CN105082571B - 用于制造复合材料螺栓坯料成型方法 - Google Patents

用于制造复合材料螺栓坯料成型方法 Download PDF

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用于制造复合材料螺栓坯料成型方法，本发明涉及制备螺栓的方法。本发明要解决现有玻璃钢复合材料螺栓成型时螺牙与螺杆纤维不连续造成的螺栓结构强度、刚度降低的技术问题。方法：一、设计坯料铺层结构；二、铺放复合材料预浸料；三、裁剪，合模，固化；四、切割；五、加工至棒料。本发明的方法解决了玻璃钢复合材料螺栓成型时纤维不连续的难题。玻璃钢复合材料螺栓在坯料制造过程中，使用了网状结构的增强材料，保证了纤维的连续性，从而使玻璃钢复合材料螺牙与螺杆连接处的纤维连续。本发明用于制备复合材料螺栓。

Description

用于制造复合材料螺栓坯料成型方法
技术领域
本发明涉及制备螺栓的方法。
背景技术
在发电设备上应用玻璃钢复合材料部件为设计者开发电机电器设备提供了更广阔的设计方案，并且玻璃钢复合材料具有优良的绝缘性、耐腐蚀性、耐疲劳性以及轻质高强等性能。因此，玻璃钢复合材料受到国内外电器设备厂商的青睐，现已成为新一代发电设备零部件的主要材料之一。在相同的强度条件下，玻璃钢复合材料螺栓具有比金属螺栓更轻的重量，同时具有金属不具备的良好的绝缘性，是未来螺栓发展的一个主要方向。
目前玻璃钢复合材料螺栓大多采用预浸料加入金属模具模压成型工艺，该成型工艺的特点为：(1)产品尺寸精度高，重复性好；(2)表面光洁度高，无需修饰；(3)能一次成型结构复杂的制品。
但是该成型工艺在成型玻璃钢复合材料螺栓时螺牙与整体螺杆纤维不连续，造成螺牙与整体螺杆之间的结构强度、刚度降低，生产过程中螺杆和螺牙的特殊形状，在脱模过程中，由于螺栓受到螺纹牙的摩擦阻力，致使螺栓脱模困难。同时，该成型工艺的特点，决定了其工艺装备占用率高、大批量生产投资成本大，生产效率低。在成型玻璃钢复合材料螺栓时，由于螺杆和螺牙连接处的纤维不连续，不能发挥复合材料轻质高强的特点，降低了玻璃钢复合材料螺栓的整体强度。另外，其生产过程中，在模具上的成型周期长，因此，大批量生产时，需要投入大量的模具，投资成本大。
发明内容
本发明要解决现有玻璃钢复合材料螺栓成型时螺牙与螺杆纤维不连续造成的螺栓结构强度、刚度降低的技术问题，而提供用于制造复合材料螺栓坯料成型方法。
一、设计坯料铺层结构，调整坯料铺层纵向和横向纤维体积含量比，控制螺栓的轴向拉伸强度和螺纹剪切强度，计算公式为：σL/τ＝4tn/D，其中σL：复合材料螺栓轴向拉伸强度；τ：复合材料螺纹剪切强度；t：复合材料螺栓的螺距；n：复合材料螺栓的有效螺纹个数；D：复合材料螺栓的有效截面直径；
二、铺放复合材料预浸料，其中，复合材料预浸料为单向/网状预浸料；
三、按照步骤一设计的尺寸，裁剪步骤二得到的复合材料，得到预浸料片料，将预浸料片料放入坯料成型阴模模具当中，合上阳模模具，进行合模，控制合模温度为30～60℃；合模时间为4～10h；合模压力为0.5～5MPa；再进行固化，在温度为60℃～80℃条件下，保持2h，然后在温度为100℃～120℃条件下，保持2h，再在温度为140℃～180℃条件下，保持4h，控制固化压力为0.2～5MPa，得到玻璃钢复合材料方型结构的坯料；
四、切割步骤三得到的玻璃钢复合材料方型结构的坯料；
五、将步骤四得到的坯料加工至棒料；棒料的长度为500mm～3000mm，棒料的底面圆形直径为10mm～100mm；完成用于制造复合材料螺栓坯料成型方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明的方法解决了玻璃钢复合材料螺栓成型时纤维不连续的难题。玻璃钢复合材料螺栓在坯料制造过程中，使用了网状结构的增强材料，保证了纤维的连续性，从而使玻璃钢复合材料螺牙与螺杆连接处的纤维连续。
2、本发明方法有效减少了模具的使用量，缩短了模具的使用周期，降低了生产成本，可以实现玻璃钢复合材料螺栓的大批量生产。
本发明用于制备复合材料螺栓。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式用于制造复合材料螺栓坯料成型方法，其特征在于该方法具体是按照以下步骤进行的：
一、设计坯料铺层结构，调整坯料铺层纵向和横向纤维体积含量比，控制螺栓的轴向拉伸强度和螺纹剪切强度，计算公式为：σL/τ＝4tn/D，其中σL：复合材料螺栓轴向拉伸强度；τ：复合材料螺纹剪切强度；t：复合材料螺栓的螺距；n：复合材料螺栓的有效螺纹个数；D：复合材料螺栓的有效截面直径；
二、铺放复合材料预浸料，其中，复合材料预浸料为单向/网状预浸料；
三、按照步骤一设计的尺寸，裁剪步骤二得到的复合材料，得到预浸料片料，将预浸料片料放入坯料成型阴模模具当中，合上阳模模具，进行合模，控制合模温度为30～60℃；合模时间为4～10h；合模压力为0.5～5MPa；再进行固化，在温度为60℃～80℃条件下，保持2h，然后在温度为100℃～120℃条件下，保持2h，再在温度为140℃～180℃条件下，保持4h，控制固化压力为0.2～5MPa，得到玻璃钢复合材料方型结构的坯料；
四、切割步骤三得到的玻璃钢复合材料方型结构的坯料；
五、将步骤四得到的坯料加工至棒料；棒料的长度为500mm～3000mm，棒料的底面圆形直径为10mm～100mm；完成用于制造复合材料螺栓坯料成型方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中σL的取值为250～450MPa；τ的取值为40～200MPa；t的取值参照国家标准GB/T193-2003；n的取值为4～12；D＝螺栓公称直径－2×0.866×t；牙型角60°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中铺层时，将螺栓轴向方向设定为0°，垂直螺栓轴向方向设定为90°，以90°为中心，上层按照90°、80°、70°、60°、50°、40°、30°、20°、10°、0°的顺序叠层铺放预浸料，下层按照90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°、180°的顺序叠层铺放预浸料。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中复合材料预浸料由增强体和基体材料组成。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：增强体为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：基体材料为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂或乙烯基酯树脂。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中切割得到的坯料的尺寸为设计尺寸的1.3倍。其它与具体实施方式一至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例用于制造复合材料螺栓坯料成型方法，其特征在于该方法具体是按照以下步骤进行的：
一、设计坯料铺层结构，调整坯料铺层纵向和横向纤维体积含量比，控制螺栓的轴向拉伸强度和螺纹剪切强度，计算公式为：σL/τ＝4tn/D，其中，设计σL为400MPa，τ为40MPa，n为4；牙型角60°；
二、铺放复合材料预浸料，铺层时，将螺栓轴向方向设定为0°，垂直螺栓轴向方向设定为90°，以90°为中心，上层按照90°、80°、70°、60°、50°、40°、30°、20°、10°、0°的顺序叠层铺放预浸料，下层按照90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°、180°的顺序叠层铺放预浸料；其中，复合材料预浸料为单向/网状预浸料；增强体为碳纤维、基体材料为环氧树脂；
三、按照步骤一设计的尺寸，裁剪步骤二得到的复合材料，得到预浸料片料，将预浸料片料放入坯料成型阴模模具当中，合上阳模模具，进行合模，控制合模温度为40℃；合模时间为6h；合模压力为2MPa；再进行固化，在温度为70℃条件下，保持2h，然后在温度为100℃条件下，保持2h，再在温度为160℃条件下，保持4h，控制固化压力为2MPa，得到玻璃钢复合材料方型结构的坯料；
四、切割步骤三得到的玻璃钢复合材料方型结构的坯料；
五、将步骤四得到的坯料加工至棒料；棒料的长度为1000mm，棒料的底面圆形直径为50mm；完成用于制造复合材料螺栓坯料成型方法。
将本实施例制备的坯料加工成螺杆与采用不同工艺制造及市场已有的玻璃钢螺杆的性能对比如下表：

