CN108457961A - 复合螺纹紧固件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合螺纹紧固件，其包括头部和杆部，杆部包含芯部和螺纹部，螺纹部包含沿复合螺纹紧固件轴向延伸和沿该复合螺纹紧固件径向起伏的第一纵向长纤及沿复合螺纹紧固件周向缠绕在第一纵向长纤外侧的周向长纤。径向起伏的第一纵向长纤对周向长纤形成轴向承载面，周向长纤沿其轴向具有较大的抗拉强度，即便周向长纤受到较大的轴向剪切力，也难以改变周向长纤的半径，从而防止滑丝，第一纵向长纤有利于提高螺纹纵向的抗拉强度。此外，拧紧螺纹紧固件时，螺纹受到较大切向力，沿螺纹周向缠绕的周向长纤沿其轴向正好具备较大的抗拉强度，有利于提高复合螺纹紧固件的螺纹的抗扭强度。

Description

复合螺纹紧固件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种新型复合螺纹紧固件及其制作方法。

背景技术

复合材料的螺钉因其质量轻、比强度高、无磁、抗腐蚀性能优异、装配适应性能强，非常适合航空航天等领域中复合材料结构非承力部位的连接和需要无磁、抗腐蚀性要求高的电子结构中部件的连接，得到了科技强国竞相发展和应用。复合材料螺钉不同于常规的注塑螺钉，克服了普通注塑螺钉精度低、机械性能差等缺点，但因复合螺纹紧固件加工复杂，成形精度不易保证，限制了复合紧固件的应用。

为满足各工作领域对高强度复合螺纹紧固件的需求，提升复合螺纹紧固件的机械性能，需要通过多种方式对螺钉的各个部位进行增强增韧。如今多种增强复合螺纹紧固件强度的方法。如通过长纤压制成型，再通过机加工加工出螺纹，削弱螺纹轴向的抗拉强度；如通过单一长纤压制成型出螺钉及其螺纹，但该螺钉的抗扭强度较低；如通过长纤压制为芯部，短纤位于芯部外侧通过压制或机加工成型出螺纹，该螺钉抗拉强度和抗扭强度降低；如通过长纤压制为芯部，螺钉外部通过长纤缠绕压制成型，螺纹和芯部之间结合力较低，容易出现错层，抗拉强度较弱，螺钉内部力的传递效果较差。还有采用毛坯件表面浸渍、固化和交联的方式，形成改性涂层，以增加强度，但是该专利只选用长纤维作为复合材料基体的填料，而由于复合材料基体和改性涂层之间热膨胀系数不匹配，制备的改性涂层与复合材料基体的结合性较差，在急冷急热过程中容易脱落，无法实现增强螺纹部分强度的作用，会导致螺纹部分在挤压拉伸过程中受损。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种结合力高的复合螺纹紧固件。

本发明的第二目的是提供一种结合力高的复合螺纹紧固件的制作方法。

为实现本发明的第一目的，本发明提供一种复合螺纹紧固件，其包括头部和杆部，杆部包含芯部和螺纹部，螺纹部包含沿复合螺纹紧固件轴向延伸和沿该复合螺纹紧固件径向起伏的第一纵向长纤及沿复合螺纹紧固件周向缠绕在第一纵向长纤外侧的周向长纤。径向起伏的第一纵向长纤对周向长纤形成轴向承载面，周向长纤沿其轴向具有较大的抗拉强度，即便周向长纤受到较大的轴向剪切力，也难以改变周向长纤的半径，从而防止滑丝，第一纵向长纤有利于提高螺纹纵向的抗拉强度。此外，拧紧螺纹紧固件时，螺纹受到较大切向力，沿螺纹周向缠绕的周向长纤沿其轴向正好具备较大的抗拉强度，有利于提高复合螺纹紧固件的螺纹的抗扭强度。

进一步方案为，周向长纤沿复合螺纹紧固件周向连续地缠绕于头部头部和杆部外侧。有利于提高头部头部和杆部的结合力，提高头部头部和杆部之间扭矩传递。

进一步方案为，周向长纤包含第一周向长纤和第二周向长纤；第一周向长纤位于第二周向长纤外侧；沿复合螺纹紧固件的螺纹方向缠绕至少一层第一周向长纤；沿复合螺纹紧固件的螺纹方向相反方向缠绕至少一层第二周向长纤。有利于进一步地提高复合螺纹紧固件螺纹的抗扭强度。

