CN108381942A - 一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法 - Google Patents

一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法，属于模具成型领域。本发明为了解决现有的带有流体物料夹层的复合材料绕线轴无法成型的问题。将模本体安装在卧式缠绕机上，用200目砂纸打磨模本体外表面之后，再用棉纱清理打磨后模本体表面，并在模本体上刷涂脱模剂；将步骤一涂有脱模剂的模本体表面涂刷本体胶，将碳纤维安装在卧式缠绕机的缠绕张力器上，对模本体的外表面进行碳纤维的第一层环向缠绕，设定第一层环向缠绕的碳纤维的初始张力为30±3N/团，缠绕角度为85°～90°，重复2～4次缠绕，缠绕长度为150mm～500mm的第一层环向缠绕碳纤维层，第一层环向缠绕碳纤维层的总缠绕层厚度为0.5mm～2mm。本发明实现流动物料夹层与第一、二碳纤维复合层一体成型。

Description

一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法
技术领域
本发明涉及一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法，具体属于模具成型领域。
背景技术
现有的纤维复合材料绕线轴，使用时将带有粘接剂以及一定预应力的光纤均匀往复缠绕在其表面并固化成型。该绕线轴需满足具有较大的轴向热膨胀系数，但难以满足较低的周向热膨胀系数，随着使用温度的变化，易出现绕线轴与光纤各方向热膨胀系数不匹配，升温时易导致光纤张紧易被扯断，降温时易导致光纤之间出现间隙甚至脱轴。目前的复合材料线轴一般为整体结构，通常通过调整复合材料中纤维层次分布和铺层角度或开沟槽以释放应力的方法来控制各方向的热膨胀系数，但效果往往不理想。若在纤维复合材料中间注入一层流动物料，且该流动物料的热膨胀系数大于光纤的热膨胀系数，则有可能实现光纤与复合材料整体的热膨胀系数相匹配。但目前还没有一种利用热膨胀系数材料不同而形成的复合夹层结构来满足线轴无法成型的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的带有流体物料夹层的复合材料绕线轴无法成型的问题，进而提供一种既能实现内、外层纤维缠绕，又能实现夹层流动物料与内、外复合层一体成型的方法。
为了实现上述目的，本发明所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法采用的技术方案是这样实现的：
所述绕线轴成型方法通过利用绕线轴成型模具实现所述绕线轴的成型，其中，所述绕线轴成型模具包括中心轴、左夹紧环、左支撑圈、模本体、流动夹层、外模、密封端盖、垫圈、紧固螺钉、碳纤维和注入孔，所述绕线轴成型的方法包括以下步骤：
步骤一，将所述模本体安装在卧式缠绕机上，用200目砂纸打磨所述模本体外表面之后，再用棉纱清理打磨后所述模本体表面，并在模本体上刷涂脱模剂；
步骤二，将步骤一涂有脱模剂的模本体表面涂刷本体胶，将碳纤维安装在所述的卧式缠绕机的缠绕张力器上，对所述模本体的外表面进行碳纤维的第一层环向缠绕，设定所述第一层环向缠绕的碳纤维的初始张力为30±3N/团，缠绕角度为85°～90°，重复2～4次缠绕，形成具有2～4层子层的、缠绕长度为150mm～500mm的第一层环向缠绕碳纤维层，所述第一层环向缠绕碳纤维层的总缠绕层厚度为0.5mm～2mm，完成缠绕后用刮板将模本体的所述第一层环向缠绕碳纤维层表面的余胶刮净，获得具有第一层环向缠绕碳纤维层的模本体；
步骤三，将步骤二得到的所述具有第一层环向缠绕碳纤维层的模本体入固化炉固化成型，并获得固化后的模本体，其中，固化过程中的固化温度为60～100℃，固化时间为5～10小时；
步骤四，将步骤三获得的固化后的所述模本体出炉冷却至室温，然后将冷却后的所述模本体进行车削加工，车削加工保证绕线轴的同轴度，得到表面更光滑的模本体；
