CN102700153B - 纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法及其生产装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，包括以下生产步骤：预浸带的制备、模具预成型、固化成型、机械加工；其生产装置，包括纱架、预成型模具、固化成型模具、牵引机构和切割机构，所述纱架和所述预成型模具设有缠绕编织机构，所述缠绕编织机构包括依次设置的集纱板、环向缠绕盘和至少一个以上的编织辊，所述编织辊和预成型模具间还设有红外加热器。本发明无需经过传统的浸胶过程即可直接通过模具拉挤成型传动轴的杆件，再经过切割和胶接即可完成纤维复合材料传动轴生产，降低了纤维复合材料传动轴的生产成本，同时，避免了传统的浸胶过程的含胶量不易控制且浪费大、纤维易损伤等缺点，提高了生产质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过预浸带编织拉挤成型生产复合材料传动轴的连续拉挤工艺及其生产装置，具体地说是一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法及其生产装置。
背景技术
现有的汽车工业、工程机械、船舶、舰艇等领域均向着轻量化方向发展。在实际应用中除了对现有结构进行优化外，选择新型轻质材料的应用可以有效的达到轻量化的目标。
复合材料传动轴是一种用于传递扭矩等动载荷的结构件，因其具有高比强度、比刚度、优良的减震性能、耐疲劳、抗腐蚀、不导磁、低噪声等优点，已广泛应用于航空航天、工程机械、汽车、船舶推动等各个领域。在长轴系中，更能体现出复合材料传动轴的优势。因其通常是处于高转速旋转运动，因此它对尺寸精度、质量均匀性、强度和刚度都有很高的要求，现有的缠绕复合材料传动轴制造方法存在精度低、均匀性差、强度和刚度差、生产效率低、成本高等缺点。因此需要设计一种精度高、均匀性优、生产效率高的复合材料传动轴的制备方法。
在中国专利申请公开说明书，CN102198730 A‘一种酚醛树脂复合材料拉挤成型装置’中针对复合材料拉挤成型工艺，公开了如下步骤：放纱步骤、浸胶步骤、预成型步骤、固化步骤、拉牵步骤和切割步骤，其拉挤工艺含有浸胶过程，使得生产成本较高，同时浸胶过程存在着含胶量不易控制且浪费大、纤维易损伤等缺点，从而影响复合材料的拉挤成型质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法及其生产装置解决现有的缠绕复合材料传动轴的生产方法存在着精度低、均匀性差、强度和刚度差、生产效率低、成本高等缺点，同时传统的复合材料拉挤工艺含有的浸胶过程存在着含胶量不易控制且浪费大、纤维易损伤等缺点的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，包括以下生产步骤：
a．预浸带的制备，由碳纤维纱团通过浸渍树脂基体得到预浸带，或通过切割机将片状预浸料分切为4-12mm宽度的预浸带；
b．模具预成型，模具预成型，将预浸带集束后退绕纱线形成环向包裹，包裹后的纱线通过编织设备进行在线编织，连同轴向预浸带一起进入预成型模具预成型，形成预制体；
c．固化成型，经过预成型模具预成型后的预制体进入三段加热的固化成型模具进行固化成型，形成传动轴杆件；
d．机械加工，通过牵引机构将传动轴杆件从固化成型模具中拉出，对固化成型后的传动轴杆件进行切割，在对其进行切割后通过胶接与金属万向节连接，形成纤维复合材料传动轴。
进一步改进在于：所述模具预成型中的缠绕角度为30°-70°。
进一步改进在于：所述模具预成型中的温度为80℃-150℃。
进一步改进在于：所述机械加工中的牵引速度为10-30cm/min。
进一步改进在于：所述固化成型中的模具温度为120-250℃。
一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置，包括纱架、预成型模具、固化成型模具、牵引机构和切割机构，
预成型模具用于模具预成型，形成预制体；
固化成型模具用于固化成型，形成传动轴杆件；
牵引机构提供动力将传动轴杆件从固化成型模具中拉出；
切割机构用于切割传动轴杆件；
所述纱架和所述预成型模具设有缠绕编织机构，所述缠绕编织机构包括依次设置的集纱板、环向缠绕盘和至少一个以上的编织辊，所述编织辊和预成型模具间还设有红外加热器，
集纱板用于将预浸带集束；
环向缠绕盘用于退绕纱线形成环向包裹；
编织辊用于将包裹后的纱线进行在线编织；
红外加热器用于对预制体进行预热。
进一步改进在于：所述纱架设有弹簧张力系统和辅助材料收集系统，弹簧张力系统和辅助材料收集系统用于为轴向预浸纱提供张力。
