三維機織物織邊造型工藝設計

董紅坤， 賀辛亥， 鐘 鵬, 渠志剛， 邢圓圓

(1. 湘潭電機股份有限公司 特電研究所， 湖南 湘潭 411101； 2. 西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048)

三維機織物織邊造型工藝設計

董紅坤1， 賀辛亥2， 鐘 鵬2, 渠志剛2， 邢圓圓2

(1. 湘潭電機股份有限公司 特電研究所， 湖南 湘潭 411101； 2. 西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048)

為滿足市場對不同種類三維機織物的需要，提高多劍桿織機的產品適應性，在分析現有三維機織物造型工藝優缺點的基礎上，提出了一種在多劍桿織機上織造三維機織物的新型造型工藝即織邊造型工藝。結合新型工藝的需要，對現有多劍桿織機的織邊系統和打緯機構的結構進行了改進設計，簡單介紹了這種新型工藝的織造過程。通過在小樣織機上試織，按照工藝織造出圓形橫截面仿形織物。實驗結果表明，織邊造型工藝應用于復合材料預制件的織造會在一定程度上提高織機對更多織物產品種類的適應性，同時可解決織機因層數限制而不能織造壁厚較大的空心機織物的問題。

三維機織物； 多劍桿織機； 織造工藝； 復合材料 ； 織邊造型工藝

三維紡織復合材料是以三維立體織物為增強相并與樹脂等基體復合而成的先進復合材料。立體織物特別是整體織造的立體織物作為增強相時，使復合材料既可在較高的比模量和比強度下具有質量輕、抗高溫和耐腐蝕等優點，又具有較好的抗沖擊損傷性和層間剪切強度。這種優良的性能很好地克服了傳統二維層合織物的層間易開裂分離造成的整體性差的問題。由于這些性能的不斷改進提高，使得三維紡織復合材料歷經半個多世紀的時間在航空航天、船舶運輸等工業領域的應用上已經從次承重件逐漸發展為主承重件[1-3]。

三維織物預制件作為三維紡織復合材料骨架，其整體織造工藝可分為針織法、編織法、機織法和非織造法。用機織法織造預制件時，具有相對成熟的織造設備，在二維織機上稍加改造就可用于織造立體織物，因此可降低生產成本；另外預制件的組織結構易設計，通過控制系統及紗線的合理配置就可織造出不同的經緯密度、紗線取向和橫截面的預制件，這些優勢使得三維機織復合材料在市場上占據一定的地位。然而目前利用三維多劍桿織機織造三維織物時，存在設備對產品種類的適應性差，織造效率低等問題，因此為滿足市場多樣化的需求，開發能夠適應更多種類的三維機織物的造型工藝已成為科研人員研究的重要課題[4-5]。

本文在對機織立體織物現有造型工藝研究總結的基礎上，提出了一種新型造型工藝，并通過在小樣織機上的試織來驗證其可行性。

1 三維機織物的造型工藝

國內外學者在對立體機織物的研究之初便進行了大量的探索與創新，開發出的以三維機織物為骨架的復合材料已經滿足了部分對構件高性能的需求。這種三維機織物可分為2類：一種是實心三維機織物；另一種是空心三維機織物。

1.1 實心三維機織物的造型工藝

三維機織物的織造可在傳統織機上完成，例如可通過改變傳統織機的開口方式使經緯紗有選擇地接結，織出來的織物有些區域是以一定方式連接的整體，有些區域產生分層。這種織物下機后經過適當裁剪、折疊和拼接就可形成如T型、X型等三維機織物[6]。傳統織機設備的制造已經成熟，并且用于織造三維機織物時的工藝簡單，織機可織造的產品種類轉變靈活，適應性強，但是這種工藝僅限于織造層數較少的三維織物。通過對傳統織機的改造也可織造不同橫截面形狀的三維機織物，如圖1所示為Ruzand等[7]改造后的浮紋織機。在織機的上下方各裝了一套浮紋織造系統，在這個系統中于鋼筘與織口之間安裝了幾組浮紋綜片，這幾組綜片在織造過程中可沿織物橫截面的縱向和橫向引入紗線。

注：1—上浮紋綜片； 2—鋼筘； 3—下浮紋綜片； 4—上浮紋經紗； 5—地經紗； 6—綜框； 7—下浮紋經紗。圖1 改造后的浮紋織機Fig.1 Modified loom based on lappet weaving