步骤五，将步骤四获得的所述表面更光滑的模本体与中心轴、左夹紧环、左支撑圈、外模、密封端盖、垫圈和紧固螺钉组合成绕线轴成型模具，利用紧固螺钉将密封端盖旋紧至模本体上，将所述绕线轴成型模具竖直放置于固化炉内，在40℃～80℃的条件下，预热4～6小时；
步骤六，将需要通过注入孔注入到流动夹层中的流动物料进行预热；
步骤七，将步骤六获得的预热后的流动物料通过注入孔加压注入模本体与外模形成的流动夹层中，并向上排出空气，所述流动物料的注入速度不大于50ml/s，待注入的流动物料灌满所述流动夹层中为止，而后封住注入孔，并将灌有流动物料的所述成型模具放入固化炉内静置2小时；
步骤八，将步骤七中静止2小时后的所述绕线轴成型模具继续置于固化炉中，并进行固化成型，其中，固化温度为60～100℃，固化时间为5～9小时；形成固化后的绕线轴；
步骤九，将步骤八所述固化后的绕线轴成型模具从固化炉中取出并冷却至室温，用胶皮锤轻轻敲击绕线轴的外模，使外模脱落，形成带有浇筑层的绕线轴成型模具；
步骤十，在步骤九得到的脱模后带有浇筑层的绕线轴成型模具表面涂刷本体胶，并将所述绕线轴成型模具安装在所述卧式缠绕机上，将碳纤维安装在卧式缠绕机的缠绕张力器上，开始对所述绕线轴成型模具的外表面进行碳纤维的第二层环向缠绕，设定所述第二层环向缠绕的碳纤维的缠绕张力为30N±3N/团，缠绕角度为85°～90°，重复2～4次缠绕，形成具有2～4层子层的、缠绕长度为150mm～500mm的第二层环向缠绕碳纤维层，所述第二层环向缠绕碳纤维层总缠绕层厚度为2mm～5mm，获得缠绕有双层碳纤维的绕线轴成型模具；
步骤十一，将步骤十获得的所述缠绕有双层碳纤维的绕线轴成型模具入炉并旋转固化，转速不大于10转/min，固化温度为60～100℃，固化时间为5～10小时；
步骤十二，将步骤十一得到的固化后的绕线轴成型模具从炉中取出，冷却至室温并进行脱模处理，脱去摸本体4，处理后即可获得半成品绕线轴；
步骤十三，将步骤十二得到的脱模后的半成品绕线轴放在车床上进行车削加工，车削成最终绕线轴的外形，获得最终纤维复合材料的绕线轴成品。
进一步限定，步骤二和步骤十中所述的本体胶是由树脂与固化剂按重量比为1:1的比例配制而成的一种胶体。
进一步限定，步骤二中所述第一层环向缠绕碳纤维层的多层碳纤维预浸料的总厚度为0.15～1mm。
进一步限定，所述的步骤十中所述第二层环向缠绕碳纤维层的多层碳纤维预浸料的总厚度为0.15～2mm。
本发明的有益效果：绕线轴回转体结构可在绕线轴加工过程中实现绕线轴的旋转固化，极大程度上提高了固化质量和固化处理的效率，有效降低绕线轴固化加工中消耗的时间，进而提高绕线轴的加工效率，可实现流动物料夹层与第一、二碳纤维复合层一体成型，绕线轴的制作工艺简单，操作方便，适合规模性工艺生产。
附图说明
图1是本发明所述一种含注入层的复合材料绕线轴的用到的工具的主视图；
图2为图1的左视图。
图中特征：中心轴1，左加紧环2，支撑圈3，模本体4，流动夹层5，外模6，密封端盖7，垫圈8，紧固螺钉9，注入孔10，右端头台肩11，左端头台肩12，台肩13。
具体实施方式
具体实施方式一，结合图1、2说明本实施方式。本实施方式所述绕线轴成型方法通过利用绕线轴成型模具实现所述绕线轴的成型，其中，所述绕线轴成型模具包括中心轴1、左夹紧环2、左支撑圈3、模本体4、流动夹层5、外模6、密封端盖7、垫圈8、紧固螺钉9、碳纤维和注入孔10，所述绕线轴成型的方法包括以下步骤：
步骤一，将所述模本体4安装在卧式缠绕机上，用200目砂纸打磨所述模本体4外表面之后，再用棉纱清理打磨后所述模本体4表面，并在模本体4上刷涂脱模剂；
步骤二，将步骤一涂有脱模剂的模本体4表面涂刷本体胶，将碳纤维安装在所述的卧式缠绕机的缠绕张力器上，对所述模本体4的外表面进行碳纤维的第一层环向缠绕，设定所述第一层环向缠绕的碳纤维的初始张力为30±3N/团，缠绕角度为85°～90°，重复2～4次缠绕，形成具有2～4层子层的、缠绕长度为150mm～500mm的第一层环向缠绕碳纤维层，所述第一层环向缠绕碳纤维层的总缠绕层厚度为0.5mm～2mm，完成缠绕后用刮板将模本体4的所述第一层环向缠绕碳纤维层表面的余胶刮净，获得具有第一层环向缠绕碳纤维层的模本体4；
