CN105299432A - 一种航空轻质承载杆件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空轻质承载杆件，包括两片承载构件、两片内衬垫、金属轴套和管型覆盖层，所述的承载构件的两侧面分别嵌入到两片相对设置的内衬垫中，形成圆形管状拉杆结构，所述的管型覆盖层包裹在承载构件和内衬垫的外部，所述的承载构件的两端分别设有耳片部，耳片部上设有水滴状的通孔，所述的金属轴套设置在通孔中，所述的金属轴套外表面纵向设有多条环形纵向槽，并且还横向设有多个沿圆形通孔圆周等距分布的横向槽。与现有技术相比，本发明具有制造方法简便、承载能力强等优点。

Description

一种航空轻质承载杆件及其制造方法

技术领域

本发明涉及轻量化复合材料技术领域，尤其是涉及一种航空轻质承载杆件及其制造方法。

背景技术

对于航空、航天、汽车、轨道交通车辆等领域的结构制造技术来说，承载结构件在满足承载条件下，适应更为严酷的使用环境条件，如低温与高温的大温差变化、振动、疲劳等，是当今新技术发展的迫切需求，特别是轻量化可以使节能技术特点产生新的市场竞争力。

目前航空、航天、汽车、轨道交通领域中使用的结构杆件大多为金属材料，钢材(利用锻钢件)尤为普遍，工程师们为了保持结构的功能和承载条件适当更换为钛合金与铝合金材料，以减轻自重的设计理念已经取得了显著的效果。但是还是无法解决变形(包括弹性变形)、疲劳损坏、耐候性差(温度影响显著)、重量过重等缺陷。换言之，这些各向同性材料仅使用了部分特征，其余特征作用很小似乎是“浪费”，由此造成了部件的自重过大，影响到整机的节能效果。

近年来碳纤维复合材料作为轻量化各向异性材料广泛应用在所涉及的技术领域，已经体现出具有非常高的比强度、比刚度、气候适应性强、耐疲劳、重量轻等特点。以相同直径与结构的杆件相比，碳纤维复合材料重量仅为钢材的五分之一，而强度是钢材的五倍，还具备钢材无法满足的刚度与耐候性能，疲劳性能也远比钢材好。虽然碳合金材料比钢材轻，但综合性能还是不如碳纤维复合材料，总是存在着“浪费”现象。人们总是有这样的概念：碳纤维复合材料的造价高于金属材料，但事实上人们仅对比了金属材料的后期制造费用，没有考虑金属前期冶炼、机加工制造等费用，如果综合考虑造价问题，因为碳纤维生产、树脂生产、结构件成型等工艺的耗能与制造费用低于金属构件，使得碳纤维结构件的造价要低于金属材料的结构件。

选择碳纤维复合材料制造航空、航天、汽车、轨道交通技术领域的承载构件是一个近20年世界范围内的创新，也是未来新技术发展的趋势。

目前在航空、航天、汽车、轨道交通车辆技术领域使用空心钢材做结构杆件；在较大承载结构件制造技术领域也有使用纤维复合材料(FKV)，采用传统的纤维缠绕和热塑性材料挤压成型方法；还有采用金属与纤维复合材料(FKV)镶嵌结合技术；如DE19649133C1介绍了轻型复合材料制造液压气缸技术、DE102004038082A1介绍了如何控制轻型复合材料制造的成形技术、CH693102A3介绍了碳纤维复合线束制造的成型模具技术；EP0237046B1介绍的碳纤维复合材料制造的紧固装置的纤维编织方法；DE3904644C1介绍了一种由模具成型的液压缸部件的制造方法等。但这些技术存在着如下问题：

1)金属结构不能进行各向异性的优化设计，以往的复合材料不能兼顾各向异性的碳纤维复合材料的特点，不能充分利用材料特性，构件自身重量过重；

2)在承载关键部位金属与碳纤维复合材料连接上存在薄弱环节，影响了构件承载能力；

3)当构件几何尺寸较小时，由于纤维的编制方式各异，所涉及的刚度往往达不到要求；

4)制造技术均有针对性，成本上相对较高，需要进一步优化设计降低制造成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制造方法简便、承载能力强的航空轻质承载杆件及其制造方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种航空轻质承载杆件，包括两片承载构件、两片内衬垫、金属轴套和管型覆盖层，所述的承载构件的两侧面分别嵌入到两片相对设置的内衬垫中，形成圆形管状拉杆结构，所述的管型覆盖层包裹在承载构件和内衬垫的外部，所述的承载构件的两端分别设有耳片部，耳片部上设有水滴状的通孔，所述的金属轴套设置在通孔中，所述的金属轴套外表面纵向设有多条环形纵向槽，并且还横向设有多个沿圆形通孔圆周等距分布的横向槽。

