CN103717379B - 一种适合于形成中空零件的芯轴 - Google Patents
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Abstract
一种适合于由可热固化的材料来形成中空零件的芯轴10，包括（a）一个长形中央构件12，该长形中央构件具有的膨胀系数与该固化后的可热固化的材料的膨胀系数不同，（b）至少一个横向构件14，该横向构件被布置在一个第一位置28处并且背离该中央构件12的外表面24而突出，该横向构件14是可滑动地附接于该中央构件12上，以及（c）一个刚性的长形支柱构件16，该长形支柱构件具有的膨胀系数与该固化后的可热固化的材料的膨胀系数基本上类似。该支柱构件16的第一端34被附着于该横向构件14上，并且该支柱构件16的第二端36是与该横向构件14间隔开地附着的。
Description
相关申请的交叉引用
本国际申请涉及于2011年8月5日提交的题目为“具有滑动的外突出部的芯轴”的美国专利申请号13/204,468并且要求其优先权，该申请内容通过引用以其全部内容结合在本披露中。
发明领域
本发明总体上涉及芯轴，这些芯轴用于由一种可热固化的材料形成中空零件。
发明背景
长形的中空机器零件越来越多地是由非金属材料例如复合材料构成。典型地，此类复合材料是由一种热固化工艺构建的。
在此类热固化工艺中，这些机器零件典型的是通过如下方式形成的：通过将可热固化材料施加至芯轴的外部、固化该非金属材料、冷却固化的非金属材料同时保持该零件由该芯轴支撑、并且最后将该成品零件从该芯轴上移出。
当该零件要具有一个横向突出部例如凸缘时，就会出现问题。由于芯轴典型地是由钢制成并且因此具有比非金属材料大得多的热膨胀系数。该芯轴(包括在该芯轴上的用来支撑该横向突出部的横向构件)会以一个比复合零件更大的速率膨胀。这致使在该横向部分(在该复合零件上的)与 该横向构件(在该芯轴上的)之间形成了一个空隙，由此导致该横向突出部与该横向构件之间的支撑压力减小。这进而可能致使该非金属零件的横向突出部过早地与该横向构件提供的支撑件脱离接合。这样的过早脱离接合经常在该非金属零件中造成孔隙性、分层和/或其他叠层材料品质问题。
当复合零件要具有一个横向突出部时会出现另一个问题，即，在冷却过程中该芯轴上的横向构件可能使得这些横向突出部碎裂。
在应对这些问题的尝试中，一些现有技术芯轴已经被设计成具有“浮动式”横向构件，即沿着该芯轴的中央部分的外部自由滑动的横向构件。虽然此类浮动式横向构件总体上成功地解决了在冷却过程中这些横向构件使得这些横向突出部碎裂的趋势，但是不能精确地控制这些横向构件的最后布局。这意味着不能精确地控制这些横向突出部在该复合零件上的位置。
相应地，需要一种能够形成具有横向突出部的机器零件的、避免了现有技术中的上述问题的芯轴。
发明概述
本发明满足了这一需求。在第一方面，本发明是一种适合于形成中空零件的芯轴，其中该零件是由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的、具有一个带有纵向轴线的长形本体并且具有附接至该本体上的背离该本体延伸的一个横向突出部，该芯轴包括：(a)一个长形中央构件，该长形中央构件具有一个第一端、一个相反的第二端、一条纵向轴线、一个外表面以及不同于该第一膨胀系数的一个第二膨胀系数；(b)一个横向构件，该横向构件被布置在一个第一位置处并且背离该中央构件的外表面而突出，该横向构件可滑动地附接至该中央构件上而使得该横向构件是 沿着与该中央构件的纵向轴线平行的一个路径而可滑动的；以及(c)一个刚性的长形支柱构件，该长形支柱构件具有一个第一端、一个第二端和一个与该第一膨胀系数基本上类似的膨胀系数，该支柱构件的第一端被附着于该横向构件上并且该支柱构件的第二端被附着在与该第一位置间隔开的一个第二位置处，该支柱构件被布置成与该中央构件的纵向轴线基本上平行。