本发明一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，生产的复合材料传动轴，其树脂基体为不饱和树脂和环氧树脂，其增强材料为玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维中的一种或多种。该种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，将预浸纱线或者分切得到的预浸带，通过连续缠绕、在线编织等方式形成预制体，无需经过传统的浸胶过程即可直接通过模具拉挤成型传动轴的杆件，再经过切割和胶接即可完成纤维复合材料传动轴生产。该种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，不经过传统的浸胶过程，从而降低了纤维复合材料传动轴的生产成本，提高了生产效益，同时，避免了传统的浸胶过程存在着的含胶量不易控制且浪费大、纤维易损伤等缺点，从而提高纤维复合材料传动轴的生产质量。
在拉挤成型过程中，树脂由线型液状的物体逐步变化成为体型的固态型材。这种变化必须是在进入预成型模具开始到进入牵引机构之前基本完成的。以此，温度和牵引速度是拉挤成型过程中的控制关键。
温度是拉挤工艺中应当解决的首要因素，它是由树脂系统的特性来确定的，即应当通过树脂固化体系的DSC曲线的峰值和有关条件，确定模具加热的各段温度值。该种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，通过设置预成型模具的温度为80℃-150℃，来保障预制体能够顺利通过预成型模具。同时对于固化成型模具的温度，因用于拉挤的树脂体系对温度都很敏感，模腔温度的控制应十分严格，模腔温度低则树脂不能固化，模腔温度过高则坯料一入模就固化，造成成型、牵引困难，严重时会产生废品甚至损坏设备。以此，本发明一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，通过设置固化成型中的模具温度为120-250℃，以便能够顺利通过固化成型模具并保证良好的固化成型效果。
牵引速度是平衡固化成型程度和生产速度的参数。在保证固化度的前提下应尽可能提高牵引速度。牵引速度确定的原则是确定模腔温度下的胶凝时间，保证制品在模具中胶凝、固化，出模具时具有一定的固化程度。以此本发明一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，通过设置机械加工中的牵引速度为10-30cm/min，来保证在理想的固化成型程度的前提下尽可能实现生产速度的提高，从而实现两者的平衡，以利生产。
本发明一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置，包括纱架，通过旋转芯轴使纤维从纱筒外壁引出，从而保证排纱平整，集纱板将预浸带集束，经过环向缠绕盘退绕纱线形成环向包裹，包裹后的纱线再经过至少一个以上的编织辊完成外层编织，经过红外加热器对预制体进行预热提高树脂的流动性能，以便能够顺利通过预成型模具，最终进入固化成型模具进行最终固化，整个装置中主要依靠牵引机构提供动力完成。
该种连续纤维复合材料传动轴的连续化生产装置可实现直径范围10mm-180mm的复合材料传动轴连续化生产。其中的纱架具有多层次弹簧张力系统和辅助材料收集系统，从而为轴向预浸纱提供稳定的张力，保证了整个生产过程的稳定性，提高了纤维复合材料传动轴的轴向刚度。同时该种纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置采用了一个环向缠绕盘和至少一个以上的编织辊，使其可以通过不同的成型速度来实现不同编织角度的设计。且该种纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置，不需要经过传统的浸胶步骤，避免了传统浸胶固有的含胶量不易控制且浪费大、纤维易损伤等缺点，同时无需设置浸胶装置，从而降低了生产成本，提高了生产效益。
本发明的有益效果是：本发明一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，是一种生产纤维复合材料传动轴精度高、均匀性优、生产效率高的制备方法。该种连续纤维复合材料传动轴的连续化生产装置，在降低生产成本且提高生产效益的前提下，提高了纤维复合材料传动轴的轴向刚度。该种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法及其生产装置，无需经过传统的浸胶过程即可直接通过模具拉挤成型传动轴的杆件，再经过切割和胶接即可完成纤维复合材料传动轴生产，从而降低了纤维复合材料传动轴的生产成本，提高了生产效益，同时，避免了传统的浸胶过程存在着的含胶量不易控制且浪费大、纤维易损伤等缺点，从而提高纤维复合材料传动轴的生产质量。
附图说明
