CN114506099A - 一种碳纤维增强复合齿轮生产系统及工艺 - Google Patents

Abstract

一种碳纤维增强复合齿轮生产系统及工艺，该系统包括三维编织设备和成型设备，所述三维编织设备用于编织骨架，所述成型设备包括下模具和上模具，所述下模具和上模具在闭合状态下构成用于成型所述齿轮的型腔，所述型腔内设置有定位柱和定位条，所述定位柱和定位条用于将所述骨架定位于型腔中，且所述骨架与型腔之间存在间隙。本发明通过定位柱、定位条使骨架和型腔之间存在间隙，使得在成型过程中，基材能够在骨架内部和间隙中形成连续的、一致的基体，从根源上避免了一火两锻工艺在用于复合材料齿轮时易产生熔接痕的问题，提高了复合材料齿轮的强度的同时缩短了工艺流程、提升了生产效率。

Description

一种碳纤维增强复合齿轮生产系统及工艺

技术领域

本发明涉及齿轮制造技术领域，具体涉及一种碳纤维增强复合齿轮生产系统及工艺。

背景技术

齿轮被广泛地应用于车辆、船舶、电厂、钢厂等工业领域中。现有的齿轮材料主要有金属材料、塑料及复合材料等。近年来，复合材料齿轮中，围绕如何有效地利用高性能纤维强化密度小、强韧性和抗腐蚀性能优异的铝及铝合金基体，以获得性能优异的轻质高强度复合材料进行了大量的研究。纤维增强铝基复合材料的增强纤维主要有碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维等。其中，高比强度、高比刚度的碳纤维更受人们青睐，其作为主要承载体，在高温下仍能够保持高强度和弹性模量。

为提高齿轮的强度、硬度等性能，专利CN102865350A公开了一种齿轮制造工艺，该工艺首先利用三维五向编织技术将钢丝编织成齿轮形的骨架，之后将骨架放入锻造模具中，并向模具内浇入硅铝合金作为齿轮的基体得到齿轮毛坯，最后，将毛坯放入精锻模具内进一步成型，以使得钢丝骨架位于齿轮的内部。利用该齿轮制造工艺得到的齿轮由于具有钢丝骨架作为增强体，其强度、硬度得到有效提升。

但是，通过设置增强体的齿轮制造工艺仅适用于金属材料，不适用于复合材料齿轮的制造。这是因为，该制造工艺需要首先将骨架的外壁贴附于模具的侧壁上进行浇灌以得到毛坯，再将毛坯放入另一模具中以在毛坯的外周形成另一层硅铝合金基体以使骨架位于齿轮内，此二次成型工艺不仅增加了生产成本、降低了生产效率，而且两次成型部分之间容易产生熔接痕，熔接痕对于金属合金材料的影响较小，但对于碳纤维复合材料而言，产生的熔接痕容易造成应力集中，从而降低齿轮整体的强度和硬度。此外，对于含有碳纤维丝的浇注材料，两次成型部分中碳纤维丝的伸展方向、分布不同，同样容易造成复合材料齿轮整体强度下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维增强复合齿轮生产系统及工艺，通过适用于碳纤维复合材料的一次成型模具，从根源上消除制造的齿轮上的熔接痕，同时，使齿轮主体中的短切碳纤维分布更加均匀，伸展方向一致，进而显著地提高复合材料齿轮的整体强度和硬度。

本发明通过下述技术方案实现：

一种碳纤维增强复合齿轮生产系统，包括三维编织设备和成型设备，所述三维编织设备用于编织骨架，所述成型设备包括下模具和上模具，所述下模具和上模具在闭合状态下构成用于成型所述齿轮的型腔，所述型腔内设置有定位柱和定位条，所述定位柱和定位条用于将所述骨架定位于型腔中，且所述骨架与型腔之间存在间隙。

