纱线插入机构 本发明的领域
本发明涉及的领域为复合材料和用来制造这些材料的装置。更具体点说，本发明是一种基本上沿纵长方向将纱线插入的装置。本发明的背景
采用增强的复合材料作为结构构件现在很普遍，特别是对于那些追求所需性能的用途。这些性能包括轻质、强度、韧性、耐热能力、自支撑性和被制造和成形的适应性，视材料而异。这种构件被使用在例如航空、航天、人造卫星、电池、竞技车船(如赛车和赛艇)和其他用途上。
通常，对用来制造增强预制型的材料要求的性能是高强度，但是要求显示该性能的材料的典型特性是其最高强度应在构件纤椎或长丝的长轴方向上。为此，在制造这种增强预制型时最好使构成增强预制型的材料这样取向：使其长轴方向与完成的构件将来承受力的方向基本上一致。但所受的力可能是多方向的，因此在某些用途上，增强材料也得多方向取向，典型的做法是制成两层或多层的叠层片，使完工构件的强度性能可在多于一个方向上起作用，甚至对准各向同性地点亦可起作用。采用这种方法，便可使所受力主要由长轴取向在这些力的方向上的那些纤维来承受，这样便可使复合结构的增强构件发挥其最高的负载承受能力。
经常，需要生产的构件的形状不是那种简单的几何形状(就其本身言)如板、片、长方体或正方体等。要完成这一点，一种方法是将这些基本的几何形状组合成为所需较复杂的形状。一种典型的组合方法为将如上所述制出的增强预制型互成角度(典型为直角)地连接起来。这样便可造成所需的形状只是在预制型之间有一个或多个端壁或“T”形交叉部，这样连接而成的复合结构可增加强度，在受到外力如压力或拉力时能抗拒弯曲或失效。但在任何情况下都应使构件的每一个连接点尽可能强，使外力不能把复合件拉开。否则即使增强预制型构件本身具有所需的极高强度，比较弱的连接点将成为结构中的薄弱环节。
这种交叉结构的例子例如有两个构件，一个构件是一条狭长而扁平的肋，另一个构件是一个平面片，肋构件以基本上成直角的方向与片构件中间的全部宽度相交，目的是要当有压力施加在增强肋的宽度尺寸的方向上时，平面片不致不合适地弯曲或失效。这时这个复合结构除了应能承受压力外，两个相交构件(例如平面片材、片材、带或其它形状等)还应有一个牢固的连接部，当有外力作用在其中一个构件上使它离开与另一个构件相交的方向时，这个连接部不能失效。
对这种连接部的制造，过去曾提出过各种方案，例如上面所说的一个构件为一块面板，另一个成角度的加固构件为成角度的加固肋，加固肋可只用一个面板接触表面，或者可在其一端分叉成两个分开但在同一平面上的与面板接触的表面，然后可将一个加固构件的面板接触表面与另一个构件的接触表面用热固性胶粘剂或其他胶粘材料粘结在一起从而将两构件连接在一起。但当将拉力施加在硬化过的面板或复合结构的表皮上时，难以接受地相当低的负载竟会形成剥离力使加固肋从面板的连接界面上分开，这是因为连接部的有效强度是增强材料的强度而不是胶粘剂的强度。
在这种构件的连接界面上采用金属螺栓或铆钉也是不能接受的，因为这种增添至少会部分损坏和削弱复合结构本身、增加重量、并引入热膨胀系数的差异。
解决这个问题的其他途径曾基于这样一种想法，即用缝合的方法将一个构件连接到另一个构件上并依靠缝合线将高强度的增强纤维引入并穿过连接部。一种这样的方法曾在美国专利4,331,495号和其分案美国专利4,256,790号中示出。其中曾披露由胶粘连结的纤维层板制成的第一和第二复合面板的连接部，第一面板在其一端分叉形成两个分开的但在同一平面上的接触表面，每一表面都用未经硬化的、柔性的复合纱线通过两块面板的线迹而连接到第二面板上，然后两块面板和纱线被“共同硬化”，即同时硬化。这个方案并不合适，从后来未能有效地对付连接强度的问题可以证明。
美国专利5,429,853号曾提出一种形式为面板和增强肋的增强复合构件之间的连接方法。其中一个构件形式为细长带，其线性地倾斜以形成一个面板接触支承凸缘，该凸缘与肋的其余部分连续形成一个增强凸缘。两个肋通过其增强凸缘背靠背地彼此连接而构成，其结果是有效地形成一个分叉的构件，后者具有穿越形成的“T”形顶部的面板接触表面。将增强肋的支承凸缘背靠背地并排放置使其与面板的表面接触，然后用纤维长丝或纱线垂直穿过面板进入增强构件把面板和增强肋连接起来，这样某些长丝便可进入到与面板垂直的增强肋的主体内并可沿着主体的长度方向延伸。这样可以使通过长丝引入的一些纤维从面板构件延伸入增强肋的增强凸缘中。这样做虽然可能对某些目的有效，但连接部仍然不能得到所需的强度，从而会使增强构件彼此分开。本发明的综述
