CN113977987A - 一种复合材料螺旋弹簧的生产方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料螺旋弹簧的生产方法及设备，包括步骤：在芯线表面缠绕形成纤维包裹层，然后在纤维包裹层表面再编织形成纤维编织层，经拉挤固化成型后形成有弹性保护套，弹性保护套将纤维包裹层包裹在内，再送入芯模中，切割得到设定长度，然后进入RTM成型设备中，注射入树脂，升温进行固化成型，然后继续升温，使芯模熔融流出，开模后进行余料切除处理，得到成品复合材料螺旋弹簧。本发明生产成本低，制品性能稳定，表面质量好，具有广阔的市场前景。

Description

一种复合材料螺旋弹簧的生产方法及设备

技术领域

本发明涉及一种复合材料螺旋弹簧的生产方法及设备，特别涉及一种车用悬架复合材料螺旋弹簧的生产方法及设备。

背景技术

目前国内科研人员从理论和实验方面对车用悬架复合材料螺旋弹簧研究较多，但是对其生产设备和生产方法研究较少。复合材料螺旋弹簧因其材料和生产方法与金属弹簧的完全不同，金属弹簧的生产设备不再适用；若采用手工生产复合材料螺旋弹簧，存在生产效率低，成型后存在人为差异大，性能不稳定等不良问题。由此可见，复合材料螺旋弹簧的批量生产亟需研发性能稳定且效率高的自动化生产设备及生产方法。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种复合材料螺旋弹簧的生产方法及设备。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种复合材料螺旋弹簧的生产方法，包括以下步骤：

选择一种芯线作为簧丝，该芯线为纤维束、橡胶、纤维织物、尼龙、PC、钢、铜、铝合金、铝镁合金或低熔点合金；

在芯线表面，采用纤维材料按照设定角度和设定方向，在芯线表面缠绕形成若干层纤维包裹层，得到簧丝半成品A；

采用预渍了弹性材料的纤维带，在簧丝半成品A的外表面编织形成一层表面具有弹性材料的纤维编织层；

将形成了纤维编织层的簧丝半成品A送入拉挤模具中拉挤成型，形成了弹性保护套，得到簧丝装成品B，该簧丝半成品从内到外依次为芯线、纤维包裹层、弹性保护套，弹性保护套将纤维包裹层包裹在内，使得纤维包裹层在使用过程中不会与外物摩擦；

将簧丝半成品B牵引到芯模中，并且切割成设定长度，得到具有设定长度的簧丝半成品C；

将放置有簧丝半成品C的芯模送入RTM成型设备中，往簧丝半成品C的内部注射树脂材料，然后在RTM成型设备中固化成型，使得树脂成型在弹性保护套内，制得从内到外为芯模、树脂和纤维包裹层、弹性保护套的螺旋弹簧半成品A，弹性保护套的熔点温度高于树脂材料的固化成型温度；

在RTM成型设备中继续升温，使螺旋弹簧半成品A中的芯模熔融流出，并送到相应的芯模铸造模具铸成新的芯模，然后得到除去了芯模的旋弹簧半成品B；

开模取出螺旋弹簧半成品B，切除两端余料，把两端端面磨平，从而制得车用悬架复合材料螺旋弹簧。

所述纤维包裹层在缠绕时，按照先顺时针缠绕一层再逆时针缠绕一层，或者先逆时针缠绕一层再顺时针缠绕一层的顺序交替缠绕若干次得到。

所述弹性材料选择为天然橡胶、合成橡胶、热塑性树脂、低温固化的环氧树脂或热塑性硅树脂。

所述用于缠绕形成纤维包裹层的纤维材料为玻璃纤维、碳纤维、超高密度聚乙烯纤维、玄武石纤维以及凯夫拉之中的一种或者几种混合使用。

所述注射到簧丝半成品C内部的树脂选择为不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂或呋喃树脂；芯模选择水溶性模、低熔点合金模、组合式金属模、气体辅助橡胶模、石腊模、砂型模或者螺槽金属模，并且芯模的熔融温度低于弹性材料的固化成型温度。

