合成材料環狀件及其預制件的制造方法和設備的制作方法

專利名稱：合成材料環狀件及其預制件的制造方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及合成材料環狀件及其預制件的制造方法和設備，本發明還涉及環狀件和預制件本身。本發明特別涉及將一條纖維帶卷繞在一個芯軸上來制造預制件的方法和設備，卷繞層整體在用一個模具壓實之前或之后加以切割。
通常用于制造合成材料環狀件的預制件的方法是疊置纖維材料平面層，切割或加工卷繞層整體以獲得一種具有理想形狀的預制件，對預制件進行壓實處理。如果預制件是一種制動盤或其它環狀件，那么，從疊置層整體制造環狀預制件，會損失一半左右的材料重量。
為了減少這種損失，已提出許多建議。建議之一是，對一種從分別由并置扇形件組成的纖維材料層壓實的環狀預制件進行連接，這些纖維材料層是疊置的。這種方法雖然使損失減少，但依然存在損失。
FR-A-2506672提出另一個建議，下面參照

圖1A至1D加以描述。這個建議是，將一條纖維帶卷繞在一個圓柱形芯軸上(圖1A)，形成一個圓柱形卷筒(圖1B)，從而制造環狀或圓柱形構件。卷繞期間，疊置層彼此通過針刺加以連接。圓柱形卷筒可以同其軸線相垂直地進行切割，以獲得待壓實環狀預制件(圖1C)。
FR-A-2584107也提出一個類似的方法。
該方法可避免材料的損失，但是，從采用這種方法形成的預制件制造出來的構件具有不利的特性，這些不利特性在構件使用期間更為突出。如果是制動盤，那么，這些制動盤在使用期間沿切向方向受到剪切力的作用。剪切力尤其發生在使制動盤與一個活動部分或一個固定部分相連的開在內緣或外緣上的切口處(圖1D)。這種剪切力E可使構件造成脫層，也就是說，可使預制件因層間分離而受到破壞。
根據本發明的一方面，本發明旨在提出一種方法和裝置，可以制造具有良好抗脫層強度的合成材料環狀件的預制件，限制了因使用該方法而引起的材料損失。
采用本發明的方法和裝置，即可達到該目的。根據本發明的方法和設備，一條纖維材料帶卷繞在一個橢圓形芯軸上，以形成一個橢圓形卷筒。該橢圓形卷筒可以傾斜地進行切割，以制造待壓實環狀預制件，或者該橢圓形卷筒本身就是待壓實環狀預制件，切割工序在一個或個壓實階段結束后進行。切割平面傾斜于橢圓形卷筒的正截面，也就是說，切割平面不垂直于卷筒的軸線。對切割后的環狀件的內外部分進行加工以獲得圓形件。
上面所述的方法和裝置利用這樣的事實一個橢圓在該橢圓的長軸所通過的并與該橢圓的平面呈角α的一個平面上的投影是一個直徑等于橢圓長軸的圓。角α可以根據公式進行計算cosα＝b/a其中，2a＝橢圓長軸，2b＝橢圓短軸。
本發明這種情況的原理示于圖2A至2D。
圖2A示出一條纖維材料帶卷繞在一個橢圓形芯軸上，圖2B示出由疊層整體形成的橢圓形卷筒的切割平面。在該實施例中，在卷筒上切割而成的環狀件在半寬度上完全是圓形，而在內外周邊上是橢圓形。切割平面也可以選用為使環狀件在其內周邊或外周邊上呈圓形，或者在距環狀件內外周邊的另一個距離上呈圓形。(從理論上講，切割平面可以選用為切割后的環狀件在其寬度上處處呈橢圓形，但這種選擇增加了為重新獲得構件的圓形形狀而切除的材料量。)切割后，對環狀件的周邊進行內外加工，大體上形成一個環狀件(見圖2C)。在使用從這種整體制成的一個構件期間，沿切向方向的剪切力E不再沿著使組成構件預制件的材料層易于脫層的方向(見圖2D)。
根據本發明，用于制造環狀件的預制件可通過一種使材料損失較少的方法進行制造，這些預制件所獲得的環狀件在使用期間減少了脫層的可能性。
切割平面與卷筒正截面的角度越是接近45°，在卷筒上切割而成的環狀件在沿其切向方向的剪切力作用下就越是起到防止脫層的作用。但是，材料的損失隨著該角度(下面稱為“切割角”)的增大而增加。因此，考慮到允許的材料損失，切割角大小應適宜，以便獲得具有良好機械性能的構件。切割角最好為10°至45°。當采用的切割角為45°時，材料損失比較大，約為35％。因此，比較好的是采用一種角度為10°至30°的切割角。
本發明的第一方面也確定一種合成材料環形件的制造方法，這種方法包括上述預制件的制造方法以及預制件的壓實、切割和加工階段。為使構件適于特種用途，例如用作制動盤，對構件的補充加工可能是必要的。
