CN113320125A - 一种连续纤维复合材料弹簧的制造方法及生产线及弹簧 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续纤维复合材料弹簧的生产线，在待固化连续纤维束经弹簧成型固化模具固化成型前，在待固化连续纤维束外缠绕一层热塑性薄膜,缠绕有热塑性薄膜的连续纤维束经周向螺旋挤压后，送入弹簧成型固化模具。热塑性薄膜缠绕在待固化连续纤维束的过程，会对待固化连续纤维束产生二次压缩紧固，减少待固化连续纤维束间各纤维丝的缝隙及气泡，提高固化后连续纤维弹簧的密度；同时，缠绕有热塑性薄膜的纤维束经周向螺旋挤压后，会对待固化连续纤维束进一步挤压，进一步提高待固化连续纤维束密度，此时，包裹在待固化纤维束外的热塑性薄膜，还可防止待固化纤维束受力爆裂外散，帮助脱模提高制品的外观质量和型尺寸精度。

Description

一种连续纤维复合材料弹簧的制造方法及生产线及弹簧
技术领域
本发明涉及连续纤维复合材料应用领域，特别涉及一种连续纤维复合材料弹簧的制造方法、适用于连续纤维复合材料弹簧的生产线及连续纤维复合材料制作的弹簧。
背景技术
现有技术中，由连续纤维复合材料制造弹簧，多采用的纤维/粗纱经基体材料浸润后连续捻转为纤维束，经弹簧成型固化模具加热固化，形成弹簧。在纤维在被施加到弹簧芯上的卷绕过程中，因为被基体材料，(如树脂)多次浸渍，由此形成湿的待固化纤维束，并且该待固化纤维束随后在弹簧成型固化模具上利用相应于弹簧几何形状和大小的螺旋槽卷绕并且加热固结。
目前，该方法的主要缺点在于，因为多次浸润，待固化纤维束输送过程中，大量基体材料会滴落，造成制品树脂含量减少，弹簧生产线受到严重污染。
尤其导致待固化纤维束与弹簧成型固化模具的件粘接，对弹簧成型脱模造成极大困难，同时也会对弹簧成型固化模具的螺旋槽造成污染，会导致待固化纤维束与弹簧成型固化模具的件粘接，同时无法有效控制产品尺寸造成较大的公差。另外，粘结在弹簧成型固化模具中的螺旋槽上的基体材料，难以清除，还会产生较高的清洁费用，这一定的生产周期内，会导致较长的停机清洁时间，因此无法实现生产过程连续化。
在申请号为：CN201380072982.9，申请名称为：用于由连续纤维复合材料制造弹簧的设备和方法的专利申请中，存在以下问题：现有连续纤维复合材料制造弹簧的过程中，采用在待固化纤维束外涂覆热塑性塑料，在无法确保外表平整、均匀的同时又会导致热塑性塑料的滴落，造成环境污染及清洁费用，同时，掺杂有基体材料，也会导致涂覆的热塑性材料对待固化纤维束表面无法形成有效的包裹，同时，在待固化纤维束经过弹簧成型固化模具固化成型时，高温固化，无疑会导致热塑性材料的变形或开裂。
若采用金属板包覆在待固化纤维束外表面，存在柔软性不足，又存在资源浪费、生产成本高、弹性差、难以褪绕等诸多问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种清洁卫生、生产成本低，不影响固化纤维束原有性质的适用于连续纤维复合材料弹簧的制造方法。
本发明的技术方案：本发明所述的一种适用于连续纤维复合材料弹簧的制造方法，包括如下步骤：
步骤一：将由连续纤维组成的纤维丝束涂覆基体材料，形成初始连续纤维束；
步骤二：在所述初始连续纤维束外缠绕一层热塑性薄膜,形成待加压连续纤维束；
步骤三：在待加压连续纤维束上施加周向螺旋挤压力，形成待固化连续纤维束；
步骤四：将所述待固化连续纤维束送入弹簧成型固化模具，固化成型。
