CN115871265A - 一种复合材料螺旋弹簧的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料螺旋弹簧的制造方法，所述方法包括以下步骤：S1，采用热塑性胶料制得表面设有螺旋凹槽的空心芯模；S2，将未固化的复合材料簧丝预制件，绕制到空心芯模外表面的螺旋凹槽里，复合材料簧丝预制件两端分别固定在空心芯模两端；S3，加热固化成型，得到复合材料螺旋弹簧半成品；S4，把空心芯模挤压变形缩小，使复合材料螺旋弹簧半成品与空心芯模分离；S5，将挤压缩小的空心芯模破碎回收使用，再制作成新的空心芯模；S6，螺旋弹簧半成品切除两端余料并磨平，根据需要进行表面处理。本发明制品尺寸精度高，表面质量好，生产成本低，在车用悬挂复合材料螺旋弹簧方面具有广阔的市场前景。

Description

一种复合材料螺旋弹簧的制造方法

技术领域

本发明属于螺旋弹簧制造技术领域，具体地说是一种复合材料螺旋弹簧的制造方法。

背景技术

目前，市场上机动车辆悬挂弹簧仍然主要使用中间圆柱形、两端收口式的金属螺旋弹簧，这种金属弹簧的技术非常成熟，但是缺点是较重，不利于节能减排，而且不耐腐蚀。已有科研人员尝试使用质量更轻且耐腐蚀性更强的复合材料螺旋弹簧代替它们。然而，由于复合材料螺旋弹簧的成型工艺与金属螺旋弹簧工艺截然不同，导致金属螺旋弹簧的成熟工艺技术无法直接借鉴使用。车用悬挂复合材料螺旋弹簧主要是两端收口式的或者腰部大两头小的鼓形，这样的形状导致固化之后芯模难以脱出。有科研人员用纸、石蜡或者低熔点金属等材质制作芯模，也有人把芯模分为多件复杂的组合散件拼凑而成，以达到抽芯脱模目的。

HEXION与SOGEFI集团下属分公司S.ARA Composites SAS联合开发了一种复合材料螺旋弹簧，已经在奥迪轿车上使用。其制造过程中也使用低熔点合金制作芯模，复合材料螺旋弹簧固化之后继续升温把芯模熔融脱落，脱落的低熔点合金再次回收利用制得新的芯模。更加详细的制作过程仍未有公开。不过，低熔点合金本身价格昂贵，生产过程中也容易高温氧化以及释放有毒气体，而且需要重复地熔化和铸造体积较大的芯模，能耗较高，搬运不方便，有悖于节能减排的环保趋势。

CN103221199B公开了标致雪铁龙汽车公司采用硅胶气囊作为芯模来生产复合材料螺旋弹簧的制造方法。他们所用气囊芯模易于制作，而且可以循环重复使用，从而可以大大地降低生产成本。然而，气囊材质为硅胶等软质材料，每个气囊本身的软硬度会有微小差异。气囊内腔通入压缩气体会因为气压不同而膨胀程度不同。合模后加热固化时气囊内部压缩气体的气压又会因升温不同而不同。这些因数会影响气囊的膨胀程度，从而影响到螺旋弹簧的尺寸精度，进而影响螺旋弹簧的质量稳定性。

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制造方法。

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制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1，采用热塑性胶料制得表面设有螺旋凹槽的空心芯模；

