иллюстративные варианты выполнения изобретения и их изображения служат для пояснения изобретения и не ограничивают его. На прилагаемых чертежах:

фиг. 1 изображает схематический вид в аксонометрии конструкции машины для формирования композитных материалов путем многомерного плетения в предпочтительном варианте выполнения изобретения,

фиг. 2 изображает схематический вид общей конструкции направляющего шаблона в предпочтительном варианте выполнения изобретения,

фиг. 3 изображает вид опорного стержня направителя в предпочтительном варианте выполнения изобретения,

фиг. 4 изображает схематический вид конструкции поверхности цилиндрического направителя в предпочтительном варианте выполнения изобретения,

фиг. 5 изображает схематический вид регулирующей конструкции подвижной регулировочной пластины, расположенной под направляющим шаблоном, в предпочтительном варианте выполнения изобретения,

фиг. 6 изображает схематический вид, показывающий относительное взаимное положение блокирующего элемента и зажимной канавки во время свободного падения опорного стержня направителя после выполнения плетения,

фиг. 7 изображает схематический вид, показывающий относительное взаимное положение блокирующего элемента и зажимной канавки при нахождении подвижной регулировочной пластины в положении блокировки,

фиг. 8 изображает вид электрического механизма управления трехмерным перемещением в предпочтительном варианте выполнения изобретения,

фиг. 9 изображает схематический увеличенный вид части II, показанной на фиг. 8,

фиг. 10 изображает вид блока перемещения по оси X в предпочтительном варианте выполнения изобретения,

фиг. 11 изображает схематический частичный увеличенный вид в направлении А, показанном на фиг. 10,

фиг. 12 изображает вид блока перемещения по оси Y в предпочтительном варианте выполнения изобретения,

фиг. 13 изображает вид в направлении В, показанном на фиг. 12,

фиг. 14 изображает частичный увеличенный вид области 30а, показанной на фиг. 8, и

фиг. 15 изображает схематический частичный увеличенный вид механизма подачи и натяжения волокнистой пряжи в предпочтительном варианте выполнения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ

Ниже приведено описание вариантов выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Однако изобретение может быть реализовано различными способами, ограниченными и охватываемыми формулой изобретения.

Как показано на фиг. 1, в данном изобретении предложена машина для формирования композитных материалов путем многомерного плетения, содержащая направляющий шаблон 60 с цилиндрическими направителями 62, расположенными в соответствии с геометрической формой заранее изготовленного элемента, электрический механизм 30 управления трехмерным перемещением, расположенный над шаблоном 60 и содержащий терминал приема управляющего сигнала, предназначенный для приема сигналов управления перемещением, и выходной терминал 30а для обеспечения трехмерного перемещения, предназначенный для формирования траектории перемещения в соответствии с сигналами управления перемещения. Указанная машина также содержит ткацкий механизм 50, содержащий ткацкую иглу 14, соединенную с выходным терминалом 30а и обеспечивающую перемещение переплетаемых волокон с их распределением между направителями 62 вдоль траектории перемещения.

Как показано на фиг. 2, для придания формы направляющему шаблону 60 указанный шаблон 60 содержит ткацкую пластину 60а. На пластине 60а выполнены равномерно распределенные первые сквозные отверстия. Пластина 60а опирается на прямоугольную раму 59. Под пластиной 60а установлена перфорированная пластина 65. В пластине 60а выполнены вторые сквозные отверстия, коаксиальные соответствующим первым сквозным отверстиям. Под перфорированной пластиной 65 установлены направляющие стойки 61с регулируемыми высотами. Верхние концы стоек 61 проходят через указанные первые и вторые сквозные отверстия с расположением над ткацкой пластиной 60а. Направители 62 представляют собой цилиндрические втулки, установленные на стойках 61 и имеющие необходимые высоты.