所述的金属轴套形状与通孔配合，包括尖头部和圆头部，所述的圆头部上设有圆形通孔。

所述的纵向槽内设有多层高模碳纤维，所述的横向槽内设有低模碳纤维。

所述的管型覆盖层由低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维斜编织制成。

所述的低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维斜编织之间的取向夹角α为30-60度。

所述的承载构件与内衬垫通过铆钉固定，并通过粘结胶粘结。

一种航空轻质承载杆件的制造方法，包括以下步骤：

1)将两片承载构件并排紧邻置于成型模具中，将机加工成型的金属轴套固定在承载构件耳片部上的通孔中；

2)采用高模碳纤维纵向缠绕固定承载构件与金属轴套，形成高模碳纤维层，每层之间横向穿插低模碳纤维，以固定缠绕高模碳纤维，并在编制的每一层上涂有热固性树脂；

3)在最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维与PEEK纤维的混纺纤维形成管型覆盖层，低模碳纤维与PEEK纤维之间取向夹角α为30-60度；

4)经25分钟、烘干温度80℃预定型，以及3小时、烘焙温度350±5℃成型，脱模后取出成型产品。

5)成型产品冷却后，经清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡承载杆件的耳片部，然后进行渗碳化硅处理并磨光，最后对磨光的耳片部表面进行镀镍处理。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)纵向连续用高模碳纤维缠绕以连接两个尖端相对设置的金属轴套，并在环形纵向槽中形成高模碳纤维层；

22)在所有高模碳纤维层成型后，在横向槽中缠绕低模碳纤维，用以限制高模碳纤维层在的纵向槽中空间；

23)在金属轴套两个尖端之间横向穿刺、捆扎低模碳纤维，形成承载体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出的承载杆件利用碳纤维纵向抗拉强度高，横向剪切应力低的特点，由特殊设计的纤维编制方式：承载方向纵向布置高模碳纤维，非承载方向横向补强低模碳纤维，利用衬垫形成内部无金属管材支撑的圆形管状拉杆。

本发明提出的承载杆件采用了具有尖头部和包含圆形通孔的圆头部的金属轴套镶嵌在碳纤维复合材料中，利用金属与碳纤维连接技术将纵向连续高模碳纤维缠绕(每层件编织横向穿插低模碳纤维)，然后横向穿刺与捆扎，充分利用碳纤维之间的连接和其他不同方向的铺层来保护敏感的单一方向高强度碳纤维束，并吸附压力载荷和可能在承载杆件上产生的横向力，所形成承载体，其强度超出相同截面钢材的3倍，能满足拉杆的承载与刚度技术要求。

本发明的制造方法简便，提供的杆件具备耐高空低温-55℃、地面高温45℃、承受超过100吨的巨大拉/压力、耐振动与抗较大扭矩不变形、超强刚度与强度、以及自重轻等特性，可用在航空飞行器上作为关键承载部件。

附图说明

图1为本发明的爆炸结构图。

图2为金属轴套的结构示意图。

图3为耳片部碳纤维编制结构示意图。

其中，1、承载构件，2、金属轴套，3、管型覆盖层，4、内衬垫，11、通孔，12、耳片部，21、尖头部，22、圆头部，23、纵向槽，24、横向槽，

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1-2所示，一种航空轻质承载杆件，包括两片承载构件1、两片内衬垫4、金属轴套2和管型覆盖层3，承载构件1的两侧面分别嵌入到两片相对设置的内衬垫4中，形成圆形管状拉杆结构，管型覆盖层3包裹在承载构件1和内衬垫4的外部，承载构件1的两端分别设有耳片部12，耳片部12上设有水滴状的通孔11，金属轴套2设置在通孔11中，金属轴套2外表面纵向设有多条环形纵向槽23，并且还横向设有多个沿圆形通孔圆周等距分布的横向槽24。

