CN102840202B - 一种螺旋键及其制作模具和制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋键及其制作模具和制作方法。所述的螺旋键用碳纤维预浸布带制作而成。螺旋键的长度根据被连接件连接部位的长度确定，为20～400mm；螺距为10～400mm；所述螺旋键的横截面为矩形，该矩形的宽度W为1～20mm，高度为1～20mm；2个螺旋键的螺旋的方向须相同。制作时，将多条碳纤维预浸布带依次逐层铺放在内模螺旋槽中，通过固化的方式得到螺旋键毛坯。对得到的螺旋键进行外形加工后得到螺旋键。本发明的键体为2个环向均布的连续体，使得连接体在受轴向拉力或压力时受力分布较为均匀，有效避免了一般销钉或铆接带来的应力集中对本体的破坏。

Description

一种螺旋键及其制作模具和制作方法

技术领域

本发明为复合材料管连接的一种连接件，适用于环境有油气腐蚀、内压承载能力强的复合材料间的轴向连接。

背景技术

复合材料制品各向异性，其制品纤维方向的抗拉伸、抗压缩及抗剪切性能远高于层间剪切性能。在复合材料管的连接中，如何设计复合材料管的连接件，使其实现复合材料制品的高强度连接成为使用中的核心环节之一。

目前广泛采用的复合材料管或轴连接件有螺栓、铆钉、直键、金属螺纹、复合材料螺纹。

螺栓或铆接固定是在复合材料制品上加工光孔，使用螺栓或铆钉实现复合材料间的连接。其特点是通过增加螺栓（铆钉）连接空间完成连接功能，由于在连接材料基体上开孔，增加了局部应力集中，降低了复合材料自身的承载能力，适用于空间要求不严格、允许增加螺栓（铆钉）连接空间的使用环境。

直键是在复合材料管或轴上插制出与轴线平行的键槽，再通过插入直键连接内外管体，其主要应用于旋转体的扭力传送，健体本身可以实现管材的环向咬合连接但无法实现管材的轴向咬合连接。

预埋金属也是复合材料连接的一种重要方式，通过在预埋金属中加工连接螺纹等接口方式使用，具有连接可靠、适应高强度使用要求的优点，但不足之处在于金属具有较低的耐腐蚀性，不适用于腐蚀性油、气等使用环境。

现有技术最为接近的是普通复材卷绕件制成的复合材料螺纹。其方法是将纤维织物卷绕成型，之后分别加工内螺纹和外螺纹。之后通过螺纹咬合连接。

其缺点是连接件受力全部为层间剪切受力，其强度不足50MPa，而要完成大于60MPa高强度的连接，其性能不能满足要求。

发明内容

为克服现有技术中存在的连接强度低的不足，本发明提出了一种螺旋键及其制作模具和制作方法。

本发明提出的螺旋键，为螺旋形，螺旋键的长度根据被连接件连接部位的长度确定，为20～400mm；螺距为10～400mm；所述螺旋键的横截面为矩形，该矩形的宽度W为1～20mm，高度为1～20mm；2个螺旋键的螺旋的方向须相同；螺旋键的内径根据公式1确定：

D₁＝D－H/2    （1）

其中，D₁是螺旋键的内径；D是内管的外径；H是螺旋键横截面高度；

螺旋键的外径直径根据公式2确定：

D₂＝D＋H/2    （2）

其中，D₂是螺旋键的外径。

本发明提出了一种制作所述螺旋键的模具。所述制作螺旋键的模具包括内模和外模；在内模的外表面有螺旋形的凹槽，形成了螺旋槽。所述螺旋槽的螺距与拟成形螺旋键的螺距L₁相同，所述螺旋槽的深度h₁是螺旋键横截面高度H的1/2，所述螺旋槽的宽度W₁与螺旋键横截面的宽度W相同。所述螺旋槽的螺旋方向与螺旋键的螺旋方向相同。

