Verfahren zur Herstellung eines mit einem Gewinde versehenen Bolzens aus glasfaserverstärktem Kunststoff
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mit einem Gewinde versehenen Bolzens aus glasfaserverstärktem Kunststoff.
Es ist bekannt, in elektrischen Ausrüstungen Bolzen mit Gewinden anzuwenden, die ganz aus Isoliermaterial aufgebaut sind, z. B. Bakelit -Papierbolzen. Solche Bolzen werden u. a. zur Verspannung und Kupplungsleitern beim Aufbau von Anschlussgeräten und dergleichen in elektrischen Apparaten, z. B. in Transformatoren und Reaktoren, verwendet.
Es hat sich gezeigt, dass derartige Bakelit -Papierbolzen keine zufriedenstellenden mechanischen Eigenschaften haben, besonders nach einer Wärme- und Vakuumbehandlung, und dass entweder das Gewinde oder der Bolzen als solcher bei Beanspruchungen beschädigt wird.
Um die mit der Verwendung von Bakelit Papierbolzen zusammenhängenden Nachteile zu vermeiden, hat man versucht, gewindegeschliffene Bolzen aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit in der Längsrichtung der Bolzen orientierten Glasfasern zu verwenden. Es hat sich jedoch erwiesen, dass diese Bolzen den Nachteil aufweisen, dass das Gewinde eine zu schlechte mechanische Festigkeit hat, um den oft vorkommenden Beanspruchungen widerstehen zu können. Der Grund dafür ist, dass die in der Längsrichtung des Bolzens orientierten Glasfasern beim Gewindeschleifen angeschnitten werden, so dass bei Belastung des Gewindes der darin enthaltene Kunststoff praktisch die ganze Beanspruchung aufnehmen muss.
Es sind ferner mit Gewinden versehene Bolzen aus glasfaserverstärktem Kunststoff bekannt, die im Zentrum eine Verstärkung von in der Längsrichtung des Bolzens verlaufenden parallelen Glasfasern und in den Gewinden eine Verstärkung von winkelrecht zu der Belastungsrichtung angeordneten Fasern oder Gewebschichten besitzen, die letztgenannte mit ausgestanzten Löchern für die zentral gelegenen Fasern.
Die Bolzen werden dadurch hergestellt, dass die mit ausgestanzten Löchern versehenen Gewebeschichten über einen Glasfaserstrang geschoben und dort angebracht werden, wo das Gewinde liegen soll, wonach diese vorbereitete Verstärkung in eine Giessform gelegt wird, die mit einem verschiebbaren Kolben versehen ist. Nachdem dann ein flüssiges Giessharz zugeführt und der Kolben ein wenig in die Giessform hineingedrückt worden ist, damit diese mit Harz ausgefüllt wird, wird das Harz einer Härtung unterworfen. Dieses bekannte Verfahren hat vor allem den sehr beträchtlichen Nachteil, dass das Formwerkzeug eine lange Zeit in Anspruch genommen wird, was mit den Arbeitsschritten zusammenhängt, die damit ausgeführt werden, u. a. das umständliche Anbringen der Verstärkung und das Einfüllen des Kunststoffes.
Um ein mit einem äusseren Gewinde versehenes Rohr herzustellen, ist es bekannt, einen Glasfaserfaden um ein Rohr mit glatter Oberfläche zu wickeln und danach dieses in eine Giessform, die dem erwünschten Gewinde entspricht, zusammen mit einem härtbaren Kunststoff einzubringen und den Kunststoff zu härten. Ein solches Rohr hat den bedeutenden Nachteil, dass das aufgewickelte Material bei grösserer Beanspruchung leicht von dem untenliegenden glatten Rohr abgeschert wird, was seine Verwendbarkeit begrenzt.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine besonders einfache Herstellungsweise eines mit einem äusseren Gewinde versehenen Bolzens aus glasfaserverstärktem Kunststoff zu schaffen, bei der das Formwerkzeug nur während der Härtung des Kunst stoffes in Anspruch genommen wird und womit ein Bolzen erhalten wird, dessen Gewinde eine sehr hohe Abscherungsfestigkeit (Schubfestigkeit) aufweist. Die Erfindung fusst auf dem Benützen eines an und für sich bekannten gehärteten Bolzens aus glasfaserverstärktem Kunststoff als Bestandteil des mit Gewinde versehenen Bolzens. Um den gehärteten Bolzen wird eine Hülle aus Glasfaser und ungehärtetem Kunststoff angebracht, die dann zu einem Gewinde mit gewünschtem Aussehen geformt und gleichzeitig am Kernbolzen verankert wird.