本技术方案中，生产系统包括用于编织骨架结构的三维编织设备、以及在骨架的内部和外部成型齿轮基体的成型设备，以制得内部设置有骨架的复合材料齿轮，提高齿轮的硬度和强度。其中，三维编织设备可以采用现有的三维织机，通过三维四向编织技术、三维五向编织技术制得骨架，且骨架上具有足够大小的孔隙以便于熔融态的基材在骨架的内外流通。

本技术方案中，成型设备采用一次成型的模具，以使得填充、包裹骨架的基材中的短切碳纤维短切碳纤维的分布、拉伸方向更加一致、更加规律，不仅缩短工艺流程、提高生产效率，而且显著地提高了碳纤维齿轮的强度。

具体地，成型设备包括上、下模具，上、下模具包括开启状态和闭合状态，在开启状态下放入骨架或取出成型齿轮，在闭合状态下向型腔内浇入熔融态的基材以填充、包裹骨架。

型腔内设置有用于定位骨架的定位柱和定位条。定位柱的设置方式可以有多种，在一个或多个实施例中，所述定位柱自型腔的底面延伸至型腔的顶面与外部的进料设备连通，不仅能够定位骨架，还能够向型腔内进料；在一个或多个实施例中，所述定位柱一部分设置于下模具上、一部分设置于上模具上，在闭合状态下，上、下模具上的定位柱相互接合，一方面能够定位骨架，另一方面能够确保上、下模具的准确接合；在部分优选实施例中，定位柱至少有三根，至少三根定位柱沿圆周定位分布，在一个或多个实施例中，骨架的侧壁，也即齿轮面，与至少三根定位柱的外壁抵接，在一个或多个实施例中，骨架的中心设置有定位孔，定位孔与至少三根定位柱的外壁抵接。定位条的设置方式也可以有多种，在部分优选的实施例中，型腔的上表面、下表面、或者上下表面设置有定位条，在一个或多个实施例中，定位条也可以设置于定位柱上。

通过设置定位条和定位柱，能够限制骨架沿水平或竖直方向上的移动，进而将骨架定位于型腔中，并保持骨架与型腔之间存在间隙。当熔融态的基材进入到型腔中后，逐步填充骨架的内部、以及骨架与型腔之间的间隙，使得基材冷却后形成的基体将骨架包裹于其内，得到增强复合齿轮。

本技术方案中，通过定位柱、定位条使骨架和型腔之间存在间隙，使得在成型过程中，基材能够在骨架内部和间隙中形成连续的、一致的基体，从根源上避免了一火两锻工艺在用于复合材料齿轮时易产生熔接痕的问题，提高了复合材料齿轮的强度的同时缩短了工艺流程、提升了生产效率；更重要的是，对于包含有短切碳纤维的基材，该一次成型的生产系统能够提升短切碳纤维的流动距离，减少短切碳纤维的成团，使其更加充分地延展、拉伸，复合材料齿轮上各处的短切碳纤维的分布数量更加均匀，并沿特定的流向延伸、相互交缠，与骨架缠结，有效地提高了齿轮的整体强度。

作为本发明中下模具中定位条和定位柱的优选实施方式，所述下模具内设置有用于在齿轮上成型轴孔的轴孔成型件，所述轴孔成型件周围分布有至少三根定位柱，所述至少三根定位柱用于限制所述骨架沿水平方向的移动；所述型腔的底面上设置有位于下模具上的第一定位条，型腔的顶面上设置有位于上模具上的第二定位条，所述第一定位条、第二定位条用于相互配合限制所述骨架沿竖直方向的移动。

本技术方案中，在下模具中设置有轴孔成型件，所述轴孔成型件连通所述型腔以使得成型后的齿轮中心具有用于齿轮轴穿过的轴孔。轴孔成型件的周围分布的至少三根定位柱用于限制骨架沿水平方向移动，至少三根定位柱可以抵接骨架的齿圈，也即骨架的外壁上。优选地，可以在骨架的中心编织成型一个定位孔，以使得至少三根定位柱的侧壁与定位孔的内壁相互抵接，避免骨架沿水平方向移动。成型后，齿轮上对应定位柱所在的位置处形成通孔，该通孔能够在不显著降低齿轮强度的前提下降低齿轮的重量，使得齿轮的重量更轻。此外，在型腔底面和顶面上设置的第一、第二定位条，能够避免骨架在成型过程中上下移动，同时便于成型的齿轮出模，定位条不会对齿轮出模产生影响。