进一步的，所述周向螺旋挤压力由螺旋挤压管施加；在待加压连续纤维束穿过螺旋挤压管时，由螺旋挤压管内连续螺纹凸起对进入其内的待加压连续纤维束产生周向螺旋挤压力，将原包裹在待加压连续纤维束外的热塑性薄膜及纤维丝沿螺旋线向待加压连续纤维束轴线方向压紧，将原直线行进的待加压连续纤维束通过挤压变更为螺旋式行进。
进一步的，所述初始连续纤维束包括：将初始张力纱架上的多股纤维丝束引出，经过浸渍槽浸渍后，再经缠绕机及第二缠绕纱架，形成多轴向连续纤维复合材料的初始连续纤维束。
本申请还包括一种适用于连续纤维复合材料弹簧的生产线，包括顺次摆放的初始张力纱架、第一浸渍装置、双向纤维缠绕机、第二缠绕纱架、第二浸渍装置和弹簧成型固化模具；在所述第二浸渍装置和弹簧成型固化模具间，设有薄膜缠绕机和周向螺旋挤压机；所述周向螺旋挤压机包括螺旋挤压管；所述螺旋挤压管内壁均匀分布有若干条连续螺纹凸起，所述两相邻螺纹凸起在螺旋挤压管内形成螺旋槽。
进一步的，所述螺旋挤压管包括固定哈夫管和匹配所述固定管，形成封闭圆柱管的活动哈夫管。
进一步的，纹凸起横截面为梯形。
进一步的，所述弹簧成型固化模具设置在多头模具旋转器上，所述多头模具旋转器可设置多个弹簧成型固化模具。
本申请还包括一种连续纤维复合材料制作的弹簧，制作所述弹簧的连续纤维束在固化成型前经周向螺旋挤压力压紧，固化后在所述弹簧上留有连续不间断的压痕。
本发明与现有技术相比的有益效果：
1.在待固化连续纤维束外缠绕热塑性薄膜，直接对待固化纤维束进行包裹，避免基体材料滴落以及粘附在弹簧成型固化模具上，有效控制了制品的树脂含量，大大减轻了清理过程，减少了生产环节；同时，热塑性薄膜缠绕在待固化纤维束的过程，会对待固化纤维束产生二次紧固，减小构成待固化连续纤维束间各纤维丝的缝隙及气泡，提高固化后连续纤维复合材料弹簧的密度；同时，缠绕有热塑性薄膜的纤维束经周向螺旋挤压后，会对待固化纤维束进一步挤压，进一步提高待固化连续纤维束密度，同时，可以将热塑性薄膜与待固化连续纤维束进行进一步压缩，此时，包裹在待固化纤维束外的热塑性薄膜，还可防止待固化纤维束受力爆裂外散，提高制品的外型尺寸精度。
2.现有的扭合式搓紧，采用旋拧的方式，固定纤维束一端，另一端抓住纤维束，带动纤维束旋转，对纤维束施加旋紧力，该旋转时通过纤维束本体向后端传递，会导致前端纤维束受力大，后端纤维束受力小的不均匀现象，同时，旋紧过程，力的大小不易掌控，过大还会导致纤维束内纤维断裂；且由于连续纤维束未固化成型前，为柔软的线性材质，经常规扭合、拧结搓紧，必然会造成长度方向的紧缩，加工成型后，会存在难以消除的内应力；本方式在连续纤维复合材料弹簧成型前，通过周向螺旋挤压力，促使连续纤维丝向连续纤维束轴线方向压紧，且将原直线行进通过挤压变更为螺旋式行进；采用套管的方式，对穿过螺旋挤压管的一段待加压连续纤维束施加整体的周向螺旋挤压力，力的大小均匀，不会产生局部受力不均的现象，因此也不会产生长度方向的紧缩，产生存在无法消除内应力的问题。
3.经过螺旋挤压管后的待固化纤维束，表面会具有独特的压痕，可增强产品的辨识度。同时，该压痕可根据螺旋挤压管内螺纹凸起的形状进行变化，多变性强，可适用不同要求、不同产品的生产。
附图说明
图1为本发明的弹簧生产线的整体结构示意图；
图2为螺旋挤压管的剖面示意图；
图3为本发明弹簧的截面示意图。
标号说明：1-初始张力纱架；2-第一浸渍装置；3-双向缠绕机；4-第二缠绕纱架；5-集纱器；6-第二浸渍装置；7-导向控胶套；8-薄膜缠绕机；9-周向螺旋挤压机；91-螺旋挤压管；92-螺旋槽；93-螺纹凸起；10-旋转牵引机；11-多头模具旋转器；12-弹簧成型固化模具；13-固化加热装置；14-旋转脱模机构；15-控制柜；16-弹簧；17-压痕。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1-图3示出了本发明一种连续纤维复合材料弹簧生产线的实施方式，包括如下步骤：
