Голкопробивна машина для пророблювання голками текстильної конструкції та спосіб виготовлення текстильної конструкції

Даний винахід стосується виготовлення пророблених голками текстильних конструкцій, призначених для виготовлення захисних компонентів, використовуваних при високих температурах, конструктивних частин ракетних двигунів або високоефективних гальмівних дисків для авіації або наземних транспортних засобів. Гальмівні диски мають витримувати гальмування, при якому створюються надзвичайно високі зусилля зсуву. Це особливо актуально для літаків, де гальмівні диски піддаються високим напругам. Для того щоб витримувати ці зусилля зсуву, що викликають ефект розшаровування, диски мають виготовлятися таким чином, щоб були зведені до мінімуму нерівномірності структури. Нерівномірний за структурою диск має локальні зони, в яких характеристики напруги нерівномірні, що значно підвищує ризик розшаровування. Зазвичай гальмівні диски містять армуючу текстильну конструкцію, яка виготовляється з множини накладених один на одного прошарків, що їх з'єдн ують шля хом пророблювання голками (голкопророблювання) за допомогою комплекту тачкових голок, що заглиблюються (проникають) у прошарки в напрямку Z, тобто поперечно до прошарків. Після розкрою за заданими розмірами текстильну конструкцію карбонізують, потім ущільнюють із використанням матеріалу, який утворює матрицю, і на закінчення піддають додатковій термообробці. Для пророблювання голками (голкопророблювання) прошарки складають на опору. Звичайно при зростанні кількості накладених прошарків роблять крокове опускання опори, і голкопророблювання здійснюють у декількох прошарках. Ме ханічні характеристики одержуваного таким способом готового виробу дуже сильно залежать від справжньої щільності голкопророблювання, використовуваної в текстильній армуючій конструкції. Показник "справжньої" щільності голкопророблювання є функцією числа гачків голок на 1см 3 елементарного об'єму текстильної конструкції, і, як наслідок, він включає значення щільності голкопророблювання на одиницю площі, значення z глибини проникання, розмір кроку опускання опори і функціональні характеристики голок. При сучасних способах голкопророблювання важко домогтися бажаної бездоганної рівномірності, хоча деякі способи і дають добрі результати, особливо при регулюючому впливі на крок опускання. В патенті США №4790052 запропоновано при накладанні кожного нового прошарку збільшувати відстань між голками й опорою прошарків на відстань, що дорівнює товщині пророблюваного голками прошарку. Можна згадати також європейський патент ЕР 0736115, відповідно до якого передбачається одержання постійної товщини для різноманітних накладених прошарків за рахунок настроювання кроку опускання опори таким чином, що крок зменшується відповідно до попередньо визначеної залежності. Недосконалість цих способів обумовлена тим, що розмір кроку опускання опори звичайно вираховують заздалегідь, виходячи з теорії, - зокрема, як функцію числа прошарків, що повинні сформувати готову текстильну конструкцію, без урахування справжньої глибини проникання голок. У той же час дуже важливо знати цей параметр, щоб забезпечити рівномірну щільність голкопророблювання, необхідну для одержання готової текстильної конструкції з гарною рівномірністю. Крім того, що більшою стає товщина текстильної конструкції, то більш можлива похибка даних щодо глибини проникання. У європейській патентній заявці №0695823 передбачається поліпшити якість даних про глибину проникання голок за допомогою контактних роликів, які вимірюють положення верхньої поверхні текстильної конструкції між операціями голкопророблювання та розташовані поруч із робочою зоною голкопророблювання. Проте таке рішення не є задовільним, оскільки під дією зусиль голкопророблювання текстильна конструкція ущільнюється і стискується таким чином, що здійснювані вимірювання не можуть виявити це стискування. Нездатність урахування деформації текстильної конструкції означає неможливість одержання точних даних про справжню глибину проникання голок. Задачею, на вирішення якої спрямовано даний винахід, є створення голкопробивної машини та відповідного способу, які дозволяють усун ути зазначений недолік і забезпечують вимірювання справжньої глибини проникання голок з урахуванням деформації пророблюваної конструкції при виконанні операцій голкопророблювання різноманітних прошарків, які утворюють текстильну конструкцію. Згідно з винаходом вирішення поставленої задачі забезпечується створенням голкопробивної машини, що має голкопробивний