作为本发明的一种优选结构，定位柱除了能够定位骨架在型腔中的位置外，还能够向型腔内输入熔融态的基材。

具体地，所述上模具上设置有与外部进料设备连通的流道，所述定位柱的内部设置有接合腔，所述接合腔通过第一出料孔与下模具的内部连通，在所述闭合状态下，所述接合腔与所述流道连通。

本技术方案中，外部进料设备可以是成型设备的一部分，也可以是与成型设备相互独立的两套组件。进料设备用于将熔融态的基材压入上模具的流道中，基材沿流道流动并进入到定位柱的接合腔中，并从第一出料孔中流出、进入到型腔内。各定位柱的第一出料孔的出料方向可以相同，也可以不同，各定位柱的出料量可以相同，也可以不同。

本技术方案中，通过定位柱进料不仅使型腔结构更加紧凑，而且多根定位柱分散、同时进料，能够使熔融态的基材在流动过程中，骨架整体的受力更加均匀，不仅能够减少骨架的移动，而且能够避免骨架局部受力过高而变形、损坏，此外，通过定位柱从型腔中部进料，能够进一步延长短切碳纤维的移动距离，有利于短切碳纤维充分展开，大幅减少由于流动距离短、局部涡流、快速受型腔边缘冷却而导致的短切碳纤维团聚现象，有效地提高了复合材料齿轮的强度。

进一步地，所述至少三根定位柱沿圆周阵列分布，且任一定位柱的第一出料孔的出料方向与所述圆周的切线方向平行。本技术方案中，定位柱不仅在轴孔成型件周围沿圆周均匀分布，而且定位柱沿圆周阵列分布，以使得各定位柱的第一出料孔的方向随着定位柱在圆周上的位置不同而变化。同时，位于圆周阵列中的任一定位柱的第一出料孔的出料方向与该圆周的切线方向平行，以使得一根定位柱的出料方向始终朝向与其相邻的另一根定位柱，且相间的两根定位柱不会朝向同一根定位柱。以具有四根定位柱的下模具的俯视视角为例，上方定位柱的第一出料孔方向朝向左方定位柱，左方定位柱的第一出料孔方向朝向下方定位柱，以此类推。通过圆周阵列分布，从定位柱喷出的熔融态基材能够实现切圆出料的方式，推动型腔内的物料围绕中心的轴孔成型件做顺时针或者逆时针旋转，且在旋转的过程中由型腔的中心向边缘扩散，大幅地提升了熔融态基材的流动时间促使短切碳纤维充分展开、并能够在流动过程中相互交织、或者与骨架交缠，进而提高齿轮的强度和硬度，相较于直接冲向骨架，基材的切圆流动能够有效减小其对骨架的冲击力，避免基材移动、损坏骨架，再者，在成型过程中，熔融态基材一边流动、一边搅拌，其温度场分布更加均匀，不易出现局部过热的情况，齿轮质量更佳。

进一步地，所述第一出料孔的宽度从上至下逐渐减小。定位柱呈圆周阵列分布，使得从第一出料孔中流出熔融态基材能够整体上在型腔内围绕中心的轴孔成型件顺时针或逆时针旋转。在旋转的过程中，熔融态基材将在重力的作用下向型腔的底部移动。通过将第一出料孔的宽度设置为从上至下逐渐减小，能够使定位柱上方的出料量大于下方的出料量，进而使熔融态基材在旋转过程中物料分布更加均匀，并且，在基材的整体出料量达到一定量之前，基材的底部不会因与型腔低温壁面的过多接触而成型，有利于进一步提高齿轮的质量。