Die genannten bekannten Bolzen sind im Handel zugänglich und werden gewöhnlich durch Anwendung von kontinuierlichen Methoden hergestellt, wodurch ihre Herstellungskosten niedrig sind.
Gemäss der Erfindung wird die Mantelfläche des gehärteten Bolzens mit flachen Einkerbungen mit einer zur Achsenrichtung des Bolzens winkelrechten Richtungskomponente versehen, wonach der gehärtete Bolzen, wenigstens an der Stelle, wo das Gewinde angeordnet werden soll, mit einer Hülle umgeben wird, die aus um den Bolzen gewickelten Glasfaserfäden oder Glasfasersträngen und einem härtbaren Kunststoff in ungehärtetem Zustand besteht, worauf der mit der Hülle umgebene Bolzen durch Erhärten des Kunststoffes der Hülle in eine steife Einheit verwandelt wird, während der mit der Hülle umgebene Bolzen in einem Formwerkzeug angeordnet wird, das mit einer mit einem inneren Gewinde versehenen Partie ausgerüstet ist, die bei der Härtung der dabei hergestellten steifen Einheit ein äusseres Gewinde derselben Form ergibt.
Dank dem Vorhandensein der Einkerbungen wird eine gute Verankerung der gehärteten Hülle an dem darunterliegenden Kernbolzen erhalten, und es wird verhindert, dass die Hülle bei Beanspruchung des mit einem Gewinde versehenen Bolzens von dem Kernbolzen abgezogen wird. Um der äussern Schicht des Kernbolzens eine gute Abscherungsfestigkeit (Schubfestigkeit) zu geben, ist es zweckmässig, die Einkerbungen nicht zu dicht anzuordnen, so dass der axiale Abstand zwischen ihnen grösser ist als die Steigung des herzustellenden Gewindes. Die Einkerbungen nehmen dabei einen kleineren Teil der Mantelfläche des Kernbolzens ein als die Partien, die nicht mit Einkerbungen versehen sind.
Die Glasfaserfäden oder Glasfaserstränge können um den Kernbolzen z. B. schraubenlinienförmig oder in mehreren Schichten gewickelt werden. Es kann dabei vorteilhaft sein, dass mindestens zwei angrenzende Schichten in verschiedenen Richtungen gewickelt werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. 1-5 der beigefügten Zeichnung beispielsweise beschrieben, in welcher Fig. 1 eine Seitenansicht und einen Teil eines mit Einkerbungen versehenen Bolzens aus glasfaserverstärktem Kunststoff zeigt, auf welchem die Hülle aus Glasfasern und ungehärtetem Kunststoff angebracht wird.
Fig. 2 zeigt in Seitenansicht den Bolzen nach Fig. 1 beim Anbringen der Glasfasern und des ungehärteten Kunststoffes.
Fig. 3 zeigt das Formwerkzeug, in welchem der Kunststoff in der Hülle einer Härtung unterworfen wird. Um die Figur anschaulicher zu gestalten, ist die eine Hälfte des aus zwei Teilen bestehenden Werkzeuges entfernt.
Fig. 4 ist ein Querschnitt durch A-A nach Fig. 3, zeigt jedoch beide Hälften des Werkzeuges.
Fig. 5 zeigt in Perspektive ein Beispiel eines fertigen Bolzens nach der Erfindung.
Der Bolzen 10 nach Fig. 1 besteht aus glasfaserverstärktem Kunststoff, z. B. aus einem ungesättigten Polyesterharz mit parallelen, in der Längsrichtung des Bolzens orientierten Glasfasern. Auf der Mantelfläche ist er mit flachen, mit Abstand voneinander angeordneten Einkerbungen 11 versehen. Die Einkerbungen nehmen einen kleineren Teil der Mantelfläche des Bolzens ein als die Partien 12, die nicht mit Einkerbungen versehen sind. Die Einkerbungen brauchen nicht wie in Fig. 1 eine zusammenhängende, schraubenlinienförmig verlaufende Kurvenlinie zu bilden, sondern ihre Form kann variiert werden.
Unter anderem kann man ihnen die Form von mehreren miteinander parallelen und zu der Achsrichtung des Bolzens winkelrechten Kreisen geben. Die Einkerbungen können z. B. auch zwei schraubenlinienförmig verlaufende Kurvenlinien ergeben, die miteinander einen Winkel bilden. Es kann unter gewissen Umständen zweckmässig sein, die Partien 12 auf der Mantelfläche des Bolzens etwas aufzurauhen.