图1是本发明一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法的流程说明图；
图2是本发明一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置的结构示意图；
其中：1-纱架，2-集纱板，3-环向缠绕盘，4-编织辊，5-红外加热器，6-预成型模具，7-固化成型模具，8-牵引机构，9-切割机构。具体实施方式
下面详细说明本发明的优选实施例。
一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，包括以下生产步骤：
a．预浸带的制备，由碳纤维纱团通过浸渍树脂基体得到预浸带，或通过切割机将片状预浸料分切为4-12mm宽度的预浸带；
b．模具预成型，模具预成型，将预浸带集束后退绕纱线形成环向包裹，包裹后的纱线通过编织设备进行在线编织，连同轴向预浸带一起进入预成型模具预成型，形成预制体；
c．固化成型，经过预成型模具预成型后的预制体进入三段加热的固化成型模具进行固化成型，形成传动轴杆件；
d．机械加工，通过牵引机构将传动轴杆件从固化成型模具中拉出，对固化成型后的传动轴杆件进行切割，在对其进行切割后通过胶接与金属万向节连接，形成纤维复合材料传动轴。
一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置，包括纱架1、预成型模具6、固化成型模具7、牵引机构8和切割机构9，
预成型模具6用于模具预成型，形成预制体；
固化成型模具7用于固化成型，形成传动轴杆件；
牵引机构8提供动力将传动轴杆件从固化成型模具中拉出；
切割机构9用于切割传动轴杆件；
所述纱架1和所述预成型模具6设有缠绕编织机构，所述缠绕编织机构包括依次设置的集纱板2、环向缠绕盘3和至少一个以上的编织辊4，所述编织辊4和预成型模具6间还设有红外加热器5，
集纱板2用于将预浸带集束；
环向缠绕盘3用于退绕纱线形成环向包裹；
编织辊4用于将包裹后的纱线进行在线编织；
红外加热器5用于对预制体进行预热。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，包括以下生产步骤：
预浸带的制备，由碳纤维纱团通过浸渍树脂基体得到预浸带；
模具预成型，将预浸带以缠绕角度30°通过环向缠绕盘退绕纱线形成环向包裹，包裹后的纱线通过两个编织辊进行在线编织，连同轴向预浸带一起进入温度为80℃的预成型模具预成型，形成预制体；
固化成型，经过预成型模具预成型后的预制体进入具有三段加热，即加热、胶凝和固化，的固化成型模具进行固化成型，形成传动轴杆件；
机械加工，通过牵引机构以10cm/min的牵引速度将传动轴杆件从固化成型模具中拉出，对固化成型后的传动轴杆件进行切割，在对其进行切割后通过胶接与金属万向节连接，形成纤维复合材料传动轴。
一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置，包括纱架1、预成型模具6、固化成型模具7、牵引机构8和切割机构9，
预成型模具6用于模具预成型，形成预制体；
固化成型模具7用于固化成型，形成传动轴杆件；
牵引机构8提供动力将传动轴杆件从固化成型模具中拉出；
切割机构9用于切割传动轴杆件；
所述纱架1和所述预成型模具6设有缠绕编织机构，所述缠绕编织机构包括依次设置的集纱板2、环向缠绕盘3和两个编织辊4，所述编织辊4和预成型模具6间还设有红外加热器5，
集纱板2用于将预浸带集束；
环向缠绕盘3用于退绕纱线形成环向包裹；
编织辊4用于将包裹后的纱线进行在线编织；
红外加热器5用于对预制体进行预热。
实施例二
如图1所示，一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，包括以下生产步骤：
预浸带的制备，通过切割机将片状预浸料分切为4-12mm宽度的预浸带；
模具预成型，将预浸带以缠绕角度70°通过环向缠绕盘退绕纱线形成环向包裹，包裹后的纱线通过两个编织辊进行在线编织，连同轴向预浸带一起进入温度为150℃的预成型模具预成型，形成预制体；
固化成型，经过预成型模具预成型后的预制体进入三段加热的固化成型模具进行固化成型，形成传动轴杆件；
机械加工，通过牵引机构以30cm/min的牵引速度将传动轴杆件从固化成型模具中拉出，对固化成型后的传动轴杆件进行切割，在对其进行切割后通过胶接与金属万向节连接，形成纤维复合材料传动轴。
一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置，包括纱架1、预成型模具6、固化成型模具7、牵引机构8和切割机构9，
预成型模具6用于模具预成型，形成预制体；
固化成型模具7用于固化成型，形成传动轴杆件；
牵引机构8提供动力将传动轴杆件从固化成型模具中拉出；