外模由第一外模和第二外模组成。所述第一外模和第二外模的内表面均为半圆形，并且在第一外模和第二外模的内表面均有1/2螺旋槽，当第一外模和第二外模合模后，组合成为完整的螺旋槽。所述螺旋槽的螺距、深度和宽度均与内模上的螺旋槽的螺距、深度和宽度相同。所述的内模和外模上螺旋槽的螺旋方向均与螺旋键的螺旋方向相同。

本发明还提出了一种制作所述螺旋键的方法，具体过程是：

步骤1，铺放碳纤维预浸布带；所铺放的碳纤维预浸布带有多条。铺放时，先将一条宽度与螺旋键高度相同的碳纤维预浸布带的表面沿内模螺旋槽的槽壁铺放，并使该碳纤维预浸布带的表面与内模螺旋槽的槽壁贴合。再依次将各碳纤维预浸布带逐层铺放在内模螺旋槽中，直至将该内模螺旋槽内铺满。

步骤2，合模；将第一外模1和第二外模2分别与内模扣合，并固紧，使铺设在内模螺旋槽中的碳纤维预浸布带嵌入外模内表面的螺旋槽中。

步骤3，固化；将扣合后的模具置于烘箱中，以阶梯式升温过程将烘箱升温至120～160℃固化。具体的升温过程是：首先在15～30min将烘箱升温至60～120℃，保温15～60min。保温结束后继续升温，在30～60min升温至120～160℃，保温30～240min。保温结束后，模具在烘箱内自然冷却至40～60℃，取出模具放置至室温开模，得到固化后的螺旋键毛坯。

步骤4，精加工；对得到的螺旋键毛坯进行精修，得到螺旋键。

本发明的键体为2个环向均布的连续体，使得连接体在受轴向拉力或压力时受力分布较为均匀，有效避免了一般销钉或铆接带来的应力集中对本体的破坏。本发明键体采用垂直于内模螺旋槽的底面的铺层方法，确保了产品链接时主要由碳纤维剪切方向受力，其有效发挥了纤维在键体的作用使得键体强度得到大幅提高。

例如：对普通卷绕成型的复合材料件进行机械加工螺纹后，其连接强度仅为20～50MPa，而本发明螺旋键体在实际使用中的抗剪强度可达500MPa以上。

附图说明

图1是螺旋键结构示意图，其中，图1a是主视图，图1b是俯视图，图1c是螺旋键的截面示意图；

图2是内模具结构示意图，其中，图2a是主视图，图2b是图2a的A-A向视图，图2c是2a的俯视图；

图3是外模具结构示意图，其中，图3a是主视图，图3b是俯视图，图3c是外模具的轴测图；

图4是内外模具组装示意图，其中，图4a是主视图，图4b是俯视图，图4c是内模具的轴测图；

图5是螺旋键应用于连接件中的结构示意图。其中：图5a是主视图，图4b是侧视图。图中：

1.第一外模    2.第二外模    3.内模      4.螺旋键毛坯    5.外模

6.螺栓        7.内管        8.螺旋键    9.外管

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种用于连接复合材料管件的螺旋键8，所连接的复合材料管件连接部位的长度L为100mm。

螺旋键8有2个，均用碳纤维织物制作。所述螺旋键8为螺旋形，类似于弹簧。该螺旋键8的长度L₁根据需要连接部位的长度L确定，为20～400mm。螺距为10～400mm。所述螺旋键8的横截面为矩形，该矩形的宽度W为1～20mm，高度H为1～20mm。2个螺旋键的螺旋的方向须相同。本实施例中，螺旋键8长度为100mm，螺旋键8的螺距L₁为100mm，螺旋键8横截面的宽度W为5mm，高度H为8mm。2个螺旋键的螺旋的方向均为右旋。

