1.本發(fā)明專利涉及一種纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧的制造工藝方法。

背景技術(shù)：

2.纖維增強復(fù)合材料具有重量輕、比強度大、耐高溫、抗腐蝕、抗疲勞，熱力學(xué)性能好的特點。常見的增強纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等。

3.用纖維增強復(fù)合材料制成的空心螺旋彈簧，可比彈簧鋼所制彈簧較大幅度減輕自重，并且能夠在高溫、腐蝕性環(huán)境中工作。這種空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧可以應(yīng)用在航空航天、汽車領(lǐng)域等中，減輕飛行器和載具使用中的自重，從而節(jié)省能耗。也可在發(fā)動機、各種離心泵、齒輪泵等各種機械隔振中廣泛使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

4.本發(fā)明采用組合內(nèi)模模塊與特殊芯模的設(shè)計方式，解決了空心碳纖維螺旋彈簧空心的制造困難和脫模困難的問題，芯模的制造和脫模設(shè)計構(gòu)想新穎，簡單易操作，脫模時彈簧內(nèi)腔壁不受損傷。

附圖說明

5.圖1是芯模橫截面示意圖。

6.圖2是復(fù)合材料鋪層及用芯模卷制示意圖。

7.圖3是內(nèi)模及內(nèi)模支撐展開示意圖。

8.圖4是內(nèi)模及內(nèi)模支撐合并示意圖。

9.圖5是第本發(fā)明建議使用的切割方法示意圖。

10.圖6是其他的切割方法示意圖。

11.圖7是彈簧纏繞在內(nèi)模上的示意圖。

12.圖8是外模示意圖。

13.圖9是脫內(nèi)模5、內(nèi)模7的示意圖。

14.圖10是脫內(nèi)模6、內(nèi)模8的示意圖。

具體實施方式

15.以下，關(guān)于本實施方式的空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧及其制造方法，參照附圖詳細的說明。以下實施例使用碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料制備彈簧，而本發(fā)明專利并不局限于碳纖維預(yù)浸料且不局限于以下實施例。

16.【步驟一】：參見圖一，本發(fā)明的空心碳纖維螺旋彈簧的內(nèi)腔芯模主要由塑料隔離薄膜1和粉末狀的填充物2制作。塑料隔離薄膜1，可采用聚酯薄膜、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇及醋酸纖維素薄膜等。根據(jù)彈簧的展開長度及橫截面大小，選擇相應(yīng)尺寸的桶狀隔離薄膜。如果沒有現(xiàn)成的桶裝隔離薄膜，可由下述方法制作：

裁剪塑料膜，長寬尺寸由空心碳纖維螺旋彈簧理論展開長度和內(nèi)徑計算得出。首先，鋪膜時防止起皺。然后將塑料隔離薄膜卷成空心圓柱，長邊搭接處使用膠帶或其他方式粘結(jié)。

17.兩端的兩個開口處，一個開口先用熔融或粘合劑、縫合等其他方式粘結(jié)封閉，另一個開口，從開口端處裝粒徑細小的沙子等填充物將塑料空心處充實，然后封閉開口端。制成內(nèi)裝填充物的、硬實的塑料圓柱體棍棒。此棍棒長度大于碳纖維的幅寬。此塑料圓柱體棍棒棒將作為空心碳纖維螺旋彈簧的芯模，棍棒的長度大于空心碳纖維螺旋彈簧理論展開長度20

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30mm（依實際情況而定），便于后續(xù)芯模的固定及脫模。

18.塑料隔離薄膜1的材料，通常使用聚四氟乙烯，特氟龍等材質(zhì)，具有隔離膜的特性。目的是空心碳纖維螺旋彈簧烘烤成型后，易于完整的從空心碳纖維螺旋彈簧內(nèi)腔壁中剝離取下、抽出，只在空心碳纖維螺旋彈簧內(nèi)腔壁上留下少量的印跡，從而形成表面光滑內(nèi)腔壁。也可以直接使用尺寸吻合的現(xiàn)成品塑料隔離薄膜袋。

19.塑料隔離薄膜一方面防止填充料顆粒扎刺在碳纖維鋪層中，避免應(yīng)力集中，另一方面防止填充物2在烘烤成型過程中粘附在空心碳纖維螺旋彈簧內(nèi)壁處。還有，塑料膜可改善空心彈簧內(nèi)腔表面狀態(tài)。所用塑料隔離薄膜1，應(yīng)具有一定的強度，這樣在最終脫模后，還可以從空心碳纖維螺旋彈簧內(nèi)腔中抽拉出來。