制動盤的預制件有利地通過二維織物針刺而制成，這種二維織物由預氧化過的聚丙烯腈(P.N.T.)纖維紗或絲束構成，或由碳化粗紗構成(FR-A-2669940)，或由混合紗構成(FR95/06200)構成。在已有技術中，二維織物例如紗或絲束的織物彼此進行針刺以形成一種板材，制動盤的環狀預制件就在該板材上切割而成。
就用于承受很大的熱應力和機械應力作用的材料例如用于制動盤的材料而言，重要的是大體上保持穩定的性能，以便尤其避免機械性能和摩擦性能的不均勻性。因此，重要的是在用作制動盤預制件或用于制造制動盤預制件的卷筒上保持針刺密度的均勻性。但是，如果這種卷筒是在一個橢圓形芯軸上卷繞而成的，那么，針刺難度就大。
在FR-A-2584107的公知方法中，一條纖維帶卷繞在一個圓柱形芯軸上，每個卷繞層一旦布置在芯軸上就由一個針板進行針刺。芯軸圍繞其軸旋轉，該軸的位置是固定的，平行于芯軸母線進行延伸的針板沿垂直于芯軸軸線的方向進行交替運動。針板的移動幅度是恒定的。為了在整個過程中確保卷繞層的均勻針刺深度，隨著疊置層厚度的增加，要加大針板和芯軸軸線之間的中間間距。
這種方法不直接同一個橢圓形芯軸一起采用。
根據本發明另一種情況，本發明涉及環狀件的預制件的制造方法和設備，其中，一條纖維材料帶卷繞在一個橢圓形芯軸上，疊置層被均勻地加以針刺。
該目的借助本發明的方法和設備而得以實現，根據本發明的方法和設備，一條纖維材料帶卷繞在一個橢圓形芯軸上，卷繞層通過針板進行針刺，而移動被控制在芯軸和針板的中間位置之間，以補嘗芯軸截面的偏心距。針板和芯軸之間的移動最好是這樣的針板在相對于針板中間位置來說是固定的一個平面(針刺平面)上同待針刺層相接觸。
如果針刺頻率是恒定的，那么，針板的控制就簡化，這意味著要使針板和待針刺表面之間的相對速度保持恒定，以便獲得恒定的針刺表面密度。同樣，接觸時，針板的針刺表面必須位于同相對的待針刺表面相切的一個平面上，以便獲得一種恒定的針刺表面密度。如果針板的移動速度保持恒定，如果芯軸的旋轉速度和/或芯軸軸線的移動速度發生變化，那么，為了滿足這些條件，構件的移動則很方便。
下面將描述針板和/或芯軸軸線的移動情況。針板的每次移動可以由芯軸的適當移動加以替代，或者由針板和芯軸的組合移動加以替代，反之亦然。重要的是在針板和待針刺表面之間產生一種相對運動，導致在卷繞層上進行均勻的針刺。
但是，如同制造針刺后的預制件所公知的那樣，要避免針板的針在芯軸的每一圈都準確地針刺在同一位置上，因為這種方法會使形成的卷筒上出現脆損區域。為避免這個問題的出現，可使針板(或芯軸)沿芯軸縱向方向(也就是說，沿平行于芯軸旋轉軸的方向)移動，使其進行必要的小位移。
根據本發明的這方面，在第一實施例中，一個橢圓形芯軸圍繞其軸線旋轉，以便將一條纖維材料帶卷繞在其周邊上，同時，芯軸軸線在一個垂直于針刺平面的軌跡上周期性地靠近和離開針刺平面。卷繞在芯軸上的外卷繞層的曲面與針刺平面齊平，接觸區域呈一條線。調節芯軸軸線的移動，以便將曲面保持在例如針刺平面在接觸線處與之相切的一個位置上。這意味著與針刺平面齊平的曲面部分在針刺平面上以一種往復運動進行滑移。同芯軸曲面對置的針板靠近和離開針刺平面，以便對卷繞在芯軸上的外層進行針刺。針板也以往復運動在針刺平面上移動，以便一直保持卷繞層表面與針刺平面的接觸線的運動。接觸時，針板的針刺表面沿著與對置的待針刺表面相切的方向定位。
第一實施例也可以使芯軸旋轉軸的位置保持固定而加以實施。只通過針板移動就在針板和芯軸之間產生必要的相對運動。
第二實施例中，橢圓形芯軸通常圍繞其軸線旋轉，同時，芯軸軸線在一個垂直于針刺平面的軌跡上周期性地靠近和離開針刺平面。第二實施例中，外卷繞層曲面與針刺平面齊平的區域不在該平面上移動；但是，曲面相對于針刺平面的定向周期性地發生變化，而芯軸則進行轉動。因此，針板無需在針刺平面上移動。只要針板的針刺表面周期性地進行擺動定位，就會在針板和待針刺層之間接觸時處于同卷繞層表面相切的一個平面上。
第三實施例中，橢圓形芯軸圍繞其軸旋轉，同時，芯軸軸線進行移動，一直沿著由兩個半橢圓形構成的線路。這種移動是這樣的任何時候都有一部分外卷繞層曲面位于針刺平面上的一個固定位置，該平面同這部分曲面相切。針板在針刺平面上的該固定位置進行針刺，針刺表面的定位可保持固定。
由于實施起來比較簡便易行，所以三個實施例中的第一實施例是最佳實施例。
根據本發明，用于制造環狀件的預制件可以這樣形成在一個橢圓形芯軸上卷繞一條纖維材料帶，同時對卷繞層進行均勻針刺，制成一個用于進行偏斜切割的橢圓形卷筒。