改進后的浮紋織機也可織造“[”形、“I”形、T形和Π形等不同橫截面形狀的三維機織物，如圖2所示，但其只能織造角連鎖結構的機織物。

圖2 浮紋織機改造后能織造的織物結構形狀Fig.2 Structural parts with loom based on lappet weaving.(a)″[″ sectional shape; (b)″I″ sectional shape; (c)T sectional shape; (d)∏ sectional shape

織造時也有專用設備對三維機織物進行造型，例如多劍桿織機，可同時引入多層緯紗，織造多層機織物；也可織造角連鎖、正交等兩軸或多軸組織結構織物，避免了對傳統織機進行改造后織造三維機織物組織結構的單一性。三維機織物在常規多劍桿織機上的造型工藝如圖3所示。

圖3 常規多劍桿織機造型工藝Fig.3 Conventional multi-rapier loom molding process.(a) ∏ sectional shape; (b) L sectional shape

以織造Π形和L形橫截面機織物為例。首先按照織物截面形狀尺寸確定經紗的排列方法。然后根據順序穿入圖中“ο”代表組成的Π形和L形的綜眼內，按圖中箭頭所示的方向引緯，這樣不斷循環就可進行具有異形橫截面的三維機織物的織造[8]。

1.2 空心三維機織物的造型工藝

為滿足工程上對材料具有隔溫防潮、降噪、抗沖擊等特殊需求，科技工作者對復合材料骨架用的空心三維機織物預制件的造型工藝做了大量工作。如Abildskow[9]開發了一種可將二維織機織造的夾層織物集成為三維織物的集成工藝。該工藝在織造過程中經緯紗相互交織形成二維織物，然后斜向紗在織物中往復貫穿交織使二維織物連接為三維織物。根據集成織物的接結類型，這種工藝可織造TT形、Y形和H形等橫截面形狀的空心三維機織物，如圖4所示。

圖4 由二維織機集成的三維機織物Fig.4 3-D woven fabrics fabricated by modified 2-D weaving loom. (a) Warp distribution of H; (b) Warp distribution of TT; (c) Warp distribution of Y; (d) Sectional shape of H fabric; (e) Sectional shape of TT fabric; (f) Sectional shape of Y fabric

近年來國內學者在空心三維機織物上的研究方向主要是在二維織機上利用“壓扁-織造-還原”法并通過改變織造工藝來獲得三維機織物。圖5示出三通管織物[10]和日字形間隔機織物[11]的織造原理。圖中的細線是緯紗路線，箭頭是投梭方向，而“○”則代表經紗。織造前將目標織物合理壓扁成可進行織造的平面織物。在織造過程中按照預知經緯紗接結規律，通過控制綜框的提升與下降來控制織口的開口順序，使得投梭時緯紗與經紗進行選擇性的接結。下機后展開已成型織物即可。除利用二維織機織造空心三維機織物外，還有如Bilisik[12]依據編織機原理開發的可調整壁厚的圓管織機這種專用設備。

圖5 空心織物的織造截面Fig.5 Weaving section of hollow fabric. (a) Tubular fabric; (b) ″日″-shaped spacing woven fabric

2 三維機織物的新型造型工藝

如上所述，不論是實心的或空心的三維機織物在二維織機上織造時雖然可方便地織造出多種結構，但是這些工藝都會囿于紗線層數的限制而很難織造尺寸較大的結構。在改進后的織機上或是在專用織機上織造三維機織物時雖在一定程度上滿足了對織物尺寸上的要求，提高了織造效率，但能夠適用的產品種類卻很單一。為繼承以往織造工藝的優點，彌補其缺點，本文對多劍桿織機進行了改造，改造后的多劍桿織機織造原理如圖6所示。

注：1—電動機； 2—三維織物； 3—織物夾具； 4—預打緯機構； 5—劍桿； 6—上攜紗器接頭； 7—攜紗器； 8—下攜紗器接頭； 9—鋼筘； 10—綜絲； 11—綜框； 12—經紗；13—筒子架。圖6 多劍桿織機改造后的工作原理圖Fig.6 Work schematic of modified multi-rapier loom

與常規多劍桿織機不同的是，這種新型織邊系統采用攜紗器攜帶織邊紗進行鎖邊，同時在鋼筘上增設了預打緯機構。在織造過程中當劍桿引緯到對側時，攜紗器提供一條利用渦卷彈簧控制預緊張力的織邊紗。織邊紗鎖住各層緯紗后預打緯機構隨鋼筘一起推進，打緯時會提前與緯紗接觸，預打緯機構可根據設計好的橫截面外形牽動緯紗使織邊紗與經紗貼合。這樣織邊紗不但鎖定了緯紗而且使緯紗按照經紗橫截面外形進行鋪放，打破了以往織邊紗的功能中只有鎖邊沒有塑形的局限，如圖7所示圓柱體仿形織物。另外如果在改造后的多劍桿織機上采用壓扁—織造—還原法使經紗與緯紗在特定區域進行有選擇的接結交織，可織造空心織物，如圖8所示圓管仿形織物。