20.填充物2以石英沙粒等細小顆粒狀或粉末狀的礦物質(zhì)物料，如：粉狀陶土、滑石粉、硅藻土、 云母、蒙脫石、鈦白粉、硫酸鋇、硫酸鈣、碳酸鈣，高嶺土、石墨等。要求這些物料含水少，高溫烘烤成型時不會因水份蒸發(fā)導(dǎo)致空心彈簧的芯模內(nèi)部填充不足和空隙。其他如金屬粉末，金屬微小的鋼珠等；干燥后的植物粉末物質(zhì)都可以充當填充物。

21.這些填充物，無棱角，無尖突，以防刺傷碳纖維層壓板而造成應(yīng)力集中。粉料在高溫烘烤成型后可從空心碳纖維螺旋彈簧的內(nèi)腔芯模的兩端或一段倒出。常溫固體顆粒，可溶解于水的食用鹽或工業(yè)鹽顆粒或石膏類等，在脫模后用水溶解，再將彈簧干燥后即可使用。顆粒狀的礦物質(zhì)或金屬物料，便于填充或倒出.本發(fā)明采用填充或倒出操作方便，不粘塑料膜，干凈、少灰塵的石英沙為填充物。

22.【步驟二】：參見圖2，將上述步驟制得的芯模3放在鋪貼后的預(yù)浸料4上，從鋪層的右邊開始，將碳纖維鋪層從右往左在芯模上進行平行卷繞，卷繞過程同時壓實。

23.鋪層的長寬根據(jù)理論彈簧長度計算得出。每幅裁剪的長、寬分別相等。將裁剪好的預(yù)浸料一層一層程臺階狀過渡鋪貼，避免鋪層間厚度劇增而導(dǎo)致成型后的彈簧局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

24.【步驟三】：參見圖3，為方便脫模，給內(nèi)模5、內(nèi)模6、內(nèi)模7、內(nèi)模8和內(nèi)模支撐9表面均勻地涂上脫膜劑。脫模劑應(yīng)使用不與碳纖維/環(huán)氧樹脂起反應(yīng)的惰性物質(zhì)。然后將內(nèi)模5、內(nèi)模6、內(nèi)模7、內(nèi)模8合并成一個整體，再將內(nèi)模支撐9插入其中。

25.參見圖4，按照間隙配合方式配合，內(nèi)模合并后10的內(nèi)徑實際尺寸大于或等于內(nèi)模支撐9。保證可拆卸功能的內(nèi)模，在多塊內(nèi)模相互位置正確搭配、合模后而成筒狀形。用麻繩或卡箍等固定內(nèi)模10和內(nèi)模支撐。也可以不使用內(nèi)模支撐，用上下兩個金屬圓盤或圓環(huán)進行位置固定：在每個內(nèi)模塊的上、下環(huán)面上打內(nèi)絲眼，并在上下兩個金屬圓盤或圓環(huán)上對應(yīng)位置打眼，打眼后可使用有外絲的絲桿螺栓將內(nèi)模塊和金屬圓盤進行固定?？招奶祭w維螺旋彈簧成型后，將螺栓擰下，拆卸兩個圓盤，組合的芯模，逐步從筒孔中抽出。具體的內(nèi)模配合及固定方式，可由實際情況靈活調(diào)整。內(nèi)模支撐9應(yīng)具較高硬度并且耐磨的表面，具體材

料可依實際情況而定。內(nèi)模支撐9也可采用中空的管材作為內(nèi)模支撐。

26.內(nèi)模10的具體加工方式如下：內(nèi)模10采用中空的鋁材質(zhì)，此形狀是空心的圓柱鋁管，其壁厚大于計劃要制作的空心彈簧線徑的一半；在空心圓柱狀的鋁管材料外周，按照設(shè)計的空心彈簧大小，用數(shù)控車床上加工出彈簧狀的螺旋槽，其槽深是空心彈簧的半徑尺寸，槽的形狀是彈簧形狀的半圓形的陰模具凹槽。鋁管上加工彈簧狀的螺旋槽后，將在空心圓柱外周表面出現(xiàn)一條從下到上暢通的螺旋狀凹槽。槽的最深處距離鋁管內(nèi)壁，具有一定的厚度，具備能固定、并能承受彈簧的擠壓強度。