本發明的第二方面確定一種用合成材料制造環狀件的方法，該方法包括上述預制件制造方法以及預制件的壓實、切割和加工階段。
根據本發明的第一和第二方面，環狀件制造方法中所確定的壓實階段可以由公知的任何方法之一來完成。可以在卷筒從芯軸上取出之前或之后開始壓實。同樣，卷筒可以在壓實之前或者在一個或壓實階段之后切割成環狀件。卷筒切割之前最好完成第一壓實階段，因為在第一壓實階段之后壓固的材料性能較好。
公知的壓實方法之一是等溫等壓汽相化學滲透的傳統方法。待壓實構件置于一個小室中，一種氣體進入該小室，在預先確定的溫度和壓力條件下，通過其成分之間的分解或反應，產生模具的結構材料。在傳統方法中，小室中配有一個通常是石墨制成的電樞，該電樞限定滲透室，并與環繞小室的一個感應器相連接。當這種方法用于從一個卷筒制造環狀件時，一般來說，卷筒在壓實之前進行切割，使氣體能夠更容易地以均勻方式透過環狀件的內孔隙。但是，這就要求反復中斷壓實操作，對環狀件的表面進行清理，使孔隙完全打開，使氣體重新透入。
如果使用橢圓形卷筒，那么，在卷筒切割之前，通過一種溫度梯度式汽相化學滲透的方法，有可能至少局部地對卷筒進行壓實。根據這種方法，卷筒的加熱可以通過感應器和一個電樞的電感耦合來進行，電樞由一個中央芯子構成，卷筒圍繞該中央芯子配置。這樣，溫度梯度在卷筒與電樞接觸的最熱的內表面和外表面之間形成。因此，在離卷筒外表面最遠的部分上進行壓實是有利的，表面孔隙被多余沉淀物過早堵塞的危險性減小，這樣，就不必進行表面清理。應當指出，當卷筒性能允許的時候(例如，當卷筒是碳纖維的時候)，卷筒的加熱也可以通過感應器和卷筒之間的直接電感耦合來進行。一種溫度梯度式汽相化學滲透壓實方法在例如FR-A-2711647中得到描述。
根據本發明的第一和第二方面，為了在制造環狀件的過程中減少材料損失，可以制造一個橢圓形截面的卷筒，這種卷筒在兩個端面具有與卷筒的正截面相傾斜的平面端面，也就是說，與卷筒上所確定的切割平面相平行的端面。
參照附圖及非限制性實施例，對本發明的其它特征和優越性作進一步描述。附圖如下圖1(圖1A至1D)示出用于合成材料環狀件的環狀預制件的一種已知制造方法，這種方法采用一個圓柱形芯軸；圖2(圖2A至2D)示出本發明用于合成材料環狀件的預制件的一種制造方法，這種方法采用一個橢圓形芯軸；圖3示出根據本發明方法制造環狀件的典型階段的程序方框圖；圖4(圖4A至4C)示出對本發明一個橢圓形卷筒進行切割而獲得一個環狀件的切割階段；圖5(圖5A至5C)示出對本發明一個橢圓形卷筒進行切割而獲得一個預定尺寸的環狀件的實施例；圖6示出本發明將一條纖維材料帶卷繞在一個橢圓形芯軸上的第一方法中橢圓形芯軸和針板的布置；圖7是示出第一卷繞方法中橢圓形芯軸移動情況的示意圖；圖8是示出將一條纖維材料帶卷繞在一個橢圓形芯軸上的第二方法的示意圖；圖9示出本發明將一條纖維材料帶卷繞在一個橢圓形芯軸上的第三方法中橢圓形芯軸和針板的布置；圖10是示出第三卷繞方法中橢圓形芯軸移動情況的示意圖；圖11是可以實施第一實施例中本發明卷繞和針刺方法的設備實施例的側視圖。
根據本發明方法，合成材料環狀件的預制件的制造以及環狀件本身的制造包括幾個階段，如圖3所示。
第一階段E1是將一條纖維材料帶卷繞在一個橢圓形芯軸上。纖維材料帶可以由制造合成材料構件的任一公知材料或由這些材料的混合物構成。纖維呈一種適宜形狀(由絲束、連續長絲、粗紗等構成的層、帶和織物等)。纖維的結構材料取決于選用的應用領域。就制動盤而言，最好使用碳纖維，但其它材料特別是陶瓷材料也適于使用。
卷繞層在布置在芯軸上的同時進行針刺(階段E1′)。如同后面所描述的那樣，為確保針刺密度的均勻可以采用若干方法。當芯軸上的卷繞層達到理想厚度時，就停止卷繞。
然后，制成的橢圓形卷筒最好壓實，以便例如通過汽相化學滲透來充滿橢圓形卷筒的內間隙(階段E2)，橢圓形卷筒進行偏斜切割以獲得環狀件(階段E3)。這樣，橢圓形卷筒就構成待壓實預制件。
開始壓實之前也可以切割卷筒；在這種情況下，切割而成的纖維環形件構成待壓實預制件。該階段只有在橢圓形卷筒具有足以能取出芯軸的性能時才能進行。通常對卷繞層進行針刺就足以制造一個具有所需性能的卷筒。卷筒也可以從樹脂浸漬的纖維材料層進行制造，卷筒在從芯軸上取下之前進行加工，使卷繞層通過樹脂聚合作用彼此相連。