螺旋键8的内径根据公式1确定：

D₁＝D－H/2    （1）

其中，D₁是螺旋键8的内径；D是内管7的外径；H是螺旋键8的横截面高度。

螺旋键8的外径直径根据公式2确定：

D₂＝D＋H/2    （2）

其中，D₂是螺旋键的外径。

本发明还提出了一种用于螺旋键的模具。该模具包括内模和外模；内模是圆柱体，其外径d₁与被连接的内管7的外径D相同。在内模的外表面有螺旋形的凹槽，形成了螺旋槽。所述螺旋槽的螺距与拟成形螺旋键8的螺距L₁相同，所述螺旋槽的深度h₁是螺旋键横截面高度H的1/2，所述螺旋槽的宽度W₁与螺旋键横截面的宽度W相同。所述螺旋槽的螺旋方向与螺旋键的螺旋方向相同。

外模5是由第一外模1和第二外模2组成。所述第一外模1和第二外模2的内表面均为半圆形，并且在第一外模和第二外模的内表面均有1/2螺旋槽，当第一外模1和第二外模2合模为圆形的外模后，分别位于第一外模1和第二外模2内表面的1/2螺旋槽组合成为完整的螺旋槽。所述外模的型腔的直径与内模外径d₁相同。所述螺旋槽的螺距、深度和宽度均与内模上的螺旋槽的螺距、深度和宽度相同。所述的内模和外模上螺旋槽的螺旋方向均与螺旋键的螺旋方向相同。在第一外模1和第二外模2相结合处的外表面有法兰，通过该法兰将合模后的外模固定。

实施例2

本实施例是一种利用所述模具制作螺旋键的方法，具体过程是：

步骤1，铺设碳纤维预浸布带。所使用的碳纤维预浸布带的树脂含量为40％，厚度为0.3mm，宽度为8mm，抗拉强度为1200MPa。所制作的螺旋键8的横截面的宽度W为5mm，共需17条碳纤维预浸布带。铺放时，先将一条宽度与螺旋键高度相同的碳纤维预浸布带的表面沿内模螺旋槽的槽壁铺放，并使该碳纤维预浸布带的表面与内模螺旋槽的槽壁贴合；再依次将其余各碳纤维预浸布带逐层铺放在内模螺旋槽中，直至将该内模螺旋槽内铺满。

步骤2，合模；将第一外模1和第二外模2分别与内模扣合，并固紧，使铺设在内模螺旋槽中的碳纤维预浸布带嵌入外模内表面的螺旋槽中。

步骤3，固化；将扣合后的模具置于烘箱中，以阶梯式升温过程将烘箱升温至150℃固化；具体的升温过程是：首先在25min将烘箱升温至90℃，保温60min；保温结束后继续升温，在40min升温至150℃，保温240min；保温结束后，模具在烘箱内自然冷却至50℃，取出模具放置至室温开模，得到固化后的螺旋键毛坯；

步骤4，精加工；对得到的螺旋键毛坯进行精修，得到螺旋键。

实施例3

本实施例是一种利用所述模具制作螺旋键的方法，具体过程是：

步骤1，铺设碳纤维预浸布带。所使用的碳纤维预浸布带的树脂含量为40％，厚度为0.3mm，宽度为8mm，抗拉强度为1200MPa。所制作的螺旋键8的横截面的宽度W为5mm，共需17条碳纤维预浸布带。铺放时，先将一条宽度与螺旋键高度相同的碳纤维预浸布带的表面沿内模螺旋槽的槽壁铺放，并使该碳纤维预浸布带的表面与内模螺旋槽的槽壁贴合；再依次将其余各碳纤维预浸布带逐层铺放在内模螺旋槽中，直至将该内模螺旋槽内铺满。

步骤2，合模；将第一外模1和第二外模2分别与内模扣合，并固紧，使铺设在内模螺旋槽中的碳纤维预浸布带嵌入外模内表面的螺旋槽中。

步骤3，固化；将扣合后的模具置于烘箱中，以阶梯式升温过程将烘箱升温至120℃固化；具体的升温过程是：首先在15min将烘箱升温至60℃，保温15min；保温结束后继续升温，在30min升温至120℃，保温30min；保温结束后，模具在烘箱内自然冷却至40℃，取出模具放置至室温开模，得到固化后的螺旋键毛坯；