стіл, рухливий у вертикальному напрямку, голкопробивну головку, що має певну кількість тачкових голок, розташованих вертикально над зазначеним голкопробивним столом, і приводні засоби для надання голкопробивній головці вертикального зворотно-поступального руху, що визначає нижню точку, що відповідає максимальному прониканню голок у текстильну конструкцію. Машина за винаходом характеризується тим, що додатково містить вимірювальний засіб, розташований у згаданій голкопробивній головці і призначений для вимірювання положення верхньої поверхні зазначеної текстильної конструкції при знаходженні голкопробивної головки в нижній точці, що відповідає максимальному прониканню голок. Таким чином, за рахунок розміщення вимірювального засобу в голкопробивній головці забезпечена можливість урахування того, наскільки текстильна конструкція стиснулася під дією зусиль пророблювання голками, тобто можливість точного визначення справжньої глибини проникання голок. Переважно вимірювальний засіб розташований у середній площині зазначеної голкопробивної головки, перпендикулярної до напрямку подачі текстильної конструкції. В переважному варіанті виконання вимірювальний засіб для вимірювання положення верхньої поверхні текстильної конструкції має оптичний пристрій для виконання безконтактних вимірювань. Переважно він являє собою лазерний випромінювач/приймач із широким пучком випромінювання. В альтернативному варіанті виконання вимірювальний засіб може містити механічний щуп для виконання контактних вимірів. У рекомендованому варіанті передбачено датчик, переважно індуктивного або оптичного типу, для визначення нижньої точки, що відповідає максимальному прониканню голок, і процесорні засоби для керування вертикальним зсувом зазначеного голкопробивного столу як функції положення верхньої поверхні текстильної конструкції, виміряного при знаходженні голкопробивної головки в нижній точці, що відповідає максимальному прониканню голок. Винахід охоплює також спосіб використання зазначеної машини для виготовлення текстильної конструкції і текстильну конструкцію, отриману цим способом. Положення верхньої поверхні текстильної конструкції переважно вимірюють за допомогою миттєви х вимірювань, що виконуються в режимі реального часу по всій довжині текстильної конструкції. Приклади здійснення даного винаходу, які не є обмежувальними, його особливості і переваги будуть докладніше описані нижче з посиланнями на додані креслення, на яких: Фіг.1 схематично зображує перший варіант виконання голкопробивної машини, призначеної для пророблювання голками текстильної конструкції; Фіг.2 схематично зображує другий варіант виконання голкопробивної машини, призначеної для пророблювання голками текстильної конструкції; Фіг.3 зображує на вигляді збоку машину за Фіг.2, причому на правій частині креслення показані голки в нижній точці. Докладний опис переважних прикладів здійснення винаходу На Фіг.1 і 2 показані два приклади виконання голкопробивної машини для пророблювання голками (голкопророблювання) плоскої текстильної конструкції. Природно, слід розуміти, що винахід не обмежується виготовленням плоских конструкцій і що сфера використання винаходу охоплює також виготовлення конструкцій шляхом спірального укладання волокнистого полотна, як у разі плоского укладання витків один на одного, так і в разі намотування полотна на сердечник для формування накладених один на одного спіральних витків. Машина відомим чином містить "голкопробивний" стіл 10, який служить опорою для прошарків, або листів 12, довжина і ширина яких визначається параметрами готової конструкції, що підлягає виготовленню. Ці прошарки (листи) подають один за одним для взаємного накладання послідовними прошарками. Стіл розташований по вертикалі під голкопробивною головкою 14, що містить визначену кількість тачкових голок 18, установлених на планці 16. Голкопробивна головка 14 може приводитися у вертикальний зворотнопоступальний рух одним або декількома кривошипно-шатунними механізмами 20 з приводом від одного або декількох двигунів. Притискувальна смуга 22, жорстко прикріплена до рами 24 машини, встановлена над голкопробивним столом і перешкоджає підйому текстильної конструкції разом із голками при їхньому виході. Голкопробивний стіл 10 і притискувальна смуга 22 перфоровані відповідними отворами 26, 28 для проходження голок. Стіл переміщується вертикально за допомогою приводу 30, виконаного, наприклад, у вигляді черв'ячного гвинта і двигуна. Два комплекти приводних подавальних роликів 32, 34 (відомих також під назвою вхідних і вихідних