CN112848419B - 连续纤维复合材料螺栓的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续纤维复合材料螺栓的制造方法，在将毛坯件和模具进行不同温度加热处理后，由于温度不同第一毛坯件和第二毛坯件产生不同形变，通过尺寸大小不同的第一冲模和第二冲模，完成螺栓体的加工成型；进一步地，在加热成型过程中通过控制角速度的旋转，精确控制螺栓螺纹成型尺寸和成型倾斜角度，满足在航空航天飞行器零部件中对螺栓使用高质量的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续纤维复合材料螺栓的制造方法，涉及航空航天机械加工技术领域。
背景技术
传统的螺纹加工主要采用切削加工，该方法不仅加工效率低，而且加工过程金属的纤维流向被切断，严重降低了螺纹零件的质量，传统螺纹加工方法难以满足生产中对螺纹连接件高精度、高强度的要求，特别是航空航天器中连接螺栓的质量要求，所以，寻找先进有效的螺纹加工方法就显得尤为重要。
目前螺纹加工的方法主要有切削加工、锻压和铸造，切削加工主要分为车削、铣削、铰削、电加工；锻压主要分为滚压、挤压、压制；铸造主要由压铸、浇铸。在公知的航空航天领域，用于航空航天的飞行器热防护系统结构件连接的螺栓螺母，由于飞行器飞行条件十分恶劣，再入大气层时与空气发生摩擦，头锥、机翼前缘和机身襟翼表面最高温度可达1650℃，这就要求螺栓螺母具备优异的热物理化学性能和力学性能；航天用标准螺栓螺母材料有石墨、C/C复合材料以及C/SiC复合材料，但是高温抗氧化性差、强度低，在高空飞行条件下容易发生损坏造成安全事故。
申请号为US15143823的发明专利申请公开了Method and System for ProducingaThreaded Bolt，将毛坯引入螺纹螺栓阴模中，坯料具有螺栓形部分，沿螺栓形部分的纵向排列的纤维嵌入坯料中的塑料材料中；在坯料上施加压力以使负模中的坯料变形，从而在螺栓形状部分的圆周面上形成螺纹结构。此外，该发明还涉及可通过该方法制造的螺纹螺栓，以及设想用于实施该方法的系统，可以通过该发明的方法制造轻质和耐磨的螺纹螺栓。但是采用所述方法制造螺栓，螺栓制造过程无紧密配合，制造工艺简单，造成螺栓成型后螺纹仅通过压力挤压形成，对螺栓体本身压力过大，可能造成螺栓体杆部受压被破坏，抗疲劳强度减弱，使用寿命缩短，同时通过挤压成型的螺栓体对螺纹无精确度控制，无法满足航空航天器中对于螺栓连接精准度的要求。
发明内容
本发明的发明目的在于，针对上述存在的问题，提供一种连续纤维复合材料螺栓的制造方法，在将毛坯件和模具进行不同温度加热处理后，由于温度不同第一毛坯件和第二毛坯件产生不同形变，通过尺寸大小不同的第一冲模和第二冲模，完成螺栓体的加工成型；进一步地，在加热成型过程中通过控制角速度的旋转，精确控制螺栓螺纹成型尺寸和成型倾斜角度，满足在航空航天飞行器零部件中对螺栓使用高质量的需求。
本发明采用的技术方案如下：
本发明公开了一种连续纤维复合材料螺栓的制造方法，包括第一模具和第二模具，其特征在于，包括下述步骤：
(a)将第一毛坯件在烘箱中加热到280℃—340℃的熔化量级温度，将第一模具、第二毛坯件和第二模具加热到380℃—420℃；
(b)将第一毛坯件导入到第二模具中，期间对第一毛坯件持续加热20-30S，待20-30S后加热阶段结束，第一毛坯件外部区域温度保持在380℃以上；
(c)将第一冲模温度加热到300℃，通过温度为300℃的第一冲模加压第一毛坯件，所述第一毛坯件穿过第二毛坯件中空通孔在第二模具内呈紧密压实状态；
(d)将旋转装置固定在第二模具外端，将紧密压实状态的第二模具以一定的角速度旋转，使第一毛坯件的外围纤维顺着第二模具内螺纹槽流动形成螺栓螺纹，期间保持第一冲模对第一毛坯件的加压状态；