如果橢圓形卷筒不具有足夠的性能使芯軸在卷繞結束后能夠取出的話，那么，壓實階段可以開始進行并繼續到卷筒被完全壓固的時候(階段E2′)。這個時候，芯軸能夠取出，卷筒被切割成環形件(階段E3′)。這樣，制成的預壓實構件在加工之后可以送到壓實裝置，以完成壓實操作(階段E2″)。
如果采用上述傳統的等溫汽相化學滲透方法，那么，如果取出芯軸，在壓實之前或之后切割預制件，則已壓實構件中的基質均勻性較好。相反，如果使用上述溫度梯度方法，那么，就可以將未切割卷筒保留到壓實結束，因而獲得一種對預制件的均勻壓實，并由于無需表面清理而減少材料損失。
在橢圓形卷筒上切割而成的環形件不是一個完全的圓形。因此，必須對環形件進行加工，使之具有完全的圓環形形狀(階段E4)。
為了從上述環形件制造環狀件例如制動盤，采用一個或若干補充階段是需要的。例如，環狀件要進行最后加工以適于它的用途(階段E5)。如果是用于制動盤的環狀件，這種最后加工是在環狀件的內周邊或外周邊上形成若干凹口。
上述一個或若干階段可以在采用一個或若干自動裝置時加以使用。在同時進行卷繞和針刺的情況下，自動裝置尤其使用在制造橢圓形卷筒的階段中。另外，應當指出，芯軸可以配有一個保護層例如一層氈，當最初幾層進行針刺時，針可以刺入保護層而不折斷，如同FR-A-2584107所述的那樣。
在描述一種可以使用本發明方法的裝置之前，將詳細地描述橢圓形卷筒的切割階段，以及同時進行卷繞和針刺的階段。
下面參照圖4和5來苗述卷筒的切割階段。
圖4A和4B示出一個橢圓形卷筒2，橢圓形卷筒2具有一個中央孔3(相應于卷繞中使用的橢圓形芯軸)。圖4A是端面圖，圖4B是側視圖。在該實施例中，切割平面同卷筒的正截面呈30°。線AD和BC標示限定一個環形件4的兩個切割平面。
橢圓形卷筒2的切割利用這種事實一個橢圓在該橢圓的長軸所通過的并與該橢圓的平面呈角α的一個平面上的投影是一個直徑等于橢圓長軸的圓。角α和橢圓尺寸的關系式如下式cosα＝b/a其中，2a＝橢圓長軸，2b＝橢圓短軸。
當將材料層卷繞在一個橢圓形芯軸上的時候，由外層確定的橢圓的比例關系b/a不同于由芯軸確定的橢圓的比例關系b/a(見圖4A)。因此，在同垂直于芯軸軸線的平面相傾斜的切割平面上，完全可以在卷筒的內周邊處獲得一種圓形形狀，而在卷筒的外周邊處獲得一種橢圓形形狀。也就是說，一個在橢圓形卷筒上切割而成的環形件的偏心距在環形件的寬度上不是恒定的。最好選用一個切割角α，使切割平面在切割而成的環形件的內周邊處(在芯軸處)，或者在切割而成的環形件的外周邊處(在卷筒外部處)，或者在內外周邊之間的一個中間距離上呈圓形形狀，然后對環形件的內周邊和/或外周邊進行加工以獲得圓形形狀。
此外，雖然同切割平面相對應的每個環形件的表面是平行的，但它們之間具有一個差距x。因此，環形件的周邊(內外周邊)的曲面不垂直于同切割平面相對應的表面(見圖4C)。這是有必要對切割后的環形件進行加工使之具有完全的環形形狀的一個補充理由。
圖4C示出一個環形件4，該環形件利用一個切割平面切割而成，使得在該切割平面上在環形件內外周邊的中間距離上、即環形件的半寬度上具有圓形形狀。圖上的剖面線部分對應于在切割成具有適當環形形狀構件之前的環形件部分。
如上所述，如果一個環狀預制件用于使環狀件可以經受沿切向方向的剪切力的作用，就要選擇切割角，使材料的損失與環狀件中理想的抗脫層強度之比達到最佳狀態。為此，切割角最好為10°至45°，在減少材料的損失方面，切割角最好為10°至30°。一旦選定該切割角，就可以選擇芯軸的偏心距，以便在切割平面上獲得具有理想寬度的環形形狀。
在選擇橢圓形芯軸的尺寸、選擇為制造具有確定的內外尺寸的預制件而卷繞的卷筒的厚度時，必須考慮到對切割后的環形件的內外尺寸進行加工的效率。進行切割的實施例示于圖5。
圖5A示出在圖4所示切割平面AD或BC上進行切割后的環形件4的形狀(沿環形件的厚度，形狀相同)。切割后的環形件在半寬度上的一部分呈圓形形狀(見圖5的圓Cr)。環形件的內外周邊是橢圓形的，必須對環形件的內外周邊進行加工，使其呈圓形形狀(見圖中的外圓Ce和內圓Ci)。
圖5B和5C是示出圖4B所示的平面AD和BC中所限定的內圓(CiAD，CiBC)和外圓(CeAD，CeBC)之間差距的示意圖；實際上，這種差距存在于環形件4前后表面之間。橢圓形芯軸的尺寸和切割角之間的關系式，以及對環形件12(由圖5A中剖面線部分切割而成)加工之后所獲得的環形件的尺寸，從圖5可立即推算出來。如果2a1和2b1是在垂直于卷筒軸的平面上由卷筒內周邊所確定的橢圓長軸和短軸的長度，2a2和2b2是由卷筒外周邊所確定的橢圓長軸和短軸的長度，α是同垂直于卷筒軸的平面所呈的切割角，d和D是待制環狀預制件的內徑和外徑，e是待制環狀預制件的厚度，則得d≥2a1+x