金属轴套2形状与通孔11配合，包括尖头部21和圆头部22，圆头部22上设有圆形通孔。

纵向槽23内设有多层高模碳纤维，横向槽24内设有低模碳纤维。

管型覆盖层3由低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维斜编织制成。

低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维斜编织之间的取向夹角α为30-60度。

承载构件1与内衬垫4通过铆钉固定，并通过粘结胶粘结。

如图3所示，上述航空用轻质承载杆件的制造方法包含：

步骤1，将两片承载构件1并排紧邻置于成型模具中，将机加工金属轴套2固定在承载构件1的镂空的耳片部11中；该金属轴套可先进行喷砂处理；

步骤2，采用高模碳纤维纵向缠绕固定承载构件1与金属轴套2，形成高模碳纤维层，每层之间横向穿插低模碳纤维，以固定缠绕高模碳纤维；每编制一层均需涂热固性树脂；

步骤3，在最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维与PEEK纤维的混纺纤维，纤维之间取向夹角α为30-60度；

步骤4，经25分钟、烘干温度80℃预定型，以及，3小时、烘焙温度350±5℃成型，脱模，取出成型产品。

在一些较优的实施例中，该方法还包含：步骤5，成型产品冷却后，经清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡成型承载杆件的耳片部11，再进行渗碳化硅处理，然后对磨光的耳片部表面进行镀镍处理。

本发明提供的航空用轻质承载杆件完全可以满足承载超过100吨拉/压力的要求，在强度与刚度上比相同结构的钢材杆件高出3倍，其自重仅为钢材杆件重量的五分之一。且整个制造工艺较为简单，无须很多的机加工工序。制造的模具可以多次使用(10万件更换)，从而形成了批量生产的条件，实现降低成本的效果。该承载杆件上的金属与碳纤维结合技术可以取代金属结构杆件应用在航空、航天、汽车、轨道交通技术领域。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种航空轻质承载杆件，包括两片承载构件(1)、两片内衬垫(4)、金属轴套(2)和管型覆盖层(3)，所述的承载构件(1)的两侧面分别嵌入到两片相对设置的内衬垫(4)中，形成圆形管状拉杆结构，所述的管型覆盖层(3)包裹在承载构件(1)和内衬垫(4)的外部，所述的承载构件(1)的两端分别设有耳片部(12)，耳片部(12)上设有水滴状的通孔(11)，所述的金属轴套(2)设置在通孔(11)中，其特征在于，所述的金属轴套(2)外表面纵向设有多条环形纵向槽(23)，并且还横向设有多个沿圆形通孔圆周等距分布的横向槽(24)。

2.根据权利要求1所述的一种航空轻质承载杆件，其特征在于，所述的金属轴套(2)形状与通孔(11)配合，包括尖头部(21)和圆头部(22)，所述的圆头部(22)上设有圆形通孔。

3.根据权利要求1所述的一种航空轻质承载杆件，其特征在于，所述的纵向槽(23)内设有多层高模碳纤维，所述的横向槽(24)内设有低模碳纤维。

4.根据权利要求1所述的一种航空轻质承载杆件，其特征在于，所述的管型覆盖层(3)由低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维斜编织制成。

5.根据权利要求4所述的一种航空轻质承载杆件，其特征在于，所述的低模碳纤维与PEEK纤维混纺纤维斜编织之间的取向夹角α为30-60度。

6.根据权利要求1所述的一种航空轻质承载杆件，其特征在于，所述的承载构件(1)与内衬垫(4)通过铆钉固定，并通过粘结胶粘结。

7.一种航空轻质承载杆件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将两片承载构件并排紧邻置于成型模具中，将机加工成型的金属轴套固定在承载构件耳片部上的通孔中；

2)采用高模碳纤维纵向缠绕固定承载构件与金属轴套，形成高模碳纤维层，每层之间横向穿插低模碳纤维，以固定缠绕高模碳纤维，并在编制的每一层上涂有热固性树脂；

3)在最外层按弹性变形控制要求斜编织低模碳纤维与PEEK纤维的混纺纤维形成管型覆盖层，低模碳纤维与PEEK纤维之间取向夹角α为30-60度；

4)经25分钟、烘干温度80℃预定型，以及3小时、烘焙温度350±5℃成型，脱模后取出成型产品。

5)成型产品冷却后，经清洗，采用铬酸钾10-100g/l溶液浸泡承载杆件的耳片部，然后进行渗碳化硅处理并磨光，最后对磨光的耳片部表面进行镀镍处理。

8.一种航空轻质承载杆件的制造方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)纵向连续用高模碳纤维缠绕以连接两个尖端相对设置的金属轴套，并在环形纵向槽中形成高模碳纤维层；

22)在所有高模碳纤维层成型后，在横向槽中缠绕低模碳纤维，用以限制高模碳纤维层在的纵向槽中空间；

23)在金属轴套两个尖端之间横向穿刺、捆扎低模碳纤维，形成承载体。