CN112622310A - 一种制备复合材料外螺纹棒的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制备复合材料外螺纹棒的装置和方法，属于螺纹型材的制备领域。本发明提供的装置包括模具、加热装置和旋转装置，所述模具上设有通孔，所述通孔的内表面设置有螺纹，所述加热装置用以加热所述模具，所述旋转装置用于旋转所述模具，所述旋转装置的旋转轴线与所述通孔的轴线重合。本发明通过复合材料外螺纹棒的挤出作用与旋转的模具相配合，将复合材料螺纹棒沿轴向连续挤出成型区域。本发明的装置结构简单，制造成本较低，采用本发明的装置制备复合材料外螺纹棒，省去了额外进行螺纹加工的环节，避免了纤维的损伤。此外，采用本发明的装置制造的外螺纹棒的力学性能好，能明显提高复合材料外螺纹棒的制备效率。

Description

一种制备复合材料外螺纹棒的装置和方法

技术领域

本发明涉及螺纹型材的制备领域，尤其涉及一种制备复合材料外螺纹棒的装置和方法。

背景技术

连续纤维拉挤成型工艺是在牵引设备的牵引下，将连续纤维或其织物进行树脂浸润并通过成型模具加热使树脂固化，来生产复合材料型材的工艺方法。拉挤成型工艺及其产品已经使用多年，其产品主要特点为：高模量、高拉伸强度、抗弯曲、耐腐蚀等。然而，拉挤成型通常只能用于加工光杆，无法进行螺纹棒的加工，存在端头连接困难的缺陷。现有技术中，螺纹棒通常是依靠攻丝的方式制造，这种加工方式容易造成纤维的损伤，降低材料的性能和强度。

因此市场上急需一种制备复合材料外螺纹棒的装置和方法，用于解决攻丝方式存在的纤维易损伤的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备复合材料外螺纹棒的装置和方法，采用本发明的装置制备复合材料外螺纹棒，可一次成型得到外螺纹棒，避免了纤维的损伤。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种制备复合材料外螺纹棒的装置，包括模具、加热装置和旋转装置，所述模具上设有通孔，所述通孔的内表面设置有螺纹，所述加热装置用以加热所述模具，所述旋转装置用于旋转所述模具，所述旋转装置的旋转轴线与所述通孔的轴线重合。

优选的，所述模具包括两个可分离式连接的半模具，所述半模具为所述模具沿所述通孔的轴线切分而成，所述螺纹的牙顶和牙底为圆弧过渡。

本发明提供了一种制备复合材料外螺纹棒的方法，使用上述方案所述的装置，使复合材料通过模具上的通孔，得到复合材料外螺纹棒；所述模具处于连续旋转和加热状态；所述模具旋转方向与螺纹方向相反。

优选的，所述复合材料包括树脂基体和纤维增强材料；所述纤维增强材料为连续玻璃纤维或连续碳纤维。

优选的，使复合材料通过模具上的通孔的步骤包括：将纤维增强材料浸渍树脂基体后，送入所述通孔的入口处，随着模具的连续旋转，复合材料外螺纹棒沿轴向被挤出并离开所述通孔。

优选的，浸渍树脂基体后的纤维增强材料与通孔轴线之间呈65°～89°的夹角。

优选的，所述复合材料还包括稳定材料，所述稳定材料为连续纤维织物或连续长纤维毡。

优选的，使复合材料通过模具上的通孔的步骤包括：将纤维增强材料浸渍树脂基体后送入所述通孔的入口处，同时在所述通孔的入口处衬垫稳定材料，随着模具的连续旋转，复合材料外螺纹棒沿轴向被挤出并离开所述通孔。

优选的，所述稳定材料在使用前浸渍脱模剂。

优选的，所述模具的加热温度为130℃～180℃。

本发明提供了一种制备复合材料外螺纹棒的装置，包括模具、加热装置和旋转装置，所述模具上设有通孔，所述通孔的内表面设置有螺纹，所述加热装置用以加热所述模具，所述旋转装置用于旋转所述模具，所述旋转装置的旋转轴线与所述通孔的轴线重合。本发明的装置结构简单，制造成本较低，采用本发明的装置制备复合材料外螺纹棒，省去了额外进行螺纹加工的环节，避免了纤维的损伤。此外，采用本发明的装置制造的外螺纹棒的力学性能好，也有助于减少外螺纹棒表面螺纹的开裂问题，能明显提高复合材料外螺纹棒的制备效率。