根据一个有利的实施例，该支柱构件的该第二端可被附接至在该第二位置处布置的一个第二横向构件上。
根据一个有利的实施例，该刚性的长形支柱构件可包括多个刚性的长形支柱构件。
根据一个有利的实施例，该第二膨胀系数可以大于该第一膨胀系数，并且其中，该横向构件可滑动地附接至该中央构件上而使得该横向构件是在该第二位置的方向上可滑动的。
在第二方面，本发明提供一种适合于形成中空零件的芯轴，其中该零件是由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的、具有一个带有第一端、第二端和纵向轴线的长形本体、具有被附接至该本体上的背离该本体延伸的一个第一横向突出部、并且具有被附接至该本体上的背离该本体延伸的一个第二横向突出部，该芯轴包括：(a)一个长形中央构件，该长形中央构件具有一个第一端、一个相反的第二端、一条纵向轴线、一个外表面以及不同于该第一膨胀系数的一个第二膨胀系数；(b)一个第一横向构件和一个第二横向构件，该第一横向构件被布置在该中央构件的第一端附近并且背离该中央构件的外表面而突出，并且该第二横向构件被布置在该中央构件的第二端附近并且背离该中央构件的外表面而突出，这两个横向构件均可滑动地附接至该中央构件上而使得这两个横向构件均是 沿着与该中央构件的纵向轴线平行的一条路径而可滑动的；以及(c)一个刚性的长形支柱构件，该长形支柱构件具有一个第一端、一个第二端和一个与该第一膨胀系数基本上类似的膨胀系数，该支柱构件的该第一端被附着于该第一横向构件上并且该支柱构件的该第二端被附着于该第二横向构件上，该支柱构件被布置成与该中央构件的纵向轴线基本上平行。
根据一个有利的实施例，该刚性的长形支柱构件可以包括多个刚性的长形支柱构件。
根据一个有利的实施例，该第二膨胀系数可以大于该第一膨胀系数，并且其中，该横向构件可滑动地附接至该中央构件上而使得该横向构件是在该第二位置的方向上可滑动的。
在第三方面，本发明提供一种适合于形成由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的中空零件的方法，其中该零件包括(i)一个长形本体，该长形本体带有一个第一端、一个第二端以及一条纵向轴线；以及(ii)附接至该本体上的背离该本体延伸的一个横向突出部，该方法包括以下步骤：(a)提供如本发明的第一方面所述的芯轴；(b)通过将可热固化的材料施加至该芯轴的该中央构件的外表面上而形成该零件的本体；(c)通过将该可热固化的材料施加至该横向构件上而形成一个横向突出部；(d)将该零件的本体和该零件的横向突出部紧紧固定至该芯轴上而同时将该可固化的材料加热至一个升高的温度并且同时维持该横向突出部与该横向构件之间的接触；并且(e)在该零件已固化后，冷却该零件。
根据一个有利的实施例，该刚性的长形支柱构件可以包括多个刚性的长形支柱构件。
在第四方面，本发明提供一种适合于形成由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的中空零件的方法，其中该零件包括(i)一个长形本体，该长形本体带有一个第一端、一个第二端以及一条纵向轴线；(ii)附接至该本体上的背离该本体延伸的一个第一横向突出部；以及(iii)附接至该本体上的背离该本体延伸的一个第二横向突出部，该方法包括以下步骤：(a)提供如本发明的第二方面所述的芯轴；(b)通过将可热固化的材料施加至该芯轴的该中央构件的外表面上而形成该零件的本体；(c)通过将该可热固化的材料施加至该第一横向构件上而形成一个第一横向突出部；(d)通过将该可热固化的材料施加至该第二横向构件上而形成一个第二横向突出部；(e)将该零件的本体和该零件的这两个横向突出部紧紧固定至该芯轴上而同时将该可固化的材料加热至一个升高的温度并且同时维持该第一横向突出部与该第一横向构件之间的接触并且同时维持该第二横向突出部与该第二横向构件之间的接触；并且(f)在该零件已固化后，冷却该零件。