притискувальних роликів), установлені перед машиною і за машиною в напрямку руху текстильної конструкції, служать для її горизонтальної подачі до голкопробивної головки. Відповідно до винаходу передбачений вимірювальний засіб 36 для вимірювання положення верхньої поверхні текстильної конструкції. Цей вимірювальний засіб розташований у голкопробивній головці 14 і служить для того, щоб вимірювати справжню глибину проникання голок у текстильну конструкцію в той час, коли голки голкопробивної головки знаходяться в нижній точці, що відповідає максимальній глибині проникання. Оскільки робочий хід голок залишається постійним щодо рами, з якою вони сполучені, а голкопробивний стіл установлюється на відомій відстані відносно цієї рами, можна легко показати, що глибина, на яку голки проникають у текстильний матеріал, прямо залежить від товщини матеріалу між голкопробивним столом і виміряним рівнем верхньої поверхні матеріалу. З цією метою вимірювальний засіб 36 прикріплений до рами 24, а планка 16 із голками і притискувальна смуга 22 постачені наскрізними отворами, відповідно 38 і 40, для того щоб забезпечити можливість взаємодії вимірювального засобу з верхньою поверхнею текстильної конструкції. В показаному прикладі виконання ця взаємодія може здійснюватися безконтактним способом (при цьому положення верхньої поверхні текстильної конструкції вимірюється дистанційно) або контактним способом (шляхом опускання механічного щупа на верхню поверхню текстильної конструкції). На Фіг.1 показано переважний приклад виконання винаходу, в якому безконтактний вимірювальний засіб утворений оптичним вимірювальним пристроєм типу лазерний випромінювач/приймач 42. Випромінювач посилає лазерний пучок через планку з голками до верхньої поверхні текстильної конструкції, що відбиває промінь у напрямку приймача. Відстань між випромінювачем і голкопробивним столом передбачається відомою за попередніми вимірюваннями, так що відстань між випромінювачем і верхньою поверхнею текстильної конструкції може бути визначена шляхом аналізу довжини шляху лазерного пучку, що падає і відбивається, і цих даних достатньо для точної оцінки товщини текстильної конструкції, що знаходиться на голкопробивному столі. При цьому для того, щоб уникнути тр уднощів у зв'язку з дефектами рельєфу текстильної конструкції, переважно використовується лазерний пристрій із широким пучком (оскільки такий пристрій дає інтеграційний ефект за рахунок вимірювання за всією шириною пучка). Зрозуміло, можливе також використання оптичного вимірювального пристрою, який працює з використанням інфрачервоного випромінювання. Проте такий пристрій необов'язково є кращим. На Фіг.2 показано альтернативний варіант виконання, в якому вимірювальний засіб виконаний у вигляді механічного щупа. Щуп утворений внутрішнім плунжером 44, жорстко прикріпленим до рами 24, і зовнішньою втулкою 46, яка ковзає по ньому і має злегка закруглений кінець, призначений для контакту безпосередньо з текстильною конструкцією (після проходу через планку з голками та притискувальну смугу). Цей ковзний рух втулки 46 забезпечується керованою подачею текучого середовища, переважно стиснутого повітря, в плунжер 44 від блока керування 48, жорстко укріпленого на рамі 24. Тиск текучого середовища регулюється залежно від властивостей текстильної конструкції (її твердості й пружної реакції), що підлягає голкопророблюванню, і настроюється таким чином, щоб втулка не відскакувала від текстильної конструкції. На верхньому кінці втулки є відбивний фланець 50, призначений для взаємодії з оптичним вимірювальним пристроєм, як-от лазерний або інфрачервоний випромінювач/приймач 52, який жорстко закріплений на рамі. Випромінювач спрямовує пучок випромінювання на фланець, що відбиває його на приймач. Коли кінець щупа знаходиться в контакті з голкопробивним столом, відстань між випромінювачем і приймачем вважається відомою за результатами попередніх вимірювань. Як наслідок, визначення відстані між випромінювачем і приймачем, коли кінець втулки знаходиться в контакті з верхньою поверхнею текстильної конструкції (шляхом аналізу довжини шляху пучку випромінювання, що падає та відбивається), в даному випадку достатньо, щоб точно визначити товщину текстильної конструкції на голкопробивному столі. В обох описаних прикладах виконання вимірювальний засіб 36 переважно розташований у середній площині голкопробивної головки 14, перпендикулярної до напрямку подачі текстильної конструкції (хоча, зрозуміло, можливе і значне відхилення від цієї площини). Якщо обробці підлягає текстильна конструкція у