Claims (6)

1.用于制造复合材料螺栓坯料成型方法，其特征在于该方法具体是按照以下步骤进行的：
一、设计坯料铺层结构，调整坯料铺层纵向和横向纤维体积含量比，控制螺栓的轴向拉伸强度和螺纹剪切强度，计算公式为：σL/τ＝4tn/D，其中σL：复合材料螺栓轴向拉伸强度；τ：复合材料螺纹剪切强度；t：复合材料螺栓的螺距；n：复合材料螺栓的有效螺纹个数；D：复合材料螺栓的有效截面直径；
二、铺放复合材料预浸料，其中，复合材料预浸料为单向/网状预浸料；
三、按照步骤一设计的尺寸，裁剪步骤二得到的复合材料，得到预浸料片料，将预浸料片料放入坯料成型阴模模具当中，合上阳模模具，进行合模，控制合模温度为30～60℃；合模时间为4～10h；合模压力为0.5～5MPa；再进行固化，在温度为60℃～80℃条件下，保持2h，然后在温度为100℃～120℃条件下，保持2h，再在温度为140℃～180℃条件下，保持4h，控制固化压力为0.2～5MPa，得到玻璃钢复合材料方型结构的坯料；
四、切割步骤三得到的玻璃钢复合材料方型结构的坯料；
五、将步骤四得到的坯料加工至棒料；棒料的长度为500mm～3000mm，棒料的底面圆形直径为10mm～100mm；完成用于制造复合材料螺栓坯料成型方法；
步骤二中铺层时，将螺栓轴向方向设定为0°，垂直螺栓轴向方向设定为90°，以90°为中心，上层按照90°、80°、70°、60°、50°、40°、30°、20°、10°、0°的顺序叠层铺放预浸料，下层按照90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°、180°的顺序叠层铺放预浸料。
2.根据权利要求1所述的用于制造复合材料螺栓坯料成型方法，其特征在于步骤一中σL的取值为250～450MPa；τ的取值为40～200MPa；t的取值参照国家标准GB/T193-2003；n的取值为4～12；D＝螺栓公称直径－2×0.866×t；牙型角60°。
3.根据权利要求1所述的用于制造复合材料螺栓坯料成型方法，其特征在于步骤二中复合材料预浸料由增强体和基体材料组成。
4.根据权利要求3所述的用于制造复合材料螺栓坯料成型方法，其特征在于增强体为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维。
5.根据权利要求3所述的用于制造复合材料螺栓坯料成型方法，其特征在于基体材料为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂或乙烯基酯树脂。
6.根据权利要求1所述的用于制造复合材料螺栓坯料成型方法，其特征在于步骤四中切割得到的坯料的尺寸为设计尺寸的1.3倍。
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