第一步，连续纤维按设计要求，从带有张力控制的初始张力纱架1引出，经过第一浸渍装置2浸润。
第二步，由双向缠绕机3，将浸润后的初始纤维丝束形成一定角度间距，交错的横向连续纤维(提高最终成型制品中纤维的密实度和稳定性，从而增强制品的抗拉强度和抗疲劳性)。
第三步，再由两侧的第二缠绕纱架4引出纵向纤维，经过集纱器5包覆在横向连续纤维的外表面(增加横向交错纤维与纵向纤维的接触面积，提高纵横纤维形成的网格稳定性，从而增强制品的的韧性和抗疲劳性)。
第四步，进入第二浸渍装置6对包覆纵向纤维的横向连续纤维进行再次浸润，然后进入导向控胶7进行挤压密实，提高了制品的表面光洁度，形成待固化纤维束，方便后续薄膜缠绕机8的缠绕及控制。
第五步，薄膜缠绕机8将薄膜带缠绕在待固化纤维束上。
第六步，进入周向螺旋挤压机9；周向螺旋挤压机9内部设置有螺旋挤压管和快速加热装置，待固化纤维束经过时，在旋转牵引机10与螺旋挤压管91的共同作用下，对包裹薄膜带的待固化纤维束进行纵向加捻，在加捻的同时，基质材料受热后在缠绕薄膜的内快速形成一层预凝胶层，与缠绕薄膜紧密贴合，这样能够确保最终制品表面光滑，提高表面耐磨性。
其中，包裹薄膜带的待固化纤维束经过固定的螺旋挤压管91，待固化纤维束会沿着螺旋槽92行进，连续螺纹凸起93会对待固化纤维束表面进行挤压，提高纤维密度的同时，在纤维表面形成特殊压痕17，同时后部的旋转牵引机10一边牵引，一边旋转对待固化纤维束进行拧紧，也就是加捻过程。
其中，基体材料加热温度控制在120℃左右，因为快速加热，只能让外表的胶体快速形成凝胶层，而内部的胶体由于含量多，传热慢，对内部影响很小。所以对整个制品不会产生影响，另外凝胶层是具有一定弹性的，不会产生断裂现象，对模具缠绕不会产生影响。
第七步，旋转牵引机10上设置有驱动机构，能够对纤维进行纵向牵引，同时对后续模具上的弹簧成型制作起到拉紧作用，在电器控制柜15的控制作用下，确保牵引速度和弹簧制作速度协调一致。
第八步，多头模具旋转器11上设置有六套弹簧成型固化模具12，一套弹簧成型固化模具12停留在待制位进行制作，另外五套弹簧成型固化模具12进行加热固化，旋转交替工作。每次弹簧成型固化模具12旋转到待制位后，在旋转脱模机构14的作用下，先对固化成型的弹簧制品进行脱模，然后进行制作下一个制品。
第九步，固化加热：固化加热装置13设置在多头模具旋转器11的外围，能够对处在非待制位的制品进行加热，同时弹簧成型固化模具12的模腔内也设置有加热装置，这样可以从内外两个方面对制品进行加热固化，提高生产效率。
第十步，重复模具旋转、加热、脱模，使生产连续进行。
如图3所示，为本发明弹簧的截面示意图，在制作过程中，螺旋挤压管内壁均匀分布有12条连续螺纹凸起，所以在弹簧16本体上设有12道压痕17，其螺纹凸起横截面为梯形。
本发明具有清洁卫生、生产成本低，不影响固化纤维束原有性质的特点，现有的扭合式搓紧，采用旋拧的方式，固定纤维束一端，另一端抓住纤维束，带动纤维束旋转，对纤维束施加旋紧力，该旋转时通过纤维束本体向后端传递，会导致前端纤维束受力大，后端纤维束受力小的不均匀现象，同时，旋紧过程，力的大小不易掌控，过大还会导致纤维束内纤维断裂；且由于连续纤维束未固化成型前，为柔软的线性材质，经常规扭合、拧结搓紧，必然会造成长度方向的紧缩，加工成型后，会存在难以消除的内应力；本方式在连续纤维复合材料弹簧成型前，通过周向螺旋挤压力，促使连续纤维丝向连续纤维束轴线方向压紧，且将原直线行进通过挤压变更为螺旋式行进；采用套管的方式，对穿过螺旋挤压管的一段待加压连续纤维束施加整体的周向螺旋挤压力，力的大小均匀，不会产生局部受力不均的现象，因此也不会产生长度方向的紧缩，产生存在无法消除内应力的问题。