进一步地，所述第一出料孔的上端贯穿所述定位柱的顶面。定位柱的顶端为开口端，以实现其与流道、喷嘴的接合，第一出料孔的上端与顶端的连通，使得齿轮成型后，能够通过将齿轮顶起而出模。出模后，定位柱形成的通孔内存在有与通孔连接的残料，残料与通孔的连接件的宽度与第一出料孔的宽度相匹配，因此，通过简单的后处理工艺即可将残料从齿轮上移除。同时，第一出料孔上宽下窄的设计也有利于成型齿轮顺畅出模。

作为本发明的另一种优选结构，所述上模具上设置有喷嘴，所述喷嘴内设置有出料腔，所述出料腔与所述流道连通，所述喷嘴上设置有第二出料孔，在所述闭合状态下，所述喷嘴位于所述接合腔中、且所述第二出料孔与所述第一出料孔连通。本技术方案中，上模具上还设置有喷嘴，喷嘴的出料腔与流道连通，以使得在成型过程中，熔融态的基材能够经上模具的流道进入到出料腔中，再经第二出料孔、第一出料孔进入到骨架的内部，在骨架内形成顺时针或逆时针旋转成型。本技术方案通过设置喷嘴，一方面有利于上下模具合模时定位，另一方面，通过设置喷嘴与第一出料孔的夹角，喷嘴的尺寸，能够使出料腔中的熔融态基材以更快的速度喷涌而出，更加有利于基材在型腔内进行切圆流动。此外，在成型完成后，通常基材挤出装置会利用负压收料，而利用喷嘴可以将出料腔中的部分熔融态基材吸入至流道内，从而减少成型齿轮上对应于定位柱的通孔处所连接的残料量，进一步降低生产成本。

本发明还提供一种碳纤维增强复合齿轮生产工艺，该工艺采用前述任一种生产系统，该生产工艺具体包括以下步骤：

碳纤维束与金属丝相互缠绕得到碳纤维复合金属丝，三维编织所述碳纤维复合金属丝得到骨架，所述骨架上设置有定位孔，所述定位孔贯穿所述骨架的上、下端面；将所述骨架放入型腔，骨架的定位孔与所述定位柱的外壁抵接，骨架的上、下端面与定位条抵接，骨架与型腔之间存在间隙；向型腔内浇入熔融态的碳纤维复合基材，成型后获得内部设置有骨架的碳纤维增强复合齿轮。

本技术方案中，碳纤维优选采用聚丙烯腈基碳纤维，金属丝优选采用铝丝，将若干根碳纤维单丝制成的碳纤维束与金属丝进行缠绕绑定得到碳纤维复合金属丝，将该碳纤维复合金属丝作为“纱线”进行织造，三维编织的架构形状、经纬间距尺寸可通过数控编程进行控制，优选地，骨架外侧的齿圈的碳纤维复合金属丝更密，而骨架中心的端面上的碳纤维复合金属丝更疏，不仅有利于形成曲率变化更大的齿结构，而且结构更加稳固，避免在成型过程中受熔融态基材的挤压而产生形变。

采用三维编织技术将碳纤维复合金属丝编织成具有足够孔隙率的骨架，以使得熔融态的基材能够从骨架的任何位置流入或流出骨架。在编织过程中，骨架上设置有定位孔，该定位孔用于与型腔中的定位柱固定，以限制骨架的横向移动，同时，骨架的上、下端面抵接至定位条以限制骨架的纵向移动，通过定位柱、定位条，骨架能够牢固地定位于型腔中且保持其端面、侧面与型腔的内壁之间存在足够的间隙，以形成包裹于骨架外侧的基体。

骨架定位于型腔中后，即可通过注塑机、挤出机等设备向型腔中浇入熔融态的基材，并在填充整个型腔后逐渐冷却，得到碳纤维复合齿轮。

进一步地，所述碳纤维复合基材按重量份计，包括短切碳纤维10～15份、石墨5～10份、PEEK树脂40～70份。本技术方案中，以PEEK(聚醚醚酮)树脂作为基材，于其中添加有短切碳纤维和石墨，其中，短切碳纤维与碳纤维束优选采用同一种碳纤维材料，石墨用于提高成型后的齿轮整体的润滑程度，能够一定程度上减少机油的用量。通过上述组分和配比，由PEEK树脂作为主要成分的齿轮不仅重量小、传动平稳，而且在型腔内充分延展的短切碳纤维能够与碳纤维复合金属丝形成的骨架相互缠绕，能够有效地提高齿轮的整体强度和硬度。