进一步方案为，复合螺纹紧固件内设置有环状加强部；第一纵向长纤缠绕在环状加强部上，且其两端部分别沿复合螺纹紧固件轴向延伸。有利于进一步提高头部和杆部的结合力，提高头部和杆部之间拉力传递。

进一步方案为，沿复合螺纹紧固件径向，芯部由内至外地包括第二纵向长纤和第三周向长纤；沿复合螺纹紧固件轴向，第三周向长纤面向第一纵向长纤方向设置第一凸起部，第三周向长纤面向第二纵向长纤设置第二凸起部。芯部纵向和周向的长纤有利于提高复合螺纹紧固件内部的抗拉强度和抗扭强度，提高复合螺纹紧固件的韧性。凸起部的设置有利于提高螺钉内部的结合力，增强复合螺纹紧固件各组成部分之间力的传递效果。

进一步方案为，芯部的靠近头部的一端设置有凸台，凸台的直径大于芯部的直径。有利于进一步增强复合螺纹紧固件芯部和螺纹之间纵向拉力的传递。

进一步方案为，周向长纤和纵向长纤之间的基体材料填充有纤维状填料，至少部分纤维状填料穿过长纤之间的间隙而连接长纤内外侧的基体材料；第一周向长纤外侧设置填充有粒状填料的基体材料。纤维状填料有利于提高复合螺纹紧固件内部材料之间的结合力，提高复合螺纹紧固件的抗拉能力，提高复合螺纹紧固件的结构强度。粒状填料有利于增强复合螺纹紧固件的螺纹和头部外侧的硬度和耐磨度。

进一步方案为，杆部杆部远离头部的一端设置有用于防松的第一磁源；头部靠近杆部的一侧设置有用于防松的第二磁源；第一磁源和第二磁源皆用于与螺纹孔配合。有利于提高复合螺纹紧固件安装配合的防脱能力。

一种复合螺纹紧固件杆部，所述杆部包含芯部和螺纹部；所述螺纹部包含沿所述复合螺纹紧固件轴向延伸和沿该复合螺纹紧固件径向起伏的第一纵向长纤及沿所述复合螺纹紧固件周向缠绕在所述第一纵向长纤外侧的周向长纤。周向长纤有利于提高复合螺纹紧固件的螺纹的抗扭强度，第一纵向长纤有利于提高螺纹纵向的抗拉强度。

为实现本发明的第二目的，根据上述任一复合螺纹紧固件，一种复合螺纹紧固件的制作方法，

S1. 预成型沿复合螺纹紧固件轴向延伸和沿其周向起伏的第一纵向长纤；

S2. 第一纵向长纤外侧缠绕第一周向长纤；

S3. 通过热压成型为包含第一纵向长纤和周向长纤的螺纹部。

周向长纤有利于提高复合螺纹紧固件的螺纹的抗扭强度，第一纵向长纤有利于提高螺纹纵向的抗拉强度。

附图说明

图1是复合螺纹紧固件具体实施例的示意图；

图2是复合螺纹头部的示意图；

图3是复合螺纹紧固件与工件配合安装的示意图；

图4是复合螺纹紧固件与螺纹孔配合安装的示意图。

具体实施例

复合螺纹紧固件具体实施例

如图1所示，复合螺纹紧固件100包括头部101和杆部102。杆部102包含螺纹部103和芯部104。

螺纹部103包含第一周向长纤105、第二周向长纤106和第一纵向长纤107。第一周向长纤105和第二周向长纤106分别沿复合螺纹紧固件100周向连续地缠绕在头部101和杆部102外侧。第一周向长纤105设置于第二周向长纤106外侧，沿复合螺纹紧固件100的螺纹方向缠绕至少一层第一周向长纤105，沿复合螺纹紧固件100的螺纹方向相反方向缠绕至少一层第二周向长纤106。位于第二轴线长纤106内侧设置有沿复合螺纹紧固件100轴向延伸和沿该复合螺纹紧固件100径向起伏的第一纵向长纤107。复合螺纹紧固件进行安装配合，该螺钉旋转时，沿该复合螺纹紧固件周向产生较大的周向切向力，并使该复合螺纹紧固件的螺纹承受较大的张紧力。将长纤沿复合螺纹紧固件的周向缠绕该复合螺纹紧固件上，通过利用纤维材料沿其轴向具有较高的抗拉强度的特性，提高复合螺纹紧固件的承受周向剪切力的能力，从而提高复合螺纹紧固件外侧的抗扭强度。