切割机构9用于切割传动轴杆件；
所述纱架1和所述预成型模具6设有缠绕编织机构，所述缠绕编织机构包括依次设置的集纱板2、环向缠绕盘3和两个编织辊4，所述编织辊4和预成型模具6间还设有红外加热器5，
集纱板2用于将预浸带集束；
环向缠绕盘3用于退绕纱线形成环向包裹；
编织辊4用于将包裹后的纱线进行在线编织；
红外加热器5用于对预制体进行预热；
所述纱架1设有弹簧张力系统和辅助材料收集系统，弹簧张力系统和辅助材料收集系统用于为轴向预浸纱提供张力。
实施例一、二的有益效果是：实施例一、二通过设置通过设置预成型模具的温度为80℃-150℃，来保障预制体能够顺利通过预成型模具；通过设置固化成型中的模具温度为120-250℃，以便能够顺利通过固化成型模具并保证良好的固化成型效果；通过设置机械加工中的牵引速度为10-30cm/min，来保证在理想的固化成型程度的前提下尽可能实现生产速度的提高，从而实现两者的平衡，以利生产。实施例一、二中的一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，是一种生产纤维复合材料传动轴精度高、均匀性优、生产效率高的制备方法。该种连续纤维复合材料传动轴的连续化生产装置，在降低生产成本且提高生产效益的前提下，提高了纤维复合材料传动轴的轴向刚度。实施例一、二中的一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法及其生产装置，无需经过传统的浸胶过程即可直接通过模具拉挤成型传动轴的杆件，再经过切割和胶接即可完成纤维复合材料传动轴生产，从而降低了纤维复合材料传动轴的生产成本，提高了生产效益，同时，避免了传统的浸胶过程存在着的含胶量不易控制且浪费大、纤维易损伤等缺点，从而提高纤维复合材料传动轴的生产质量。
Claims (4)
1.一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，其特征在于，包括以下生产步骤：
a．预浸带的制备，由碳纤维纱团通过浸渍树脂基体得到预浸带，或通过切割机将片状预浸料分切为4-12mm宽度的预浸带；
b．模具预成型，将预浸带集束后退绕纱线形成环向包裹，包裹后的纱线通过编织设备进行在线编织，连同轴向预浸带一起进入预成型模具预成型，模具预成型中的温度为80℃-150℃，形成预制体；
c．固化成型，经过预成型模具预成型后的预制体进入三段加热，即加热、胶凝和固化的固化成型模具进行固化成型，形成传动轴杆件；
d．机械加工，通过牵引机构将传动轴杆件从固化成型模具中以牵引速度10-30cm/min拉出，固化成型中的模具温度为120-250℃，对固化成型后的传动轴杆件进行切割，在对其进行切割后通过胶接与金属万向节连接，形成纤维复合材料传动轴。
2.如权利要求1所述的纤维复合材料传动轴的连续拉挤制造方法，其特征在于，所述模具预成型中的缠绕角度为30°-70°。
3.一种纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置，包括纱架（1）、预成型模具（6）、固化成型模具（7）、牵引机构（8）和切割机构（9），
预成型模具（6）用于模具预成型，形成预制体；
固化成型模具（7）用于固化成型，形成传动轴杆件；
牵引机构（8）提供动力将传动轴杆件从固化成型模具中拉出；
切割机构（9）用于切割传动轴杆件；
其特征在于，所述纱架（1）和所述预成型模具（6）设有缠绕编织机构，所述缠绕编织机构包括依次设置的集纱板（2）、环向缠绕盘（3）和至少一个以上的编织辊（4），所述编织辊（4）和预成型模具（6）间还设有红外加热器（5），
集纱板（2）用于将预浸带集束；
环向缠绕盘（3）用于退绕纱线形成环向包裹；
编织辊（4）用于将包裹后的纱线进行在线编织；
红外加热器（5）用于对预制体进行预热；
具体的生产步骤为：
a．预浸带的制备，由碳纤维纱团通过浸渍树脂基体得到预浸带，或通过切割机将片状预浸料分切为4-12mm宽度的预浸带；
b．模具预成型，将预浸带集束后退绕纱线形成环向包裹，包裹后的纱线通过编织设备进行在线编织，连同轴向预浸带一起进入预成型模具预成型，形成预制体；
c．固化成型，经过预成型模具预成型后的预制体进入三段加热的固化成型模具进行固化成型，形成传动轴杆件；
d．机械加工，通过牵引机构将传动轴杆件从固化成型模具中拉出，对固化成型后的传动轴杆件进行切割，在对其进行切割后通过胶接与金属万向节连接，形成纤维复合材料传动轴。
4.如权利要求3所述的纤维复合材料传动轴的连续拉挤生产装置，其特征在于，所述纱架（1）设有弹簧张力系统和辅助材料收集系统，弹簧张力系统和辅助材料收集系统用于为轴向预浸纱提供张力。
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