本发明提供了一种制备复合材料外螺纹棒的方法，使用上述装置，使复合材料通过模具上的通孔，得到复合材料外螺纹棒；所述模具处于连续旋转和加热状态；所述模具旋转方向与螺纹方向相反。本发明所述模具上的通孔构成复合材料外螺纹棒的成型区域，所述通孔内表面设置的螺纹的凹槽部分决定了复合材料外螺纹棒的凸起部分，所述通孔内表面设置的螺纹的凸起部分决定了复合材料外螺纹棒的凹槽部分，本发明利用模具的旋转推动复合材料离开成型区域，同时在模具的加热作用下，复合材料会在成型区域内融为一体并发生固化，离开成型区域后，得到复合材料外螺纹棒。采用本发明的制备方法，可在生产复合材料棒材的同时在棒材表面得到外螺纹，省去了额外通过机加工制作外螺纹的环节，避免了纤维的损伤。同时也彻底避免了机加工螺纹时微裂纹的产生，延长了复合材料外螺纹棒的使用寿命。

再有，现有采用攻丝手段制备外螺纹，纤维在螺纹牙上的分布是沿轴向形面分布的，纤维很容易被损伤或勒断。本发明通过模具旋转作用，使得螺纹腔中的纤维沿螺纹方向分布，复合材料螺纹的纤维体积含量更高，可达75％～90％，力学性能更强。

此外，本发明的制备方法较现有的攻丝手段而言，本发明得到的外螺纹贯穿整个棒材，而攻丝手段只能在棒材的两端得到外螺纹，本发明的制备方法能够更好的解决棒材连接困难的问题。

本发明的制备方法还具有工艺简单、生产效率高的优点。

附图说明

图1为本发明的复合材料外螺纹棒的装置模具结构示意图；

图2为本发明的复合材料外螺纹棒的装置侧视剖面图；

图3为本发明的复合材料外螺纹棒的装置主视剖面图；

图中：1-复合材料外螺纹棒；2-模具；3-加热外模；4-浸渍树脂基体后的纤维增强材料；5-稳定材料；6-机架上盖板；7-机架底板；8-连接螺栓。

具体实施方式

如图1～3所示，本发明提供了一种制备复合材料外螺纹棒的装置，包括模具2、加热装置和旋转装置，所述模具2上设有通孔，所述通孔的内表面设置有螺纹，所述加热装置用以加热所述模具2，所述旋转装置用于旋转所述模具2，所述旋转装置的旋转轴线与所述通孔的轴线重合。

在本发明中，所述模具2上设置的通孔构成了复合材料外螺纹棒的成型区域，所述通孔内表面设置的螺纹的凹槽部分决定了复合材料外螺纹棒的凸起部分，所述通孔内表面设置的螺纹的凸起部分决定了复合材料外螺纹棒的凹槽部分。

使用时，启动转动装置与加热装置，旋转装置启动后带动模具2转动，并且在模具2转动过程中，加热装置对其进行加热，然后再向模具2入口喂入复合材料进行加工，复合材料在较高的温度下融为一体，通过复合材料螺纹棒的挤出作用与旋转的模具相配合，将复合材料螺纹棒沿轴向连续挤出成型区域。

为了便于加工以及运输，本发明的模具2优选包括两个可分离式连接的半模具，并且使用一段时间后还可以方便对其清洗。所述半模具优选为模具2沿通孔的轴线切分而成，这样可以保证两部分螺纹相配合。为了使得加工的外螺纹更加平滑，通孔内表面设置的螺纹的牙顶和牙底优选设置为圆弧过渡。

为了方便模具2的旋转，并且保证模具2的均匀受热，本发明实施例的模具2为圆柱体形状。本领域技术人员还可以将半模具设置为其他形状，如立方体状等，只要具有通孔，并且两个半模具可以相互配合以及模具可以连续旋转即可。

在本发明中，所述加热装置的形状、数量及分布方式优选可以根据实际需要进行选择。在本发明的实施例中，加热装置为加热外模3，加热外模3包围在模具2的外侧，实现周向加热，提高加热效果。本领域技术人员也可将多个加热体在模具外侧的圆周方向均匀分布，形成加热装置。