进一步地，所述短切碳纤维的长度为20～35mm。由于采用了前述的生产系统，因此短切碳纤维在随基材流动的过程中，定向流动时间更长、流动距离更长、短切碳纤维能够充分地展开，分布更加均匀，大幅地降低了短切碳纤维的团聚效应，故在本技术方案中，可以采用长度更长的短切碳纤维，使短切碳纤维更加容易与骨架缠结，进而提高齿轮整体的拉伸强度。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过定位柱、定位条使骨架和型腔之间存在间隙，使得在成型过程中，基材能够在骨架内部和间隙中形成连续的、一致的基体，从根源上避免了一火两锻工艺在用于复合材料齿轮时易产生熔接痕的问题，提高了复合材料齿轮的强度的同时缩短了工艺流程、提升了生产效率；

2、本发明对于包含有短切碳纤维的基材，能够提升短切碳纤维的流动距离，减少短切碳纤维的成团，使其更加充分地延展、拉伸，复合材料齿轮上各处的短切碳纤维的分布数量更加均匀，并沿特定的流向延伸、相互交缠，与骨架缠结，有效地提高了齿轮的整体强度；

3、本发明利用定位柱进料，不仅使型腔结构更加紧凑，而且多根定位柱分散、同时进料，能够使熔融态的基材在流动过程中，骨架整体的受力更加均匀，不仅能够减少骨架的移动，而且能够避免骨架局部受力过高而变形、损坏，此外，通过定位柱从型腔中部进料，能够进一步延长短切碳纤维的移动距离，有利于短切碳纤维充分展开，大幅减少由于流动距离短、局部涡流、快速受型腔边缘冷却而导致的短切碳纤维团聚现象，有效地提高了复合材料齿轮的强度；

4、本发明的定位柱采用圆周阵列分布，使得从定位柱喷出的熔融态基材能够实现切圆出料的方式，推动型腔内的物料围绕中心的轴孔成型件做顺时针或者逆时针旋转，且在旋转的过程中由型腔的中心向边缘扩散，大幅地提升了熔融态基材的流动时间促使短切碳纤维充分展开、并能够在流动过程中相互交织、或者与骨架交缠，进而提高齿轮的强度和硬度，相较于直接冲向骨架，基材的切圆流动能够有效减小其对骨架的冲击力，避免基材移动、损坏骨架，再者，在成型过程中，熔融态基材一边流动、一边搅拌，其温度场分布更加均匀，不易出现局部过热的情况，齿轮质量更佳；

5、本发明通过在上模具上设置喷嘴，使出料腔中的熔融态基材以更快的速度喷涌而出，更加有利于基材在型腔内进行切圆流动，此外，在成型完成后，通常基材挤出装置会利用负压收料，而利用喷嘴可以将出料腔中的部分熔融态基材吸入至流道内，从而减少成型齿轮上对应于定位柱的通孔处所连接的残料量，进一步降低生产成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例中生产系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中成型模具在开启状态下的结构示意图；

图3为本发明具体实施例中成型模具在闭合状态下的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中下模具的俯视示意图；

图5为本发明具体实施例中定位柱的结构示意图；

图6为本发明具体实施例中生产工艺的流程框图；

图7为本发明具体实施例中制造得到的齿轮的结构示意图，隐去了包裹于骨架外侧的基体。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-固定台，2-开合模油缸，3-移动板，4-下模具，41-定位柱，42-第一出料孔，43-接合腔，44-第一定位条，45-顶杆，46-下模具型腔，47-轴孔成型件，5-上模具，51-喷嘴，52-第二出料孔，53-出料腔，54-第二定位条，55-流道，56-第二加热丝，6-基座，7-计量电机，8-挤出筒，81-挤出头，9-螺杆，10-料斗，11-第一加热丝，12-出模油缸，121-活塞杆，122-顶杆，13-骨架，14-基体，15-定位孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法即可制备。