一种复合材料螺旋弹簧的生产设备，包括依次排布的：

多层缠绕装置，用于在芯线表面缠绕形成纤维包裹层；

编织装置，用于在纤维包裹层表面编织形成纤维层；

拉挤模具，用于拉挤成型，形成弹性保护套，将纤维包裹层包裹在内；

牵引装置，用于将簧丝牵引到指定位置；

可熔芯模，用于放置簧丝；

RTM成型装置，用于成型固化，并使簧丝内的芯模熔融流出；

芯模铸造模具，用于将熔融的芯模再次铸造为新的芯模，进行循环利用。

所述多层缠绕装置包括导轮、转盘机构、纤维卷筒和导向器，纤维卷筒用于放置纤维材料，纤维卷筒和导向器装在转盘上，芯线从导轮中引过，转盘机构带动纤维卷筒和导向器围绕芯线旋转，使纤维卷筒上的纤维材料缠绕在芯线表面。

所述编织装置设在多层缠绕装置的下方区域，编织装置包括若干个编织卷筒，编织卷筒用于放置预渍了弹性材料的纤维带。

所述芯模上具有定位凹槽和螺旋凹槽，其中在芯模的两端各设置一个定位凹槽。

本发明采用针对复合材料螺旋弹簧的制备，采用可熔融并循环利用的材料作为芯模，操作方便，节能环保，自动化程度高，生产效率高，生产成本低，制品性能优异，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是本发明生产设备的整体示意图；

图2是本发明多层缠绕装置的结构示意图；

图3是本发明外层编织装置及拉挤模具的结构示意图；

图4是本发明牵引装置及芯模的结构示意图；

图5是本发明RTM成型装置示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，如果有涉及到的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明揭示了一种复合材料螺旋弹簧的生产设备，包括：多层缠绕装置1，用于在芯线表面缠绕形成纤维包裹层；编织装置2，用于在纤维包裹层表面编织形成编织纤维层；拉挤模具3，用于拉挤成型，形成弹性保护套，将纤维包裹层包裹在内；牵引装置4，用于将芯线牵引到指定位置；可熔芯模5，用于放置簧丝；RTM成型装置，用于成型固化，并使簧丝内的芯模熔融流出；芯模铸造模具6，用于将熔融的芯模再次铸造为新的芯模，进行循环利用。其中RTM成型装置、挤挤模具、牵引装置、芯模铸造模具均为现有公知设备，并且如RTM成型模具的具体操作方式，合模、抽真空、升温固化成型等，都是公知常识，在此不再详细赘述。

牵引装置，比如可为相应的输送带，将芯线牵引向前输送。拉挤模具，可以根据需要大小形状，进行选择，拉挤模具包括模体和内部的簧丝通道，使簧丝在经过拉挤模具时被挤压成型为相应的形状，并且进行成型，如对拉挤模具加热，可进行一定的固化成型。

所述多层缠绕装置1包括导轮102、转盘机构104、纤维卷筒105和导向器105，纤维卷筒用于放置纤维材料，纤维卷筒和导向器装在转盘上，芯线101从导轮中引过，转盘机构带动纤维卷筒和导向器围绕芯线旋转，使纤维卷筒上的纤维材料缠绕在芯线表面。转盘机构即可转动的转盘，如可采用电机带动转盘转动，或者其他可转动的机构。导轮通常设置两个，使芯线从两个导轮中穿过，形成张紧力的调整。设置有多个转盘机构，并且呈上下竖直排布，这样就可以实现多层的缠绕。

所述编织装置2设在多层缠绕装置的下方区域，编织装置2包括若干个编织卷筒201，编织卷筒用于放置预渍了弹性材料的纤维带，通过编织卷筒上的纤维带，在芯线上编织形成纤维层202。

所述芯模上具有定位凹槽和螺旋凹槽，其中在芯模的两端各设置一个定位凹槽。芯模采用低熔点材料制成，可以熔融后重新铸造，通过芯模铸造模具再次铸造成型。

下面进行具体的制备说明。

如附图1-5所示，一种复合材料螺旋弹簧的生产方法，包括以下步骤：

选择芯线，可作为芯线的材料有纤维束、橡胶、纤维织物、尼龙、PC、钢、铜、铝合金、铝镁合金或低熔点合金，以上各种材料的熔点都较低，能够满足后续熔融要求，本实施例中，选择耐高温的橡胶作为芯线。一根耐高温橡胶芯线101进入导轮机构102。该导轮机构102夹紧芯线101并且防止其扭转，导轮旋转把芯线输送到多层缠绕装置1。