本发明的目的是要提供一种装置用来将纱线插置到增强材料内，如织造织物或非织造织物、蜂窝状泡沫材料、或可能包括织物、泡沫材料或空气间隙的材料组合物内。本例中的“纱线”包括任何一种纺织纱线、单丝、涂覆纱线和类似物。
为了提供这种装置，我们的想法是要用一系列装置来控制纱线的运动，包括用来使纱线移动的装置和用来限制纱线移动的装置如纱线制动器，两者均可在适当的时刻作用，加上防止纱线弯折的装置，如当推入纱线时采用一个直径比纱线略大的空心件。
本发明为将纱线纵长地插入到增强材料内的装置，该装置有一壳体，该壳体的第一端用来接受纱线，该壳体的第二端用来通过纱线，第一和第二端都与各种装置连通，包括将纱线保持在纵长路径上的装置、使纱线在纵长路径上移动的装置、驱动使纱线移动的装置的设施、限制纱线移动的装置，和在增强料上穿孔制出纵长路径的装置。将纱线保持在纵长路径上的装置可以是至少一个沿着纵向延伸通过壳体的空心件如圆筒，其最好由第一和第二空心件组成可伸缩式，第一空心件固定在壳体内，第二空心件可沿纵向移动。在某一个实施例中，将纱线保持在纵长路径上的装置可在初始位置和相应于纱线插入到增强材料内的第二位置之间移动，并设有接合纱线的装置，后者可在纱线在初始位置和第二位置之间走动时与纱线接合。而在将纱线保持在纵长路径上的装置从第二位置返回到初始位置时，用来限制纱线移动的装置便与纱线接合将它保持在插入位置上。用来使纱线在纵长路径上移动的装置和用来限制纱线移动的装置可用气动、电子、机械、或机电各种方式驱动。用来驱使纱线移动的装置可以是一个偶联到将纱线保持在纵长路径上的装置的活塞。在一个优选的实施例中，活塞、使纱线在纵长路径上移动的装置、和限制纱线移动的装置都是用气动方式驱动的。用来在增强材料内穿孔制出纵长路径的装置是一个注射器式的缝纫针，后者设有一个孔可用来接纳纱线，注射器式针具有一中空的内部和一在顶尖上的孔，通过该孔纱线可输出。当该针在插入方向刺入到增强材料内时，纱线随之带入，而当该针插入后返回时，纱线就留在增强材料内(由于上面提到的限制纱线移动的装置的作用)。
应当知道本发明可使本行业的技术人员充分实现性能在各方向都相同的高效材料的效益。本装置能被用来将纱线、粗纱、预浸渍的纱线、单丝等插入到这些材料内，如织物层、非织造织物如毛毡、三维织造预制型、泡沫材料、预浸渍织物层等。本发明可被使用的某些方式包括：· 在喷射基体材料如环氧树脂之前，将纱线插入到碳纤维预制型内，其目的是使它与纱线的预制型部分连接；· 将脆性纱线如NEXTEL陶瓷纱线插入而可不需在外面包上韧性纱线如聚酯。这样可节省预加工和后加工的费用。还可允许使用孔眼极小的针而可不需在针旁将纱线拖入。这样可显著减少由于插入过程而在织物上造成的损伤：· 将牺牲纱线插入使它通过要成为碳/环氧树脂机翼蒙皮的碳纤维织物；· 通过厚度的增强添加到复合的面板上以资改善加工应力、层间性能和对排水传播的抗力；· 将第二种纱线插入到由与第一种纱线不同的材料构成的增强材料内，例如第二种纱线可具有比增强材料高的热传导率，从而可提高热量从增强材料上除去的效率；· 缝合复杂形状可不需进入到结构的后侧，如小管子或交错的形状。
现有技术的装置使它们的用途较受限制。而具有上述特点的系统和按需实现这些特点的能力实际上能覆盖复合材料领域能预见到的所有用途。附图的简要说明
图1为本发明优选实施例的透视图；
图2为另一纱线制动装置的透视图；
图3为另一个纱线制动装置的透视图；
图4为再一个纱线制动装置的透视图；
图5为本发明另一个实施例的透视图；
图6为图5实施例的一个方面的透视图；
图7和8均为图5实施例的一个方面的俯视图；
图9为图5实施例的一个方面的分解图。优选实施例的详细说明