(e)将第二冲模加热到400℃，所述第二冲模加压于第一毛坯件，二次加压将第一毛坯件压入第二模具，形成螺栓头部。
进一步地，所述步骤(a)中第一毛坯件和第二毛坯件采用一体设置，第二毛坯件沿第一毛坯件导入第二模具的端部周向设置。
进一步地，所述第二毛坯件在第一毛坯件导入端头两侧呈弧形连接，所述弧形连接斜率为1.6-2.4。
进一步地，所述步骤(d)中紧密压实状态的第二模具通过旋转装置带动，以角速度ω＝dθ/dt，(式中ω为某一时刻t质点对O点的瞬时角速度，t为某一时刻质点，dθ为质点转过角度)旋转。
进一步地，所述第一毛坯件和第二毛坯件选用聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、热塑性聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺等中的任意一种，树脂基体含量控制在40-60％范围内。
进一步地，所述第一模具、第二模具、第一冲模和第二冲模外侧设置隔热限位板，所述隔热限位板呈矩形板状，贴合在第一模具、第二模具、第一冲模和第二冲模表面。
本发明的技术效果如下：
本发明提供了一种连续纤维复合材料螺栓的制造方法，有效解决了现有技术中难以满足生产中对螺纹连接件高精度、高强度的要求，区别于现有技术中采用冷加工方式，采用热加工方式更好成型，并可以精确控制螺栓螺纹成型规格，满足航空航天飞行器对于零部件精准度的高质量需求，减少因为螺栓挤压成型对成型螺栓杆部的应力破坏，同时通过本发明方法成型螺栓采用一体设置，通过不同温度和不同冲模尺寸的有效控制，准确而快捷的完成制备过程，制备形成螺栓一体性强，抗疲劳强度好，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明第一冲模状态结构示意图；
图3是本发明螺栓旋转结构示意图；
图4是本发明第二冲模状态结构示意图；
图5是本发明毛坯件成型螺栓结构示意图；
图中标记：1-第一模具，2-第一毛坯件，3-第二毛坯件，4-第二模具，5-第一冲模，6-第二冲模，7-隔热限位板，8-弧形连接。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本实施例中，所采用的数据为优选方案，但并不用于限制本发明；
实施例一
如图1、图2、图4所示，本实施例提供了一种连续纤维复合材料螺栓的制造方法，包括第一模具1和第二模具4，其制造包括下述步骤：
(a)将第一毛坯件2在烘箱中加热到280℃—340℃的熔化量级温度，将第一模具1、第二毛坯件3和第二模具4加热到380℃—420℃；优选地，将第一毛坯件2在烘箱中加热到340℃，第二毛坯件3加热到400℃；
本实施例中，将第一模具1和第二模具4加热到420℃，为第一毛坯件2和第二毛坯件3提供导入加热环境，避免第一毛坯件2和第二毛坯件3在制造过程中由于温度环境不足导致成型困难或者变形无法继续制作的情况。
(b)将第一毛坯件2导入到第二模具4中，期间对第一毛坯件2持续加热20-30S，待20-30S后加热阶段结束，第一毛坯件2外部区域温度保持在380℃以上，便于第一毛坯件2穿过第二毛坯件3中心通孔导入第二模具4中。
(c)将第一冲模5温度加热到300℃，通过温度为300℃的第一冲模5加压第一毛坯件2，所述第一毛坯件2穿过第二毛坯件3中空通孔在第二模具4内呈紧密压实状态；进一步地，第一毛坯件2和第二毛坯件3采用一体结构设置，第二毛坯件3沿第一毛坯件2导入第二模具4的端部周向设置，优选地，本实施例中第二毛坯件3绕第一毛坯件2导入第二模具4的端部一圈设置。
进一步地，由于第二毛坯件3的温度高于第一毛坯件2的温度设置，第一毛坯件2穿过第二毛坯件3中心通孔而不会破坏第二毛坯件3热塑结构，避免对第二毛坯件3的再次定型加工；同时，将第一冲模5温度加热到300℃小于第一毛坯件2加热后的材料温度，避免第一冲模5温度过高影响第一毛坯件2造成形变。