耐高温橡胶芯线101从上到下地穿过竖立布置的多层缠绕装置1的中心。多层缠绕装置1中选择玻璃纤维束103作为缠绕材料，在芯线外面按设定角度先顺时针缠绕一层再逆时针缠绕一层，依次重复缠绕形成若干层纤维包裹层。通过转盘机构104带动纤维卷筒105和导向器106一起围绕芯线101旋转，实现把玻璃纤维束103按±45°交叉缠绕到芯线外面。这样就制得芯线外面交叉缠绕包裹若干层纤维束的簧丝半成品A。

簧丝半成品A接着进入多层缠绕装置1下方的编织装置2，该装置主要由若干个纤维带的编织卷筒201组成，编织卷筒上放置纤维带，该纤维带在编织之前预浸了低温固化、弹性好的环氧树脂。通过纤维带在簧丝半成品A外编织，使得簧丝半成品A最外层编织一层纤维编织层202，然后簧丝半成品A及编织层202一起拉入拉挤模具3。在拉挤模具3中，纤维带上预浸着的环氧树脂固化成型，形成一层弹性保护套，这样就制得簧丝半成品B。纤维包裹层都被限制在弹性保护套内，它们在实际使用过程中不会因为互相摩擦而磨损，有利于延长了车用悬架螺旋弹簧的使用寿命。

然后将将簧丝半成品B牵引到芯模中，并且切割成设定长度，得到具有设定长度的簧丝半成品C。具体地，牵引装置4把簧丝半成品B牵引到锡铋合金芯模501一端的定位凹槽502里，用一个夹持机构503夹紧，数控机构转动锡铋合金芯模501，使簧丝半成品B铺设在螺旋凹槽504里，再用另一个夹持机构505把簧丝半成品B夹紧在锡铋合金芯模501另一端的定位凹槽506里，之后，切断簧丝半成品B，从而制得设定长度的簧丝半成品C。夹持机构可为夹具、夹子，或者其它起到夹紧的工具。

所述的锡铋合金芯模501及铺设在其螺旋凹槽的簧丝半成品C一起放入RTM成型设备6，先合模、抽真空，再注射入树脂填充到簧丝半成品C内部，升温至固化温度，外层弹性保护套由于在拉挤模具中已经固化成型且弹性好，这样弹性保护套就把形成的纤维包裹层、树脂都包裹在内，使树脂不会流失，使产品更加密实，也避免产生毛边，制得螺旋弹簧半成品D。在RTM成型设备中，设有上下两层的芯模铸造模具，方便芯模熔融后的流动，重新铸造。

然后锡铋合金芯模501及螺旋弹簧半成品D在RTM成型设备里，继续升温至更高的熔化温度，使锡铋合金芯模熔融，锡铋合金芯模501熔融脱落流出，金属熔体流入下方的芯模铸造模具601铸成新的芯模。这样就制得螺旋弹簧半成品E。

开模取出螺旋弹簧半成品E，切除两端余料，把两端端面磨平，从而制得车用悬架复合材料螺旋弹簧。

所述的新芯模又拿到前面去缠绕簧丝半成品C，如此重复循环使用。

在以上中，芯模的熔点要比环氧树脂的低，这样在升温使芯模熔融时，就可以确保由环氧树脂形成的弹性保护套不会受到影响，仍然保持固化状态。同时内部的橡胶芯线、玻璃纤维束、纤维带的熔点都高于芯模熔点并且同样高于环氧树脂的固化温度。

本发明通过以上处理，先在拉挤模具中进行第一次固化成型，形成了弹性保护套，然后再在RTM成型设备里进行第二次固化成型，使填充入内部的树脂再次固化成型，这样就形成了整体的复合材料螺旋弹簧，填充的树脂可为不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂和呋喃树脂等，本发明优选使用环氧树脂。利用可熔化的芯模，实现循环利用，降低生产成本，同时对于这种复合材料螺旋弹簧而言，操作上也更为简便。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合材料螺旋弹簧的生产方法，包括以下步骤：