纱线插入机构10设有形状可为圆筒的壳体12。壳体12具有第一端14和第二端16。纱线Y从一用于连续地喂纱的筒管、线轴或其他已知装置(未示出)喂入，进入第一端14，通过倒圆锥形通道18，纱线Y首先通过该通道的较宽部分18a，然后通过顶尖18b上的小孔。顶尖18b与第一空心件20连通，该空心件20限定了一个中空的内部。空心件20的内径应只略大于纱线直径，但应允许纱线移动通过。
在壳体12的第二端16，第二空心件22从壳体12的内部通过密封件24延伸到第二端16之外。第一空心件20被设置在第二空心件22的内侧使第二空心件22可在第一空心件20上伸缩，第二空心件22的内径略大于第一空心件20的外径。纱线Y通过第二空心件22延伸到其远端22a，在该处纱线被穿引通过针26的孔眼，该针被一螺钉或夹头28固定在远端22a内。
如上所述，第一空心件20的下端位于第二空心件内成为在壳体12内可伸缩的布置。在本实施例中，第一空心件20被配件30和32固定在位，配件30和32在壳体12的内壁和第一空心件20之间形成一个固定配合。在另一方面，第二空心件22能沿着其纵长轴线滑动并被安装在第一空心件20的下端上。第二空心件22滑动通过密封件24，其远端22a和针26可移动离开壳体10。当纱线Y被穿引通过空心件并通过针孔时，第二空心件的移动便可使纱线Y移动离开壳体10。第二空心件22被装配在活塞34内，活塞34是一个形状与壳体12相配的圆盘，它与壳体的内壁接触并沿着内壁滑动。实质上，第二空心件22就是一个活塞杆，它可滑动地装在壳体12内，并能驱动针26和纱线Y使它们离开壳体进入到增强材料内。
行家们当然知道有多种方式可驱使第二空心件22滑动，如气动、机械、机电和电动。图1示出的纱线插入机构用气动驱动。在本实施例中，壳体内部被分成四个区段或隔间A、B、C和D，每一区段都和其他区段隔开。区段A由配件30和32隔开，区段B由配件33和活塞34隔开，区段C由活塞34和位于第二端16的密封件24隔开，区段D通向大气并被配件32和33隔开。每一区段分别设有管嘴40、42、44，通过该管嘴，加压流体如压缩空气能够进入区段内，也可从该区段内排出，加压流体是通过软管或管线(未示出)输入的，软管或管线与加压流体源(未示出)连通。在本实施例中，当加压流体被输入到区段B内时，第二空心件22和在其内走动的纱线Y就被驱动离开壳体10而将纱线插入。当区段C内的压力超过区段B内的压力时，第二空心件22就被向上驱动，也就是向后退缩。通常，要做到这一点，可将区段B内的加压流体放掉而将加压流体输入区段C内。
在区段B内设有第一纱线制动装置46。制动垫48被装配在第二空心件上的孔50内。弹簧52延伸越过孔眼50并以其弹力偏压在制动垫48上。有一橡胶软外壳54或类似物被装配在制动垫装置46上。第一纱线制动装置46是由于区段B内加压流体的积聚而被驱动的。
在区段A内设有第二纱线制动装置56，该装置与第一纱线制动装置相同，只是制动垫58被配装在固定的第一空心件20上的孔60内。第二纱线制动装置56是由于区段A内加压流体的积聚而被驱动的。
该实施例的第一和第二纱线制动器都是用气动驱动的。当加压流体进入区段A和B时，升高的压力会使制动垫48或58抵压在纱线Y上，这样就对驱动纱线离开壳体进入到增强材料内的运动，或者在纱线插入后纺止纱线向上驱动或弯折作出了必要的限制。这点将在下面说明。
现在说明纱线插入机构的操作和使用。纱线Y在第一端14进入壳体内并被穿引通过由第一和第二空心件20、22形成的可伸缩装置。纱线Y还被穿引通过固定在第二空心件22远端的针26。
初时，在区段A、B和C内的流体压力都不够驱动这些区段内的构件。通常，这意味着没有施加流体压力，压力都是大气压力。在这种条件下，弹簧52的张力可使制动垫48、58保持在与纱线脱离接合的位置，因此纱线能被穿引。
当在区段B内施加空气压力时，第一纱线制动装置46便被驱动，制动垫48被该区段内积聚的压力推到纱线Y上。而且积聚的压力还使活塞34向下移动。这又使第二空心件22和针26向下移动，离开壳体，朝向增强材料，然后进入增强材料内。纱线Y与第二空心件一起走动，因为第一纱线制动装置的制动垫48正接合在纱线上。如上所述，将针定位在增强材料之上驱动纱线插入机构，该针就可刺穿增强材料，为第二空心件和纱线Y造成一条基本为纵长路径，纱线Y就沿着这条路径被插入。