对于加热外模3的形状，本领域技术人员可以根据所加热的模具2进行调整，本发明实施例中的加热外模3具有圆形通孔，这样是与圆柱形外表面的模具2相配合。此外加热外模3还具有方形外表面，这样设置方便其稳定放置。

为了防止在产品成型过程中因上下两个半模具的移动影响产品质量，本实施例还包括支架，支架包括机架上盖板6和机架底板7，加热装置设置于机架上盖板6和机架底板7之间，机架上盖板6与机架底板7用连接螺栓8和螺母固定连接，从而将模具2夹紧于其间。本领域技术人员还可以将支架替换为其它装置，只要可以实现对模具2的夹紧即可。

在本发明的实施例中，圆柱形的模具2的入口处一周有圆角，这样设置方便复合材料的进入，可以有效避免其被划伤。

本发明提供了一种带有内螺纹的复合型材的制备方法，使用上述方案所述的装置，使复合材料通过模具上的通孔，得到复合材料外螺纹棒；所述模具处于连续旋转和加热状态；所述模具旋转方向与螺纹方向相反。

在本发明中，所述复合材料优选包括树脂基体和纤维增强材料；进一步优选还包括稳定材料。

在本发明中，所述纤维增强材料优选为连续玻璃纤维或连续碳纤维。本发明对所述连续玻璃纤维和连续碳纤维的直径没有特殊要求，本领域熟知的连续玻璃纤维和连续碳纤维均可。本发明优选采用连续玻璃纤维束或连续碳纤维束。本发明对所述连续玻璃纤维束和连续碳纤维束的规格没有特殊要求，本领域技术人员可根据需要进行选择。本发明的增强材料能够减轻复合型材的重量，提高复合型材的强度。本发明得到的复合材料外螺纹棒的密度约为1.9～2.4g/cm³，与金属管件相比减重明显。在本发明中，当纤维增强材料的质量占复合材料质量的70％时，得到的复合材料外螺纹棒的拉伸强度为690MPa，远高于碳素钢的抗拉强度235MPa。

在本发明中，所述树脂基体优选为热塑性树脂或热固性树脂；所述热固性树脂优选为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、有机硅树脂或聚氨酯；所述热固性树脂优选为PP、PA、PE、PI、PEI、ABS、PVC、PS、PPS、POM、PC或PEEK。

在本发明中，所述稳定性材料优选为连续纤维织物或连续长纤维毡；所述连续纤维织物优选为连续玻璃纤维织物或连续碳纤维织物。在本发明中，所述稳定性材料优选为带状，所述稳定性材料的带宽优选为5～20mm，带厚优选为0.5～4mm。

复合材料准备完毕后，本发明使用上述方案所述的装置，使复合材料通过模具2上的通孔，得到复合材料外螺纹棒。

在本发明中，所述模具2上的通孔构成复合材料外螺纹棒的成型区域，所述通孔内表面设置的螺纹的凹槽部分决定了复合材料外螺纹棒的凸起部分，所述通孔内表面设置的螺纹的凸起部分决定了复合材料外螺纹棒的凹槽部分，本发明利用模具2的连续旋转，推动复合材料离开成型区域，同时在模具的加热作用下，复合材料会在成型区域内融为一体并发生固化，离开成型区域后，得到复合材料外螺纹棒。

在本发明中，当复合材料包括树脂基体和纤维增强材料时，使复合材料通过模具2上的通孔的步骤优选包括：

将纤维增强材料浸渍树脂基体后，送入所述通孔的入口处，随着模具2的连续旋转，复合材料外螺纹棒沿轴向被挤出并离开所述通孔。

在本发明中，所述复合材料中纤维增强材料的体积含量优选为50～85％，树脂基体的体积含量优选为15～50％。

本发明优选使复合材料过盈通过模具2上的通孔，所述过盈通过即复合材料的截面积大于通孔的截面积。在本发明中，复合材料的截面积优选占通孔截面积的130～350％。

在本发明中，浸渍树脂基体时，优选还包括向所述树脂基体中加入固化剂、引发剂和促进剂。本发明对所述固化剂、引发剂和促进剂的种类没有特殊要求，采用本领域熟知的树脂固化剂、引发剂和促进剂即可。本发明对所述固化剂、引发剂和促进剂的用量没有特殊要求，本领域技术人员可根据经验进行选择与调整。本发明采用固化剂能够加快树脂基体在通孔内的固化；采用引发剂能够引发聚合反应；采用促进剂能够在树脂固化过程中，降低引发剂引发温度，缩短固化时间。