S2，将未固化的复合材料簧丝预制件，绕制到空心芯模外表面的螺旋凹槽里，复合材料簧丝预制件两端分别固定在空心芯模两端；

S3，加热固化成型，得到复合材料螺旋弹簧半成品；

S4，把空心芯模挤压变形缩小，使复合材料螺旋弹簧半成品与空心芯模分离；

S5，将挤压缩小的空心芯模破碎回收使用，再制作成新的空心芯模；

S6，螺旋弹簧半成品切除两端余料并磨平，根据需要进行表面处理。

所述步骤1中，空心芯模采用挤出中空吹塑成型、注吹成型、注拉吹成型、吸塑成型、滚塑成型或者注塑件组装成型方式制备得到。

所述步骤S2中，复合材料簧丝预制件采用以下步骤制造：

S2.1，选用一根橡胶条作为主芯；

S2.2，在橡胶条的表面均匀缠绕一层单向玻纤预浸带，该层的玻纤方向与橡胶条轴线按设定角度+θ布置，形成第一层预浸带；

S2.3，在第一层预浸带的表面，又均匀缠绕一层单向玻纤预浸带，该层的玻纤方向与橡胶条轴线按设定角度-θ布置，形成第二层预浸带；

S2.4，完成一次步骤S2.2和步骤S2.3为一个工序，然后重复步骤S2.2和步骤S2.3，在橡胶条上缠绕若干层预浸带；

S2.5，在橡胶条最外层的预浸带表面再捆卷若干层热缩膜，得到复合材料簧丝预制件。

所述橡胶条选择为圆形状，橡胶条表面缠绕的预浸带的层数选择为偶数层，设定角度+θ为+45度，设定角度-θ为-45度。

所述热缩膜具有缝口起点和缝口终点，该热缩膜的缝口起点并且将缝口终点设置在与缝口起点相邻的区域，缝口起点位于内层与预浸带层接触，缝口终点位于最外层，将热缩膜的缝口终点涂上胶水。

所述步骤S2中，将复合材料簧丝预制件绕制在螺旋凹槽之前，先将复合材料簧丝预制件按40～100℃预热5～30分钟，然后再绕制到空心芯模外表面的螺旋凹槽里，将热缩膜最外面的缝口终点布置在螺旋凹槽外侧。

所述复合材料簧丝预制件的两端分别用一根耐高温弹性橡皮筋固定连接，然后将橡皮筋沿着螺旋凹槽绕制一圈再挂在芯模末端，使橡皮筋保持拉伸状态，橡皮筋的收缩弹力使得簧丝预制件一直保持拉紧状态。

所述步骤S4中，采用脱芯装置将空心芯模挤压变形缩小，该脱芯装置包括固定座，固定座内设有用于容纳空心芯模的空腔，固定座侧壁设有若干个滑动机构，该滑动机构包括驱动器和推杆，推杆与驱动器的输出端连接，推杆伸入固定座的空腔中。

所述复合材料簧丝预制件的热融温度低于空心芯模的热融温度。

所述步骤S3中，在加热固化过程中，先将装配了复合材料簧丝预制件的空心芯模送到固化烤箱中，将温度保持在80～100℃进行第一次固化成型，然后再输送到后处理烤箱中，将温度保持在100～150℃进行第二次固化成型，采用红外线来加热升温，复合材料簧丝预制件的固化温度低于100℃，空心芯模的热融温度高于150℃。

本发明与现有技术相比，具有以下有益技术效果：

空心芯模采用热塑性胶料制得，壁薄质轻，搬运方便；刚性足够，使复合材料螺旋弹簧尺寸精度高；空心芯模在复合材料螺旋弹簧半成品固化之后又能方便地取出并循环回收利用；复合材料螺旋弹簧的整个制作过程人工少，自动化程度高，非常有利于低成本量产。

附图说明

图1是本发明挤出吹塑成型制作空心芯模的示意图；

图2是本发明簧丝预制件的层状结构示意图；

图3是本发明簧丝预制件绕制在空心芯模上的示意图；

图4是本发明输送带及烤箱示意图；

图5是本发明圆形脱芯装置示意图；

图6是本发明螺旋弹簧示意图。

附图标记：

料斗101，螺杆102，吹塑模头103，空心管坯104，吹塑模具105，吹针106，半成品空心芯模107，空心芯模108，螺旋凹槽109，芯模末端11a,芯模末端11b,复合材料簧丝预制件2，橡胶条201，单向玻纤预浸带202a，单向玻纤预浸带202b，热缩膜203，缝口起点204a缝口终点204b，输送带4，支撑圆杆401，固化烤箱402，复合材料螺旋弹簧半成品403，后处理烤箱404，脱芯装置5，固定座501，驱动器502，推杆503，复合材料螺旋弹簧产品6。