≥2a1+e tanα以及D≤2a2-x≤2a2-e tanα如果環狀預制件的希望尺寸是d＝250毫米，D＝450毫米，e＝25毫米，且切割角是30°，那么，橢圓形芯軸具有至多為225毫米的長軸2a1，由卷筒外面部分所確定的橢圓形具有至少為475毫米的長軸2a2。因此，鑒于在卷筒上的關系式為cosα＝b/a，使用數值2a1＝225毫米，2a2＝475毫米，則cos45°＝(b1+b2)/(a1+a2)0.707＝(b1+b2)/175b1+b2≌247.5因為2b2-2b1＝2a2-2a1＝2×卷繞層厚度(2×f)所以，芯軸短軸2b1＝122.5毫米，由卷筒外部確定的橢圓短軸2b2＝372.5毫米。
上述切割方法的結果是這樣的，橢圓形卷筒的端部不加以使用。在圖5所示的實施例中，在長度為1.5米的一個卷筒上可切割三十多個環狀件，卷筒端部造成的材料損失約為350毫米。顯然，如果使用的卷筒長度加大，那么，這些損失不算太大。
本發明也可以使材料的損失更少，即使用一個橢圓形截面的卷筒，這種卷筒在兩個端面具有與卷筒正截面相傾斜的平面表面，也就是說，與卷筒上確定的切割平面相平行的表面。因此，可以沿卷筒整個長度切割環狀件，而不在端面留下未被利用的材料。一個具有這種形狀的卷筒可以通過芯軸沿其軸的方向進行移動、在卷繞期間進行往復運動而制成。這種卷筒也可以通過芯軸沿縱向方向進行移動、供給待卷繞纖維材料的滾筒在卷繞期間進行往復運動而制成。只要采用一種較小的卷筒切割角，這種方法就不致于在材料卷的變形方面或者在纖維與卷筒上切割而成的環狀件的摩擦表面所呈的角度方面產生太大干擾。
現在描述卷繞階段。卷繞和針刺應同時進行，以確保針刺密度的均勻性。這種情況要求在針板和芯軸之間進行周期性的相對移動，以補償芯軸截面的偏心距。
圖6示出對卷繞層同時進行卷繞和針刺的方法的第一實施例。在該實施例中，一個橢圓形芯軸10圍繞其軸S旋轉，以便在其周邊上卷繞一條纖維材料帶1。同時，芯軸軸線S在一個垂直于針刺平面T的直線軌跡Δ上周期性地靠近和離開針刺平面T。卷繞在芯軸上的外層曲面與針刺平面T齊平，接觸區域是一條線M。一個與卷繞層的外表面相對的針板5進行一種垂直于針刺平面T的往復運動，以便對卷繞在芯軸上的外層進行針刺。
圖7示出在該實施例中芯軸圍繞其軸移動半圈的情況。圖中的橢圓Γ示出卷繞在芯軸10上的外層。芯軸軸線S在線Δ上移動的極限是位置A和B，當橢圓Γ的長軸垂直于針刺平面T時，軸S處于極限位置A(圖7中所示的位置1和5)，當橢圓Γ的短軸垂直于針刺平面T時，軸S處于極限位置B(圖7中所示的位置3)。由于芯軸軸線的移動，因此，卷繞在芯軸上的外層曲面和針刺平面T之間的接觸線M在該針刺平面上進行移動，在兩個極限位置Me之間進行往復運動(圖7中所示的位置2和4)。
因此，針板以往復運動進行移動，在接觸線M的針刺平面T上不斷進行運動。
為達到一種恒定的表面針刺密度，如果針板的針刺頻率是恒定的，那么，針板和卷繞在芯軸上的外層之間的切向相對速度可保持恒定。使芯軸軸線在極限位置A與B之間的移動速度與芯軸圍繞其旋轉軸的轉速同步，即可使接觸線M在針刺平面T上的平移速度(vT)保持恒定。
對于具有一個長軸2a2和一個短軸2b2的一個橢圓來說，極限位置Me之間的距離為2(a2-b2)。如果橢圓是一個具有軸線CC′的圓柱體的正截面(C是橢圓Γ的中心)，那么，最好根據上面所述的平移運動使軸線CC′進行移動。在這種情況下，如果芯軸以速度ω(t)進行轉動，例如速度vT是恒定的，那么，可以在芯軸上以恒定的切向速度卷繞一種多軸向纖維卷或織物。
本發明第一實施例的其它實施方式中，采用的是同時對卷繞層進行卷繞和針刺的方法，芯軸旋轉軸的位置保持固定。針板和芯軸之間所需的相對運動只通過針板的移動來進行。在這種情況下，不再僅僅在一個平面上進行針刺，而是在若干彼此平行的平面上進行針刺。為了在接觸時獲得一種恒定的相對速度，針板的移動速度最好保持恒定，而芯軸的轉速進行變化。
另外，芯軸每次轉動時應離開針板的中間位置，以便隨著針刺過程中預制件厚度的加大，使針刺的深度保持恒定，這是因為針刺行程是恒定的，例如等于卷繞層的厚度。顯然，這種離開可以在移動芯軸和/或針板時進行。在最后一層卷繞之后，可以進行最后加工的多次針刺，使靠近外周邊的卷繞層上的針刺密度保持恒定，如同FR-A-2584107所述的那樣。