选择一种芯线作为簧丝，该芯线可为纤维束、橡胶、纤维织物、尼龙、PC、钢、铜、铝合金、铝镁合金或低熔点合金；

在芯线表面，采用纤维材料按照设定角度和设定方向，在芯线表面缠绕形成若干层纤维包裹层，得到簧丝半成品A；

采用预浸了弹性材料的纤维带，在簧丝半成品A的外表面编织形成一层表面具有弹性材料的纤维编织层；

将形成了纤维编织层的簧丝半成品A送入拉挤模具中拉挤成型，形成了弹性保护套，得到簧丝成品B，该簧丝半成品从内到外依次为芯线、纤维包裹层、弹性保护套，弹性保护套将纤维包裹层包裹在内，使得纤维包裹层在使用过程中不会与外物摩擦；

将簧丝半成品B牵引到芯模中，并且切割成设定长度，得到具有设定长度的簧丝半成品C；

将放置有簧丝半成品C的芯模送入RTM成型设备中，往簧丝半成品C的内部注射树脂材料，填充纤维包裹层内部的空隙，然后在RTM成型设备中固化成型，使得树脂成型在弹性保护套内，制得从内到外为芯线、纤维包裹层、弹性保护套的螺旋弹簧半成品A，弹性保护套的熔点温度高于树脂材料的固化成型温度；

在RTM成型设备中继续升温，使螺旋弹簧半成品A中的芯模熔融流出，并送到相应的芯模铸造模具铸成新的芯模，然后得到除去了芯模的旋弹簧半成品B；

开模取出螺旋弹簧半成品B，切除两端余料，把两端端面磨平，从而制得车用悬架复合材料螺旋弹簧。

2.根据权利要求1所述的复合材料螺旋弹簧的生产方法，其特征在于，所述纤维包裹层在缠绕时，按照先顺时针缠绕一层再逆时针缠绕一层，或者先逆时针缠绕一层再顺时针缠绕一层的顺序交替缠绕若干次得到。

3.根据权利要求1所述的复合材料螺旋弹簧的生产方法，其特征在于，所述弹性材料选择为天然橡胶、合成橡胶、热塑性树脂、低温固化的环氧树脂或热塑性硅树脂。

4.根据权利要求1所述的复合材料螺旋弹簧的生产方法，其特征在于，所述用于缠绕形成纤维包裹层的纤维材料为玻璃纤维、碳纤维、超高密度聚乙烯纤维、玄武石纤维以及凯夫拉之中的一种或者几种混合使用。

5.根据权利要求1所述的复合材料螺旋弹簧的生产方法，其特征在于，所述注射到簧丝半成品C内部的树脂选择为不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂或呋喃树脂；芯模选择水溶性模、低熔点合金模、组合式金属模、气体辅助橡胶模、石腊模、砂型模或者螺槽金属模，并且芯模的熔融温度低于弹性材料的固化成型温度。

6.一种复合材料螺旋弹簧的生产设备，其特征在于，包括依次排布的：

多层缠绕装置，用于在芯线表面缠绕形成纤维包裹层；

编织装置，用于在纤维包裹层表面编织形成纤维层；

拉挤模具，用于拉挤成型，形成弹性保护套，将纤维层、纤维包裹层包裹在内；

牵引装置，用于将簧丝牵引到指定位置；

可熔芯模，用于放置簧丝；

RTM成型装置，用于成型固化，并使簧丝内的芯模熔融流出；

芯模铸造模具，用于将熔融的芯模再次铸造为新的芯模，进行循环利用。

7.根据权利要求6所述的复合材料螺旋弹簧的生产设备，其特征在于，所述多层缠绕装置包括导轮、转盘机构、纤维卷筒和导向器，纤维卷筒用于放置纤维材料，纤维卷筒和导向器装在转盘上，芯线从导轮中引过，转盘机构带动纤维卷筒和导向器围绕芯线旋转，使纤维卷筒上的纤维材料缠绕在芯线表面。

8.根据权利要求7所述的复合材料螺旋弹簧的生产设备，其特征在于，所述编织装置设在多层缠绕装置的下方区域，编织装置包括若干个编织卷筒，编织卷筒用于放置预渍了弹性材料的纤维带。

9.根据权利要求8所述的复合材料螺旋弹簧的生产设备，其特征在于，所述芯模上具有定位凹槽和螺旋凹槽，其中在芯模的两端各设置一个定位凹槽。

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