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。

实施例一

一种复合材料螺旋弹簧的制造方法，包括以下步骤：

S1，采用热塑性胶料制得表面设有螺旋凹槽的空心芯模，所述热塑性胶料可以是PP、PE、ABS、PVC和PC中的一种或者其中几种胶料混合使用，在本实施例中，优选使用PP(聚丙烯)。可通过挤出中空吹塑成型、注吹成型、注拉吹成型、吸塑成型、滚塑成型以或者注塑件组装成型方式制备。本实施例中优选使用挤出中空吹塑成型。

S2，将未固化的复合材料簧丝预制件，绕制到空心芯模外表面的螺旋凹槽里，复合材料簧丝预制件两端分别固定在空心芯模两端。

S3，加热固化成型，得到复合材料螺旋弹簧半成品。

S4，把空心芯模挤压变形缩小，使复合材料螺旋弹簧半成品与空心芯模分离。

S5，将挤压缩小的空心芯模破碎回收使用，再制作成新的空心芯模。

S6，螺旋弹簧半成品切除两端余料并磨平，根据需要进行表面处理。

复合材料簧丝预制件的固化温度低于空心芯模的热融温度。在加热固化成型过程中，复合材料簧丝预制件受热使得内部的树脂熔融成液体，热缩膜吸热发生收缩，螺旋弹簧预制件截面被收缩成圆形，内部的纤维及树脂也变得非常密实，从而固化成为螺旋弹簧半成品。与此同时，空心芯模也加热升温，但是由于此时的固化温度仍低于聚丙烯热变形温度，仍然有足够刚性保持不变形，使得空心芯模不会变形，从而保证复合材料螺旋弹簧产品精度高。

实施例二

参考图1所示，所述步骤S1中，制备空心芯模时，具体为：将吹塑级聚丙烯胶粒倒入料斗101，经过挤出机120～220℃加热熔融、螺杆102旋转塑化为熔体，从吹塑模头103竖直挤出下来成为空心管坯104。空心管坯104进入到打开的吹塑模具105中间，当空心管坯104挤出长度达到设定值之后，吹塑模具105合模夹紧空心管坯104，空心管坯104在吹塑模头103和吹塑模具105之间被切断，然后一支吹针106从上方竖直插入空心管坯104里，3～50bar压缩空气从吹针106进入空心管坯内部并使其膨胀而紧密地贴到吹塑模具105型腔内壁，冷却定型之后，吹塑模具105打开，取出带有飞边的半成品空心芯模107，去除飞边之后即可制得表面设有螺旋凹槽109的空心芯模108。空心管坯壁厚不同，所制得的空心芯模壁厚也不同，具体壁厚可根据复合材料螺旋弹簧的大小和形状而调整。空心芯模108具有圆口111。

如图2和3所示，所述步骤S2中，复合材料簧丝预制件采用以下步骤制造：

S2.1，选用一根圆形橡胶条201作为主芯。

S2.2，在橡胶条201的表面均匀缠绕一层单向玻纤预浸带202a，该层的玻纤方向与橡胶条轴线按设定角度+θ布置，形成第一层预浸带。

S2.3，在第一层预浸带的表面，又均匀缠绕一层单向玻纤预浸带202b，该层的玻纤方向与橡胶条轴线按设定角度-θ布置，形成第二层预浸带。

S2.4，完成一次步骤S2.2和步骤S2.3为一个工序，然后重复步骤S2.2和步骤S2.3，在橡胶条上缠绕若干层预浸带；即按照步骤S2.2缠绕一层后，再按照步骤S2.3缠绕一层，然后再按照步骤S2.2缠绕一层，接着继续以步骤S2.3缠绕一层，直到完成设定的层数。