Um den Bolzen 10 wird gemäss Fig. 2 ein beispielsweise mit einem ungesättigten Polyesterharz im voraus imprägnierter Glasfaserstrang 13 gewickelt, der mehrere parallelgespulte Fäden umfasst, die je aus ungezwirnten Glasfaserfäden bestehen, ein sogenanntes vorimprägniertes Roving, so dass eine Hülle 14 erhalten wird. Beim Umwickeln wird das vorimprägnierte Roving zweckmässig über den Bolzen 10 hin- und zurückgeführt. Die Anzahl der Schichten hängt natürlich von der Höhe des herzustellenden Gewindes ab. In jedem Fall ist es zweckmässig, die äusserste Schicht in der Steigungsrichtung des Gewindes zu wickeln.
Durch Anbringen des Glasfasermaterials mit einer verhältnismässig schwachen Strekkung erreicht man, dass die aus Glasfasern und ungehärtetem Harz bestehende Hülle eine plastische Deformierbarkeit erhält, so dass das Formwerkzeug, das später zur Anwendung kommen soll, vollständig von beiden Materialien ausgefüllt werden kann, die homogen verteilt sind, ohne dass die Glasfasern beschädigt werden. Statt das Harz vor dem Anbringen des Glasfaserstranges zuzuführen, kann dies im Zusammenhang damit geschehen, z. B. indem das ungehärtete Harz während der Umwicklungsarbeit auf den Glasfaserstrang gepinselt oder gespritzt wird.
Als Glasfasermaterial anstatt des genannten Glasfaserstranges können u. a. verschiedene Typen von Glasfaserfäden verwendet werden, wie ungezwirntes und gezwirntes Garn von kontinuierlichen Fasern und Garn aus Stapelfasern.
Nach Anbringen des Glasfasermaterials und des Harzes auf den Bolzen 10, wird der Bolzen gemäss Fig. 3 und 4 mit umgebendem Material in ein Werkzeug 15 verbracht, das aus zwei Teilen 16 und 17 besteht. Das Werkzeug hat ein inwendiges Gewinde 18 derselben Art, für die der Glasfaserbolzen vorgesehen ist. Ferner ist die eine Werkzeughälfte 16 mit zwei längs verlaufenden Nuten 19 versehen, durch die ein eventueller Überfluss an Kunststoff, der beim Formen des mit einem Gewinde versehenen Bolzens herausgepresst wird, vom Werkzeug weggeleitet werden kann. 20 bezeichnet Bolzen, mit denen die Werkzeughälften zusammengezogen werden. Nachdem das zur Hülle gehörende Harz gehärtet worden ist, gewöhnlich durch Erwärmen des Werkzeugs, wird das fertige Produkt aus dem Werkzeug genommen.
Fig. 5 zeigt einen fertigen, gemäss der Erfindung hergestellten Bolzen mit Gewinden 21 bzw. 22 an beiden Enden. Zwischen den Gewinden befindet sich eine flache Partie 23. Beim Herstellen dieses Bolzens ist der Kernbolzen 10 längs seiner ganzen Länge mit einer äusseren Hülle umgeben worden, die aus einer Glasfaserstärkung und einem ungehärteten Harz besteht, wonach das Ganze zwecks Erhärtung des Harzes in ein Werkzeug mit derselben inneren Form wie die äussere Form des Bolzens nach Fig. 5 eingebracht worden ist. Die Bolzen können natürlich auch mit ganzen Gewinden längs der ganzen Oberfläche des Kernbolzens in grossen Längen hergestellt werden.
Beim Herstellen z. B. eines Bolzens mit einem sls"-aewinde kann der Kernbolzen 10 einen Durchmesser von 11,5 mm haben. Die Einkerbungen 11 können z. B. 2 mm breit sein, ein paar Zehntel mm tief, und ihr axialer Abstand kann 5 mm betragen.
Das vorimprägnierte Roving 13 kann z. B. aus 60 parallelgespulten Fäden bestehen, je umfassend einen ungezwirnten Faden, der 204 parallele Fasern mit einem Durchmesser von etwa 9 u enthält. Von diesem Roving werden total etwa 8 Schichten auf den Kernbolzen angebracht, davon 4 Schichten in jeder Wicklungsrichtung. Das Gewinde 18 im Werkzeug 15 ist natürlich ein 518"-Gewinde.
