CN109849365A - 螺旋桨叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋桨叶片的制造方法，包括：采用数控加工方法制备螺旋桨叶片的夹芯；采用浸有树脂的纤维布包裹夹芯；抽真空加压使所述树脂固化；加热固化得到螺旋桨叶片。本发明的制造方法工艺简单、成本低，得到的产品质量高。

Description

螺旋桨叶片的制造方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，具体地，本发明涉及一种螺旋桨叶片的制造方法。

背景技术

在螺旋桨制造业，用于制造螺旋桨叶片的夹芯材料通常是聚氨酯发泡剂。聚氨酯硬质泡沫是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过化学反应膨胀固化后形成的高分子聚合物。

螺旋桨叶片的传统制造方法通常是：先将聚氨酯发泡剂填充入闭合的模具内，通过化学反应，聚氨酯泡沫膨胀，充满模具内型腔，产生与螺旋桨外形相同的异形填充夹芯；将碳纤维布及树脂铺设完成后，将聚氨酯泡沫夹芯包裹入其中，关闭模具，通过对模具加热，聚氨酯夹芯材料膨胀，由内向外产生压力，把多层复合材料压实，达到排气、排胶的可靠结合目的，形成螺旋桨。

这种方法的缺点是：聚氨酯泡沫强度低，基本上对结构强度无任何作用，只起到填充的作用，对于要求强度较高的产品，无法满足要求；聚氨酯泡沫发泡密度难以控制，重量误差较大，发泡均匀性较差，对产品质量影响很大，另外聚氨酯会吸收树脂；对于需要高温成型的工艺环节，聚氨酯耐温性差，在温度超过80℃时，发生软化变形，无法满足要求；传统模压工艺，无真空加压过程，多余的树脂会留在产品内，产品重量较重。

针对螺旋桨叶片的传统制造方法所存在的诸多缺点，目前急需一种重量轻、产品质量高的螺旋桨叶片的制造方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的缺点，提供了一种螺旋桨叶片的制造方法。

具体地，本发明的技术方案如下：

一种螺旋桨叶片的制造方法，包括：

采用数控加工方法制备螺旋桨叶片的夹芯；

采用浸有树脂的纤维布包裹所述夹芯；

抽真空加压使所述树脂固化；

加热固化得到所述螺旋桨叶片。

进一步，所述夹芯采用的材料是聚甲基丙烯酰亚胺。

进一步，执行所述数控加工方法的数控加工中心的程序设置为：采用R4双刃平面端铣刀，刃长95mm，主轴转速6000-10000r/min，切削速度4000-6000mm/min，加工余量5mm-20mm，进行粗加工，调整程序使主轴转速6000-10000r/min，切削速度4000-6000mm/min，进行精加工。

进一步，所述树脂是环氧树脂和固化剂按照重量比是100:(32～38)(优选100:35)进行混合得到的混合物。

进一步，所述纤维布是碳纤维布；优选地，所述碳纤维布是斜纹碳纤维布和/或单向碳纤维布。

进一步，所述采用浸有树脂的纤维布包裹所述夹芯的步骤包括：

在模具中设置一层或多层浸有树脂的纤维布；

在所述一层或多层浸有树脂的纤维布上设置所述夹芯；

在所述夹芯上再次设置一层或多层浸有树脂的纤维布；

合模。

进一步，所述抽真空加压使所述树脂固化的步骤包括：在模具的外表面设置真空膜，通过抽真空加压并加热使所述树脂固化。

进一步，所述加热是45℃～50℃保持1～3小时。

进一步，所述加热固化得到所述螺旋桨叶片的步骤包括在50℃～60℃固化2～6小时。

相比于现有技术，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：

(1)采用的PMI泡沫材料抗压抗拉强度高，与碳纤维复合材料粘接力较好，提高了螺旋桨产品的强度和寿命。

(2)由于采用PMI泡沫材料材质耐高温，高温下不会软化变形，提高螺旋桨产品的成品率，解决产品表面生产缺陷。

(3)PMI泡沫材料为均匀材质，密度均匀，相同产品可保证更好的重量误差，减少后续工序。

(4)PMI泡沫材料夹芯为数控加工成型，可根据螺旋桨铺层厚度精确的生产出内部夹芯材料的尺寸，可根据需要调整夹芯材料尺寸，来提高产品质量及生产效率

(5)在模压模具外采用真空袋包裹，抽真空，排出模具内气泡及多余的树脂，减少螺旋桨重量，利于螺旋桨产品质量及轻量化。

(6)采用加热后固化工艺，减少产品对模具的占用，缩短生产周期，适合批量生产，节约成本。

附图说明

图1是本发明一种优选实施方案的在模具中采用浸有树脂的纤维布包裹夹芯的示意图。

图2是本发明的制造方法所制造的螺旋桨叶片的示意图。

图3是将两片采用本发明的制造方法所制造的螺旋桨叶片组装在一起的示意图。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。除非另有说明，否则本发明中涉及的技术术语均具有本领域技术人员通常理解的含义。

