CN103587124B - 机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法及所得矩形空心管，以碳纤维复合材料为原材料，所述碳纤维复合材料为碳纤维预浸料，所述预浸料包括单向和织物预浸料，采用模压充气成型法制成矩形空心管；该种碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，是以碳纤维预浸料为原材料，采用模压充气组合成型制成矩形薄壁空心管。与现有技术相比，本发明承载能力大、刚性好、自重轻，工作时手臂的动作更加平稳，移到和停止更加迅速，碳纤维复合材料的自带振动阻尼特性使得手臂能更加快速的定位，其零热膨胀系数更加适用于精密设备，而且设备投资小、模具制造简单、生产能耗低、生产周期短而且可自动化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法及所得矩形空心管。
背景技术
机器人手臂的作用是作为工业机器人的传动部件，已有应用的机器人手臂大部分由铝合金或钢制造，由于这些材料刚性不足、不耐疲劳，而且比重过大，灵活度不高，热膨胀系数大。
碳纤维复合材料具有优异的力学性能和化学性能，如比强度高，比模量大，抗疲劳性能好，耐化学腐蚀性好等优点。使用碳纤维复合材料制作的手臂承载能力大、刚性好、自重轻，工作时手臂的动作更加平稳，移动和停止更加迅速。碳纤维复合材料的自带振动阻尼特性使得机器人手臂能快速定位，其零热膨胀系数更加适用于精密设备。
现在已有机械手臂用碳纤维复合材料空心管制造方法，但是主要都是以缠绕为主，存在着制品内部孔隙率高，树脂分布不均匀且树脂含量不可控等缺点，而且生产环境恶劣，生产效率低。
上述问题是在机械手臂用矩形空心管的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法及所得矩形空心管解决方案。目前已有技术的手臂大部分由铝合金或钢制造，由于这些材料刚性不足、不耐疲劳，而且比重过大，灵活度不高，热膨胀系数大，此外，现在已有机械手臂用碳纤维复合材料空心管制造方法，但是主要都是以缠绕为主，存在着制品内部孔隙率高，树脂分布不均匀且树脂含量不可控等缺点，而且生产环境恶劣，生产效率低的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，以碳纤维复合材料为原材料，所述碳纤维复合材料为碳纤维预浸料，所述预浸料包括单向和织物预浸料，采用模压充气成型法制成矩形空心管。
优选地，所述模压充气成型方法具体为：采用碳纤维预浸料在芯模上铺层形成预成型体，将预成型体脱去芯模后置于下模中，将气袋置于预成型体内部，合上上模，气袋出口的接头固定在模具口，往气袋中充气，加热固化后开模，并在烘箱中后固化，得到矩形空心管制品。
优选地，所述气袋采用耐高温硅胶软膜，所述气袋的出口为快速接头。
优选地，对气袋进行充气采用阶段式充气，所述阶段式充气包括一次以上的充气。
优选地，所述阶段式充气具体为：首次充气压力为最大压力的20%～30%，使预成型体贴合到模具的型腔，同时将预成型体压合致密；泄气后再进行充气，压力为最大压力的50%～60%，循环进行泄气充气，直至施加最大压力10bar-15bar并保持最大压力进行固化。
优选地，所述上模固定在压机的滑块上，所述下模固定在压机的工作台上，所述压机被加热到固定温度120℃-150℃，并恒温保持。
优选地，将上模、下模均固定在压机上，采用碳纤维预浸料在芯模上铺叠形成预成型体，将预成型体脱去芯模后置于下模中，将气袋置于预成型体内部，合上上模，气袋出口的接头固定在模具口，往气袋中充气，第一次往气袋中施加了3bar压力，第二次6bar，第三次10bar；加压后保压3min后泄压，再一次充气后一直保压制至固化结束；泄压开模将制品置于烘箱中后固化，后固化时间2h，固化后得到矩形空心管制品。
优选地，所述预浸料中所使用树脂为增韧环氧树脂，所述预浸料中树脂含量为35%～45%。
优选地，所述矩形空心管的内层和外层用织物预浸料，所述矩形空心管的中间部分用单向预浸料。
一种机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管，由上述的制造方法制得。
本发明一种碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，提供一种内部孔隙率低、树脂含量可控的而且生产效率高、成本低的机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法。本发明所用材料均为预浸料，相对于一般碳纤维复合材料手臂，能够精确控制手臂的树脂含量，降低手臂内部的孔隙率。选用预浸料由单向和织物构成，单向预浸料能提供主承力方向更大的强度和刚度，织物预浸料铺贴在手臂的内外表面，能提供纵向强度以及剪切强度，还能提供更美观的表面。制作预浸料所用树脂为增韧环氧树脂，防撞击或者冲击性能好，抗裂纹延伸性能好，树脂含量在35%～45%。