(d)将旋转装置固定在第二模具4外端，将紧密压实状态的第二模具4以一定的角速度旋转，使第一毛坯件2的外围纤维顺着第二模具4内螺纹槽流动形成螺栓螺纹，期间保持第一冲模4对第一毛坯件2的加压状态。
(e)将第二冲模4加热到400℃，所述第二冲模4加压于第一毛坯件2，二次加压将第一毛坯件2压入第二模具4，形成螺栓头部。
本实施例中，所述第一毛坯件2和第二毛坯件3选用聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、热塑性聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺等中的任意一种，树脂基体含量控制在40-60％范围内；通过所述材料的热塑性能，能够有效完成螺栓的制作，制作完成后的螺栓具备优异的热物理化学性能和力学性能，并且抗氧化性能强，强度高，抗疲劳性能强。
本实施例中，通过不同尺寸平面大小的第一冲模5和第二冲模6完成螺栓加工制作，首先利用第一冲模5通过温度差将直径小的第一毛坯件2导入第二模具4中，再通过与第二毛坯件3上表面尺寸相同的第二冲模6压实第二毛坯件3，完成整个螺栓的制造过程。
本实施例中，优选的，由于采用了所述温度控制和尺寸控制的方法，第二毛坯件3可通过预制形成，并在加热过程中不会产生形变；进一步地，所述预制第二毛坯件3两侧和螺栓杆部呈弧形连接8，本实施例中弧形连接8斜率为1.6-2.4，区别于线性连接方式产生直接的破坏，本实施例中采用弧形连接8分散了螺栓头和螺栓杆部接触产生的集中应力，减少了螺栓连接产生的疲劳裂纹，通过本方法制造的螺栓使用寿命能达到普通方法制造螺栓使用寿命的三倍以上。
实施例二
如图1-5所示，本实施例提供了一种连续纤维复合材料螺栓的制造方法，考虑到应用于航空航天飞行器技术领域，本实施例在实施例一步骤(d)的基础上，控制第一毛坯件2在第二模具4中的旋转角速度。
本实施例中，所述第一模具1、第二模具4、第一冲模5和第二冲模6外侧设置隔热限位板7，所述隔热限位板7呈矩形板状，贴合在第一模具1、第二模具4、第一冲模5和第二冲模6表面，通过板状结构控制模具效果更好，且表面平整不易发生多向变形。
本实施例中，所述步骤(d)中紧密压实状态的第二模具4通过旋转装置带动，优选地，旋转装置采用两轴液压滚通式滚牙机，可在夹持两侧隔热限位板7的基础上，有效控制第二模具4旋转角速度。
本实施例中，以角速度ω＝dθ/dt，(式中ω为某一时刻t质点对O点的瞬时角速度，t为某一时刻质点，dθ为质点转过角度)旋转；优选地，通过实验计算得出当第一毛坯件2直径φ取4-6mm时，角速度在ω＝dθ/dt＝0.523/t—0.525/t范围内。
本实施例中，第一毛坯件2直径φ＝4-6mm，质点转过角度取30°，时间t相同。
(1)当φ＝4mm时，ln＝(30°*π*φ)/180＝1.05，dθ＝ln/r＝0.525，ω＝dθ/dt＝0.525/t；
(2)当φ＝5mm时，ln＝(30°*π*φ)/180＝1.31，dθ＝ln/r＝0.524，ω＝dθ/dt＝0.524/t；
(3)当φ＝6mm时，ln＝(30°*π*φ)/180＝1.57，dθ＝ln/r＝0.523，ω＝dθ/dt＝0.523/t。
(式中，ln为弧长，π取3.14，时间t相同。)
本实施例中，当φ取4-6mm时，直径越大，角速度越小，螺栓螺纹成型间隔越大，更容易产生误差，所以可以通过两轴液压滚通式滚牙机在制作不同直径的螺栓时，调整模具旋转的角速度，以制作适配于航天航空领域飞行器零部件标准的螺栓。