Как показано на фиг. 3, направляющая стойка 61 выполнена с зажимными канавками 61а, распределенными в осевом направлении с равными интервалами. Канавки 61а могут быть образованы коническими частями стойки 61 и выступами, выполненными у концов этих частей, имеющих малый диаметр. Верхний конец стойки 61 выполнен с первой кольцевой платформой 61с, проходящей в наружном радиальном направлении. Часть, расположенная под платформой 61с, может быть захвачена зажимным устройством для перемещения стойки 61.

Как показано на фиг. 4, для расположения переплетаемых волокон на поверхностях направителя 62 на периферии направителя 62 выполнены ряды кольцевых канавок 62а, предназначенные для ограничения положений переплетаемых волокон. Каждая канавка 62а образована выступами, проходящими в наружном радиальном направлении по направителю 62. Для удобного захвата направителя 62 его верхний конец может быть выполнен со второй кольцевой платформой 62с, проходящей в наружном радиальном направлении, при этом часть, расположенная под платформой 62с, может быть зажата с помощью патрона, предназначенного для зажимного крепления направителя 62.

Как показано на фиг. 5, под перфорированной пластиной 65 установлена подвижная регулировочная пластина 68. Под пластиной 68 установлена опорная пластина 64 для направляющих стоек, являющаяся неподвижной относительно пластины 65. При падении всех стоек 61 (см. фиг. 2) их нижние концы расположены на пластине 64. Пластина 68 выполнена с возможностью скольжения относительно пластины 65. На пластине 68 выполнены удлиненные и закругленные проходы 72 (см. фиг.2), расположенные напротив вторых сквозных отверстий пластины 65. Направляющие стойки 61 проходят через проходы 72 и перемещаются в них при перемещении пластины 68.

На пластине 68 установлены блокирующие элементы, соответствующие зажимным канавкам 61а. Пластина 68 имеет положение блокировки для совмещения блокирующих элементов с канавками 61а с обеспечением фиксации высот стоек 61, и положение разблокировки для разделения блокирующих элементов и канавок 61а с обеспечением продолжения регулирования высот стоек 61.

Под пластиной 68 установлена первая опорная рамная конструкция 58 (см. фиг. 2). Первая рама 58 выполнена с первой опорной рамой 58а, расположенной на периферии пластины 68. Как видно на фиг. 5, на раме 58а расположена установочная пластина 63. В пластине 63 выполнены внутренние резьбовые отверстия. В одном из указанных отверстий расположен регулировочный резьбовой стержень 69, сопряженный с этим отверстием. Телескопический конец стержня 69 прочно соединен с пластиной 65.

Как показано на фиг. 6 и 7, блокирующий элемент может представлять собой пластинчатую пружину 71, установленную у конца прохода 72 в его продольном направлении и проходящую наклонно к стойке 61, расположенной в проходе 72.

Как видно на фиг. 5, нижняя поверхность пластины 68 закреплена с помощью смещающего хомута 70. Первый конец стержня 69 прочно соединен с хомутом 70, а на втором конце стержня 69 выполнена регулировочная рукоятка 69а. Стержень 69 поворачивается с помощью рукоятки 69а, при этом он проходит во внутреннее резьбовое отверстие пластины 63 с приведением в, действие хомута 70 для перемещения пластины 68 так, что происходит совмещение пружин 71 с канавками 61а для блокирования стоек 61. В течение определенного времени стойки 61 могут быть только подняты и не могут быть опущены. После плетения компонента относительное линейное перемещение стрежня 69 и установочной пластины 63 приводит к прямолинейному перемещению регулировочной пластины 68 так, что стойки 61 могут свободно падать на опорную пластину 64, а не быть прочно зажаты пружинами 71.

На установочной пластине 63 также выполнены соединительные отверстия 63а, предназначенные для присоединения первой опорной рамы 58а.

Как видно на фиг. 2, рамная конструкция 58 содержит четыре первые опорные ножки 58 с, между которыми расположена пластина 64.

На перфорированной пластине 65 также выполнены установочные втулки 66 (см. фиг. 2 и 5), коаксиально совмещенные со вторыми сквозными отверстиями, при этом стойки 61 проходят через указанные втулки 66.