本发明一种碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，提供了一种设备投资小、模具制造简单、生产能耗低、周期短而且可自动化生产的新型工艺。本发明通过在零件内部施加气袋，并利用压机锁模加热，烘箱后固化，不仅节省了昂贵的辅助材料费用，同时使零件贴膜更紧密，保证了零件的表面光洁度。本方法适用于各种带有棱角、弯曲等型面和变截面的空心薄壁结构。
本发明一种碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，包括以下步骤：
使用碳纤维材料制备芯模，用于零件的铺叠过程；
备置用于固化用的模具，模具由上模和下模组成，模具的下模固定在模压机的工作平台上，上模固定在模压机的滑块上，备置用于充气的硅胶制成的气袋；
在芯模上完成复合材料铺叠，铺叠结束后脱去芯模，得到零件胚料，即预成型体；
将气袋置于零件胚料内部，零件胚料放置在下模中，气袋的接头置于模具口，合上上模，模具加热为恒定温度，温度由预浸料固化机制确定；
对气袋进行充气，压力为最大压力的20%～30%，使零件胚料贴合到模具的型腔，同时将零件胚料压合致密。泄气然后再进行充气，压力为最大压力的50%～60%，再泄气充气，直到施加最大压力为止并保持最大压力固化。泄气充气的次数以及施加的最大压力可根据预浸料固化工艺适当修改；
固化完成后，泄气开模，将制品置于烘箱中后固化，固化温度可参考预浸料固化机制；得到矩形空心管制品。
本发明的有益效果是：本发明一种碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法及所得矩形空心管，是以碳纤维预浸料为原材料，采用模压充气组合成型制成矩形薄壁空心管。与现有技术相比，本发明承载能力大、刚性好、自重轻，工作时手臂的动作更加平稳，移到和停止更加迅速，碳纤维复合材料的自带振动阻尼特性使得手臂能更加快速的定位，其零热膨胀系数更加适用于精密设备，而且设备投资小、模具制造简单、生产能耗低、周期短而且可自动化生产。本发明通过在零件内部施加气袋，并利用压机锁模加热，烘箱后固化，不仅节省了昂贵的辅助材料费用，同时使零件贴膜更紧密，保证了零件的表面光洁度。
附图说明
图1是本发明实施例中矩形空心管的制作示意图；
其中：1-气袋，2-上模，3-下模，4-预成型体，5-接头。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施案例。
如图1所示，本实施案例提供一种机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，以碳纤维复合材料为原材料，所述碳纤维复合材料为碳纤维预浸料，所述预浸料包括单向和织物预浸料，采用模压充气成型法制成矩形空心管。所述预浸料中所使用树脂为增韧环氧树脂，所述预浸料中树脂含量为35%～45%。所述矩形空心管的内层和外层用织物预浸料，所述矩形空心管的中间部分用单向预浸料。
将上模2、下模3均固定在压机上，采用碳纤维预浸料在芯模上铺叠形成预成型体4，将预成型体4脱去芯模后置于下模3中，将气袋1置于预成型体4内部，合上上模2，气袋1出口的接头5固定在模具口，往气袋1中充气，第一次往气袋1中施加了3bar压力，第二次6bar，第三次10bar；加压后保压3-5min后泄压，再一次充气后一直保压制至固化结束；泄压开模将制品置于烘箱中后固化，后固化时间2h，固化后得到矩形空心管制品。
本实施例提供一种机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管，由上述方法制得。
本实施例一种碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，提供一种内部孔隙率低、树脂含量可控的而且生产效率高、成本低的机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法。本发明所用材料均为预浸料，相对于一般碳纤维复合材料手臂，能够精确控制手臂的树脂含量，降低手臂内部的孔隙率。选用预浸料由单向和织物构成，单向预浸料能提供主承力方向更大的强度和刚度，织物预浸料铺贴在手臂的内外表面，能提供纵向强度以及剪切强度，还能提供更美观的表面。制作预浸料所用树脂为增韧环氧树脂，防撞击或者冲击性能好，抗裂纹延伸性能好，树脂含量在35%～45%。