本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯或碳纤维复合材料领域常规的纯度要求。

本发明对所述取代基的表达方式没有特别限制，均采用本领域技术人员熟知的表达方式，本领域技术人员基于常识，可根据其表达方式正确理解其含义。

本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或者通过常规方法制备得到。

实施例1：

如图1至图3所示的一种碳纤维增强复合齿轮生产系统，包括三维编织设备和成型设备，所述三维编织设备用于编织骨架13，所述成型设备包括下模具4和上模具5，所述下模具4和上模具5在闭合状态下构成用于成型所述齿轮的型腔，所述型腔内设置有定位柱41和定位条，所述定位柱41和定位条用于将所述骨架13定位于型腔中，且所述骨架13与型腔之间存在间隙；所述下模具4内设置有用于在齿轮上成型轴孔的轴孔成型件47，所述轴孔成型件47周围分布有至少三根定位柱41，所述至少三根定位柱41用于限制所述骨架13沿水平方向的移动；所述型腔的底面上设置有位于下模具4上的第一定位条44，型腔的顶面上设置有位于上模具5上的第二定位条54，所述第一定位条44、第二定位条54用于相互配合限制所述骨架13沿竖直方向的移动。

本实施例中，三维编织设备可以采用现有的三维织机，通过三维四向编织技术、三维五向编织技术制得骨架，且骨架上具有足够大小的孔隙以便于熔融态的基材在骨架的内外流通。

在部分实施例中，如图4所示，定位柱有四根。

在部分实施例中，所述定位柱一部分设置于下模具上、一部分设置于上模具上，在闭合状态下，上、下模具上的定位柱相互接合，一方面能够定位骨架，另一方面能够确保上、下模具的准确接合。

通过设置定位条和定位柱，能够限制骨架沿水平或竖直方向上的移动，进而将骨架定位于型腔中，并保持骨架与型腔之间存在间隙。当熔融态的基材进入到型腔中后，逐步填充骨架的内部、以及骨架与型腔之间的间隙，使得基材冷却后形成的基体将骨架包裹于其内，得到增强复合齿轮。

在部分实施例中，如图1所示，成型设备包括固定台1，固定台1上设置有上模具5，固定台1上还设置有开合模油缸2，其中是，开合模油缸2的活塞杆连接有移动板3，并能够驱动移动板3上下移动，移动板3上设置有下模具4，因此，在开合模油缸2的驱动下，下模具4能够朝向或背向上模具5移动，以实现上、下模具在开启状态和闭合状态间的切换。

在一个或多个实施例中，如图1所示，成型设备自身设置有基材挤出装置，具体地，固定台1上设置有基座6，基座6上设置有计量电机7，计量电机7的输出端连接有螺杆9，螺杆9的外侧套设有挤出筒8，螺杆9在计量电机7的驱动下，在挤出筒8内旋转，以在计量电机7旋转一定角度时，将该角度对应量的基材通过挤出头81压入上模具内，从而实现对型腔的进料。在一个实施例中，上模具5上还设置有第二加热丝56。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述上模具5上设置有与外部进料设备连通的流道55，所述定位柱41的内部设置有接合腔43，所述接合腔43通过第一出料孔42与下模具4的内部连通，在所述闭合状态下，所述接合腔43与所述流道55连通。

通过定位柱进料不仅使型腔结构更加紧凑，而且多根定位柱分散、同时进料，能够使熔融态的基材在流动过程中，骨架整体的受力更加均匀，不仅能够减少骨架的移动，而且能够避免骨架局部受力过高而变形、损坏，此外，通过定位柱从型腔中部进料，能够进一步延长短切碳纤维的移动距离，有利于短切碳纤维充分展开，大幅减少由于流动距离短、局部涡流、快速受型腔边缘冷却而导致的短切碳纤维团聚现象，有效地提高了复合材料齿轮的强度。