根据一个有利的实施例，该刚性的长形支柱构件可以包括多个刚性的长形支柱构件。
根据一个有利的实施例，该第二膨胀系数可以大于该第一膨胀系数，并且其中，该横向构件可滑动地附接至该中央构件上而使得该横向构件是在与该第一位置间隔开的一个第二位置的方向上可滑动的。
附图
通过参考以下描述、附加权利要求和附图可以更好地理解本发明的这些和其他特征、方面以及优点，其中：
图1是具有本发明的多个特征的一个第一芯轴的透视图；
图2是图1所示出的芯轴的一个侧视图；
图3是图1所示出的芯轴的一个端视图；
图4是图3所示出的芯轴沿着线4-4截取的截面侧视图；
图5是具有本发明的多个特征的一个第二芯轴的透视图；并且
图6是图5所示出的芯轴的一个截面侧视图。
本发明的详细说明
以下讨论详细描述了本发明的一个实施例和该实施例的几个变化。然而，本讨论不应解释为将本发明局限于这些具体实施例。本领域的普通技术人员还将认识到数个其他实施例。
本发明是适合于形成中空零件的一种芯轴10，其中该零件是由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的、具有一个带有纵向轴线的长形本体、并且具有附接至该本体上的背离该本体延伸的一个横向突出部。
该可热固化材料可以是纤维与基质的一种复合材料。纤维材料包括碳、石墨、玻璃纤维、石英、陶瓷、芳族聚酰胺、纳米纤维、超高分子量聚乙烯、玄武岩、和其他结构增强的纤维。基质可以包括环氧树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、酚醛树脂、热塑性塑料、聚酯、乙烯基酯、氰酸酯、陶瓷或其他聚合物复合基质。该纤维和基质可以处于任意组合形式。
芯轴10包括一个长形中央构件12、一个或多个可移动的横向构件14以及至少一个刚性的长形支柱构件16。
该中央构件12是长形的并且具有一个第一端18、一个相反的第二端20、一条纵向轴线22以及一个外表面24。典型地，该中央构件12的长 度是在约四英尺与约20英尺之间、最典型地长度是在约三英尺与约八英尺之间，例如长度为约五英尺。
还典型地，该中央构件12是由钢制成。然而，可以使用其他合金，例如铝或镍钢合金，例如在许多应用中该中央构件12还可以由碳增强的复合物或碳复合物制成。
该中央构件12具有明显不同于该第一膨胀系统的一个膨胀系数。膨胀系数的差异将在该复合物的固化过程中造成损害。典型地，该膨胀系数是“明显不同的”，意味着该中央构件的膨胀系数与该第一膨胀系数相差至少5％。
在附图所展示的这些实施例中，该中央构件12的外表面24具有贯穿该中央构件12的长度的多个圆形截面。在图1-4所展示的实施例中，该中央构件12的外表面24是贯穿该中央构件12的长度具有相等的圆形截面的一个正圆形柱体。然而在图5和图6所展示的实施例中，该中央构件12的外表面24的圆形截面在第一端18处比在第二端20处更大。该中央构件12的外表面24可以具有许多其他形状，包括具有椭圆形截面和多边形截面(例如正方形截面、长方形截面、八边形截面等)的形状。本发明中还可以使用具有不规则截面的中央构件12。
在附图所展示的这些实施例中，该中央构件12限定了具有多个圆形截面的一条内部通路26。在图1-4所展示的这些实施例中，该中央构件12限定了一个内部通路26，该内部通路是一个正圆形柱体、贯穿该中央构件12的长度具有相同的圆形截面。在图5和图6所展示的实施例中，该中央构件12限定了具有多个圆形截面的一个内部通路26，但是在该中央构件12的第一端18处的内部通路26的直径比在第二端20处该通路的直径更大。