沿复合螺纹紧固件100轴向延伸和沿该复合螺纹紧固件100径向起伏的第一纵向长纤107为螺纹提供有轴向承载面，周向长纤沿其轴向具有较大的抗拉强度，即便周向长纤受到较大的轴向剪切力，也难以改变周向长纤的半径，从而防止滑丝，同时还提高螺纹部103内部的结合力，从而提高螺纹部103沿复合螺纹紧固件100的轴向的抗拉强度。径向起伏的第一纵向长纤107为周向长纤提供的承载面有利于防止第一周向长纤105和第二周向长纤106周向缠绕的直径增大，进一步有利于防止螺纹部103承受轴向压力时出现轴向滑动，保护复合螺纹紧固件，延长复合螺纹紧固件的使用寿命。

优选的，第一纵向长纤107的沿复合螺纹紧固件100径向的起伏沿该复合螺纹紧固件的螺纹配合设置。

优选的，头部101内设置有环状加强部108。第一纵向长纤107纤缠绕在环状加强部108上，且其两端部分别沿复合螺纹紧固件100轴向延伸。

优选的，缠绕第一纵向长纤107之前，沿环状加强部108周向至少一层长纤109，有利于进一步增强头部101的抗扭强度。

可选的，环形加强部108的轴向截面可以为圆形、三角形、六角形等，该方案环状加强部108优选为正方形。

优选的，该环状加强部108由钛合金制成。钛合金表面需经脉冲阳极化处理后，可以有效降低甚至消除钛合金与碳纤维环氧复合材料之间的电偶腐蚀。

芯部104包含第二纵向长纤110和第三周向长纤111。沿复合螺纹紧固件100径向，第二纵向长纤110和第三周向长纤111由内至外设置，第三周向长纤111沿芯部104周向缠绕在第二纵向长纤110外侧。沿复合螺纹紧固件100轴向，第三周向长纤111面向第一纵向长纤107的方向设置凸起部112，第三周向长纤111面向所述第二纵向长纤110的方向设置凸起部113。有利于增强第三周向长纤111和第一纵向长纤107之间的结合力，从而增强沿复合螺纹紧固件100轴向方向上的力的传递效果；有利于增强第三周向长纤111和第二纵向长纤110之间的结合力，从而增强沿复合螺纹紧固件100轴向方向上的力的传递效果。

优选的，芯部104靠近头部的101的一端设置有凸台114，凸台114的直径大于芯部104的直径。有利于第一纵向长纤107通过芯部的凸台114固定在环状加强部108上，有利于进一步增强复合螺纹紧固件芯部和螺纹之间纵向拉力的传递。

头部101与杆部102的交汇处呈拐角1021，沿复合紧固件径向具有预定直径。第一周向长纤105的拐角的直径、第二周向长纤106的拐角的直径、第一纵向长纤107拐角的直径和芯部104的拐角的直径自外而内逐步减小。有利于每层材料之间的力的传递。

优选的，该方案中的各长纤可以为碳纤维、石英纤维、玄武岩纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、芳纶纤维、置于碳纳米管的碳炔等高强度的纤维状材料。

复合螺纹紧固件100的各长纤之间的基体材料内填充有纤维状填料，纤维状填料包括短切纤维和晶须，至少部分纤维状填料穿过所述长纤之间的间隙而连接所述长纤两侧的基体材料。优选的，基体材料中的纤维状填料包含至少两种不同长度的同种或不同种的填料，各填料的长度有明显差异，有利于形成空间交织的网状结构，增强各长纤之间的结合力，提高复合螺纹紧固件的结构强度，防止基体材料在较大冲击下脱落。

第一周向长纤105外侧设置的基体材料填充有粒状填料。优选的，基体材料中的粒状填料包含至少两种平均粒径不同的同种或不同种填料，至少一种填料的平均粒径远小于其他填料的平均粒径。有利于利用小粒径填料填充空隙，提高填料填充量，提高粒状填料的比表面积，提高复合螺纹紧固件的螺纹的强度。