步骤4，精加工；对得到的螺旋键毛坯进行精修，得到螺旋键。

实施例4

本实施例是一种利用所述模具制作螺旋键的方法，具体过程是：

步骤1，铺设碳纤维预浸布带。所使用的碳纤维预浸布带的树脂含量为40％，厚度为0.3mm，宽度为8mm，抗拉强度为1200MPa。所制作的螺旋键8的横截面的宽度W为5mm，共需17条碳纤维预浸布带。铺放时，先将一条宽度与螺旋键高度相同的碳纤维预浸布带的表面沿内模螺旋槽的槽壁铺放，并使该碳纤维预浸布带的表面与内模螺旋槽的槽壁贴合；再依次将其余各碳纤维预浸布带逐层铺放在内模螺旋槽中，直至将该内模螺旋槽内铺满。

步骤2，合模。将外模与内模扣合，并使铺设在内模螺旋槽中的碳纤维预浸布带嵌入外模内表面的螺旋槽中。

步骤3，固化；将扣合后的模具置于烘箱中，以阶梯式升温过程将烘箱升温至160℃固化；具体的升温过程是：首先在30min将烘箱升温至120℃，保温45min；保温结束后继续升温，在60min升温至160℃，保温120min；保温结束后，模具在烘箱内自然冷却至60℃，取出模具放置至室温开模，得到固化后的螺旋键毛坯；

步骤4，精加工；对得到的螺旋键毛坯进行精修，得到螺旋键。

Claims (2)

1.一种制作螺旋键的模具，所述的螺旋键为螺旋形，该螺旋键的长度根据被连接件连接部位的长度确定；螺旋键的螺距为10～400mm；所述螺旋键的横截面为矩形，该矩形的宽度为1～20mm，高度为1～20mm；2个螺旋键的螺旋的方向须相同；螺旋键的内径D₁＝D－H/2，螺旋键的外径直径D₂＝D＋H/2，其中，D是内管的外径；H是螺旋键横截面高度；其特征在于，所述制作螺旋键的模具包括内模和外模；在内模的外表面有螺旋形的凹槽，形成了螺旋槽；所述螺旋槽的螺距与拟成形螺旋键的螺距L₁相同，所述螺旋槽的深度h₁是螺旋键横截面高度H的1/2，所述螺旋槽的宽度W₁与螺旋键横截面的宽度W相同；所述螺旋槽的螺旋方向与螺旋键的螺旋方向相同；

外模由第一外模和第二外模组成；所述第一外模和第二外模的内表面均为半圆形，并且在第一外模和第二外模的内表面均有1/2螺旋槽，当第一外模和第二外模合模后，组合成为完整的螺旋槽；所述螺旋槽的螺距、深度和宽度均与内模上的螺旋槽的螺距、深度和宽度相同；所述的内模和外模上螺旋槽的螺旋方向均与螺旋键的螺旋方向相同。

2.一种制作权利要求1所述螺旋键的方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，铺放碳纤维预浸布带；所铺放的碳纤维预浸布带有多条；铺放时，先将一条宽度与螺旋键高度相同的碳纤维预浸布带的表面沿内模螺旋槽的槽壁铺放，并使该碳纤维预浸布带的表面与内模螺旋槽的槽壁贴合；再依次将各碳纤维预浸布带逐层铺放在内模螺旋槽中，直至将该内模螺旋槽内铺满；

步骤2，合模；将第一外模和第二外模分别与内模扣合，并固紧，使铺设在内模螺旋槽中的碳纤维预浸布带嵌入外模内表面的螺旋槽中；

步骤3，固化；将扣合后的模具置于烘箱中，以阶梯式升温过程将烘箱升温至120～160℃固化；具体的升温过程是：首先在15～30min将烘箱升温至60～120℃，保温15～60min；保温结束后继续升温，在30～60min升温至120～160℃，保温30～240min；保温结束后，模具在烘箱内自然冷却至40～60℃，取出模具放置至室温开模，得到固化后的螺旋键毛坯；

步骤4，精加工；对得到的螺旋键毛坯进行精修，得到螺旋键。