该横向构件14被布置在一个第一位置28处并且背离该中央构件12的外表面24而突出。该横向构件14可滑动地附接至该中央构件12上而使得该横向构件14是沿着与该中央构件12的纵向轴线22平行的一个路径并且在与该第一位置28间隔开的一个第二位置30的方向上而可滑动的。
同样在附图所展示的这些实施例中，该芯轴10进一步包括一个第二横向构件32，该第二横向构件被布置在第二位置30处并且背离该中央构件12的外表面24而突出。在这些实施例中，该第二横向构件32可滑动地附接至该中央构件12上而使得该第二横向构件32是沿着与该中央构件12的纵向轴线22基本上平行的一个路径而可滑动的。在其他实施例中，该第二横向构件32可以被刚性地附着至该中央构件12上。具有一个第二横向构件32的实施例允许芯轴10形成具有多个相反的横向突出(部例如一对相反的末端凸缘)的零件。
该长形支柱构件16是刚性的并且具有一个第一端34、一个第二端36以及基本上类似于该第一膨胀系数的一个膨胀系数。“基本上类似”是指该支柱构件16的膨胀系数是足够接近的而能在该零件的固化和冷却过程中在该零件与该芯轴10的横向构件14之间产生充分的正接触以便防止在成品零件中造成损害。典型地，该长形支柱构件16具有的膨胀系数在该第一膨胀系数的约5％以内。
优选地，该支柱构件16是由与该零件相同的材料制成。在此类实施例中，该膨胀系数与该第一膨胀系数相同。然而，可以使用许多其他材料来形成该支柱构件16，只要该支柱构件16具有与该第一膨胀系数基本上类似的膨胀系数即可。此类其他材料的实例包括多种复合材料，这些复合材料具有碳、石墨、玻璃纤维、石英、陶瓷、芳族聚酰胺、纳米纤维、超 高分子量聚乙烯、玄武岩、和其他结构增强纤维作为纤维，并且具有环氧基体、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、酚醛树脂、热塑性塑料、聚酯、乙烯基酯、氰酸酯、陶瓷或其他聚合物复合基质作为基质。
该支柱构件16的第一端34被附着于横向构件14上，并且该支柱构件16的第二端36附着在该第二位置30处。支柱构件16被布置成基本上与中央构件12的纵向轴线22平行。
在附图所展示的这些实施例中，该长形支柱构件16包括多个刚性的长形支柱构件16。在图1至图4所示的这些实施例中，该芯轴10包括三个长形支柱构件16。在图5和图6所示的这个实施例中，该芯轴10包括六个长形支柱构件16。
同样在附图所展示的这些实施例中，这些支柱构件16在该第二位置30处被附着至该可滑动的第二横向构件14上。在其他实施例中，可以将这些支柱构件16附着至被布置于该第二位置30处的一个不可滑动的第二横向构件上。在另外的其他实施例中，可以在该第二位置30处将该支柱构件16附着至一个板或壁上，该板或壁并非芯轴10零件一部分但相对于该中央构件12是刚性地布置的。
该长形支柱构件16典型地是一个实心柱形构件。在附图所展示的这些实施例中，这些长形支柱构件16具有的截面是直径典型地处于约0.1英寸与约4英寸之间的正圆形柱体。
本发明还是使用以上所述的芯轴10的一种方法。在该方法中，芯轴10被用来形成一种由具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的中空零件，其中该零件包括(i)一个长形本体，该长形本体带有一个第一端、 一个第二端以及一条纵向轴线；以及(ii)附接至该本体上的背离该本体延伸的一个横向突出部，该方法包括以下步骤：(a)提供本发明的芯轴10；(b)通过将可热固化的材料施加至该芯轴10的该中央构件12的外表面24上而形成该零件的本体；(c)通过将可热固化的材料施加至该横向构件14的内表面38上而形成一个横向突出部；(d)将该零件的本体和该零件的该横向突出部紧紧固定至该芯轴10上而同时将该可固化的材料加热至一个升高的温度并且同时维持该横向突出部与该横向构件14的内表面之间的接触；并且(e)在该零件已固化后，冷却该零件。