本实施例中，采用旋转螺纹加工的方式，区别于现有技术中的挤压成型工艺，能够实现更精准的控制制模过程，进一步地，旋转螺纹成型不会对螺栓中心造成压力，破坏螺栓杆部整体稳定性，避免挤压成型造成易损坏的情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种连续纤维复合材料螺栓的制造方法，包括第一模具(1)和第二模具(4)，其特征在于，包括下述步骤：
(a)将第一毛坯件(2)在烘箱中加热到280℃—340℃的熔化量级温度，将第一模具(1)、第二毛坯件(3)和第二模具(4)加热到380℃—420℃；
(b)将第一毛坯件(2)导入到第二模具(4)中，期间对第一毛坯件(2)持续加热20-30S，待20-30S后加热阶段结束，第一毛坯件(2)外部区域温度保持在380℃以上；
(c)将第一冲模(5)温度加热到300℃，通过温度为300℃的第一冲模(5)加压第一毛坯件(2)，所述第一毛坯件(2)穿过第二毛坯件(3)中空通孔在第二模具(4)内呈紧密压实状态；
(d)将旋转装置固定在第二模具(4)外端，将紧密压实状态的第二模具(4)以一定的角速度旋转，使第一毛坯件(2)的外围纤维顺着第二模具(4)内螺纹槽流动形成螺栓螺纹，期间保持第一冲模(5)对第一毛坯件(2)的加压状态；
(e)将第二冲模(6)加热到400℃，所述第二冲模(6)加压于第一毛坯件(2)，二次加压将第一毛坯件(2)压入第二模具(4)，形成螺栓头部。
2.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料螺栓的制造方法，其特征在于，所述步骤(a)中第一毛坯件(2)和第二毛坯件(3)采用一体设置，第二毛坯件(3)沿第一毛坯件(2)导入第二模具(4)的端部周向设置。
3.根据权利要求2所述的连续纤维复合材料螺栓的制造方法，其特征在于，所述第二毛坯件(3)在第一毛坯件(2)导入端头两侧呈弧形连接(8)，所述弧形连接(8)斜率为1.6-2.4。
4.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料螺栓的制造方法，其特征在于，所述第一毛坯件(2)和第二毛坯件(3)选用聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺中的任意一种，树脂基体含量控制在40-60％范围内。
5.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料螺栓的制造方法，其特征在于，所述第一模具(1)、第二模具(4)、第一冲模(5)和第二冲模(6)外侧设置隔热限位板(7)，所述隔热限位板(7)呈矩形板状，贴合在第一模具(1)、第二模具(4)、第一冲模(5)和第二冲模(6)表面。
6.根据权利要求1-5任一项所述的连续纤维复合材料螺栓的制造方法，其特征在于，所述步骤(d)中紧密压实状态的第二模具(4)通过旋转装置带动，以角速度ω＝dθ/dt旋转，式中ω为某一时刻t质点对O点的瞬时角速度，t为某一时刻质点，dθ为质点转过角度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Manufacturing method of continuous fiber composite material bolts Effective date of registration: 20231218 Granted publication date: 20220422 Pledgee: Ji'nan finance Company limited by guarantee Pledgor: Shandong AVIC Hehui Aviation Standard Parts Co.,Ltd. Registration number: Y2023980072728 |
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