Statt des genannten ungesättigten Polyesterharzes, das in der Hülle vorhanden ist, kann man u. a. mit Vorteil ein Epoxyharz anwenden. Ausser solchen vollständig polymerisierbaren Harzen können auch Lösungsmittel enthaltende Harze verwendet werden, wie z. B. Phenolharze, Melaminharze, Polyuretanharze. Die Härtung von Harz kann, je nach seinen Eigenschaften, sowohl bei Zimmertemperatur wie auch bei höherer Temperatur erfolgen. Um Lagerungsprobleme des ungehärteten Harzes oder des mit solchem vorimprägnierten Glasfasermaterials zu vermeiden, ist es vorteilhaft, ein Harz zu verwenden, das bei erhöhter Temperatur härtet, und um das Werkzeug eine möglichst kurze Zeit zu binden, muss das Harz in einer verhältnismässig kurzen Zeit bei der erhöhten Temperatur härten.
Process for the production of a threaded bolt from glass fiber reinforced plastic
The present invention relates to a method for manufacturing a threaded bolt from glass fiber reinforced plastic.
It is known to use threaded bolts in electrical equipment that are constructed entirely of insulating material, e.g. B. Bakelite paper bolts. Such bolts are u. a. for bracing and coupling conductors when building connection devices and the like in electrical equipment, e.g. B. in transformers and reactors used.
It has been found that such Bakelite paper bolts do not have satisfactory mechanical properties, especially after heat and vacuum treatment, and that either the thread or the bolt as such is damaged when subjected to stress.
In order to avoid the disadvantages associated with the use of Bakelite paper bolts, attempts have been made to use thread-ground bolts made of glass fiber reinforced plastic with glass fibers oriented in the longitudinal direction of the bolts. However, it has been shown that these bolts have the disadvantage that the thread has too poor a mechanical strength to be able to withstand the stresses that often occur. The reason for this is that the glass fibers oriented in the longitudinal direction of the bolt are cut during thread grinding, so that when the thread is loaded, the plastic contained in it has to absorb practically all the stress.
There are also known threaded bolts made of glass fiber reinforced plastic, which have in the center a reinforcement of parallel glass fibers running in the longitudinal direction of the bolt and in the threads a reinforcement of fibers or fabric layers arranged at right angles to the loading direction, the latter with punched holes for the centrally located fibers.
The bolts are made by pushing the fabric layers with punched holes over a fiberglass strand and attaching them where the thread should be, after which this prepared reinforcement is placed in a mold that is provided with a sliding piston. After a liquid casting resin has been supplied and the piston has been pressed a little into the casting mold so that it is filled with resin, the resin is subjected to curing. Above all, this known method has the very significant disadvantage that the molding tool takes a long time to complete, which is related to the working steps that are carried out with it, u. a. the cumbersome attachment of the reinforcement and the filling of the plastic.
In order to produce a tube provided with an external thread, it is known to wind a glass fiber thread around a tube with a smooth surface and then to insert this into a mold which corresponds to the desired thread together with a hardenable plastic and to harden the plastic. Such a pipe has the significant disadvantage that the wound material is easily sheared off from the smooth pipe below when it is subjected to greater stress, which limits its usability.
The present invention aims to provide a particularly simple method of manufacturing an externally threaded bolt made of glass fiber reinforced plastic, in which the molding tool is only used during the hardening of the plastic and with which a bolt is obtained whose thread has a very high shear strength (Shear strength). The invention is based on the use of a hardened bolt made of glass fiber reinforced plastic known per se as a component of the threaded bolt. A sleeve made of fiberglass and uncured plastic is attached around the hardened bolt, which is then formed into a thread with the desired appearance and at the same time anchored to the core bolt.
The aforesaid known bolts are commercially available and are usually manufactured by using continuous methods, whereby their manufacturing costs are low.
According to the invention, the jacket surface of the hardened bolt is provided with shallow notches with a directional component at right angles to the axial direction of the bolt, after which the hardened bolt is surrounded with a sleeve, at least at the point where the thread is to be arranged, which extends around the bolt wound glass fiber threads or glass fiber strands and a curable plastic in the uncured state, whereupon the bolt surrounded by the shell is transformed into a rigid unit by hardening of the plastic of the shell, while the bolt surrounded by the shell is arranged in a mold that is equipped with a is equipped with an inner thread portion, which results in the hardening of the rigid unit thus produced an outer thread of the same shape.
Thanks to the presence of the notches, a good anchoring of the hardened sheath to the underlying core bolt is obtained and the sheath is prevented from being pulled off the core bolt when the threaded bolt is stressed. In order to give the outer layer of the core bolt good shear strength (shear strength), it is advisable not to arrange the notches too close together so that the axial distance between them is greater than the pitch of the thread to be produced. The notches take up a smaller part of the outer surface of the core bolt than the parts that are not provided with notches.
The glass fiber threads or glass fiber strands can around the core bolt z. B. be wound helically or in several layers. It can be advantageous here for at least two adjacent layers to be wound in different directions.