Контурный размер или форма направителей 62 в шаблоне 60 может быть изменен(а) в соответствии с внешними особенностями заранее сплетенного компонента. Высоты стоек 61, предназначенных для поддержания направителей 62, могут быть отрегулированы в. соответствии с внешними особенностями указанного компонента. Перфорированная пластина 65 закреплена на конструкции 58. Для повышения жесткости стоек 61 на пластине 65 установлены установочные втулки 66, охватывающие периферию стоек 61. Подвижная регулировочная пластина 68 подвешена под перфорированной пластиной 65 при помощи монтажных оснований 67 (см. фиг. 5), скрепленных с пластиной 65, и может совершать линейное перемещение относительно пластины 65. Пластинчатые пружины 71 совмещены с проходами 72 на пластине 68 для зажимного крепления или высвобождения стоек 61.

Направители 62 с различными высотами могут храниться на пластине 83 для хранения (см. фиг. 1). Направители 62 с различными высотами выбираются и устанавливаются на матрицу из стоек 62 в соответствии с внешними особенностями плетеного компонента для выполнения приближенного плетения.

Как показано на фиг. 8, электрический механизм 30 дополнительно содержит блок перемещения по оси X, содержащий опорный элемент оси X, проходящий вдоль первого направления, направляющий рельс оси X, установленный на указанном опорном элементе оси X, и синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси X, установленный вдоль направляющего рельса оси X и снабженный ползуном оси X, блок перемещения по оси Y, содержащий опорный элемент 12 оси Y, соединенный с ползуном оси X и проходящий вдоль второго направления, вертикального относительно первого направления, направляющий рельс 11 оси Y, установленный на элементе 12, и синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси Y, установленный вдоль рельса 11 и снабженный ползуном 31 оси Y, и блок перемещения по оси Z, содержащий опорный элемент 8 оси Z, проходящий вдоль третьего направления, вертикального относительно плоскости, образованной первым и вторым направлениями, направляющий рельс 9 оси Z, установленный на элементе 8, и синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси Z, установленный вдоль рельса 9 и снабженный ползуном 33 оси Z, который прочно соединен с ползуном 31, при этом у нижнего конца элемента 8 выполнен выходной терминал 30 для обеспечения трехмерного перемещения.

Для повышения поддерживающей способности механизма 30 опорный элемент оси X может содержать первый опорный элемент 3 и второй опорный элемент 6, расположенные параллельно. Направляющий рельс оси X содержит первый направляющий рельс 5 и второй направляющий рельс 7, установленные соответственно на элементе 3 и элементе 6. На первом рельсе 5 и втором рельсе 7 установлены соответственно первый синхронизирующий ременный перемещающий механизм и второй синхронизирующий ременный перемещающий механизм. Указанные первый и второй механизмы содержат соответственно первый ползун 17 (см. фиг. 11) и второй ползун 27 (см. фиг. 9). Два конца элемента 12 оси Y соединены соответственно с ползуном 17 и ползуном 27.

Фактически, для осуществления многомерного плетения композитных материалов также могут использоваться блоки более многомерного перемещения, в том числе блок четырехосного перемещения или блок пятиосного перемещения и т.д.

Более конкретно, устройство перемещения по оси X содержит первый рельс 5 и второй рельс 7, расположенные параллельно. Первый направляющий рельс опирается на элемент 3, а второй направляющий рельс 7 опирается на элемент 6. Между первым опорным элементом 3 и вторым опорным элементом. 6 имеется заданное расстояние, которое может быть определено шириной шаблона 60 (см. фиг. 1). Расстояние между элементами 3 и 6 может быть установлено относительно большим, при этом размер шаблона 60 соответственно увеличен в соответствии с пространством, необходимым для плетения крупного компонента. Первый ползун 17 установлен на первом рельсе 5, а второй ползун 27 установлен на втором рельсе 7. Первый элемент 3 и второй элемент 6 соединены поперечным соединительным стержнем 13 (см. фиг. 8). Один конец опорного элемента 12 оси Y может быть соединен с первым ползуном 17 соединительной XY пластиной 18 (см. фиг. 11). Синхронизирующий ремень 21 синхронизирующего ременного перемещающего механизма оси X присоединен к другому концу элемента 12 с помощью крепежной пластины 26.