S2.5，在橡胶条最外层的预浸带表面再捆卷若干层热缩膜203，得到复合材料簧丝预制件2。

所述橡胶条选择为圆形状，橡胶条表面缠绕预浸带的层数优先选择为偶数层，设定角度+θ为+45度，设定角度-θ为-45度。

所述热缩膜203具有缝口起点204a和缝口终点204b，该热缩膜203的缝口起点并且将缝口终点设置在与缝口起点相邻的区域，缝口起点位于内层与预浸带层接触，缝口终点位于最外层，将热缩膜的缝口终点涂上胶水，使之不会松散开来，保持紧密性。

所述步骤S2中，将复合材料簧丝预制件2绕制在螺旋凹槽109之前，先将复合材料簧丝预制件按40～100℃预热5～30分钟，然后再绕制到空心芯模外表面的螺旋凹槽里，将热缩膜最外面的缝口终点布置在螺旋凹槽外侧。

所述复合材料簧丝预制件的两端分别用一根耐高温弹性橡皮筋固定连接，然后将橡皮筋沿着螺旋凹槽绕制一圈再挂在芯模末端，使橡皮筋保持拉伸状态，橡皮筋的收缩弹力使得簧丝预制件2一直保持拉紧状态，从而使其内部玻纤承受拉力而处于拉伸状态。

经测试，螺旋弹簧簧丝内侧受到剪切应力最大，也是最先屈服破裂的部位。在步骤S2里已经把热缩膜203的缝口起点204a和缝口终点204b优选布置在接近部位。复合材料簧丝预制件2绕制到空心芯模108螺旋凹槽109时把缝口终点204b朝外侧，从而容易控制热缩膜203的缝口起点204a也朝外侧，从而避免缝口起点204a在簧丝内层而容易引起开裂现象。

实施例三

参考图4～图6所示，在各个机构中，还设置有传送机构，包括驱动组件和输送带4，驱动组件带动输送带4循环输送，输送带4上设有若干件支撑圆杆401，空心芯模的圆口111直接倒立套在支撑圆杆401上，在输送带4前段固定若干件步骤S2制得的复合材料簧丝预制件2及空心模芯108；输送带4移动一定距离把它们一起送入位于输送带4中段的固化烤箱402。支撑圆杆401能够水平自转从而带动空心模芯108随之自转，使得复合材料簧丝预制件被红外线均匀加热升温。当温度上升到80～100℃时，复合材料簧丝预制件2里面的树脂熔融成液体，热缩膜203吸热发生热收缩，复合材料簧丝预制件截面被收缩成圆形，内部的纤维及树脂也变得非常密实，从而固化成为复合材料螺旋弹簧半成品403。与此同时，空心芯模108也被红外线加热升温，但是由于温度仍低于聚丙烯热变形温度，仍然有足够刚性保持不变形，从而保证复合材料螺旋弹簧产品精度高。

输送带4继续移动一定距离把制备得到的复合材料螺旋弹簧半成品403及空心模芯108送入后处理烤箱404，该后处理烤箱优选使用红外线来加热升温，支撑圆杆401和空心模芯108自转，使已经固化了的复合材料螺旋弹簧半成品403进一步固化定型。后处理烤箱404设置温度优选为100～150℃，这样有利于提升复合材料的固化率，也有利于使空心芯模108更软，后续步骤更易于脱芯。

复合材料螺旋弹簧半成品403及空心芯模108取出来放入圆形的脱芯装置5里定位固定，该脱芯装置5包括固定座501，固定座501内设有用于容纳空心芯模的空腔，固定座501侧壁设有若干个滑动机构，该滑动机构包括驱动器502和推杆503，推杆与驱动器的输出端连接，推杆503伸入固定座501的空腔中。滑动机构优选按螺旋形布置，推杆503布置在簧丝之间的空隙位置504，它们一起向内挤压把空心芯模108压扁缩小，使螺旋弹簧半成品403与空心芯模108分离。

最终挤压变小的空心芯模进行破碎回收利用，重新制成新的空心芯模，得到循环利用，节省资源。

取出复合材料螺旋弹簧半成品403，切除两端余料并磨平，根据需要把热缩膜剥离并进行表面处理，从而制得复合材料螺旋弹簧产品6。也有客户要求保留热缩膜203，这样更加有利于保护螺旋弹簧表面，从而提高使用寿命。