由于在待固化纤维束外缠绕热塑性薄膜，直接对待固化纤维束进行包裹，避免基体材料滴落以及粘附在弹簧成型固化模具上；同时，热塑性薄膜缠绕在待固化纤维束的过程，会对待固化纤维束产生二次紧固，减小构成待固化纤维束间各纤维丝的缝隙，提高固化后纤维束的密度；同时，缠绕有热塑性薄膜的纤维束经周向螺旋挤压后，会对待固化纤维束进一步挤压，进一步提高待固化纤维束密度，同时，可以将热塑性薄膜与待固化纤维束进行进一步压缩，此时，包裹在待固化纤维束外的热塑性薄膜，还可防止待固化纤维束受力爆裂外散。其次，经过螺旋挤压管后的待固化纤维束，表面会具有独特的压痕，可增强产品的辨识度。同时，该压痕可根据螺旋挤压管内螺纹凸起的形状进行变化，多变性强，可适用不同要求、不同产品的生产。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种连续纤维复合材料弹簧的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将由连续纤维组成的纤维丝束涂覆基体材料，形成初始连续纤维束；
步骤二：在所述初始连续纤维束外缠绕一层热塑性薄膜,形成待加压连续纤维束；
步骤三：在待加压连续纤维束上施加周向螺旋挤压力，形成待固化连续纤维束；
步骤四：将所述待固化连续纤维束送入弹簧成型固化模具，固化成型。
2.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料弹簧的制造方法，其特征在于:所述周向螺旋挤压力由螺旋挤压管施加；在待加压连续纤维束穿过螺旋挤压管时，由螺旋挤压管内连续螺纹凸起对进入其内的待加压连续纤维束产生周向螺旋挤压力，将原包裹在待加压连续纤维束外的热塑性薄膜及纤维丝沿螺旋线向待加压连续纤维束轴线方向压紧，将原直线行进的待加压连续纤维束通过挤压变更为螺旋式行进。
3.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料弹簧的制造方法，其特征在于:所述初始连续纤维束包括：将初始张力纱架上的多股纤维丝束引出，经过浸渍槽浸渍后，再经缠绕机及第二缠绕纱架，形成多轴向连续纤维复合材料的初始连续纤维束。
4.一种适用于连续纤维复合材料弹簧的生产线，包括顺次摆放的初始张力纱架、第一浸渍装置、双向纤维缠绕机、第二缠绕纱架、第二浸渍装置和弹簧成型固化模具；其特征在于：在所述第二浸渍装置和弹簧成型固化模具间，设有薄膜缠绕机和周向螺旋挤压机；所述周向螺旋挤压机包括螺旋挤压管；所述螺旋挤压管内壁均匀分布有若干条连续螺纹凸起，所述两相邻螺纹凸起在螺旋挤压管内形成螺旋槽。
5.根据权利要求4所述的连续纤维复合材料弹簧生产线，其特征在于：所述螺旋挤压管包括固定哈夫管和匹配所述固定管，形成封闭圆柱管的活动哈夫管。
6.根据权利要求4所述的连续纤维复合材料弹簧生产线，其特征在于：所述螺纹凸起横截面为梯形。
7.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料弹簧生产线，其特征在于：所述弹簧成型固化模具设置在多头模具旋转器上，所述多头模具旋转器可设置多个弹簧成型固化模具。
8.一种连续纤维复合材料制作的弹簧，其特征在于：固化成型前经周向螺旋挤压力压紧，固化后在所述弹簧上留有连续不间断的压痕。
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