在部分优选的实施例中，如图4所示，所述至少三根定位柱41沿圆周阵列分布，且任一定位柱41的第一出料孔42的出料方向与所述圆周的切线方向平行。通过圆周阵列分布，从定位柱喷出的熔融态基材能够实现切圆出料的方式，推动型腔内的物料围绕中心的轴孔成型件做顺时针或者逆时针旋转，且在旋转的过程中由型腔的中心向边缘扩散，大幅地提升了熔融态基材的流动时间促使短切碳纤维充分展开、并能够在流动过程中相互交织、或者与骨架交缠，进而提高齿轮的强度和硬度。

在部分实施例中，如图5所示，所述第一出料孔42的宽度从上至下逐渐减小。在一个或多个实施例中，第一出料孔可以是连续的一根条形孔，也可以是由多个通孔构成的通孔组。

在部分实施例中，所述第一出料孔42的上端贯穿所述定位柱41的顶面。出模后，定位柱形成的通孔内存在有与通孔连接的残料，残料与通孔的连接件的宽度与第一出料孔的宽度相匹配，因此，通过简单的后处理工艺即可将残料从齿轮上移除。同时，第一出料孔上宽下窄的设计也有利于成型齿轮顺畅出模。在一个或多个实施例中，移动板3上还设置有位于下模具4下方的出模油缸12，出模油缸12的活塞杆121上设置有顶杆122，顶杆122能够向上移动插入至下模具中，以在成型后将齿轮顶出模具。

实施例3：

在上述实施例的基础上，如图1至图3所示，所述上模具5上设置有喷嘴51，所述喷嘴51内设置有出料腔53，所述出料腔53与所述流道55连通，所述喷嘴51上设置有第二出料孔52，在所述闭合状态下，所述喷嘴51位于所述接合腔43中、且所述第二出料孔52与所述第一出料孔42连通。

优选地，喷嘴与第一出料孔的夹角不大于40°，进一步优选地，所述喷嘴的宽度为第一出料孔的平均宽度的0.3～0.8倍。

通过设置喷嘴，一方面有利于上下模具合模时定位，另一方面，通过设置喷嘴与第一出料孔的夹角，喷嘴的尺寸，能够使出料腔中的熔融态基材以更快的速度喷涌而出，更加有利于基材在型腔内进行切圆流动。

实施例4：

如图6所示的一种碳纤维增强复合齿轮生产工艺，采用前述任一实施例所述的生产系统，所述生产工艺包括以下步骤：

碳纤维束与金属丝相互缠绕得到碳纤维复合金属丝，三维编织所述碳纤维复合金属丝得到骨架13，所述骨架13上设置有定位孔15，所述定位孔15贯穿所述骨架13的上、下端面；将所述骨架13放入型腔，骨架13的定位孔15与所述定位柱41的外壁抵接，骨架13的上、下端面与定位条抵接，骨架13与型腔之间存在间隙；向型腔内浇入熔融态的碳纤维复合基材，成型后获得内部设置有骨架13的碳纤维增强复合齿轮。

为更好地显示骨架13的结构，图7示出了隐去骨架外包裹的基体的复合材料齿轮。如图7所示，骨架的碳纤维复合金属丝密度由边缘向中心逐渐稀疏，且中心具有用于与定位柱外壁抵接的定位孔。靠近定位孔的基体部分形成有由定位柱、喷嘴产生的四个通孔。

在部分实施例中，在碳纤维束与金属丝缠绕之前，可对碳纤维束进行粗化、敏化、活化等预处理。

在部分实施例中，在成型前，可对骨架进行预热，以使骨架达到接近熔融态基材的温度，避免基材在与骨架接触后快速冷却成型，不利于基材的整体切圆流动。

在部分实施例中，所述碳纤维复合基材按重量份计，包括短切碳纤维10～15份、石墨5～10份、PEEK树脂40～70份。通过上述组分和配比，由PEEK树脂作为主要成分的齿轮不仅重量小、传动平稳，而且在型腔内充分延展的短切碳纤维能够与碳纤维复合金属丝形成的骨架相互缠绕，能够有效地提高齿轮的整体强度和硬度。