步骤三，将步骤二得到的所述具有第一层环向缠绕碳纤维层的模本体4入固化炉固化成型，并获得固化后的模本体4，其中，固化过程中的固化温度为60～100℃，固化时间为5～10小时；
步骤四，将步骤三获得的固化后的所述模本体4出炉冷却至室温，然后将冷却后的所述模本体4进行车削加工，车削加工保证绕线轴的同轴度，得到表面更光滑的模本体4；
步骤五，将步骤四获得的所述表面更光滑的模本体4与中心轴1、左夹紧环2、左支撑圈3、外模6、密封端盖7、垫圈8和紧固螺钉9组合成绕线轴成型模具，利用紧固螺钉9将密封端盖7旋紧至模本体4上，将所述绕线轴成型模具竖直放置于固化炉内，在40℃～80℃的条件下，预热4～6小时；
步骤六，将需要通过注入孔10注入到流动夹层5中的流动物料进行预热；
步骤七，将步骤六获得的预热后的流动物料通过注入孔10加压注入模本体4与外模6形成的流动夹层5中，并向上排出空气，所述流动物料的注入速度不大于50ml/s，待注入的流动物料灌满所述流动夹层5中为止，而后封住注入孔10，并将灌有流动物料的所述成型模具放入固化炉内静置2小时；
步骤八，将步骤七中静止2小时后的所述绕线轴成型模具继续置于固化炉中，并进行固化成型，其中，固化温度为60～100℃，固化时间为5～9小时；形成固化后的绕线轴；
步骤九，将步骤八所述固化后的绕线轴成型模具从固化炉中取出并冷却至室温，用胶皮锤轻轻敲击绕线轴的外模6，使外模6脱落，形成带有浇筑层的绕线轴成型模具；
步骤十，在步骤九得到的脱模后带有浇筑层的绕线轴成型模具表面涂刷本体胶，并将所述绕线轴成型模具安装在所述卧式缠绕机上，将碳纤维安装在卧式缠绕机的缠绕张力器上，开始对所述绕线轴成型模具的外表面进行碳纤维的第二层环向缠绕，设定所述第二层环向缠绕的碳纤维的缠绕张力为30N±3N/团，缠绕角度为85°～90°，重复2～4次缠绕，形成具有2～4层子层的、缠绕长度为150mm～500mm的第二层环向缠绕碳纤维层，所述第二层环向缠绕碳纤维层总缠绕层厚度为2mm～5mm，获得缠绕有双层碳纤维的绕线轴成型模具；
步骤十一，将步骤十获得的所述缠绕有双层碳纤维的绕线轴成型模具入炉并旋转固化，转速不大于10转/min，固化温度为60～100℃，固化时间为5～10小时；
步骤十二，将步骤十一得到的固化后的绕线轴成型模具从炉中取出，冷却至室温并进行脱模处理，脱去摸本体4，处理后即可获得半成品绕线轴；
步骤十三，将步骤十二得到的脱模后的半成品绕线轴放在车床上进行车削加工，车削成最终绕线轴的外形，获得最终纤维复合材料的绕线轴成品。
本实施方式所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法，可实现流动物料夹层与第一、二碳纤维复合层一体成型，绕线轴的制作工艺简单，操作方便，适合规模性工艺生产。
具体实施方式二，参见图1说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法的进一步限定，本实施方式中步骤二所述的本体胶是由树脂与固化剂按重量比为1:1的比例配制而成的一种胶体。
本实施方式所述的胶体成分及其重量比的配合有利于解决各种材料热膨胀系数不匹配的问题。
具体实施方式三，参见图1说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法的进一步限定，本实施方式中步骤二中所述第一层环向缠绕碳纤维层的多层碳纤维预浸料的总厚度为0.15～1mm。
本实施方式所述的碳纤维预浸料的厚度有利于增强复合材料第一层环向缠绕碳纤维层的刚度。
具体实施方式四，参见图1说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法的进一步限定，本实施方式中所述的步骤十中所述的步骤十中所述第二层环向缠绕碳纤维层的多层碳纤维预浸料的总厚度为0.15～2mm。