Как показано на фиг. 10, ведущий ролик 22 синхронизирующего ремня оси X соединен с редуктором 24 оси X, закрепленным на элементе 3, при помощи роликового подшипника. Ведомый ролик 19 указанного ремня установлен на шпинделе 50 оси X с помощью подшипника и удерживающего кольца, расположенного у конца указанного подшипника. Шпиндель 50 затянут на элементе 3 с помощью резьбы. Блок перемещения по оси X использует двигатель 25 и редуктор 24 в качестве силовых узлов, приводящих во вращение ведущий ролик 22, который работает в качестве привода под действием двигателя 25 для обеспечения перемещения первого ползуна 17 и второго ползуна 27 по первому рельсу 5 и второму рельсу 7.

Как показано на фиг. 12, блок перемещения по оси Z содержит направляющий рельс 9, который поддерживается опорным элементом 8. На рельсе 9 установлен ползун 33, соединенный с ползуном 31 оси Y при помощи ортогональной соединительной YZ пластины 10. На пластине 10 закреплена соединительная прижимная пластина 38, входящая в состав синхронизирующего ременного механизма оси Y и прижимающая синхронизирующий ремень 32 к крепежной пластине 39 оси Y. Ведущий ролик 35 синхронизирующего ремня оси Y соединен с редуктором 36 оси Y, расположенным на элементе 12, с помощью роликового подшипника. Ведомый ролик 29 указанного ремня установлен на шпинделе 49 оси Y с помощью подшипника и удерживающего кольца, расположенного у конца указанного подшипника. Шпиндель 49 закреплен на элементе 12 (см. фиг. 9). Устройство перемещения по оси Y использует двигатель 37 и редуктор 36 в качестве исполнительных узлов, а двигатель 37 и ведомый ролик 35 - в качестве приводных узлов для обеспечения перемещения ползуна 31 по рельсу 11.

Как показано на фиг.13, основание 42 ведущего ролика синхронизирующего ремня оси Z закреплено на соединительной пластине 10. Ведущий ролик 47 синхронизирующего ремня оси Z соединен с редуктором 40 оси Z, закрепленным на основании 42, при помощи роликового подшипника. Направление ролика 47 изменяется при помощи шкива 45 синхронизирующего ремня. Шкив 45 установлен на валу 48 с помощью подшипника и удерживающего кольца, расположенного у конца указанного подшипника. Вал 48 шкива закреплен на основании 42 ведущего ролика с помощью резьбы.

Как видно на фиг. 1, предложенная машина для формирования композитных материалов путем многомерного плетения дополнительно содержит стеллаж для хранения цилиндрических направителей, расположенный у первой стороны направляющего шаблона 60. Стеллаж 80 содержит опорный кронштейн 81 и пластину 83 для хранения, установленную на кронштейне 81. На пластине 83 заготовлены направители 62 с различными высотами.

На пластине 83 выполнены равномерно распределенные резьбовые отверстия. В резьбовых отверстиях расположены накопительные опорные стержни (на чертеже не показаны) для поддержания направителей 62. На нижних концах накопительных опорных стержней выполнена наружная резьба, сопряженная с резьбовыми отверстиями.

Как показано на фиг. 14, на выходном терминале 30а установлен пневматический патрон 15 для зажимного крепления ткацкой иглы и направителей 62, заготовленных на пластине 83. В патроне 15 может использоваться существующий стандартный компонент.

Как видно на фиг. 1, ткацкий механизм 50 предложенной машины дополнительно содержит механизм для подачи и натяжения волокнистой пряжи, расположенный у второй стороны шаблона 60.