优选的，纤维状填料可以为具有预定长度的碳纤维、石英纤维、玄武岩纤维、硼纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、芳纶纤维、置于碳纳米管的碳炔、碳化硅晶须、钛酸钾晶须、碳酸钙晶须、氧化锌晶须及硫酸钙晶等高强度材料；粒状填料可以为石墨烯、石墨、炭黑、碳化硅、氮化硅、立方氮化硼、六方氮化硼、氧化锆、碳化钛、碳化钨和氧化铝等填料。

可选的，复合螺纹紧固件可通过注塑工艺成型。基体材料优选为聚苯并咪唑树脂、聚酰亚胺、聚醚醚酮树脂、酚醛树脂、有机硅树脂或环氧树脂等最少一种树脂。

优选的，如图2所示，头部101设置有用于安装的槽或孔。沿复合螺纹紧固件径向方向，槽孔靠近轴线的一侧自外而内依次设置有第一带孔布1081、长纤1082和第二带孔布1083。长纤1082与第一带孔布1081之间的基体材料1084填充有至少两种平均长度不同的同种或不同种纤维状填料，至少部分纤维状填料穿过第一带孔布1081而连接第一带孔布1081两侧的基体材料。长纤1082与第二带孔布1083之间的基体材料1085填充有至少两种平均长度不同的同种或不同种纤维状填料，至少部分纤维状填料穿过第二带孔布1083而连接第二带孔布1083两侧的基体材料。至少部分纤维状填料穿过长纤1082之间的间隙而连接长纤布两侧的基体材料。第二带孔布1083外侧的基体材料1086填充有至少两种平均粒径不同的同种或不同种的粒状填料。有利于提高头部101的槽孔的耐磨强度及其内部的抗拉能力，防止槽孔因受力而造成损坏。

可选的，带孔布的孔可通过编织预置、针刺成型或布料受到基体材料挤压成型。带孔布可以是碳纤维布、石英纤维布、玄武岩纤维布、硼纤维布、聚对苯撑苯并二噁唑纤维布，还可以是芳纶纤维布。

复合螺纹紧固件不限于是具有头部和杆部的螺钉、螺栓等，还可以是只具有杆部的螺纹紧固件，如螺杆、几米螺钉等螺纹紧固件。

如图1、图3所示，复合螺纹紧固件100内，杆部102远离头部101的一端设置有用于防松的第一磁源115；头部101靠近杆部的一侧设置有用于防松的第二磁源116。复合螺纹紧固件100安装配合时，工件200的孔201靠近头部101的一端设置有第三磁源202，工件300的螺纹孔301底部设置有第四磁源302。第一磁源115和第四磁源302通过吸引力配合，第二磁源116和第四磁源302不接触且两者之间存在预定距离；第二磁源116和第三磁源202通过吸引力配合。有利于通过磁源与磁源之间的吸引力固定复合螺纹紧固件与工件之间的配合，提高螺钉的防脱能力，较大地降低因震动而造成的螺钉松动的现象。磁源设置在复合螺纹紧固件内部，有利于防止螺钉因受冲击而造成的损坏。

优选的，第二磁源116被包裹在第一纵向长纤107之内。

进一步具体方案为，如图4所示，复合螺纹紧固件400与工件500配合安装。复合螺纹紧固件400的螺纹部401上的周向长纤403外部被导磁材料402包覆。工件500沿螺纹孔501的螺纹方向设置有永磁材料502。永磁材料502通过充磁具有一定的磁性，当复合螺纹紧固件400与工件500配合安装时，导磁材料402与永磁材料502靠近，导磁材料402被永磁材料502磁化，从而使两者之间产生吸引力。通过该吸引力，有利于防止复合螺纹紧固件400与工件500配合时因震动而出现配合松动的现象。

可选的，导磁材料402可以是镍、铁等导磁材料，通过电镀的工艺覆盖于周向长纤403上；还可以是将导电聚合物和无机磁性材料混合并包覆在周向长纤403外部，例如聚苯胺/磁流体、聚苯胺/铁粉等混合物。

优选的，永磁材料502作为填充材料填充在工件500的基体材料中。永磁材料可以是铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料等永磁材料