针对螺旋桨叶片制造过程中存在的过程不易控制且成品重量过大的问题，本发明的发明人对原料和工艺都进行了改进，采用聚甲基丙烯酰亚胺代替聚氨酯并采用数控加工方法制造螺旋桨叶片的夹芯，从而提出了一种螺旋桨叶片的制造方法。该方法包括：采用数控加工方法制备螺旋桨叶片的夹芯；采用浸有树脂的纤维布包裹夹芯；抽真空加压使树脂固化；加热固化得到螺旋桨叶片。本发明的制造方法适用范围广，例如，尺寸为300nm至3000nm的螺旋桨叶片均可采用本发明的制造方法来生产。并且，应当说明的是，在本发明的制造方法的基础上，根据已知的技术对本发明稍作修改之后得到的适于制造其它尺寸螺旋桨的各种方法变型也应当在本发明的保护范围之内。

在一种优选的实施方案中，本发明的螺旋桨叶片的制造方法包括：

S101：采用数控加工方法制备螺旋桨叶片的夹芯。

所谓“数控加工”，是指根据数字图纸要求，由控制系统发出指令使刀具作符合要求的各种运动，以数字和字母形式表示工件的形状和尺寸等技术要求和加工工艺要求进行的加工。它泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。

优选地，在本发明中，数控加工方法是由数控加工中心来执行。根据数控加工设备的具体行程，由于行程越大设备加工费用越高，因此优选X,Y,Z轴行程分别1000mm，1000mm，300mm的数控加工中心。另外，刀具刀刃的加长可以增加切削面积，节约加工工时，但同时刀具过长会对刀具的强度和变形量有更高的要求，同时刀具费用会明显增加，根据以上决定因素，最终加工刀具刀刃优选：采用R4双刃平面端铣刀，刃长95mm。综合考虑前述两种参数，在本发明中，数控设备所能加工的最优毛坯尺寸厚度为：80mm～100mm。

优选地，螺旋桨叶片的夹芯是泡沫夹芯，其制备材料是聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)。聚甲基丙烯酰亚胺是一种轻质高强耐热泡沫，其作为夹层结构复合材料的芯材，可与纤维、树脂、预浸料等固化，通过热压罐、真空袋、模压、(高压)树脂传递模塑等工艺加工成复合材料产品。聚甲基丙烯酰亚胺的轻质特性能够使制成的螺旋桨叶片质量较轻，聚甲基丙烯酰亚胺的高强耐热特性能够保证螺旋桨叶片在制造过程中不发生变形。本发明的制造方法采用的聚甲基丙烯酰亚胺可通过市场购买获得。

具体地，步骤S101包括：

S1011：根据螺旋桨叶片的夹芯的三维外形尺寸设置数控加工程序，具体是：将三维外形尺寸图导入CAM软件当中，生成CNC数控加工程序，其中CAM(computer AidedManufacturing，计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。常用的CAM软件有：UG NX、Pro/NC、CATIA、MasterCAM、HyperMILL、Powermill等。在软件中生成数控加工中心可识别的CNC代码程序。

S1012：将聚甲基丙烯酰亚胺毛坯料送入数控加工中心，按照设置的程序进行加工。可选地，由于聚甲基丙烯酰亚胺毛坯料的材质较软，无法采用常用的固定夹具装夹，所以，将其调整位置后可以采用热熔胶将其固定牢固。具体地，执行所述数控加工方法的数控加工中心的程序设置为：采用R4双刃平面端铣刀，刃长95mm，主轴转速6000-10000r/min，切削速度4000-6000mm/min，加工余量5mm-20mm，进行粗加工，调整程序使主轴转速6000-10000r/min，切削速度4000-6000mm/min，进行精加工。

S102：采用浸有树脂的纤维布包裹夹芯。

优选地，纤维布是碳纤维布；优选地，碳纤维布是斜纹碳纤维布和/或单向碳纤维布。本发明的制造方法采用的纤维布可通过市场购买获得。

优选地，纤维布在使用之前已经根据螺旋桨叶片的尺寸进行了裁剪。

优选地，树脂是环氧树脂和固化剂按照重量比是100:(32～38)(优选100:35)进行混合得到的混合物。本发明的制造方法采用的环氧树脂和固化剂可通过市场购买获得。