本发明解决了以上在背景部分中所讨论的这些问题。由于该横向构件14被允许沿着该中央构件12滑动并且由于在该芯轴10和该零件的加热和冷却过程中该长形支柱构件16具有的膨胀系数基本上类似于由芯轴10来形成的这个零件的膨胀系数，所以该零件不会导致该零件与该芯轴10的横向构件14过早地脱离接合。并且，由于允许该横向构件14沿着该中央构件12滑动，所以在冷却过程中不存在该横向构件使得该横向突出部碎裂的危险。
如此描述了本发明后，应该清楚的是可以在不背离在上文中阐述并在下文中由权利要求描述的本发明的范畴与合理意义的情况下进行多处结构修改和改编。
Claims (11)
1.一种适合于形成中空零件的芯轴，其中该零件是由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的、具有一个带有纵向轴线的长形本体并且具有附接至该本体上的背离该本体延伸的一个横向突出部，该芯轴包括：
(a)长形中央构件，该长形中央构件具有一个第一端、一个相反的第二端、一条纵向轴线、一个外表面以及不同于该第一膨胀系数的一个第二膨胀系数；
(b)横向构件，该横向构件被布置在第一位置处并且背离该中央构件的该外表面而突出，该横向构件可滑动地附接至该中央构件上而使得该横向构件是沿着与该中央构件的纵向轴线平行的一个路径而可滑动的；以及
(c)刚性的长形支柱构件，该长形支柱构件具有一个第一端、一个第二端和一个膨胀系数，该长形支柱构件的该膨胀系数与该第一膨胀系数是足够接近的而能在该零件的固化和冷却过程中在该零件与该芯轴的该横向构件之间产生充分的正接触以便防止在成品零件中造成损害，该支柱构件的该第一端被附着于该横向构件上并且该支柱构件的该第二端被附着在与该第一位置间隔开的一个第二位置处，该支柱构件被布置成与该中央构件的纵向轴线基本上平行。
2.如权利要求1所述的芯轴，其中，该支柱构件的该第二端被附接至在该第二位置处布置的一个第二横向构件上。
3.如权利要求1所述的芯轴，其中，该刚性的长形支柱构件包括多个刚性的长形支柱构件。
4.如权利要求1所述的芯轴，其中，该第二膨胀系数大于该第一膨胀系数。
5.如权利要求1所述的芯轴，其中，该横向构件包括一个第一横向构件和一个第二横向构件，该第一横向构件被布置在该中央构件的第一端附近并且背离该中央构件的外表面而突出，并且该第二横向构件被布置在该中央构件的第二端附近并且背离该中央构件的外表面而突出，这两个横向构件均可滑动地附接至该中央构件上而使得这两个横向构件均是沿着与该中央构件的纵向轴线平行的一条路径而可滑动的；
并且其中，该支柱构件的第一端被附着于该第一横向构件上，并且该支柱构件的第二端附着在该第二横向构件上。
6.如权利要求5所述的芯轴，其中，该刚性的长形支柱构件包括多个刚性的长形支柱构件。
7.如权利要求5所述的芯轴，其中，该第二膨胀系数大于该第一膨胀系数。
8.一种适合于形成由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的中空零件的方法，其中该零件包括(i)一个长形本体，该长形本体带有一个第一端、一个第二端以及一条纵向轴线；以及(ii)附接至该本体上的背离该本体延伸的一个横向突出部，该方法包括以下步骤：
(a)提供一个适合于形成中空零件的芯轴，其中该零件是由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的、具有一个带有纵向轴线的长形本体并且具有附接至该本体上的背离该本体延伸的一个横向突出部，该芯轴包括：
(i)长形中央构件，该长形中央构件具有一个第一端、一个相反的第二端、一条纵向轴线、一个外表面以及不同于该第一膨胀系数的一个第二膨胀系数；