Как показано на фиг. 15, механизм для подачи и натяжения волокнистой пряжи содержит третий кронштейн 57, кронштейн 56 для размещения бобин с волокном, установленный на опорном брусе 57а третьего кронштейна 57 и снабженный опорными стержнями для поддержания бобин 55 с волокном, и несущие пластины 52 натяжных шкивов, установленные на опорном брусе 57а и расположенные на верхней части рампы кронштейна 56. На каждой несущей пластине расположены натяжной шкив 53 для подачи волокнистой пряжи к ткацкой игле и направляющий шкив 54. Кронштейн 56 смонтирован на брусе 57 при помощи болтов. Бобины 55 с волокном расположены в поперечном направлении на кронштейне 56. Несущие пластины 52 и основание 51 для ткацкой иглы установлены на другом опорном брусе 57а с помощью болтов. Натяжной шкив 53 и направляющий шкив 54 установлены на каждой пластине 52. Направленная шкивом 54 волокнистая пряжа из бобин 55 подвергается натяжению с помощью шкива 53 и переносится ткацкой иглой 14 (см. фиг. 1) для выполнения плетения пряжи.

Вышеизложенное относится только к предпочтительным вариантам выполнения изобретения и не должно считаться ограничивающим его. Специалистами в данной области техники могут быть выполнены различные модификации и изменения изобретения. Любые модификации, эквивалентные замены, усовершенствования и т.д., выполненные в рамках сущности и идеи изобретения, входят в объем правовой охраны изобретения.

Машина для формирования композитных материалов путем многомерного плетения содержит направляющий шаблон (60) со столбчатыми направляющими элементами (62), расположенными в соответствии с геометрической формой заранее изготовленного изделия, электрически управляемый механизм (30) трехмерного перемещения, содержащий конец для приема сигнала управления, используемый для приема сигнала управления перемещением, соответствующего геометрической форме заранее изготовленного изделия, и выходной конец (30а) для обеспечения трехмерного перемещения, используемый для формирования траектории перемещения в соответствии с сигналом управления перемещением, и ткацкую иглу (14), соединенную с указанным выходным концом (30а) и используемую для распределения переплетаемых волокон между столбчатыми направляющими элементами (62) на основании геометрической формы заранее изготовленного изделия. Предложенная машина с помощью столбчатых направляющих элементов и электрически управляемого механизма трехмерного перемещения обеспечивает возможность перемещения переплетаемых шнуров под действием ткацкой иглы с их распределением между столбчатыми направляющими элементами вдоль траектории перемещения для образования направляющего шаблона, применимого для крупногабаритного и сложного многомерного плетения и формирования композитного материала и обеспечивающего эффективное повышение межслойной прочности композитного материала. Поскольку для многомерного плетения и формирования композитного материала применяется технология быстрого формирования, технический процесс, выполняемый формирующей машиной, является автоматизированным. 20 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Машина для формирования композитных материалов путем многомерного плетения, отличающаяся тем, что она содержит
направляющий шаблон (60) с цилиндрическими направителями (62), расположенными в соответствии с геометрической формой заранее изготовленного элемента,
электрический механизм (30) управления трехмерным перемещением, расположенный над направляющим шаблоном (60) и содержащий терминал приема управляющего сигнала, предназначенный для приема сигналов управления перемещением, соответствующих геометрической форме заранее изготовленного элемента, и выходной терминал (30а) для обеспечения трехмерного перемещения, предназначенный для формирования траектории перемещения в соответствии с сигналами управления перемещением, и
ткацкий механизм (50), содержащий ткацкую иглу (14), соединенную с указанным выходным терминалом и предназначенную для перемещения переплетаемых волокон между цилиндрическими направителями (62) вдоль траектории перемещения с обеспечением распределения переплетаемых волокон между направителями (62) в соответствии с геометрической формой заранее изготовленного элемента.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что направляющий шаблон (60) содержит ткацкую пластину (60а), на которой выполнены равномерно распределенные первые сквозные отверстия, перфорированную пластину (65), установленную под ткацкой пластиной (60а), направляющие стойки (61) с регулируемыми высотами, установленные под перфорированной пластиной (65), при этом в перфорированной пластине (65) выполнены вторые сквозные отверстия, коаксиальные соответствующим первым сквозным отверстиям, направляющие стойки (61) проходят через первые сквозные отверстия и вторые сквозные отверстия, а цилиндрические направители (62) представляют собой цилиндрические втулки, установленные на направляющих стойках (61) и имеющие необходимые высоты.

3. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что на выходном терминале (30а) для обеспечения трехмерного перемещения установлен пневматический патрон (15) для зажимного крепления ткацкой иглы (14), цилиндрических направителей (62) или направляющих стоек (61).

4. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что каждая направляющая стойка (61) выполнена с зажимными канавками (61а), распределенными в осевом направлении с равными интервалами, при этом под перфорированной пластиной (65) установлена подвижная регулировочная пластина (68), под которой установлена опорная пластина (64) для направляющих стоек, являющаяся неподвижной относительно перфорированной пластины (65), причем подвижная регулировочная пластина (68) выполнена с возможностью скольжения относительно перфорированной пластины (65) и на подвижной регулировочной пластине (68) выполнены удлиненные и закругленные проходы (72), расположенные напротив вторых сквозных отверстий перфорированной пластины (65), причем направляющие стойки (61) проходят через указанные проходы (72) и перемещаются в них при перемещении подвижной регулировочной пластины (68).

5. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что на подвижной регулировочной пластине (68) установлены блокирующие элементы, соответствующие зажимным канавкам (61а), при этом указанная пластина (68) имеет положение блокировки для совмещения блокирующих элементов с зажимными канавками (61а) с обеспечением фиксации высот направляющих стоек (61) и положение разблокировки для разделения блокирующих элементов и зажимных канавок (61а).

6. Машина по п. 5, отличающаяся тем, что блокирующий элемент представляет собой пластинчатую пружину (71), установленную у конца удлиненного и закругленного прохода (72) в его продольном направлении и проходящую наклонно к направляющей стойке (61), расположенной в указанном проходе (72), при этом зажимные канавки (61а) образованы коническими частями направляющей стойки (61) и выступами, выполненными на концах этих частей, имеющих малый диаметр.

7. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что под подвижной регулировочной пластиной (68) установлена первая опорная рамная конструкция (58), выполненная с первой опорной рамой (58а), которая расположена на периферии подвижной регулировочной пластины (68) и на которой установлена установочная пластина (63), при этом на боковой поверхности установочной пластины (63) выполнен регулировочный резьбовой стержень (69), который проходит горизонтально и первый конец которого прочно соединен с подвижной регулировочной пластиной (68).

8. Машина по п. 7, отличающаяся тем, что на нижней поверхности подвижной регулировочной пластины (68) выполнен смещающий хомут (70), при этом первый конец регулировочного резьбового стержня (69) прочно соединен с подвижной регулировочной пластиной (68) при помощи указанного хомута (70), а на втором конце регулировочного резьбового стержня (69) выполнена регулировочная рукоятка (69а).

9. Машина по п. 7, отличающаяся тем, что установочная пластина (63) дополнительно имеет соединительное отверстие (63а), предназначенное для присоединения первой опорной рамы (58а).

10. Машина по п. 7, отличающаяся тем, что первая рамная конструкция (58) содержит четыре первые опорные ножки (58с), при этом опорная пластина (64) для направляющих стоек расположена между указанными четырьмя ножками (58с).

11. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что перфорированная пластина (65) дополнительно содержит установочные втулки (66), коаксиально совмещенные со вторыми сквозными отверстиями, при этом направляющие стойки (61) проходят через указанные установочные втулки (66).

12. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что верхний конец направляющей стойки (61) выполнен с первой кольцевой платформой (61с), проходящей в наружном радиальном направлении.

13. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что по периферии цилиндрического направителя (62) проходят кольцевые канавки (62а), предназначенные для ограничения положений переплетаемых волокон.