本实施方式所述的碳纤维预浸料的厚度有利于增强复合材料第二层环向缠绕碳纤维层的刚度。
具体实施方式五，参见图1说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式三所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法的进一步限定，本实施方式中所述第一层环向缠绕碳纤维层的子层之间铺放碳纤维预浸料，可采用手工带张力缠绕50mm，宽0.2mm，厚的3K碳布或斜纹玻璃高强布，搭接5mm，缠绕张力30N～50N，使缠绕层厚度为0.5～2mm。
具体实施方式六，参见图1说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式四所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法的进一步限定，本实施方式中所述第二层环向缠绕碳纤维层的子层之间铺放碳纤维预浸料，可采用手工带张力缠绕50mm，宽0.2mm，厚的3K碳布或斜纹玻璃高强布，搭接5mm，缠绕张力30N～50N，使缠绕层厚度为0.5～2mm。
具体实施方式七，参见图1说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一所述的绕线轴成型模具的进一步限定，其中，所述绕线轴成型模具包括中心轴1、左支撑圈3、模本体4、流动夹层5、外模6、密封端盖7、垫圈8、紧固螺钉9、碳纤维和注入孔10；
所述的模本体4为回转体，所述模本体4的横截面为圆柱面或圆台面，所述模本体4的中心沿轴线方向上固定安装有贯穿的中心轴1；
外模6水平设于模本体4上方，所述的外模6的左右两端分别设有左端头台肩12与右端头台肩11；
模本体4左端安装有垂直于所述中心轴1的左支撑圈3，左支撑圈3上设有台肩13；所述左端头台肩12搭在所述左支撑圈3的上表面并且所述左端头台肩12嵌入与所述台肩13内并与所述台肩13紧密嵌合；
模本体4右端设有垂直于所述中心轴1的密封端盖7，密封端盖7的上端搭接于所述右端头台肩11上；
模本体4与外模6之间形成的腔体为流动夹层5；密封端盖7上设有注入孔10，所述的注入孔10正对流动夹层5；
垫圈8设于右端头台肩11与密封端盖7侧面之间；密封端盖7通过紧固螺钉9与模本体4紧固连接。
本实施方式进一步限定的绕线轴模具结构紧凑、吊装方便，可实现模具的快速预热的特点，在绕线轴成型过程中，所述模具的整个结构可实现旋转固化，极大程度上提高了固化质量和固化处理的效率，有效降低绕线轴固化加工中消耗的时间，进而提高绕线轴的加工效率；同时，本实施方式所述绕线轴模具能够使复合材料构件快速成型，并提高绕线轴成品的质量，以及绕线轴成品的精度。
本发明所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法的结构不局限与上述各个实施方式所描述的具体结构，还可以是上述各个实施方式所描述的特征的合理组合。

Claims (4)

1.一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法，其特征在于，所述绕线轴成型方法通过利用绕线轴成型模具实现所述绕线轴的成型，其中，所述绕线轴成型模具包括中心轴(1)、左夹紧环(2)、左支撑圈(3)、模本体(4)、流动夹层(5)、外模(6)、密封端盖(7)、垫圈(8)、紧固螺钉(9)、碳纤维和注入孔(10)，所述绕线轴成型的方法包括以下步骤：
步骤一，将所述模本体(4)安装在卧式缠绕机上，用200目砂纸打磨所述模本体(4)外表面之后，再用棉纱清理打磨后所述模本体(4)表面，并在模本体(4)上刷涂脱模剂；