在纱线Y插入后，针26和第二空心件22的移出而不使纱线Y有位移或弯折是这样进行的。释放区段B内的流体压力，使第一纱线制动装置46与纱线Y脱离接合。同时将流体压力施加到区段A和C内。在区段A内施加流体压力可驱动位于固定的第一空心件20内的第二纱线制动装置56，其方式如同上面对第一纱线制动装置的说明。
在区段C内施加流体压力可使活塞34向上移动，从而可使第二空心件22和针26移动离开增强材料，并使第二空心件22退回到壳体12内。活塞34的向上移动最后被设在区段B内活塞34之上的一个活塞挡62停止。当第二空心件22、活塞34、和针26后退时，纱线Y可保持固定不动，因为这时位于固定的第一空心件20内的第二纱线制动装置56由于区段A内压力的积聚己接合在纱线上。另外，由于第一和第二空心件的内径只比纱线直径略大。因此第一和第二空心件能将纱线保持在纵长路径上，防止纱线弯折。那就是说，当第二空心件22、活塞34、和针26后退时，纱线受到约束，不能移动，因此纱线Y能保持在增强材料内的位置上，即使在后退时针孔从纱线上滑过，纱线也不会移动。
在上述实施例中，纱线制动装置用气动驱动，但并非一定要这样做。例如，纱线制动装置可用气动、机械、机电和电动各种方式驱动。如果不是用气动装置来驱动，可能不需要将壳体分隔成各个隔离的区段。
图3示出纱线制动装置的一个可替代的装置。纱线制动装置64设有一个固定挡或垫66。旋转臂或凸轮68被驱动旋转到纱线Y内并将它固定地抵压在固定垫66上。这是机械式纱线制动装置的一个例子，可不需气动系统的构件。
图2和4示出另外两个气动驱动的纱线制动装置70和80。在图2中，当空气驱动缸72被增压时，固定在杆74上的制动垫76被驱动压到纱线Y上将纱线靠在固定垫78上制动，这样布置如同直接挤压到制动垫上。释放气缸72的压力便可使制动垫76从纱线Y上松开。
在图4中，气缸82驱动装在枢轴86上的凸轮84使凸轮旋转，从而移动制动垫88使之靠在纱线Y，于是纱线Y被固定在制动垫88和固定垫90之间的位置上，这与间接挤压相似。在本实施例的一个变型中，旋转凸轮84能直接旋转到纱线Y内，从而可不需制动垫。
图5到9示出本发明另一个实施例。在图5中，所示纱线插入机构100具有一个驱动部件102和一个装配在壳体101内的载纱机构104。
操作时，驱动部件102装在壳体101内保持不动。驱动部件102驱动载纱机构实行纱线插入。载纱机构104有一下部106和一上部108互补地装配在一起。有一注射针110固定在下部106的远端。纱线Y穿引通过驱动部件102、载纱机构104、和注射针110。这只是一般的布置，具体布置将在下面详细说明。
仍请参阅图5，驱动部件102在其后面112设有一个管状进口114用来接受来自加压流体源(未示出)的加压流体。管状进口114通过进入本体118内的导管116与驱动件126连通。在本体内设有一条通道(未示出)用来作为加压流体进入本体的流动路径。驱动件126从加压流体的通道中伸出，并可在注入加压流体时被驱动向外。当驱动时，驱动件126朝着载纱机构104的方向从导管116中向外移出。驱动件126与载纱机构104的上部108连结并可使它一同向前移动。
纱线通过设在后面112上进入道120进入本体118，并通过一条通道122移动通过驱动部件102。进入道120是驱动部件102的一个管状延伸部。纱线移动通过通道122和纱管130走向载纱机构104。
图6示出驱动部件102的前面124，也就是面向载纱机构104的一侧。驱动件126从加压流体的通道伸出。当加压流体供到驱动部件102时，驱动件126就被压力驱动从驱动部件上移出。
前面124上还设有第一和第二通道128用来接纳从载纱机构104伸出的导引件136。前面上还设有与通道122连通的纱管130，纱管130从前面124伸出，纱线移动通过纱管走向载纱机构104。
载纱机构104由上部108和下部106构成，下部106为一实心体，在其上面设有开槽的表面轮廓，可接纳形状与该表面轮廓互补的上部108。从图7可看到，上部108有一纵长的本体部132和两翼134，成为十字形，而下部106被互补地开槽以便接纳上部108。