14. Машина по п.1, отличающаяся тем, что на верхнем конце цилиндрического направителя (62) выполнена вторая кольцевая платформа (62с), проходящая в наружном радиальном направлении.

15. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что электрический механизм (30) управления трехмерным перемещением дополнительно содержит
блок перемещения по оси X, содержащий
опорный элемент оси X, проходящий вдоль первого направления,
направляющий рельс оси X, установленный на опорном элементе оси X,
синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси X, установленный вдоль направляющего рельса оси X и снабженный ползуном оси X,
блок перемещения по оси Y, содержащий
опорный элемент (12) оси Y, соединенный с ползуном оси X и проходящий вдоль второго направления, вертикального относительно первого направления,
направляющий рельс (11) оси Y, установленный на опорном элементе (12) оси Y,
синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси Y, установленный вдоль направляющего рельса (11) оси Y и снабженный ползуном (31) оси Y,
блок перемещения по оси Z, содержащий
опорный элемент (8) оси Z, проходящий вдоль третьего направления, вертикального относительно плоскости, образованной первым и вторым направлениями,
направляющий рельс (9) оси Z, установленный на опорном элементе (8) оси Z,
синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси Z, установленный вдоль направляющего рельса (9) оси Z и снабженный ползуном (33) оси Z, который прочно соединен с ползуном (31) оси Y,
при этом у нижнего конца опорного элемента (8) оси Z выполнен выходной терминал для обеспечения трехмерного перемещения.

16. Машина по п. 15, отличающаяся тем, что опорный элемент оси X содержит первый опорный элемент (3) и второй опорный элемент (6), расположенные параллельно, направляющий рельс оси X содержит первый направляющий рельс (5) и второй направляющий рельс (7), установленные соответственно на первом опорном элементе (3) и втором опорном элементе (6), при этом синхронизирующий ременный перемещающий механизм оси X установлен на первом опорном элементе (3) и ремень указанного механизма соединен с первым концом опорного элемента (12) оси Y, при этом ползун оси X содержит первый ползун (17), расположенный на первом направляющем рельсе (5), и второй ползун (27), расположенный на втором направляющем рельсе (7), и первый ползун (17) и второй ползун (27) расположены соответственно под первым концом и вторым концом опорного элемента (12) оси Y.

17. Машина по любому из пп. 1-16, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит стеллаж (70) для хранения цилиндрических направителей, расположенный у первой стороны направляющего шаблона (60) и содержащий опорный кронштейн (81) и пластину (83) для хранения, которая установлена на опорном кронштейне (81) и на которой заготовлены цилиндрические направители (62) с различными высотами.

18. Машина по п. 17, отличающаяся тем, что на пластине (83) для хранения выполнены равномерно распределенные резьбовые отверстия, в которых расположены накопительные опорные стержни для поддержания цилиндрических направителей (62), причем на нижних концах накопительных опорных стержней выполнена наружная резьба, сопряженная с указанными резьбовыми отверстиями.

19. Машина по п. 18, отличающаяся тем, что ткацкий механизм (50) дополнительно содержит механизм для подачи и натяжения волокнистой пряжи, расположенный у второй стороны направляющего шаблона (60).

20. Машина по п. 19, отличающаяся тем, что механизм для подачи и натяжения волокнистой пряжи содержит третий кронштейн (57), кронштейн (56) для размещения бобин с волокном, установленный на опорном брусе (57а) третьего кронштейна (57) и снабженный опорными стержнями для поддержания бобин (55) с волокном, и несущие пластины (52) натяжных шкивов, установленные на опорном брусе (57а) третьего кронштейна (57), причем на каждой несущей пластине (52) расположены натяжной шкив (53) для подачи волокнистой пряжи к ткацкой игле (14) и направляющий шкив (54).

21. Машина по п. 20, отличающаяся тем, что механизм для подачи и натяжения волокнистой пряжи дополнительно содержит основание (51) для хранения ткацкой иглы (14), расположенное на одной стороне несущей пластины (52) натяжного шкива.