(ii)横向构件，该横向构件被布置在第一位置处并且背离该中央构件的该外表面而突出，该横向构件可滑动地附接至该中央构件上而使得该横向构件是沿着与该中央构件的纵向轴线平行的一个路径而可滑动的；以及
(iii)刚性的长形支柱构件，该长形支柱构件具有一个第一端、一个第二端和一个膨胀系数，该长形支柱构件的该膨胀系数与该第一膨胀系数是足够接近的而能在该零件的固化和冷却过程中在该零件与该芯轴的该横向构件之间产生充分的正接触以便防止在成品零件中造成损害，该支柱构件的该第一端被附着于该横向构件上并且该支柱构件的该第二端被附着在与该第一位置间隔开的一个第二位置处，该支柱构件被布置成与该中央构件的纵向轴线基本上平行；
(b)通过将可热固化的材料施加至该芯轴的该中央构件的外表面上而形成该零件的本体；
(c)通过将该可热固化的材料施加至该横向构件上而形成一个横向突出部；
(d)将该零件的本体和该零件的横向突出部紧紧固定至该芯轴上而同时将该可热固化的材料加热至一个升高的温度并且同时维持该横向突出部与该横向构件之间的接触；并且
(e)在该零件已固化后，冷却该零件。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该刚性的长形支柱构件包括多个刚性的长形支柱构件。
10.一种适合于形成由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的中空零件的方法，其中该零件包括(i)一个长形本体，该长形本体带有一个第一端、一个第二端以及一条纵向轴线；(ii)附接至该本体上的背离该本体延伸的一个第一横向突出部；以及(iii)附接至该本体上的背离该本体延伸的一个第二横向突出部，该方法包括以下步骤：
(a)提供一个适合于形成中空零件的芯轴，其中该零件是由一种具有第一膨胀系数的可热固化的材料制成的、具有一个带有一个第一端、一个第二端和一条纵向轴线的长形本体、具有附接至该本体上的背离该本体延伸的一个第一横向突出部并具有附接至该本体上的背离该本体延伸的一个第二横向突出部，该芯轴包括：
(i)长形中央构件，该长形中央构件具有一个第一端、一个相反的第二端、一条纵向轴线、一个外表面以及不同于该第一膨胀系数的一个第二膨胀系数；
(ii)一个第一横向构件和一个第二横向构件，该第一横向构件被布置在该中央构件的该第一端附近并且背离该中央构件的该外表面而突出，该第二横向构件被布置在该中央构件的该第二端附近并且背离该中央构件的该外表面而突出，这两个横向构件可滑动地附接至该中央构件上而使得这两个横向构件是沿着与该中央构件的纵向轴线平行的一个路径而可滑动的；以及
(iii)刚性的长形支柱构件，该长形支柱构件具有一个第一端、一个第二端和一个膨胀系数，该长形支柱构件的该膨胀系数与该第一膨胀系数是足够接近的而能在该零件的固化和冷却过程中在该零件与该芯轴的该横向构件之间产生充分的正接触以便防止在成品零件中造成损害，该支柱构件的该第一端被附着于该第一横向构件上并且该支柱构件的该第二端被附着于该第二横向构件上，该支柱构件被布置成与该中央构件的纵向轴线基本上平行；
(b)通过将可热固化的材料施加至该芯轴的该中央构件的外表面上而形成该零件的本体；
(c)通过将该可热固化的材料施加至该第一横向构件上而形成一个第一横向突出部；
(d)通过将该可热固化的材料施加至该第二横向构件上而形成一个第二横向突出部；
(e)将该零件的本体和该零件的这两个横向突出部紧紧固定至该芯轴上而同时将该可热固化的材料加热至一个升高的温度并且同时维持该第一横向突出部与该第一横向构件之间的接触并且同时维持该第二横向突出部与该第二横向构件之间的接触；并且
(f)在该零件已固化后，冷却该零件。
11.如权利要求10所述的方法，其中，该刚性的长形支柱构件包括多个刚性的长形支柱构件。
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