CN108327168A - 三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法 - Google Patents
三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，包含如下步骤：先使用可纺可编织纤维，在可弯曲的条形的芯模外表面上以三维编织工艺编织出三维编织管，得到条形预成型体；然后将条形预成型体置入内模与外模之间形成的螺旋状空间内；接下来在所述螺旋状空间内应用VARTM(真空辅助树脂传递模塑)工艺注射基体材料，并通过加温加压使所述基体材料与所述三维编织管固化为复合材料螺旋弹簧；最后去除螺旋弹簧内的芯模，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧。本发明制作的三维编织复合材料空心螺旋弹簧，兼具复合材料螺旋弹簧所具有的轻量化、抗疲劳、耐腐蚀、耐冲击等既有优点，又进一步地提高了其轻量化、弹簧刚度等性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料螺旋弹簧的制作方法。
背景技术
随着工业技术的进步，复合材料已经在航空航天、交通运输、机械、建筑等领域得到了广泛应用，由其制成的弹簧，包括板簧、螺旋弹簧等也已在汽车、高铁等大量应用，其中板簧由于设计、制作加工工艺简单而应用更为广泛，为提高能源效率、轻量化、降低全寿命成本等方面取得了较大成效。而螺旋弹簧则由于各种因素制约，发展的相对缓慢，已有的产品和研究成果也并未很好地发挥复合材料的综合优势。
随着技术的进步，三维编织技术得到了进一步发展，三维编织复合材料也逐渐克服了成本高、工期长、生产效率低、工艺复杂、性能不稳定等缺陷，越来越多地被认识、接受，并发挥了高力学性能、可设计性强、抗冲击、耐损伤、耐高温、近净成型、适用于RTM(树脂传递模塑)等OoA(非热压罐)低成本复合工艺等特长，取得了良好的应用效果。
复合材料螺旋弹簧可以替代金属螺旋弹簧，在各个工业领域广泛应用，具有轻量化、抗疲劳、耐腐蚀、耐高温等优点。然而，以往的复合材料螺旋弹簧，多用单向纤维或单向纤维外覆二维编织布或二维编织套制作，因此簧丝基本均呈实心形态。一般研究认为，沿簧丝方向+/-45度方向的纤维会有助于提升弹簧性能，且越靠近簧丝中心，纤维的效能越小。因此有些螺旋弹簧在表面贴敷具有一定角度的编织布或二维编织套，可部分提高性能和表观效果，但性能提升有限，且由于各部分之间仍存在力学性能不匹配，所以仍会存在易分层、抗冲击性差、寿命短等弱点，且提高了工艺复杂度。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，使其制作出来的空心弹簧兼具复合材料螺旋弹簧所具有的轻量化、抗冲击、抗疲劳、耐腐蚀、耐高温的既有优点，而且其轻量化、弹簧刚度性能更高。
本发明采用的技术方案如下：
一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征是包含如下步骤：
一、使用可纺可编织纤维，在可弯曲的条形的芯模外表面上以三维编织工艺编织出三维编织管，以所述芯模与所述三维编织管构成条形预成型体；
二、将条形预成型体置入内模与外模之间形成的螺旋状空间内；
三、使所述螺旋状空间形成真空；在真空辅助条件下，在所述螺旋状空间内注射基体材料，然后通过加温加压使所述基体材料与所述三维编织管固化为复合材料螺旋弹簧；
四、打开外模、退出内模，得到带芯模的复合材料螺旋弹簧；
五、去除芯模，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧。
所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其中：所述芯模以可熔材料、可溶材料或气囊制成，所述可熔材料的熔点高于基体材料的固化温度，并低于所述基体材料的软化温度。
所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其中：所述内模的外侧面上以及/或所述外模的内表面上设有螺旋状的成型槽，以形成所述螺旋状空间。
本发明还提供一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征是包含如下步骤：
一、在螺旋弹簧形的硬质芯模外表面上覆盖用可纺可编织纤维以三维编织工艺编织出的三维编织管，所述硬质芯模与所述三维编织管构成螺旋弹簧形预成型体；
二、将螺旋弹簧形预成型体通过液体成型工艺浸渍基体材料，并包覆隔离材料；
三、将所述螺旋弹簧形预成型体通过加温加压进行固化成型，使基体材料与所述三维编织管复合成为复合材料螺旋弹簧；
四、去除所述复合材料螺旋弹簧表面的隔离材料，得到带芯模的复合材料螺旋弹簧；
五、去除硬质芯模，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧。
本发明还提供一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征是包含如下步骤：
一、在螺旋弹簧形的硬质芯模外表面上覆盖用可纺可编织纤维以三维编织工艺编织出的三维编织管，所述硬质芯模与所述三维编织管构成螺旋弹簧形预成型体；
二、将所述螺旋弹簧形预成型体表面用与三维编织管相同材质的带状物缠绕固定；
三、通过气相或液相沉积工艺在所述三维编织管上复合基体材料，成为复合材料螺旋弹簧；
四、去除复合材料螺旋弹簧表面的带状物形成的复合物，得到带芯模的复合材料螺旋弹簧；
五、去除硬质芯模，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧。
所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其中：所述三维编织管的内侧截面呈方形或圆形；所述三维编织管的外侧截面呈方形或圆形。