вигляді двох смуг, розташованих паралельно одна до одної під голкопробивною головкою, може використовува тися комплект із двох вимірювальних засобів. У цьому випадку, як показано на Фіг.3, голкопробивна головка може містити дві незалежні планки з голками, розташовані поруч одна з одною, а вимірювальні засоби розміщені по суті в центрі кожної планки. Для більшої наочності на Фіг.3 показана голкопробивна машина в альтернативному прикладі виконання за Фіг.2 у дво х різних положеннях. Ліворуч на кресленні показане неробоче положення з піднятою голкопробивною головкою, а праворуч положення голкопробивної головки відповідає нижній точці, тобто максимальному прониканню голок. Нижня точка, що відповідає максимальному прониканню голок (точка максимального проникання голок) визначається в режимі реального часу датчиком 54, наприклад, індуктивного або оптичного типу. Цей датчик установлений на рамі і взаємодіє, наприклад, із спеціальним кулачковим профілем 56 на кривошипношатунному механізмі 20 для керування вертикальним зворотно-поступальним рухом голкопробивної головки. Згаданий кулачковий профіль служить для визначення періоду часу (а не тільки єдиного моменту миттєвого вимірювання) під час нижнього ходу планки з голками, переважно поблизу нижньої точки, під час якого вимірювальний засіб 36 активізується і може зробити декілька вимірювань. З отриманих результатів вимірювання процесорні засоби у вигляді процесорного модуля 58, під'єднані як до датчика 54, так і до вимірювального засобу 36, можуть визначити перше середнє значення товщини прошарку, що проробляється голками. Ці вимірювання надалі повторюються після кожного горизонтального кроку подачі текстильної конструкції, і наприкінці даного робочого проходу служать для визначення справжньої середньої глибини проникання голок. На основі цієї величини привід 30 голкопробивного столу, пов'язаний із процесорними засобами 58, може автоматично здійснювати вертикальний зсув голкопробивного столу вниз для виконання наступного робочого проходу. При цьому крок опускання голкопробивного столу регулюється таким чином, що голки проникають у текстильну конструкцію на певну відстань. Відповідно до наведеного опису спосіб голкопророблювання, здійснюваний у машині за винаходом, може бути описаний у загальному вигляді таким чином. Спочатку на перший прошарок певної товщини, покладений на голкопробивний стіл, накладають другий прошарок певної товщини і два накладених один на одного прошарки з'єднують один з одним із використанням гачкових голок голкопробивної головки за дотримання попередньо заданих умов. Після цього голкопробивний стіл зміщують щодо голкопробивної головки на крок зсуву, розмір якого визначають як функцію положення верхньої поверхні двох накладених один на одного прошарків. Це положення вимірюють для нижньої точки (точки максимального проникання голок) за допомогою відповідного вимірювального засобу. На закінчення третій прошарок певної товщини накладають на два попередні прошарки, і цей третій прошарок зв'язують із двома попередніми прошарками сумарної товщини за тих самих попередньо заданих умов. Далі розглянуті етапи повторюють для наступних прошарків, поки текстильна конструкція не досягне бажаної товщини. Таким чином, спосіб, здійснюваний вищезгаданими варіантами машини, полягає в тому, що спочатку складають один або два накладених один на одного прошарки на стіл 10. Далі ці прошарки зв'язують разом шляхом голкопророблювання з використанням планки 16 із голками, тоді як прошарки переміщують горизонтально по всій довжині текстильної конструкції за допомогою подавальних роликів 32, 34. Потім голкопробивний стіл 10 опускають на визначений крок зсуву, так що третій прошарок може бути накладений на попередні два прошарки і зв'язаний із ними голкопророблюванням, і так далі до досягнення бажаної товщини. Відповідно до даного винаходу крок зсуву, що задається, не має фіксованого розміру і не підпорядкований попередньо визначеній залежності опускання, а визначається на основі справжньої глибини проникання голок у попередні прошарки текстильної конструкції, виміряної при максимальному прониканні голок, для одержання бажаної щільності проробки голками в цій текстильній конструкції. Ця щільність може бути постійною або може змінюватися по товщині текстильної конструкції. При цьому положення верхньої поверхні текстильної конструкції вимірюють у середині комплекту голок для того, щоб генерувати величину кроку опускання голкопробивного столу, що забезпечує проникання голок у текстильну конструкцію на визначену відстань .