送入所述通孔的入口处时，浸渍树脂基体后的纤维增强材料与通孔轴线之间优选呈65°～89°的夹角，以方便纤维增强材料进入所述通孔并随着螺纹纹路延伸，以发挥纤维的增强作用。

本发明对所述模具2的旋转速度没有特殊要求，本领域技术人员可根据实际情况进行调整，所述模具2的旋转速度决定了复合材料外螺纹棒的输出速度；所述复合材料外螺纹棒的输出速度为：输出速度(r/min)＝n×螺距×模具转速(r/min)，其中n为通孔内表面螺纹的螺旋线条数，螺距为通孔内表面设置的螺纹的螺距。

在本发明中，复合材料通过所述模具2上的通孔时，所述模具2处于加热状态。在本发明中，所述模具2的加热温度优选为130～180℃。本发明对所述模具2进行加热，使复合材料在模具的通孔内融为一体，之后发生固化，使气泡产生的概率减小，减小微裂纹的产生，使复合材料外螺纹棒结构稳定。

本发明的复合材料外螺纹棒无需任何牵引装置，由于模具旋转方向与螺纹方向相反，会推动复合材料连续输出，进而得到了复合材料外螺纹棒。

本发明对所述复合型材的长度没有要求，可根据实际需求进行切割。本发明优选采用移动式轮锯定长切断。

如图2所示，当复合材料还包括稳定材料时，使复合材料通过模具2上的通孔的步骤优选包括：将纤维增强材料浸渍树脂基体后(得到浸渍树脂基体后的纤维增强材料4)送入所述通孔的入口处，同时在所述通孔的入口处衬垫稳定材料5，随着模具2的连续旋转，复合材料外螺纹棒沿轴向被挤出并离开所述通孔。

在本发明中，所述复合材料中稳定材料与纤维增强材料的体积含量之和优选为50～85％，树脂基体的体积含量优选为15～50％；所述稳定材料与纤维增强材料的体积之比优选为(10～25)：(75～90)。

本发明优选使复合材料过盈通过模具2上的通孔，所述过盈通过即复合材料的截面积大于通孔的截面积。在本发明中，复合材料的截面积优选占通孔截面积的130～350％。

在本发明中，浸渍树脂基体时，优选还包括向所述树脂基体中加入固化剂、引发剂和促进剂。本发明对所述固化剂、引发剂和促进剂的种类没有特殊要求，采用本领域熟知的树脂固化剂、引发剂和促进剂即可。本发明对所述固化剂、引发剂和促进剂的用量没有特殊要求，本领域技术人员可根据经验进行选择与调整。本发明采用固化剂能够加快树脂基体在通孔内的固化；采用引发剂能够引发聚合反应；采用促进剂能够在树脂固化过程中，降低引发剂引发温度，缩短固化时间。

送入所述通孔的入口处时，所述纤维增强材料与通孔轴线之间以及稳定材料与通孔轴线之间优选呈65°～89°的夹角，以方便纤维增强材料和稳定性材料随着螺纹纹路延伸，以发挥纤维的增强作用和稳定材料的稳定作用。

本发明优选在厚度方向距离通孔2～5mm处衬垫稳定材料，所述稳定材料宽度优选为5～20mm，稳定材料的厚度优选为0.5～4mm，更优选为2mm。在本发明中，衬垫稳定性材料有利于提高复合材料外螺纹牙结构的稳定性。

在送入通孔入口前，本发明优选还包括将稳定材料浸渍脱模剂，以利于复合材料外螺纹棒从通孔中脱出。本发明对脱模剂的种类和具体用量没有特殊要求，本领域技术人员可根据实际情况进行调整。

其他未说明的事宜，同上述复合材料包括树脂基体和纤维增强材料的情况，这里不再赘述。

下面结合实施例对本发明提供的制备复合材料外螺纹棒的装置和方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