当然，除了以上所提及的复合材料螺旋弹簧预制件之外，还可以根据CN202111131976.9和CN202111163908.0所公开的方法制得，在此不再详细赘述。

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 (10)

1.一种复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，采用热塑性胶料制得表面设有螺旋凹槽的空心芯模；

S2，将未固化的复合材料簧丝预制件，绕制到空心芯模外表面的螺旋凹槽里，复合材料簧丝预制件两端分别固定在空心芯模两端；

S3，加热固化成型，得到复合材料螺旋弹簧半成品；

S4，把空心芯模挤压变形缩小，使复合材料螺旋弹簧半成品与空心芯模分离；

S5，将挤压缩小的空心芯模破碎回收使用，再制作成新的空心芯模；

S6，螺旋弹簧半成品切除两端余料并磨平，根据需要进行表面处理。

2.根据权利要求1所述的复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，空心芯模采用挤出中空吹塑成型、注吹成型、注拉吹成型、吸塑成型、滚塑成型或者注塑件组装成型方式制备得到。

3.根据权利要求2所述的复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，复合材料簧丝预制件采用以下步骤制造：

S2.1，选用一根橡胶条作为主芯；

S2.2，在橡胶条的表面均匀缠绕一层单向玻纤预浸带，该层的玻纤方向与橡胶条轴线按设定角度+θ布置，形成第一层预浸带；

S2.3，在第一层预浸带的表面，又均匀缠绕一层单向玻纤预浸带，该层的玻纤方向与橡胶条轴线按设定角度-θ布置，形成第二层预浸带；

S2.4，完成一次步骤S2.2和步骤S2.3为一个工序，然后重复步骤S2.2和步骤S2.3，在橡胶条上缠绕若干层预浸带；

S2.5，在橡胶条最外层的预浸带表面再捆卷若干层热缩膜，得到复合材料簧丝预制件。

4.根据权利要求3所述的复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述橡胶条选择为圆形状，橡胶条表面缠绕的预浸带的层数选择为偶数层，设定角度+θ为+45度，设定角度-θ为-45度。

5.根据权利要求4所述的复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述热缩膜具有缝口起点和缝口终点，该热缩膜的缝口起点并且将缝口终点设置在与缝口起点相邻的区域，缝口起点位于内层与预浸带层接触，缝口终点位于最外层，将热缩膜的缝口终点涂上胶水。

6.根据权利要求5所述的复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，将复合材料簧丝预制件绕制在螺旋凹槽之前，先将复合材料簧丝预制件按40～100℃预热5～30分钟，然后再绕制到空心芯模外表面的螺旋凹槽里，将热缩膜最外面的缝口终点布置在螺旋凹槽外侧。

7.根据权利要求6所述的复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述复合材料簧丝预制件的两端分别用一根耐高温弹性橡皮筋固定连接，然后将橡皮筋沿着螺旋凹槽绕制一圈再挂在芯模末端，使橡皮筋保持拉伸状态，橡皮筋的收缩弹力使得簧丝预制件一直保持拉紧状态。

8.根据权利要求7所述的复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述步骤S4中，采用脱芯装置将空心芯模挤压变形缩小，该脱芯装置包括固定座，固定座内设有用于容纳空心芯模的空腔，固定座侧壁设有若干个滑动机构，该滑动机构包括驱动器和推杆，推杆与驱动器的输出端连接，推杆伸入固定座的空腔中。

9.据权利要求8所述的复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述复合材料簧丝预制件的固化温度低于空心芯模的热融温度。

10.据权利要求8中任一项所述的复合材料螺旋弹簧的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中，在加热固化过程中，先将装配了复合材料簧丝预制件的空心芯模送到固化烤箱中，将温度保持在80～100℃进行第一次固化成型，然后再输送到后处理烤箱中，将温度保持在100～150℃进行第二次固化成型，采用红外线来加热升温，复合材料簧丝预制件的固化温度低于150℃，空心芯模的热融温度高于150℃。

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