具体的，步骤S102包括：

S1021：称取环氧树脂和固化剂，将二者按上述比例混合并搅拌，使环氧树脂与固化剂混合均匀，抽出气泡，备用。

S1022：根据螺旋桨叶片的尺寸裁剪纤维布，随后用步骤S1021配制的树脂将其浸润。

S1023：用裁切好并浸有树脂的纤维布包裹夹芯。

优选地，步骤S1023在模具中进行，如图1所示，步骤S1023进一步包括：

S10231：模具准备，清理模具上壳1和下壳3的内表面，在内表面涂覆脱模剂。

S10232：将裁切好并浸有树脂的纤维布(图1中未示出)均匀铺设在模具下壳3表面。纤维布可以铺设一层，也可以铺设多层。一种优选的铺设方式是：按照距离夹芯2的远近，由外向内依次铺设2层斜纹碳纤维布和4层单向碳纤维布。斜纹碳纤维布较软，可以更好的随螺旋桨夹芯的外形变化，有利于和夹芯表面的完全结合，增加纤维布和泡沫夹芯层的剥离性能；单向碳纤维布质地较硬，不利于随螺旋桨形状变化，所以靠近外侧，增加螺旋桨径向的强度。

S10233：将加工好的夹芯2放在步骤S10232铺设好的纤维布铺层表面。

S10234：将步骤S10232铺设好的铺层均匀覆盖在泡沫夹芯表面，从而使夹芯2包裹完整。

S10235：将模具上壳1与下壳3合模。

S103：抽真空加压使树脂固化。

具体地，在合模后的模具外表面铺设真空膜(也即真空袋)，并用抽真空加压并真空保压，通过抽真空将多余的树脂和气泡去除；并且在模具控温平台上加热到45℃到50℃，固化1～3小时，使树脂固化成型；固化后将真空袋拆除，将叶片从模具中取出。

S104：将叶片放入烘箱，加热到50℃到60℃，后固化2～6小时，使树脂重复固化，增加强度，取出后静置冷却。

树脂材料在低温下基本固化后，分子间反应基本停止，此时将螺旋桨叶片加热并保持恒温一段时间，分子反应还会继续，密度不断增加，这一进程称作后固化。

由于树脂的固化为化学反应，受固化温度和固化时间影响很大，温度增高，反应速度加快，凝胶时间变短；凝胶时间的对数值随固化温度上升大体呈直线下降趋势，但固化温度过高，固化速度过快，会使固化物的物理性能下降，所以存在固化温度的上限；必须对固化温度和固化速度进行优化改进。另外一方面，理想的工艺状态为，产品在模具内长时间5～6小时充分固化，再冷却到室温(15℃～25℃)，但是，考虑在模具内固化时间和冷却占用模具，影响生产效率，所以发明人对工艺进行改进，在模具内固化1～3小时，使树脂部分固化，外表面形状已形成刚度，不影响外表面形状的情况下，在模具外后固化，使得树脂固化时间加长，固化充分，消除内应力，使得物理性能得到提高，同时，模具得到重复利用，单位时间内生产的产品数量增加，提高生产效率，节约模具占用时间，节省生产成本。

由于热固化时热量由复合材料外部向内部传递，因此复合材料内部存在温度梯度，造成沿厚度方向上的固化度不同，使树脂固化很难均匀和完全，易产生较大内应力，并且充分固化速度慢、周期长。因此，虽然上述的树脂重复固化可改为充分固化，达到理论强度，但实际上，树脂的固化并不是均匀且充分的，因此，采用重复固化(即，固化和后固化)能够更好的发挥材料的性能。

本发明的制造方法可以制造多种形状的螺旋桨叶片，例如，图2示出了一种可选的形状。在实际使用时，将两片螺旋桨叶片组装在一起使用，如图3所示。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

下述各实施例采用的原料的来源如下：

实施例1

本实施例制造的螺旋桨叶片的尺寸是：旋转直径(即，螺旋桨旋转时，其叶梢轨迹圆的直径)1.5米，长705毫米，宽147毫米，厚度91毫米。

本实施例的制造方法是：

(1)根据螺旋桨三维外形尺寸，通过计算铺层厚度，得出螺旋桨内夹芯泡沫三维图纸，定制数控加工程序，定制合适尺寸的PMI泡沫毛坯料，材料型号RP-D60，密度60kg/立方。将PMI毛坯料放入三轴数控加工中心，由于泡沫材质较软，无法采用常用的固定夹具装夹，所以，调整位置后用热熔胶将材料固定牢固。由于毛坯材料厚度尺寸较大，且泡沫材料较软，采用定制R4双刃平面端铣刀，刃长95mm，主轴转速6000r/min，切削速度：4000mm/min,加工余量20mm，进行粗加工，完成后，调整程序，主轴转速6000r/min,切削速度：4000mm/min执行精加工，形成与螺旋桨内夹芯尺寸匹配的三维曲面，完成后处理表面粉末及毛刺，将加工好的工件拆下。