注：1—織邊紗； 2—緯紗； 3—經紗。圖7 圓柱體仿形織物Fig.7 Cylinder profile fabric

注：1—非交織區； 2—交織區； 3—經紗； 4—緯紗； 5—織邊紗。圖8 圓管仿形織物Fig.8 Tube profile fabric

3 試織結果與分析

以織造圓柱體仿形機織物為例，根據圓形橫截面設計織造了實心6層平紋雙經接結織物，如圖8所示。通過對所織造的圓柱體仿形織物進行分析可看出，用改造后的多劍桿織機織造出的三維機織預制件的組織結構比較均勻，有利于后期的復合固化，如圖9所示。織邊紗在織物一側橫向呈“W”走勢，并與經紗呈圓弧狀緊密貼合，達到了預期效果。圖7和圖9對比可看出，經紗層間的實際距離比模型中的要小，理論上看，織邊紗比緯紗紗線越細越能接近織物橫截面的預設計造型。

圖9 圓柱體仿形織物的試織織物Fig.9 Woven cylinder profile fabric. (a) Profile of fabric; (b) Weaving region molding

紗線的抗磨損能力是直接影響復合材料性能的關鍵因素，特別是織造如碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維。在對圓柱體仿形織物的實際織造過程中可看出，雖然在織機后方加裝了分層定位裝置以及多眼綜絲的應用大大減小了紗線間的磨損和開口高度、次數，但是開口時紗線在綜眼中除受豎直切向力還有部分橫向切向力，因此可考慮在分層機構與開口機構之間加一個裝置如目板或等距的柵欄，以減少紗線因循環開口造成綜眼對紗線的橫向磨損。

4 結 論

對現有三維機織物造型工藝和小樣織機試織結果的研究分析可看出，織邊紗不但有鎖邊功能而且還可用于造型。在改造后的織機上利用“織邊造型”工藝可織造除在常規織機上可織造的基本的橫截面形狀，如T形、L形、Π形、I形等三維機織物外，還能織造橫截面的邊為直線或弧形的機織物，如M形、V形和月牙形等。如果集成織邊造型和壓扁—織造—還原2種工藝，可織造不同壁厚的管狀機織物。織邊造型工藝的應用提高了織機對織物種類的適應性，也在一定程度上打破了在二維織機上織造實心或空心三維機織物對層數的限制。

FZXB

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Design of 3-D woven fabric selvage modeling process

DONG Hongkun1, HE Xinhai2, ZHONG Peng2, QU Zhigang2, XING Yuanyuan2

(1. Institute of Special Electric, Xiangtan Electric Manufacturing Co., Ltd., Xiangtan, Hunan 411101, China; 2. College of Mechanical & Electrical Engineering, Xi′an Polytechnic University, Xi′an, Shaanxi 710048, China)

In order to satisfy the market needs to different kinds of 3-D woven fabric, and improve the adaptability of the multi-rapier loom for products, the paper proposed a novel modeling process named selvage modeling for weaving 3-D woven fabric on the multi-rapier loom, based on the analysis on the existed advantages and disadvantages of various modeling processes. Combining with the need of the novel process, this paper improved the structural design of the selvage and beating-up system in current multi-rapier loom. Meanwhile, it simply introduced the weaving process of the novel process. By weaving cylinder repletion fabric on a small sample loom, a cylinder repletion fabric was woven according to the selvage modeling process. The results show that the application of the selvage modeling process in weaving composite preform can improve the adaptability of the loom to more fabric product types to a certain extent. In addition, it can solve the problem that the loom couldn′t weave large-wall thickness hollow woven fabric due to the restrictions of the layer number.

3-D woven fabric; multi-rapier loom; molding process; composite; fabric selvage modeling process

10.13475/j.fzxb.20160401105

2016-04-05

2016-08-07

陜西省產業用紡織品協同創新中心科研資助項目(2015ZX-02)；中國紡織工業聯合會科技指導項目(2015116, 2016052)；陜西省工業攻關項目(201GY-014)

董紅坤(1988—)，男，碩士生。主要研究方向為三維織物設備的設計與研發。賀辛亥，通信作者，E-mail：hexinhai@xpu.edu.cn。

TS 105.1

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