本实施例一种碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，提供了一种设备投资小、模具制造简单、生产能耗低、周期短而且可自动化生产的新型工艺。本发明通过在零件内部施加气袋1，并利用压机锁模加热，烘箱后固化，不仅节省了昂贵的辅助材料费用，同时使零件贴膜更紧密，保证了零件的表面光洁度。
本实施例一种碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，包括以下步骤：
使用碳纤维材料制备芯模，用于零件的铺叠过程；
备置用于固化用的模具，模具由上模2和下模3组成，模具的下模3固定在模压机的工作平台上，上模2固定在模压机的滑块上，备置用于充气的硅胶制成的气袋1；
在芯模上完成复合材料铺叠，铺叠结束后脱去芯模，得到零件胚料，即预成型体4；
将气袋1置于零件胚料内部，零件胚料放置在下模3中，气袋1的接头5置于模具口，合上上模2，模具加热为恒定温度，温度由预浸料固化机制确定；
对气袋1进行充气，压力为最大压力的20%～30%，使零件胚料贴合到模具的型腔，同时将零件胚料压合致密。泄气然后再进行充气，压力为最大压力的50%～60%，再泄气充气，直到施加最大压力为止并保持最大压力固化。泄气充气的次数以及施加的最大压力可根据预浸料固化工艺适当修改；固化完成后，泄气开模，将制品置于烘箱中后固化，固化温度可参考预浸料固化机制；得到矩形空心管制品。
除上述实施案例，本发明专利产品还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明专利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，其特征在于：以碳纤维复合材料为原材料，所述碳纤维复合材料为碳纤维预浸料，所述预浸料包括单向和织物预浸料，采用模压充气成型法制成矩形空心管；所述模压充气成型方法具体为：采用碳纤维预浸料在芯模上铺层形成预成型体，将预成型体脱去芯模后置于下模中，将气袋置于预成型体内部，合上上模，气袋出口的接头固定在模具口，往气袋中充气，加热固化后开模，并在烘箱中后固化，得到矩形空心管制品；
对气袋进行充气采用阶段式充气，所述阶段式充气包括一次以上的充气，所述阶段式充气具体为：首次充气压力为最大压力的20%～30%，使预成型体贴合到模具的型腔，同时将预成型体压合致密；泄气后再进行充气，压力为最大压力的50%～60%，循环进行泄气充气，直至施加最大压力10bar-15bar并保持最大压力进行固化。
2.如权利要求1所述碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，其特征在于：所述气袋采用耐高温硅胶软膜，所述气袋的出口为快速接头。
3.如权利要求1所述碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，其特征在于：所述上模固定在压机的滑块上，所述下模固定在压机的工作台上，所述压机被加热到固定温度120℃-150℃，并恒温保持。
4.如权利要求1所述碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，其特征在于：将上模、下模均固定在压机上，采用碳纤维预浸料在芯模上铺叠形成预成型体，将预成型体脱去芯模后置于下模中，将气袋置于预成型体内部，合上上模，气袋出口的接头固定在模具口，往气袋中充气，第一次往气袋中施加3bar压力，第二次6bar，第三次9-11bar；加压后保压3-5min后泄压，再一次充气后一直保压制至固化结束；泄压开模将制品置于烘箱中后固化，后固化时间2h，固化后得到矩形空心管制品。
5.如权利要求1-4任一项所述碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，其特征在于：所述预浸料中所使用树脂为增韧环氧树脂，所述预浸料中树脂含量为35%～45%。
6.如权利要求1-4任一项所述碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，其特征在于：所述矩形空心管的内层和外层用织物预浸料，所述矩形空心管的中间部分用单向预浸料。
7.一种碳纤维复合材料矩形空心管，其特征在于：由权利要求1-6任一项所述的制造方法制得。
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