圖8示出第二實施例，在該實施例中，一個橢圓形芯軸10始終圍繞其軸S進行旋轉，而芯軸軸線在兩個極限位置A、B之間在一個直線軌跡Δ上周期性地靠近和離開針刺平面T。因此，芯軸軸線的運動是這樣的卷繞在芯軸上的外層的曲面同針刺平面T相切，或者同沿固定接觸線M的剖面相切。針板5在包括這條接觸線M在內的一個區域中與待針刺卷繞層相接觸。這樣，針板5無需在針刺平面上進行移動。但是，針板具有一個定向頭，該定向頭周期性地進行擺動，以便使其方向在接觸線M上適合于同待針刺卷繞層的曲面相垂直的方向。針板的針刺表面相對于針刺平面T的方位在兩個極限位置e之間進行變化，其中e＝arc tg[(a2-b2)/√(a2b2)]2a2＝卷繞外層所確定的橢圓的長軸2b2＝卷繞外層所確定的橢圓的短軸第二實施例中，通過適當控制芯軸的轉速、芯軸軸線沿方向Δ的移動速度以及針板定向的擺動速度，就可以獲得恒定的表面針刺密度。
圖9和10示出第三實施例，在該實施例中，橢圓形芯軸始終圍繞其軸進行轉動，同時，芯軸軸線進行移動，一直沿著由兩個半橢圓形成的一個線路Q(見圖9)。由于芯軸的運動，卷繞層的外曲面沿固定接觸線M同針刺平面相切。這可以使針板對針刺平面上的固定區域進行針刺，并使方位相對于針刺平面保持固定。從機械上來說，這種解決方案實施起來比前面述及的兩個解決方案(見圖10，該圖示出當芯軸圍繞其軸轉動半圈時由卷繞外層所確定的橢圓的移動情況)要復雜一些。但是，如果使用自動裝置來控制芯軸的移動，那么，實施起來是很容易的。
圖11示出一種設備，用于實施上述第一實施例中的卷繞和針刺的方法，其中，芯軸軸線不移動，但針板移動，以便一直保持一個橢圓形線路。在這種情況下，針板和卷繞外層在彼此平行的多個平面上進行接觸，接觸時，針板同待針刺表面相切。
圖11所示的設備包括一個芯軸機構100、一個針刺機構500和一個展開機構600，這些機構都支承在一個加工板200上，加工板200嵌入一個底板300中。
展開機構600包括一個將一條纖維材料帶1卷繞在一個中央芯子上的卷軸6。一個發動機-減速器組7控制卷軸6的中央芯子的轉動，以便展開纖維材料帶1，使之供給芯軸機構100。開始展開時，纖維材料帶1以手動方式卷繞在芯軸上，直至卷繞一整圈，并且纖維材料帶的自由端卡在第二層的始點之下。一個邊界導向光電管8確保在以后的卷繞期間纖維材料帶相對于芯軸機構的準確定位。一個檢測卷軸6直徑的光電管9布置在卷軸的下面，以便檢測卷繞期間卷軸6的直徑怎樣變化。直徑檢測光電管9例如使用光學元件連續地或周期性地檢測卷軸6的直徑。由直徑檢測光電管9發出的信號可以控制芯軸機構100和針刺機構500之間的距離隨著芯軸上卷繞層厚度的增加而加大。
在芯軸機構100中，一個偏心距較小的橢圓形芯軸10安裝在由一個底座12支承的一個中心軸上。底座12安裝在板200上，并由一個中央導向件13進行導向，中央導向件13在板200之下延伸，以便可以根據展開機構600的直徑檢測光電管9發出的信號，進行移動而離開針刺機構500。一個發動機-減速器組14控制中心軸和芯軸10轉動。在該實施例中，發動機-減速器組14用于改變芯軸10的轉速，以便使待針刺表面和針板之間的相對切向速度保持恒定。
中心軸在底座上的布置是這樣的中心軸和芯軸可以沿縱向方向移動，也就是說，沿芯軸10的軸的方向移動，這種周期性的移動用以使針板針刺位置略微移動，以避免始終在相同的徑向平面上進行針刺。一個壓輥16壓在卷繞在芯軸10上的外層上，以保持卷繞層。圖11中，箭頭A標示卷繞期間壓輥16經過的線路。
針刺機構500包括一個針板5，針板5在待針刺纖維材料帶1的寬度上延伸，并且被導向到一個伸長臂20的第一端部。伸長臂的另一端部安裝在殼體22上。臂20在其第一端部形成調節臂，在針刺過程中，通過一個支承在殼體22上的作動筒23壓靠在卷筒的表面上。針板沿橫向方向進行針刺，也就是說，沿圖11中的水平方向進行針刺。針板針刺的往復運動由一個安裝在殼體22中的偏心式傳動裝置29產生。在該實施例中，針板5的針刺頻率保持恒定。針刺機構500也包括一個抽吸裝置24，該抽吸裝置布置成可以在針刺期間抽吸從纖維帶上脫落的纖維碎屑。