步骤二，将步骤一涂有脱模剂的模本体(4)表面涂刷本体胶，将碳纤维安装在所述的卧式缠绕机的缠绕张力器上，对所述模本体(4)的外表面进行碳纤维的第一层环向缠绕，设定所述第一层环向缠绕的碳纤维的初始张力为30±3N/团，缠绕角度为85°～90°，重复2～4次缠绕，形成具有2～4层子层的、缠绕长度为150mm～500mm的第一层环向缠绕碳纤维层，所述第一层环向缠绕碳纤维层的总缠绕层厚度为0.5mm～2mm，完成缠绕后用刮板将模本体(4)的所述第一层环向缠绕碳纤维层表面的余胶刮净，获得具有第一层环向缠绕碳纤维层的模本体(4)；
步骤三，将步骤二得到的所述具有第一层环向缠绕碳纤维层的模本体(4)入固化炉固化成型，并获得固化后的模本体(4)，其中，固化过程中的固化温度为60～100℃，固化时间为5～10小时；
步骤四，将步骤三获得的固化后的所述模本体(4)出炉冷却至室温，然后将冷却后的所述模本体(4)进行车削加工，车削加工保证绕线轴的同轴度，得到表面更光滑的模本体(4)；
步骤五，将步骤四获得的所述表面更光滑的模本体(4)与中心轴(1)、左夹紧环(2)、左支撑圈(3)、外模(6)、密封端盖(7)、垫圈(8)和紧固螺钉(9)组合成绕线轴成型模具，利用紧固螺钉(9)将密封端盖(7)旋紧至模本体(4)上，将所述绕线轴成型模具竖直放置于固化炉内，在40℃～80℃的条件下，预热4～6小时；
步骤六，将需要通过注入孔(10)注入到流动夹层(5)中的流动物料进行预热；
步骤七，将步骤六获得的预热后的流动物料通过注入孔(10)加压注入模本体(4)与外模(6)形成的流动夹层(5)中，并向上排出空气，所述流动物料的注入速度不大于50ml/s，待注入的流动物料灌满所述流动夹层(5)中为止，而后封住注入孔(10)，并将灌有流动物料的所述成型模具放入固化炉内静置2小时；
步骤八，将步骤七中静止2小时后的所述绕线轴成型模具继续置于固化炉中，并进行固化成型，其中，固化温度为60～100℃，固化时间为5～9小时；形成固化后的绕线轴；
步骤九，将步骤八所述固化后的绕线轴成型模具从固化炉中取出并冷却至室温，用胶皮锤轻轻敲击绕线轴的外模(6)，使外模(6)脱落，形成带有浇筑层的绕线轴成型模具；
步骤十，在步骤九得到的脱模后带有浇筑层的绕线轴成型模具表面涂刷本体胶，并将所述绕线轴成型模具安装在所述卧式缠绕机上，将碳纤维安装在卧式缠绕机的缠绕张力器上，开始对所述绕线轴成型模具的外表面进行碳纤维的第二层环向缠绕，设定所述第二层环向缠绕的碳纤维的缠绕张力为30N±3N/团，缠绕角度为85°～90°，重复2～4次缠绕，形成具有2～4层子层的、缠绕长度为150mm～500mm的第二层环向缠绕碳纤维层，所述第二层环向缠绕碳纤维层总缠绕层厚度为2mm～5mm，获得缠绕有双层碳纤维的绕线轴成型模具；
步骤十一，将步骤十获得的所述缠绕有双层碳纤维的绕线轴成型模具入炉并旋转固化，转速不大于10转/min，固化温度为60～100℃，固化时间为5～10小时；
步骤十二，将步骤十一得到的固化后的绕线轴成型模具从炉中取出，冷却至室温并进行脱模处理，脱去摸本体4，处理后即可获得半成品绕线轴；
步骤十三，将步骤十二得到的脱模后的半成品绕线轴放在车床上进行车削加工，车削成最终绕线轴的外形，获得最终纤维复合材料的绕线轴成品。
2.根据权利要求1所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法，其特征在于，步骤二和步骤十中所述的本体胶是由树脂与固化剂按重量比为1:1的比例配制而成的一种胶体。
3.根据权利要求1所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法，其特征在于，所述的步骤二中所述第一层环向缠绕碳纤维层的多层碳纤维预浸料的总厚度为0.15～1mm。
4.根据权利要求1所述的一种含注入层的复合材料绕线轴成型方法，其特征在于，所述的步骤十中所述第二层环向缠绕碳纤维层的多层碳纤维预浸料的总厚度为0.15～2mm。
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