所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其中：所述可纺可编织纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超强聚乙烯纤维、碳化硅纤维或氮化硅纤维。
所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其中：所述基体材料是树脂、碳或陶瓷基体材料。
所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其中：所述硬质芯模的材质以可熔材料或可溶材料制成。
通过采用上述技术方案，使其能够顺利制作出三维编织复合材料空心螺旋弹簧，能够进一步地提高其轻量化、弹簧刚度等性能。
附图说明
图1为本发明的条形预成型体的外观图；
图2为本发明的条形预成型体的截面图；
图3为本发明将条形预成型体缠绕到内模上的结构示意图；
图4为本发明增加外模的结构示意图；
图5为本发明得到的带芯模的复合材料螺旋弹簧的示意图；
图6为螺旋弹簧熔化芯模后得到的空心弹簧的截面图；
图7为本发明提供的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的固化***的结构原理图；
图8是图7中B处放大图；
图9是本发明中由硬质芯模与三维编织管构成螺旋弹簧形预成型体的结构示意图；
图10是图9中的螺旋弹簧形预成型体包覆隔离材料或者缠绕带状物后的横截面示意图；
图11是本发明提供的另一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的固化***的结构原理图。
附图标记说明：芯模10；三维编织管20；内模30；外模40；抽真空装置50；空间A；复合材料螺旋弹簧60；注射机70；加温加压设备75；硬质芯模80；隔离材料90；气相或液相沉积设备99。
具体实施方式
本发明提供一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，以一个较佳实施例来予以说明，其包含如下步骤：
一、使用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超强聚乙烯纤维、碳化硅纤维或氮化硅纤维等可纺可编织纤维，以条形低熔点合金为芯模10，在所述芯模10外表面上以三维编织工艺编织出三维编织管20，以所述芯模10与所述三维编织管20构成条形预成型体；如图1、图2所示，本实施例中，所述条形预成型体的外侧截面呈方形，内侧截面呈圆形(形状并不限定)；
二、如图3所示，将条形预成型体缠绕到内模30上，其中，所述内模30为圆柱形，其外侧面上成型有螺旋状的内成型槽，条形预成型体沿着所述内成型槽缠绕到内模上，并且一部分的条形预成型体凸出于所述内模的外表面；
三、如图4所示，增加外模40，所述外模40由至少两部分拼合而成，其内表面上成型有与所述内模30的内成型槽相对应的外成型槽，所述外成型槽与所述内模30的内成型槽密合，将所述条形预成型体容纳在内；
四、如图7、图8所示，所述外成型槽与所述内成型槽形成的空间A连接有抽真空装置50，使所述外成型槽与所述内成型槽形成的空间形成真空；在真空辅助条件下，在所述外成型槽与所述内成型槽形成的空间内注射树脂基体材料，然后通过加温加压使所述基体材料与所述三维编织管20固化为复合材料螺旋弹簧60；其中，所述低熔点合金的熔点应当高于基体材料的固化温度；
五、打开外模40、退出内模30，得到如图5所示的带芯模10的复合材料螺旋弹簧60；
六、通过加温，使所述复合材料螺旋弹簧60中心位置处的芯模10熔化并流出，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧(截面如图6所示)；其中，所述低熔点合金的熔点应当低于固化后基体材料的软化温度。
因此，本发明还提供了一种在步骤四中所使用的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的固化***，如图7、图8所示，其包括柱状的内模30与罩在内模30外侧的外模40，内模30的外侧面上成型有螺旋状的内成型槽，所述外模40由至少两部分拼合而成，其内表面上成型有与所述内模30的内成型槽相对应的外成型槽，所述外成型槽与所述内模30的内成型槽能够密合；
条形预成型体缠绕在所述内模的内成型槽上，并被闭合在所述外成型槽与所述内成型槽形成的空间A内，其包括以低熔点合金制成的条形的芯模10，以及使用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超强聚乙烯纤维、碳化硅纤维或氮化硅纤维等可纺可编织纤维在所述芯模10外表面上以三维编织工艺编织出的三维编织管20；
所述外成型槽与所述内成型槽形成的空间A连接有抽真空装置50，还连接有注射机70与加温加压设备75，所述注射机70能够向所述空间中注入树脂等基体材料，所述加温加压设备75使所述基体材料与所述三维编织管20固化为复合材料螺旋弹簧60。
其中，所述低熔点合金的熔点应当高于基体材料的固化温度，并低于所述基体材料的软化温度。
上述实施例中，所述芯模10也可以采用可溶解的材质，如可被化学溶剂溶解的材料、水溶性材料等，在步骤六中通过将带芯模10的复合材料螺旋弹簧60置于溶剂中，即可将芯模10去除。
此外，所述芯模10还可以是气囊，在步骤六中通过将气囊放气再取出，即可将芯模10去除。
而且，本发明还提供另一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，包含如下步骤：
一、如图9、图11所示，在螺旋弹簧形的硬质芯模80(优选为空心结构，也可以是实心结构)表面上覆盖用可纺可编织纤维以三维编织工艺编织出的三维编织管20，所述硬质芯模80与所述三维编织管20构成螺旋弹簧形预成型体；
二、将螺旋弹簧形预成型体通过液体成型工艺浸渍基体材料，并如图10所示，包覆隔离材料90(如OPP带、真空袋或热缩管)；
三、将所述螺旋弹簧形预成型体通过加温加压进行固化成型，使基体材料与所述三维编织管20复合成为复合材料螺旋弹簧60；