在一个或多个实施例中，所述短切碳纤维的长度为20～35mm。采用长度更长的短切碳纤维，使充分延展后的短切碳纤维能够更容易与骨架缠结，进而提高齿轮整体的拉伸强度。

本文中所使用的“第一”、“第二”等(例如第一定位条、第二定位条，第一出料孔、第二出料孔等)只是为了描述清楚起见而对相应部件进行区别，不旨在限制任何次序或者强调重要性等。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维增强复合齿轮生产系统，包括三维编织设备和成型设备，所述三维编织设备用于编织骨架(13)，所述成型设备包括下模具(4)和上模具(5)，所述下模具(4)和上模具(5)在闭合状态下构成用于成型所述齿轮的型腔，其特征在于，所述型腔内设置有定位柱(41)和定位条，所述定位柱(41)和定位条用于将所述骨架(13)定位于型腔中，且所述骨架(13)与型腔之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强复合齿轮生产系统，其特征在于，所述下模具(4)内设置有用于在齿轮上成型轴孔的轴孔成型件(47)，所述轴孔成型件(47)周围分布有至少三根定位柱(41)，所述至少三根定位柱(41)用于限制所述骨架(13)沿水平方向的移动；所述型腔的底面上设置有位于下模具(4)上的第一定位条(44)，型腔的顶面上设置有位于上模具(5)上的第二定位条(54)，所述第一定位条(44)、第二定位条(54)用于相互配合限制所述骨架(13)沿竖直方向的移动。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维增强复合齿轮生产系统，其特征在于，所述上模具(5)上设置有与外部进料设备连通的流道(55)，所述定位柱(41)的内部设置有接合腔(43)，所述接合腔(43)通过第一出料孔(42)与下模具(4)的内部连通，在所述闭合状态下，所述接合腔(43)与所述流道(55)连通。

4.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强复合齿轮生产系统，其特征在于，所述至少三根定位柱(41)沿圆周阵列分布，且任一定位柱(41)的第一出料孔(42)的出料方向与所述圆周的切线方向平行。

5.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强复合齿轮生产系统，其特征在于，所述第一出料孔(42)的宽度从上至下逐渐减小。

6.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强复合齿轮生产系统，其特征在于，所述第一出料孔(42)的上端贯穿所述定位柱(41)的顶面。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的一种碳纤维增强复合齿轮生产系统，其特征在于，所述上模具(5)上设置有喷嘴(51)，所述喷嘴(51)内设置有出料腔(53)，所述出料腔(53)与所述流道(55)连通，所述喷嘴(51)上设置有第二出料孔(52)，在所述闭合状态下，所述喷嘴(51)位于所述接合腔(43)中、且所述第二出料孔(52)与所述第一出料孔(42)连通。

8.一种碳纤维增强复合齿轮生产工艺，其特征在于，采用权利要求1～7中任一项所述的生产系统，所述生产工艺包括以下步骤：

碳纤维束与金属丝相互缠绕得到碳纤维复合金属丝，三维编织所述碳纤维复合金属丝得到骨架(13)，所述骨架(13)上设置有定位孔(15)，所述定位孔(15)贯穿所述骨架(13)的上、下端面；

将所述骨架(13)放入型腔，骨架(13)的定位孔(15)与所述定位柱(41)的外壁抵接，骨架(13)的上、下端面与定位条抵接，骨架(13)与型腔之间存在间隙；

向型腔内浇入熔融态的碳纤维复合基材，成型后获得内部设置有骨架(13)的碳纤维增强复合齿轮。

9.根据权利要求8所述的一种碳纤维增强复合齿轮生产工艺，其特征在于，所述碳纤维复合基材按重量份计，包括短切碳纤维10～15份、石墨5～10份、PEEK树脂40～70份。

10.根据权利要求9所述的一种碳纤维增强复合齿轮生产工艺，其特征在于，所述短切碳纤维的长度为20～35mm。

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