如图5所示，驱动件126从驱动部件102伸出并被固定到载纱机构104的后侧。由于压力关系，驱动件126向外移动，在纱线插入方向上推动载纱机构104的上部108。当上部108的两翼134碰到下部106轮廓的内壁时，下部106也被向外驱动，这时整个载纱机构104都在纱线插入方向上移动。驱动件126就是驱使纱线移动的装置。
载纱机构104的下部106还设有从其后侧伸出的两个导引件136，其位置和尺寸使它们能分别装配在驱动部件102前侧124上所设的两个通道128内。下部106还设有一个纱管131，该纱管131以套叠伸缩的方式接纳从固定的驱动部件102的前面114伸出的纱管130。在进行与插入和退出有关的运动时，导引件136在通道128内滑进滑出，但始终留在其内。而纱线移动通过在固定的驱动部件102内的通道、通过纱管130、通过纱管131和在载纱机构104的下部106内的通道156，然后通过注射针110。从驱动部件102伸出的纱管130和从载纱机构104伸出的纱管131套叠在一起。应该知道，在固定的驱动部件102内的通道、纱管131和在载纱机构104的下部106内的通道156以及纱管130，它们的直径都只略大于纱线的直径，因此构成将纱线保持在纵长路径的装置。
图8为载纱机构104下部106的俯视图，上部108已被除去，显示出纱线制动器138。图9为载纱机构104的分解图，可较清楚地示出上部108和下部106和纱线制动器138之间的关系。上部设有一个下表面140，其长度的一部分142为平面，还有一个三角形的切口部，其内有一倾斜的壁145，该壁为凹槽144的一部分，凹槽144在与该壁145相对的壁上设有一个钩146。
如图9所示，纱线制动器138由一个头部148和一个销钉150构成。销钉150延伸通过孔眼152，进入到纱管156内，正好在纱线Y之上。头部148有一倾斜的表面149，正好与凹槽144的斜壁145的表面互补。当载纱机构104的上部108由于被固定的驱动部件102的驱动件126的推动而在下部106内向前滑动时，凹槽144的斜壁145便与头部148接合，将它压下，使销钉150向下移动通过孔眼152与纱线实体接合。
而且，载纱机构104的上部108在下部106内向前滑动，以致上部108的两翼134碰到下部106轮廓的内壁，从而驱使下部106在纱线插入的方向上向外移动。这个作用与上述将纱线制动器138压下使之与纱线Y接合的作用同时发生或几乎同时发生。因此纱线Y随同载纱机构104向前移动，这是因为在本装置内销钉150与纱线实体接合，即，将纱线抵压在纱管156内部的原故。载纱机构为使纱线在纵长路径上移动的装置。如上所述，将针110定位在增强材料之上并驱动纱线插入机构，该针就会刺穿增强材料，并为针110和纱线Y开出一条基本上为纵长的路径，纱线Y就沿着这路径被插入。
在纱线Y插入后，移走该针110而不使纱线位移或弯折的过程是如下进行的。先从进口114解除流体压力使驱动件126不再起作用。这时设在驱动部件102本体118内的弹簧就会以其弹力向退缩位置偏压驱动件126。这样，当流体压力解除时，驱动件126就会退缩，拉动载纱机构104一起退缩。具体地说，当驱动件126退缩时，拉动载纱机构104的上部108一起退缩，这时在头部148上的钩146拉动销钉150使它离开纱线并脱离与纱线的接合。这样当机构退缩时纱线Y就不会被移走。另外，当上部108退缩时，其两翼134与成形下部106轮廓的内壁接合，驱使下部106在退缩方向上移动，进行载纱机构104的退缩运动。
在固定的驱动部件102的纱线进入道120上设有一个纱线制动机构121，其目的是当装置退缩时使纱线不会从其在增强材料中的插入位置被移走。纱线制动机构为一限制器，其用来在退缩时防止纱线被移出管外，换言之，它是一种限制纱线运动的装置。限制器可以是纱线进入道内部直径的一部分，其直径可等于或略小于纱线直径。当载纱机构从插入位置后退时，限制器可在纱线上施加一个阻力以防止纱线随同该机构移出。