四、去除所述复合材料螺旋弹簧60表面的隔离材料90，得到带芯模10的复合材料螺旋弹簧60(类似如图5所示)；
五、去除硬质芯模80，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧(类似如图6所示)。
本发明还提供再一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其包含如下步骤：
一、如图9、图11所示，在螺旋弹簧形的硬质芯模80(优选为空心结构，也可以是实心结构)外表面上覆盖用可纺可编织纤维以三维编织工艺编织出的三维编织管20，所述硬质芯模80与所述三维编织管20构成螺旋弹簧形预成型体；
二、在所述螺旋弹簧形预成型体表面用与三维编织管20相同材质的带状物缠绕固定(如图10所示)；
三、将所述螺旋弹簧预成型体放置在气相或液相沉积炉中，通过气相或液相沉积工艺在所述三维编织管20上沉积复合基体材料(例如碳或陶瓷基体材料)，成为复合材料螺旋弹簧60；
四、去除复合材料螺旋弹簧60表面的带状物形成的复合物，得到带芯模10的复合材料螺旋弹簧60(类似如图5所示)；
五、去除硬质芯模80，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧(类似如图6所示)。
其中：所述可纺可编织纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超强聚乙烯纤维、碳化硅纤维或氮化硅纤维。所述基体材料是树脂、碳或陶瓷基体材料。所述硬质芯模80的材质以可熔材料或可溶材料制成。
相应地，上述两种制作方法中使用的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的固化***，如图10、图11所示，具有能够将所述螺旋弹簧预成型体置于内部的气相或液相沉积设备99。
Claims (9)
1.一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征是包含如下步骤：
一、使用可纺可编织纤维，在可弯曲的条形的芯模外表面上以三维编织工艺编织出三维编织管，以所述芯模与所述三维编织管构成条形预成型体；
二、将条形预成型体置入内模与外模之间形成的螺旋状空间内；
三、使所述螺旋状空间形成真空；在真空辅助条件下，在所述螺旋状空间内注射基体材料，然后通过加温加压使所述基体材料与所述三维编织管固化为复合材料螺旋弹簧；
四、打开外模、退出内模，得到带芯模的复合材料螺旋弹簧；
五、去除芯模，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧。
2.根据权利要求1所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征在于：所述芯模以可熔材料、可溶材料或气囊制成，所述可熔材料的熔点高于基体材料的固化温度，并低于所述基体材料的软化温度。
3.根据权利要求1所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征在于：所述内模的外侧面上以及/或所述外模的内表面上设有螺旋状的成型槽，以形成所述螺旋状空间。
4.一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征是包含如下步骤：
一、在螺旋弹簧形的硬质芯模外表面上覆盖用可纺可编织纤维以三维编织工艺编织出的三维编织管，所述硬质芯模与所述三维编织管构成螺旋弹簧形预成型体；
二、将螺旋弹簧形预成型体通过液体成型工艺浸渍基体材料，并包覆隔离材料；
三、将所述螺旋弹簧形预成型体通过加温加压进行固化成型，使基体材料与所述三维编织管复合成为复合材料螺旋弹簧；
四、去除所述复合材料螺旋弹簧表面的隔离材料，得到带芯模的复合材料螺旋弹簧；
五、去除硬质芯模，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧。
5.一种三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征是包含如下步骤：
一、在螺旋弹簧形的硬质芯模外表面上覆盖用可纺可编织纤维以三维编织工艺编织出的三维编织管，所述硬质芯模与所述三维编织管构成螺旋弹簧形预成型体；
二、将所述螺旋弹簧形预成型体表面用与三维编织管相同材质的带状物缠绕固定；
三、通过气相或液相沉积工艺在所述三维编织管上复合基体材料，成为复合材料螺旋弹簧；
四、去除复合材料螺旋弹簧表面的带状物形成的复合物，得到带芯模的复合材料螺旋弹簧；
五、去除硬质芯模，得到三维编织复合材料空心螺旋弹簧。
6.根据权利要求1、4或5所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征在于：所述三维编织管的内侧截面呈方形或圆形；所述三维编织管的外侧截面呈方形或圆形。
7.根据权利要求1、4或5所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征在于：所述可纺可编织纤维是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超强聚乙烯纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维。
8.根据权利要求1、4或5所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征在于：所述基体材料是树脂、碳或陶瓷基体材料。
9.根据权利要求4或5所述的三维编织复合材料空心螺旋弹簧的制作方法，其特征在于：所述硬质芯模的材质以可熔材料或可溶材料制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180727 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |