CN113524717A - 一种空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造方法，此弹簧是由纤维增强复合材料预浸料铺贴，然后使用内装沙粒的塑料圆柱体棍棒做芯模卷制的碳纤维圆柱体棍棒状物，再放置于特殊设计的内外磨具中，进行高温、负压固化，再经脱模、修饰而成的内外表面光滑，无分层、无皱点，无划痕、无裂纹、无鼓泡等缺陷，尺寸恒定的，质量轻，并且具有高负荷质量比性能的空心纤维增强复合材料螺旋弹簧。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造工艺方法。
背景技术
纤维增强复合材料具有重量轻、比强度大、耐高温、抗腐蚀、抗疲劳，热力学性能好的特点。常见的增强纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等。
用纤维增强复合材料制成的空心螺旋弹簧，可比弹簧钢所制弹簧较大幅度减轻自重，并且能够在高温、腐蚀性环境中工作。这种空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧可以应用在航空航天、汽车领域等中，减轻飞行器和载具使用中的自重，从而节省能耗。也可在发动机、各种离心泵、齿轮泵等各种机械隔振中广泛使用。
发明内容
本发明采用组合内模模块与特殊芯模的设计方式，解决了空心碳纤维螺旋弹簧空心的制造困难和脱模困难的问题，芯模的制造和脱模设计构想新颖，简单易操作，脱模时弹簧内腔壁不受损伤。
附图说明
图1是芯模横截面示意图。
图2是复合材料铺层及用芯模卷制示意图。
图3是内模及内模支撑展开示意图。
图4是内模及内模支撑合并示意图。
图5是第本发明建议使用的切割方法示意图。
图6是其他的切割方法示意图。
图7是弹簧缠绕在内模上的示意图。
图8是外模示意图。
图9是脱内模5、内模7的示意图。
图10是脱内模6、内模8的示意图。
具体实施方式
以下，关于本实施方式的空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧及其制造方法，参照附图详细的说明。以下实施例使用碳纤维/环氧树脂预浸料制备弹簧，而本发明专利并不局限于碳纤维预浸料且不局限于以下实施例。
【步骤一】：参见图一，本发明的空心碳纤维螺旋弹簧的内腔芯模主要由塑料隔离薄膜1和粉末状的填充物2制作。塑料隔离薄膜1，可采用聚酯薄膜、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇及醋酸纤维素薄膜等。根据弹簧的展开长度及横截面大小，选择相应尺寸的桶状隔离薄膜。如果没有现成的桶装隔离薄膜，可由下述方法制作：
裁剪塑料膜，长宽尺寸由空心碳纤维螺旋弹簧理论展开长度和内径计算得出。首先，铺膜时防止起皱。然后将塑料隔离薄膜卷成空心圆柱，长边搭接处使用胶带或其他方式粘结。
两端的两个开口处，一个开口先用熔融或粘合剂、缝合等其他方式粘结封闭，另一个开口，从开口端处装粒径细小的沙子等填充物将塑料空心处充实，然后封闭开口端。制成内装填充物的、硬实的塑料圆柱体棍棒。此棍棒长度大于碳纤维的幅宽。此塑料圆柱体棍棒棒将作为空心碳纤维螺旋弹簧的芯模，棍棒的长度大于空心碳纤维螺旋弹簧理论展开长度20---30mm（依实际情况而定），便于后续芯模的固定及脱模。
塑料隔离薄膜1的材料，通常使用聚四氟乙烯，特氟龙等材质，具有隔离膜的特性。目的是空心碳纤维螺旋弹簧烘烤成型后，易于完整的从空心碳纤维螺旋弹簧内腔壁中剥离取下、抽出，只在空心碳纤维螺旋弹簧内腔壁上留下少量的印迹，从而形成表面光滑内腔壁。也可以直接使用尺寸吻合的现成品塑料隔离薄膜袋。
塑料隔离薄膜一方面防止填充料颗粒扎刺在碳纤维铺层中，避免应力集中，另一方面防止填充物2在烘烤成型过程中粘附在空心碳纤维螺旋弹簧内壁处。还有，塑料膜可改善空心弹簧内腔表面状态。所用塑料隔离薄膜1，应具有一定的强度，这样在最终脱模后，还可以从空心碳纤维螺旋弹簧内腔中抽拉出来。
填充物2以石英沙粒等细小颗粒状或粉末状的矿物质物料，如：粉状陶土、滑石粉、硅藻土、 云母、蒙脱石、钛白粉、硫酸钡、硫酸钙、碳酸钙，高岭土、石墨等。要求这些物料含水少，高温烘烤成型时不会因水份蒸发导致空心弹簧的芯模内部填充不足和空隙。其他如金属粉末，金属微小的钢珠等；干燥后的植物粉末物质都可以充当填充物。
这些填充物，无棱角，无尖突，以防刺伤碳纤维层压板而造成应力集中。粉料在高温烘烤成型后可从空心碳纤维螺旋弹簧的内腔芯模的两端或一段倒出。常温固体颗粒，可溶解于水的食用盐或工业盐颗粒或石膏类等，在脱模后用水溶解，再将弹簧干燥后即可使用。颗粒状的矿物质或金属物料，便于填充或倒出.本发明采用填充或倒出操作方便，不粘塑料膜，干净、少灰尘的石英沙为填充物。
【步骤二】：参见图2，将上述步骤制得的芯模3放在铺贴后的预浸料4上，从铺层的右边开始，将碳纤维铺层从右往左在芯模上进行平行卷绕，卷绕过程同时压实。
铺层的长宽根据理论弹簧长度计算得出。每幅裁剪的长、宽分别相等。将裁剪好的预浸料一层一层程台阶状过渡铺贴，避免铺层间厚度剧增而导致成型后的弹簧局部应力集中现象。
【步骤三】：参见图3，为方便脱模，给内模5、内模6、内模7、内模8和内模支撑9表面均匀地涂上脱膜剂。脱模剂应使用不与碳纤维/环氧树脂起反应的惰性物质。然后将内模5、内模6、内模7、内模8合并成一个整体，再将内模支撑9***其中。
参见图4，按照间隙配合方式配合，内模合并后10的内径实际尺寸大于或等于内模支撑9。保证可拆卸功能的内模，在多块内模相互位置正确搭配、合模后而成筒状形。用麻绳或卡箍等固定内模10和内模支撑。也可以不使用内模支撑，用上下两个金属圆盘或圆环进行位置固定：在每个内模块的上、下环面上打内丝眼，并在上下两个金属圆盘或圆环上对应位置打眼，打眼后可使用有外丝的丝杆螺栓将内模块和金属圆盘进行固定。空心碳纤维螺旋弹簧成型后，将螺栓拧下，拆卸两个圆盘，组合的芯模，逐步从筒孔中抽出。具体的内模配合及固定方式，可由实际情况灵活调整。内模支撑9应具较高硬度并且耐磨的表面，具体材料可依实际情况而定。内模支撑9也可采用中空的管材作为内模支撑。
内模10的具体加工方式如下：
内模10采用中空的铝材质，此形状是空心的圆柱铝管，其壁厚大于计划要制作的空心弹簧线径的一半；在空心圆柱状的铝管材料外周，按照设计的空心弹簧大小，用数控车床上加工出弹簧状的螺旋槽，其槽深是空心弹簧的半径尺寸，槽的形状是弹簧形状的半圆形的阴模具凹槽。铝管上加工弹簧状的螺旋槽后，将在空心圆柱外周表面出现一条从下到上畅通的螺旋状凹槽。槽的最深处距离铝管内壁，具有一定的厚度，具备能固定、并能承受弹簧的挤压强度。
铝管上加工出弹簧状的螺旋槽后，用线切割或其他加工方式沿管材长度方向切割。切割的目的，通过拼块式内模的脱模，将成型后的空心碳纤维螺旋弹簧从铝材内模凹槽中脱模出来。因内模、外模的凹槽深度是计划要做的空心弹簧簧丝横截面外半径长尺寸，即空心弹簧簧丝横截面的一半在内模凹槽中，内模、外模任何一个的凹槽深度大于空心弹簧簧丝横截面外半径长尺寸时，都无法实现脱模。
切割方法及尺寸确认如下：
设铝管的内外半径分别为r和R，弹簧的内半径为rc。
参见图5，沿对称于铝管横截面直径的两条平行线切割。设两条平行线的距离为L。L与R，r，rc的关系需要满足以下不等式：
（1）
（2）
在满足上述不等式的情况下，做铝管管材圆横截面上对称圆截面中心两侧的平行切割线，切割次数2次，得到内模5、内模6、内模7、内模8，并且能够完全脱模（脱模时讲述），是最经济，最简单的切割方式。
如果在铝管管材圆横截面做与圆截面中心两侧不对称的平行切割线，同样具有完全脱模的效率，为了方便、美观起见，本发明采用在铝管管材圆横截面对称与圆截面中心两侧的平行切割线。
线切割设备的电极丝应尽量细，或当使用其他切割设备时，选用适当的切割工具。原则是尽可能减少切割造成的材料损失，在切割线处合模后的间隙小，以降低拼缝对弹簧外观表面的影响螺旋无明显的缺失，无明显的高低差。
参见图6，按照其中的切割方法（以及其他切割次数大于4次的方式），当尺寸满足一定条件时，也能够实现脱模。但因其加工难度大，而且切割次数多，不经济。或因切割后得到的内模块数多，不便拼合内模。在此不再赘述这些方法。
作为空心碳纤维螺旋弹簧的内模模具材质，还可采用钢质、铸铁等金属材料。也可以采用硬质高分子的复合材料，如电木等。这些材质需要具有相对较高的尺寸稳定性、便于加工、机械加工性能好、加工后拥有良好的表面粗糙度、耐高温，热膨胀系数小等特点。同时，作为模具的成本要低。
【步骤四】：参见图7，将步骤二中得到的芯模3和铺层4沿着内模10的凹槽缠绕在内模上。缠绕时一定要确保弹簧的内侧紧贴凹槽表面，防止弹簧内侧褶皱的产生。缠绕完成后，可用麻绳将弹簧两端露出的芯模固定在内模10上，防止弹簧散开。具体固定方式可由实际情况灵活调整。
【步骤五】：参见图8，给两块外模11、12表面均匀地涂上的脱膜剂，然后将其包裹在步骤四得到的螺旋弹簧外。再用卡箍或其他方式将其固定。
与内模和芯模不同，外模11、12除了使用步骤三中提到的材料加工之外，也可以使用拥有良好弹性的材料来加工。例如硅胶，硅胶外模可由步骤四的组合物倒阴模制得。此方法可节约成本，且制作方法简单，但表面光滑度不如金属模具。
【步骤六】：将整个组合物装入真空袋中，放入烘箱或热压罐进行高温固化。
空心碳纤维螺旋弹簧固化成型，通常采用中温固化结构胶粘剂体系。升温速率均匀上升，升温至目标温度后保温适当时间。具体的固化时间和固化温度根据使用的碳纤维的材料参数来调整。固化结束后，取出组合件，自然冷却至常温。
【步骤七】：脱模。
首先拆除外模11、12，然后抽出内模支撑9。
参见图9，将内模5移动至弹簧内侧，然后将其抽出。然后用同样的方法取出内模7。
参见图10，将内6移动至弹簧内侧，然后将其抽出。然后用同样的方法取出内模8。
最后，将芯模3的隔离薄膜1从空心弹簧的内部抽出。如果跳过了步骤六，则先将芯模3中的填充物2倒出，再将隔离薄膜1抽出。
至此，成型了空心碳纤维螺旋弹簧将制作完成。将得到内外表面光滑，无分层、无皱点，无划痕、无裂纹、无鼓泡等缺陷，尺寸恒定的，质量轻、高负荷质量比的空心碳纤维螺旋弹簧。
Claims (12)
1.一种空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造工艺方法，其特征是它包括以下步骤：
步骤一：制作芯模，根据弹簧的展开长度及横截面大小，选择相应尺寸的桶状隔离薄膜，两端的两个开口处，一个开口先用熔融或粘合剂、缝合等其他方式粘结封闭，另一个开口，从开口端处装粒径细小的沙子等填充物将塑料空心处充实，然后封闭开口端，制成内装填充物的、硬实的塑料圆柱体棍棒，
步骤二：芯模卷绕，将芯模放在铺贴后的预浸料上，从铺层的一端开始，将复合材料铺层从一端向另一端在芯模上进行平行卷绕，卷绕过程同时压实，
步骤三：涂脱模剂，给模具表面均匀地涂上脱模剂，然后将内模与内模支撑合并，
步骤四：弹簧缠绕，将步骤二中得到的芯模沿着内模的凹槽缠绕在内模上，
步骤五：外模包裹，将外模包裹在步骤四得到的螺旋弹簧外，再用卡箍或其他方式将其固定，
步骤六：高温固化，将步骤六得到的整个组合物装入真空袋中，放入烘箱或热压罐进行高温固化，
步骤七：脱模，首先拆除外模，然后抽出内模支撑，将两块较小的内模移动至弹簧内侧，然后将其抽出，然后用同样的方法取出另外两块较大的内模，最后，将隔离薄膜从弹簧内部抽出。
2.根据权利要求1所述的空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造工艺方法，其特征是在步骤一中，隔离薄膜的材料，通常使用聚四氟乙烯、特氟龙、聚酯薄膜、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇及醋酸纤维素薄膜等材质，具有隔离膜的特性，并且具有一定的拉伸强度。
3.根据权利要求1所述的空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造工艺方法，其特征是在步骤一中，填充物以石英沙粒等细小颗粒状或粉末状的矿物质物料，如：粉状陶土、滑石粉、硅藻土、云母、蒙脱石、钛白粉、硫酸钡、硫酸钙、碳酸钙、高岭土、石墨等，要求这些物料含水少，高温烘烤成型时不会因水份蒸发导致空心弹簧的芯模内部填充不足和空隙，其他如金属粉末，金属微小的钢珠等，以及干燥后的植物粉末物质都可以充当填充物。
4.根据权利要求1所述的空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造工艺方法，其特征是在步骤二中，铺层的长宽根据理论弹簧长度计算得出，每幅裁剪的长、宽分别相等，将裁剪好的预浸料一层一层程台阶状过渡铺贴，避免铺层间厚度剧增而导致成型后的弹簧局部应力集中现象。
5.根据权利要求1所述的空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造工艺方法，其特征是在步骤三中，内模与内模支撑按照间隙配合方式配合，内模合并后的内径实际尺寸大于或等于内模支撑，保证可拆卸功能的内模，在多块内模相互位置正确搭配、合模后而成筒状形。
6.根据权利要求5所述的可拆卸内模，其特征是在合模后，用麻绳或卡箍等固定内模和内模支撑，也可以不使用内模支撑，用上下两个金属圆盘或圆环进行位置固定：在每个内模块的上、下环面上打内丝眼，并在上下两个金属圆盘或圆环上对应位置打眼，打眼后可使用有外丝的丝杆螺栓将内模块和金属圆盘进行固定。
7.根据权利要求5所述的多块内模，其特征是由中空的铝或其他金属材质加工而成，并且其壁厚大于计划要制作的空心弹簧线径的一半。
8.根据权利要求5所述的多块内模，其特征是外周表面出现一条从下到上畅通的螺旋状凹槽，槽的形状是弹簧内侧形状的半圆形的阴模具凹槽，槽的最深处距离铝管内壁，具有一定的厚度，具备能固定、并能承受弹簧的挤压强度。
9.根据权利要求5所述的多块内模，其特征是用线切割等加工方式，由沿对称于铝管横截面直径的两条平行线切割铝管制成。
10.根据权利要求9所述的铝管，可以用钢质、铸铁等金属材料代替，也可以采用硬质高分子的复合材料，如电木等，这些材质需要具有相对较高的尺寸稳定性、便于加工、机械加工性能好、加工后拥有良好的表面粗糙度、耐高温，热膨胀系数小等特点。
11.根据权利要求1所述的空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造工艺方法，其特征是在步骤四中，缠绕时弹簧的内侧紧贴凹槽表面，防止弹簧内侧褶皱的产生。
12.根据权利要求1所述的空心轻质纤维增强复合材料螺旋弹簧的制造工艺方法，其特征是在步骤五中，外模除了使用权利要求10中提到的材料，也可以使用拥有良好弹性的材料来加工，如硅胶等。
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