复合螺纹紧固件制作方法的具体实施例

如图1所示，复合螺纹紧固件制作方法如下：

S1. 预成型沿复合螺纹紧固件100轴向延伸和沿其周向起伏的第一纵向长纤107；

S2. 第一纵向长纤107外侧缠绕周向长纤，周向长纤包括第一周向长纤105和第二周向长纤106；

S3. 通过热压成型为包含第一纵向长纤107和周向长纤的螺纹部103。

优选的，在进行步骤S1之前，先预制复合螺纹紧固件100的的芯部104。芯部104的内部由沿轴向设置的预定数量的第二纵向长纤110堆叠而成，芯部104外部沿螺钉周向缠绕至少一层第三周向长纤，再通过热压成型一端具有凸台114、以及沿径向面向第一纵向长纤107具有凸起部112的芯部104。预成型第一纵向长纤107之前，第一纵向长纤107缠绕至少一圈于环状加强部108上，第一纵向长纤107的两端部沿复合螺纹紧固件100轴线延伸。芯部104置于环状加强部108内侧，用于固定环状加强部108上内侧的第一纵向长纤107。

优选的，在第一纵向长纤107在环状加强部108上缠绕之前，沿该环状加强部108缠绕至少一层周向长纤109。利用沿复合螺纹紧固件100轴线延伸的第一纵向长纤107包裹芯部104之前，先在环状加强部108靠近杆部102的一端安装第二磁源116。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种复合螺纹紧固件，包括头部和杆部；

所述杆部包含芯部和螺纹部；

其特征在于：

所述螺纹部包含沿所述复合螺纹紧固件轴向延伸和沿该复合螺纹紧固件径向起伏的第一纵向长纤及沿所述复合螺纹紧固件周向缠绕在所述第一纵向长纤外侧的周向长纤。

2.根据权利要求1所述复合螺纹紧固件，其特征在于：

所述周向长纤沿所述复合螺纹紧固件周向连续地缠绕于所述头部和所述杆部外侧。

3.根据权利要求2所述复合螺纹紧固件，其特征在于：

所述周向长纤包含第一周向长纤和第二周向长纤；

所述第一周向长纤位于所述第二周向长纤外侧；

沿所述复合螺纹紧固件的螺纹方向缠绕至少一层所述第一周向长纤；

沿所述复合螺纹紧固件的螺纹方向的相反方向缠绕至少一层所述第二周向长纤。

4.根据权利要求1所述复合螺纹紧固件，其特征在于：

所述复合螺纹紧固件内设置有环状加强部；

所述第一纵向长纤缠绕在所述环状加强部上，且其两端部分别沿所述复合螺纹紧固件轴向延伸。

5.根据权利要求1所述复合螺纹紧固件，其特征在于：

沿所述复合螺纹紧固件径向，所述芯部由内至外地包括第二纵向长纤和第三周向长纤；

沿所述复合螺纹紧固件轴向，所述第三周向长纤面向所述第一纵向长纤方向设置第一凸起部，所述第三周向长纤面向所述第二纵向长纤的方向设置第二凸起部。

6.根据权利要求5所述复合螺纹紧固件，其特征在于：

所述芯部的靠近所述头部的一端设置有凸台，所述凸台直径大于所述芯部的直径。

7.根据权利要求1所述复合复合螺纹紧固件，其特征在于：

所述周向长纤和所述纵向之间的基体材料填充有纤维状填料，至少部分纤维状填料穿过所述长纤之间的间隙而连接所述长纤内外侧的基体材料；

所述第一周向长纤外侧设置填充有粒状填料的基体材料。

8.根据权利要求1所述复合螺纹紧固件，其特征在于：

所述杆部远离所述头部的一端设置有用于防松的第一磁源；

所述头部靠近所述杆部的一侧设置有用于防松的第二磁源；

所述第一磁源和所述第二磁源皆用于与螺纹孔配合。

9.一种复合螺纹紧固件包括杆部，所述杆部包含芯部和螺纹部；

其特征在于：

所述螺纹部包含沿所述复合螺纹紧固件轴向延伸和沿该复合螺纹紧固件径向起伏的第一纵向长纤及沿所述复合螺纹紧固件周向缠绕在所述第一纵向长纤外侧的周向长纤。

10.根据权利要求1至9任一所述复合螺纹紧固件，一种复合螺纹紧固件的制作方法，其特征在于：

S1. 预成型沿所述复合螺纹紧固件轴向延伸和沿其周向起伏的所述第一纵向长纤；

S2. 所述第一纵向长纤外侧缠绕所述周向长纤；

S3. 通过热压成型为包含所述第一纵向长纤和所述周向长纤的螺纹部。