殼體22置放在一個滑架25上，滑架25沿一個桿13進行置放和導向，以便在一個發動機-減速器組26的控制下可以離開和靠近芯軸機構100。另外一個發動機-減速器組28控制殼體22的豎直移動。根據前面述及的卷繞和針刺方法第一實施例的其它實施方式，發動機-減速器組26和28被控制成使針板產生周期性橢圓形移動。發動機-減速器組26還被控制成隨著卷筒變厚而保持恒定的針刺深度。
前面述及的方法和裝置可以制造用于各種用途的環狀件的預制件。具有特殊用途的環狀件是制動盤。上述預制件的制造方法以及對纖維結構材料的選用可適合于所應用的環狀件的特性。如果是制動盤的預制件，那么，纖維在卷繞期間相對于摩擦表面的取向可以使預制件達到最佳狀態。
例如，在前面述及的卷繞和針刺方法中，如果卷繞雙向織物(0°和90°)，使一個方向同針頭下織物的進給方向相平行，并以45°的切割角切割環形件，那么，就可以獲得纖維與摩擦面傾斜45°的制動盤。使用從根據這種方法制成的預制件制造的制動盤，在使用期間剪切力不再沿層間方向進行作用。
同樣，按照兩個確定的紗線方向卷繞多軸向碳纖維紗織物(兩個或三個方向)時，可以選擇纖維與所應用制動盤摩擦面的迎角。此外，具有若干方向之一的紗線可以由連續碳纖維長絲構成，針刺連接由沿另一個方向布置的粗紗例如FR-A-2669940所述的粗紗加以確保(針進行適當的定向)。
權利要求
1.一種用于制造合成材料環狀件的預制件的制造方法，其特征在于，它包括以下階段提供一個橢圓形截面的芯軸(10)，在芯軸(10)上將一條纖維材料帶(1)卷繞成疊置層，制成一種呈橢圓形卷筒(2)形狀的預制件，以便沿不垂直于卷筒軸線的平面切割后，可獲得環狀件(4)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，疊置層通過針刺彼此連接。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，每一層新的疊置層在其卷繞的同時由一個在纖維材料帶(1)的寬度上延伸的針板(5)進行針刺。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，在卷繞和針刺階段，針板(5)和芯軸(10)的運動是這樣的它們彼此接觸時，針板的針刺表面位于同相對的待針刺卷繞層部分相切的一個平面上。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在卷繞和針刺階段，芯軸(10)和針板(5)的運動是這樣的一部分外卷繞層始終沿一條接觸線(M)與一個針刺平面(T)相切。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，在卷繞和針刺階段，芯軸(10)和針板(5)的運動是這樣的接觸線(M)在針刺平面(T)上的位置以往復運動進行移動。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，在卷繞和針刺階段，接觸線(M)在針刺平面(T)上的位置保持固定，芯軸軸線(S)在具有兩個半橢圓的一條線路(Q)上周期性地進行移動。
8.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在卷繞和針刺階段，芯軸(10)的運動是這樣的一部分外卷繞層始終位于一個固定的針刺位置(M)上，針板(5)的針刺表面改變方向，以便同相對的待針刺卷繞層部分保持相切。
9.根據權利要求6或8所述的方法，其特征在于，在卷繞和針刺階段，芯軸(10)圍繞其軸轉動，同時，芯軸軸線(S)以往復運動進行移動，靠近和離開針刺平面或針刺位置。
10.根據權利要求2至9之一所述的方法，其特征在于，在卷繞和針刺階段，針板(5)以恒定的頻率進行針刺。
11.根據權利要求2至10之一所述的方法，其特征在于，在卷繞和針刺階段，芯軸(10)和針板(5)之間的距離隨著卷繞層厚度的增加而加大。
12.根據權利要求2至10中之一所述的方法，其特征在于，芯軸(10)的端部是彼此平行并且同卷筒正截面相傾斜的平面端面，在卷繞和針刺階段，在芯軸(10)和正在卷繞的纖維材料帶(1)之間存在相對移動，這種相對移動是沿芯軸的縱向方向以往復運動進行的。
13.一種合成材料環狀件的制造方法，其特征在于，這種方法包括根據前述權利要求之一所述的方法制造一種預制件(2)，以及沿不垂直于卷筒軸線的平面將橢圓形卷筒切割成環形件。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，選擇卷筒的切割角(α)，使切割后的環形件在其內周邊或者在其外周邊或者在內外周邊之間的一個預定位置上具有圓形截面。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，選擇卷筒的切割角(α)，使切割后的環形件(4)在半寬度上呈圓形形狀。
16.根據權利要求13、14或15所述的方法，其特征在于，卷筒(2)的切割在卷筒的至少一個壓實階段之后進行。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，卷筒(2)的壓實通過溫度梯度式汽相化學滲透進行。
18.一種制動盤的制造方法，其特征在于，這種方法包括根據權利要求13至17之一所述的方法制造一種環狀件(4)，以及對環狀件的內周邊和/或外周邊進行加工。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于，在卷繞階段，將一條雙向織物纖維材料帶(1)卷繞在芯軸(10)上，使其中一個方向與芯軸上的進給方向一致。
20.一種用于制造合成材料環狀件的預制件的設備，其特征在于，它包括一個具有橢圓形截面的芯軸(10)，以及機構(600)，用于將一條纖維材料帶(1)在芯軸(10)上卷繞成疊置層，以便制成一種呈橢圓形卷筒形狀的預制件(2)。
21.根據權利要求20所述的設備，其特征在于，它還包括一個針板(5)，針板(5)用于在卷繞層卷繞到橢圓形芯軸(10)上時對卷繞層進行打擊，使它們通過針刺彼此連接。
22.根據權利要求21所述的設備，其特征在于，它還包括用于使針板(5)和/或芯軸(10)進行移動的裝置(26，28)，以便使針板(5)的針刺表面在同相對的待針刺預制件外卷繞層部分相互接觸時位于同該部分相切的一個平面上。
23.根據權利要求22所述的設備，其特征在于，用于使針板(5)和/或芯軸(10)進行移動的裝置(26，28)設計成使預制件的一部分外卷繞層始終沿一條接觸線(M)同一個針刺平面(T)相切。
24.根據權利要求23所述的設備，其特征在于，用于使針板(5)和/或芯軸(10)進行移動的裝置設計成使針刺平面(T)上的接觸線(M)的位置以往復運動進行移動，針板(5)進行移動，使上述移動一直進行。
25.根據權利要求23所述的設備，其特征在于，用于使針板(5)和/或芯軸(10)進行移動的裝置設計成使芯軸軸線(S)在具有兩個半橢圓的一條線路(Q)上周期性地進行移動，針刺平面(T)上的接觸線(M)的位置保持固定。
26.根據權利要求22所述的設備，其特征在于，用于使針板(5)和/或芯軸(10)進行移動的裝置設計成使芯軸(10)進行這樣的移動，使一部分外卷繞層始終位于一個固定的針刺位置(M)上，針板(5)的針刺表面改變方向，以便同相對的待針刺預制件外卷繞層部分保持相切。
27.根據權利要求23所述的設備，其特征在于，用于使針板(5)和/或芯軸(10)進行移動的裝置設計成使芯軸軸線以往復運動進行移動，靠近和離開針刺平面或針刺位置。
28.根據權利要求20至27之一所述的設備，其特征在于，針板(5)適用于以一種恒定頻率進行針刺。
29.根據權利要求20至28之一所述的設備，其特征在于，它還包括裝置(26)，用于使芯軸(10)和針板(5)之間的中間距離隨著卷繞層厚度的增加而加大。
30.根據權利要求20至29之一所述的設備，其特征在于，芯軸(10)的端部是彼此平行并且不垂直于卷筒軸線的平面表面，設置一些裝置，以在卷繞過程中控制芯軸(10)和纖維材料帶(1)之間的相對移動，這種相對移動以往復運動沿芯軸的縱向方向進行。
全文摘要
將纖維材料帶(1)卷在橢圓形芯軸(10)上,形成橢圓形卷筒,然后,在一個或若干壓實階段之前或之后,以一定角度對卷筒進行切割,制成用于制造合成材料環狀件的預制件。切割平面傾斜于卷筒的正截面,對切割后的環狀件的內外周邊進行加工,形成圓形件。圓形件可制造在圓周應力作用下具有抗脫層性能的合成材料環狀件。疊置層在卷繞期間進行針刺。在芯軸轉動時,控制針板(5)和芯軸(10)的相對移動,以補償芯軸截面的偏心距。該方法特別用于制造制動盤預制件。
文檔編號D04H1/46GK1191583SQ9619579
公開日1998年8月26日 申請日期1996年6月18日 優先權日1995年6月19日
發明者皮埃爾·奧爾里, 多米尼克·庫佩, 讓·瑪麗亞·茹安 申請人:推進歐洲公司