(2)调配环氧树脂，用电子秤称取船用环氧树脂HJ815 200g，船用环氧树脂固化剂HG815 70g,重量比例为：100:35，用自动调胶机将树脂与固化剂混合均匀，并放入真空灌中抽出气泡，备用。准备模具，清理模具表面，表面涂覆脱模剂，并放在加热平台上。根据螺旋桨尺寸，裁剪碳纤维布3K-200斜纹碳纤维布(200g/㎡)，碳纤维布3K-1200M单向碳纤维布(1200g/㎡)，将碳纤维布用混合好的树脂将玻璃纤维布浸润后，均匀铺设在模具下壳表面。铺设顺序由外向内为：2层3K-200斜纹碳纤维布，4层3K-1200M单向碳纤维布。将加工好的泡沫夹芯放在铺设好的铺层表面，并将之前铺设好的铺层均匀的覆盖在泡沫夹芯表面，将泡沫夹芯包裹完整，将模具上壳与下壳合模。

(3)在合模后的模具外表面铺设真空膜，并用真空泵抽真空加压，并用真空压力表检验压力为0.1MPa，真空保压30分钟，并加热到50℃，固化2小时，固化后将真空袋拆除，将螺旋桨从模具上取下。

(4)固化完成后，将螺旋桨叶片放入烘箱，加热到50℃，后固化4小时，使树脂重复固化，增加强度，取出后静置冷却。

实施例2

本实施例制造的螺旋桨叶片的尺寸是：旋转直径5米，长2350毫米，宽211毫米，厚度45毫米。

本实施例的制造方法是：

(1)根据螺旋桨三维外形尺寸，通过计算铺层厚度，得出螺旋桨内夹芯泡沫三维图纸，定制数控加工程序，定制合适尺寸的PMI泡沫毛坯料，材料型号RP-D60，密度60kg/立方。将PMI毛坯料放入三轴数控加工中心，由于泡沫材质较软，无法采用常用的固定夹具装夹，所以，调整位置后用热熔胶将材料固定牢固。由于毛坯材料厚度尺寸较大，且泡沫材料较软，采用定制R4双刃平面端铣刀，刃长95mm，主轴转速6000r/min，切削速度：4000mm/min,加工余量2-5mm，进行粗加工，完成后，调整程序，主轴转速6000r/min,切削速度：4000mm/min执行精加工，形成与螺旋桨内夹芯尺寸匹配的三维曲面，完成后处理表面粉末及毛刺，将加工好的工件拆下。

(2)调配环氧树脂，用电子秤称取船用环氧树脂HJ815 1000g，船用环氧树脂固化剂HG815 320g，重量比例为：100:32，用自动调胶机将树脂与固化剂混合均匀，并放入真空灌中抽出气泡，备用。准备模具，清理模具表面，表面涂覆脱模剂，并放在加热平台上。根据螺旋桨尺寸，裁剪碳纤维布3K-200斜纹碳纤维布(200g/㎡)，碳纤维布3K-1200M单向碳纤维布(1200g/㎡)，将碳纤维布用混合好的树脂将玻璃纤维布浸润后，均匀铺设在模具下壳表面。铺设顺序由外向内为：2层3K-200斜纹碳纤维布，5层3K-1200M单向碳纤维布。将加工好的泡沫夹芯放在铺设好的铺层表面，并将之前铺设好的铺层均匀的覆盖在泡沫夹芯表面，将泡沫夹芯包裹完整，将模具上壳与下壳合模。

(3)在合模后的模具外表面铺设真空膜，并用真空泵抽真空加压，并用真空压力表检验压力为0.1MPa，真空保压30分钟，并加热到45℃，固化2小时，固化后将真空袋拆除，将螺旋桨从模具上取下。