The invention is described below with reference to Figs. 1-5 of the accompanying drawings, for example, in which Fig. 1 shows a side view and part of a notched bolt made of glass fiber reinforced plastic, on which the sheath made of glass fibers and uncured plastic is attached .
FIG. 2 shows a side view of the bolt according to FIG. 1 when the glass fibers and the uncured plastic are attached.
Fig. 3 shows the mold in which the plastic in the shell is subjected to hardening. To make the figure clearer, one half of the two-part tool has been removed.
Figure 4 is a cross-section through A-A of Figure 3 but showing both halves of the tool.
Fig. 5 shows in perspective an example of a finished bolt according to the invention.
The bolt 10 according to FIG. 1 consists of glass fiber reinforced plastic, for. B. made of an unsaturated polyester resin with parallel glass fibers oriented in the longitudinal direction of the bolt. On the outer surface it is provided with flat notches 11 arranged at a distance from one another. The notches take up a smaller part of the lateral surface of the bolt than the parts 12 which are not provided with notches. The notches do not need to form a coherent, helical curved line as in FIG. 1, but their shape can be varied.
Among other things, they can be given the shape of several circles that are parallel to one another and at right angles to the axial direction of the bolt. The notches can, for. B. also result in two helical curved lines that form an angle with one another. Under certain circumstances, it can be useful to roughen the areas 12 on the surface of the bolt somewhat.
According to FIG. 2, a glass fiber strand 13, impregnated in advance with an unsaturated polyester resin, for example, is wound around the bolt 10 and comprises several parallel-wound threads each consisting of untwisted glass fiber threads, a so-called pre-impregnated roving, so that a casing 14 is obtained. When wrapping, the pre-impregnated roving is expediently guided back and forth over the bolt 10. The number of layers naturally depends on the height of the thread to be produced. In any case, it is advisable to wind the outermost layer in the direction of the pitch of the thread.
By attaching the glass fiber material with a relatively weak stretch, the shell made of glass fibers and uncured resin is given a plastic deformability so that the mold that is to be used later can be completely filled with both materials, which are homogeneously distributed without damaging the optical fibers. Instead of adding the resin before attaching the fiberglass strand, this can be done in conjunction with it, e.g. B. by brushing or spraying the uncured resin onto the fiberglass strand during the wrapping work.
As a fiberglass material instead of said fiberglass strand can u. a. various types of glass fiber filaments can be used, such as single and twisted yarn from continuous fibers and yarn from staple fibers.
After the glass fiber material and the resin have been attached to the bolt 10, the bolt according to FIGS. 3 and 4 with the surrounding material is placed in a tool 15 which consists of two parts 16 and 17. The tool has an internal thread 18 of the same type for which the fiberglass bolt is intended. Furthermore, one tool half 16 is provided with two longitudinally extending grooves 19 through which any excess plastic that is pressed out when the threaded bolt is formed can be diverted away from the tool. 20 denotes bolts with which the tool halves are pulled together. After the resin associated with the shell has cured, usually by heating the tool, the finished product is removed from the tool.
FIG. 5 shows a finished bolt manufactured according to the invention with threads 21 and 22 at both ends. There is a flat portion 23 between the threads. During the manufacture of this bolt, the core bolt 10 has been surrounded along its entire length with an outer sheath consisting of a glass fiber reinforcement and an uncured resin, after which the whole thing in a tool for the purpose of hardening the resin the same inner shape as the outer shape of the bolt according to FIG. 5 has been introduced. The bolts can of course also be produced with full threads along the entire surface of the core bolt in great lengths.
When producing z. For example, of a bolt with a sls ″ thread, the core bolt 10 can have a diameter of 11.5 mm. The notches 11 can, for example, be 2 mm wide, a few tenths of a mm deep, and their axial spacing can be 5 mm .
The pre-impregnated roving 13 can, for. B. consist of 60 parallel-wound threads, each comprising an untwisted thread containing 204 parallel fibers with a diameter of about 9 u. A total of about 8 layers of this roving are applied to the core bolts, 4 of which are in each winding direction. The thread 18 in the tool 15 is of course a 518 "thread.
Instead of the above-mentioned unsaturated polyester resin, which is present in the shell, you can u. a. Use an epoxy resin with advantage. In addition to such fully polymerizable resins, solvent-containing resins can also be used, such as. B. phenolic resins, melamine resins, polyurethane resins. The hardening of resin can, depending on its properties, take place either at room temperature or at a higher temperature. In order to avoid storage problems of the uncured resin or of the fiberglass material pre-impregnated with such, it is advantageous to use a resin that cures at an elevated temperature, and in order to bind the tool as short as possible, the resin must be used in a relatively short time Harden at elevated temperature.