如图1所示，本发明采用的模具2为圆柱状金属模具，带有通孔，通孔内表面设置有螺纹，螺纹作圆角处理，模具2的通孔直径Φ126mm，长度为950mm；并由旋转装置驱动模具2旋转，模具2的加热温度为130℃；组装好的装置见图3；

如图2所示，让纤维增强材料(具体为1800Tex的玻璃纤维丝束)经过不饱和聚酯树脂浸渍，得到浸渍树脂基体后的纤维增强材料4，在靠近通孔的2mm处，衬垫稳定材料5(具体为连续玻璃纤维织物)，并与浸渍树脂基体后的纤维增强材料4共同过盈进入通孔，进入通孔前，将稳定材料浸渍脱模剂，这样制造的螺纹牙结构稳定性较好；设定单头螺纹工艺参数：输出速度(r/min)＝螺距(mm)×模具转速(r/min)，输出速度为5mm×60(r/min)＝300mm/min；

经过切割形成定长的复合材料外螺纹棒，经涂装即为螺纹棒成品。

经检测，本实施例生产出的复合材料外螺纹棒的拉伸强度≥1200MPa，而攻丝出的复合材料外螺纹棒强度仅为900MPa左右。

实施例2

如图1所示，本发明采用的模具2为圆柱状金属模具，带有通孔，通孔内表面设置有螺纹，螺纹作圆角处理，模具2的通孔直径Φ140mm，长度为1000mm；并由旋转装置驱动模具2旋转，模具2的加热温度为170℃；组装好的装置见图3；

如图2所示，让纤维增强材料(具体为规格为T700的12K碳纤维)经过环氧树脂浸渍，得到浸渍环氧树脂基体后的纤维增强材料4，在靠近通孔的1mm处，衬垫稳定材料5(具体为连续碳纤维织物)，并与浸渍树脂基体后的纤维增强材料4共同过盈进入通孔，进入通孔前，将稳定材料浸渍脱模剂，这样制造的螺纹牙结构稳定性较好；设定单头螺纹工艺参数：输出速度(r/min)＝螺距(mm)×模具转速(r/min)，输出速度为4.6mm×40(r/min)＝184mm/min；

经过切割形成定长的复合材料外螺纹棒，经涂装即为螺纹棒成品。

经检测，本实施例生产出的复合材料外螺纹棒的拉伸强度≥1200MPa，而攻丝出的复合材料外螺纹棒强度仅为900MPa左右。

由以上实施例可知，本发明提供了一种制备复合材料外螺纹棒的装置和方法，省去了额外进行螺纹加工的环节，可一步得到带有外螺纹的棒材，避免了纤维的损伤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种制备复合材料外螺纹棒的装置，其特征在于，包括模具、加热装置和旋转装置，所述模具上设有通孔，所述通孔的内表面设置有螺纹，所述加热装置用以加热所述模具，所述旋转装置用于旋转所述模具，所述旋转装置的旋转轴线与所述通孔的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模具包括两个可分离式连接的半模具，所述半模具为所述模具沿所述通孔的轴线切分而成，所述螺纹的牙顶和牙底为圆弧过渡。

3.一种制备复合材料外螺纹棒的方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的装置，使复合材料通过模具上的通孔，得到复合材料外螺纹棒；所述模具处于连续旋转和加热状态；所述模具旋转方向与螺纹方向相反。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述复合材料包括树脂基体和纤维增强材料；所述纤维增强材料为连续玻璃纤维或连续碳纤维。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，使复合材料通过模具上的通孔的步骤包括：将纤维增强材料浸渍树脂基体后，送入所述通孔的入口处，随着模具的连续旋转，复合材料外螺纹棒沿轴向被挤出并离开所述通孔。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，浸渍树脂基体后的纤维增强材料与通孔轴线之间呈65°～89°的夹角。

7.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料还包括稳定材料，所述稳定材料为连续纤维织物或连续长纤维毡。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，使复合材料通过模具上的通孔的步骤包括：将纤维增强材料浸渍树脂基体后送入所述通孔的入口处，同时在所述通孔的入口处衬垫稳定材料，随着模具的连续旋转，复合材料外螺纹棒沿轴向被挤出并离开所述通孔。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述稳定材料在使用前浸渍脱模剂。

10.根据权利要求5或8所述的制备方法，其特征在于，所述模具的加热温度为130℃～180℃。

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