(4)固化完成后，将螺旋桨叶片放入烘箱，加热到60℃，后固化4小时，使树脂重复固化，增加强度，取出后静置冷却。

实施例3

本实施例制造的螺旋桨叶片的尺寸是：旋转直径：720毫米，长720毫米，宽64毫米，厚度25毫米。

本实施例的制造方法是：

(1)根据螺旋桨三维外形尺寸，通过计算铺层厚度，得出螺旋桨内夹芯泡沫三维图纸，定制数控加工程序，定制合适尺寸的PMI泡沫毛坯料，材料型号RP-D60，密度60kg/立方。将PMI毛坯料放入三轴数控加工中心，由于泡沫材质较软，无法采用常用的固定夹具装夹，所以，调整位置后用热熔胶将材料固定牢固。由于毛坯材料厚度尺寸较大，且泡沫材料较软，采用定制R3双刃平面端铣刀，刃长45mm，主轴转速6000r/min，切削速度：4000mm/min,加工余量1-2mm，进行粗加工，完成后，调整程序，主轴转速6000r/min,切削速度：4000mm/min执行精加工，形成与螺旋桨内夹芯尺寸匹配的三维曲面，完成后处理表面粉末及毛刺，将加工好的工件拆下。

(2)调配环氧树脂，用电子秤称取船用环氧树脂HJ815 50g，船用环氧树脂固化剂HG815 16g，重量比例为：100:32，用自动调胶机将树脂与固化剂混合均匀，并放入真空灌中抽出气泡，备用。准备模具，清理模具表面，表面涂覆脱模剂，并放在加热平台上。根据螺旋桨尺寸，裁剪碳纤维布3K-200斜纹碳纤维布(200g/㎡)，碳纤维布3K-1200M单向碳纤维布(1200g/㎡)，将碳纤维布用混合好的树脂将玻璃纤维布浸润后，均匀铺设在模具下壳表面。铺设顺序由外向内为：1层3K-200斜纹碳纤维布，1层3K-1200M单向碳纤维布。将加工好的泡沫夹芯放在铺设好的铺层表面，并将之前铺设好的铺层均匀的覆盖在泡沫夹芯表面，将泡沫夹芯包裹完整，将模具上壳与下壳合模。

(3)在合模后的模具外表面铺设真空膜，并用真空泵抽真空加压，并用真空压力表检验压力为0.1MPa，真空保压30分钟，并加热到45℃，固化2小时，固化后将真空袋拆除，将螺旋桨从模具上取下。

(4)固化完成后，将螺旋桨叶片放入烘箱，加热到60℃，后固化4小时，使树脂重复固化，增加强度，取出后静置冷却。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种螺旋桨叶片的制造方法，其特征在于，包括：

采用数控加工方法制备螺旋桨叶片的夹芯；

采用浸有树脂的纤维布包裹所述夹芯；

抽真空加压使所述树脂固化；

加热固化得到所述螺旋桨叶片。

2.根据权利要求1所述的螺旋桨叶片的制造方法，其特征在于，所述夹芯采用的材料是聚甲基丙烯酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的螺旋桨叶片的制造方法，其特征在于，执行所述数控加工方法的数控加工中心的程序设置为：采用R4双刃平面端铣刀，刃长95mm，主轴转速6000-10000r/min，切削速度4000-6000mm/min，加工余量5mm-20mm，进行粗加工，调整程序使主轴转速6000-10000r/min，切削速度4000-6000mm/min，进行精加工。

4.根据权利要求1所述的螺旋桨叶片的制造方法，其特征在于，所述树脂是环氧树脂和固化剂按照重量比是100:(32～38)(优选100:35)进行混合得到的混合物。

5.根据权利要求1所述的螺旋桨叶片的制造方法，其特征在于，所述纤维布是碳纤维布；优选地，所述碳纤维布是斜纹碳纤维布和/或单向碳纤维布。

6.根据权利要求1所述的螺旋桨叶片的制造方法，其特征在于，所述采用浸有树脂的纤维布包裹所述夹芯的步骤包括：

在模具中设置一层或多层浸有树脂的纤维布；

在所述一层或多层浸有树脂的纤维布上设置所述夹芯；

在所述夹芯上再次设置一层或多层浸有树脂的纤维布；

合模。

7.根据权利要求6所述的螺旋桨叶片的制造方法，其特征在于，所述抽真空加压使所述树脂固化的步骤包括：在模具的外表面设置真空膜，通过抽真空加压并加热使所述树脂固化。

8.根据权利要求7所述的螺旋桨叶片的制造方法，其特征在于，所述加热是45℃～50℃保持1～3小时。

9.根据权利要求1所述的螺旋桨的制造方法，其特征在于，所述加热固化得到所述螺旋桨叶片的步骤包括在50℃～60℃固化2～6小时。