27.鋁管上加工出彈簧狀的螺旋槽后，用線切割或其他加工方式沿管材長度方向切割。切割的目的，通過拼塊式內(nèi)模的脫模，將成型后的空心碳纖維螺旋彈簧從鋁材內(nèi)模凹槽中脫模出來。因內(nèi)模、外模的凹槽深度是計劃要做的空心彈簧簧絲橫截面外半徑長尺寸，即空心彈簧簧絲橫截面的一半在內(nèi)模凹槽中，內(nèi)模、外模任何一個的凹槽深度大于空心彈簧簧絲橫截面外半徑長尺寸時，都無法實現(xiàn)脫模。

28.切割方法及尺寸確認如下：設(shè)鋁管的內(nèi)外半徑分別為r和r，彈簧的內(nèi)半徑為rc。

29.參見圖5，沿對稱于鋁管橫截面直徑的兩條平行線切割。設(shè)兩條平行線的距離為l。l與r，r，rc的關(guān)系需要滿足以下不等式：（1）（2）在滿足上述不等式的情況下，做鋁管管材圓橫截面上對稱圓截面中心兩側(cè)的平行切割線，切割次數(shù)2次，得到內(nèi)模5、內(nèi)模6、內(nèi)模7、內(nèi)模8，并且能夠完全脫模（脫模時講述），是最經(jīng)濟，最簡單的切割方式。

30.如果在鋁管管材圓橫截面做與圓截面中心兩側(cè)不對稱的平行切割線，同樣具有完全脫模的效率，為了方便、美觀起見，本發(fā)明采用在鋁管管材圓橫截面對稱與圓截面中心兩側(cè)的平行切割線。

31.線切割設(shè)備的電極絲應(yīng)盡量細，或當使用其他切割設(shè)備時，選用適當?shù)那懈罟ぞ?。原則是盡可能減少切割造成的材料損失，在切割線處合模后的間隙小，以降低拼縫對彈簧外觀表面的影響螺旋無明顯的缺失，無明顯的高低差。

32.參見圖6，按照其中的切割方法（以及其他切割次數(shù)大于4次的方式），當尺寸滿足一定條件時，也能夠?qū)崿F(xiàn)脫模。但因其加工難度大，而且切割次數(shù)多，不經(jīng)濟?；蛞蚯懈詈蟮玫降膬?nèi)模塊數(shù)多，不便拼合內(nèi)模。在此不再贅述這些方法。

33.作為空心碳纖維螺旋彈簧的內(nèi)模模具材質(zhì)，還可采用鋼質(zhì)、鑄鐵等金屬材料。也可以采用硬質(zhì)高分子的復(fù)合材料，如電木等。這些材質(zhì)需要具有相對較高的尺寸穩(wěn)定性、便于加工、機械加工性能好、加工后擁有良好的表面粗糙度、耐高溫，熱膨脹系數(shù)小等特點。同時，作為模具的成本要低。

34.【步驟四】：參見圖7，將步驟二中得到的芯模3和鋪層4沿著內(nèi)模10的凹槽纏繞在內(nèi)模上。纏繞時一定要確保彈簧的內(nèi)側(cè)緊貼凹槽表面，防止彈簧內(nèi)側(cè)褶皺的產(chǎn)生。纏繞完成

后，可用麻繩將彈簧兩端露出的芯模固定在內(nèi)模10上，防止彈簧散開。具體固定方式可由實際情況靈活調(diào)整。

35.【步驟五】：參見圖8，給兩塊外模11、12表面均勻地涂上的脫膜劑，然后將其包裹在步驟四得到的螺旋彈簧外。再用卡箍或其他方式將其固定。

36.與內(nèi)模和芯模不同，外模11、12除了使用步驟三中提到的材料加工之外，也可以使用擁有良好彈性的材料來加工。例如硅膠，硅膠外?？捎刹襟E四的組合物倒陰模制得。此方法可節(jié)約成本，且制作方法簡單，但表面光滑度不如金屬模具。

37.【步驟六】：將整個組合物裝入真空袋中，放入烘箱或熱壓罐進行高溫固化。

38.空心碳纖維螺旋彈簧固化成型，通常采用中溫固化結(jié)構(gòu)膠粘劑體系。升溫速率均勻上升，升溫至目標溫度后保溫適當時間。具體的固化時間和固化溫度根據(jù)使用的碳纖維的材料參數(shù)來調(diào)整。固化結(jié)束后，取出組合件，自然冷卻至常溫。

39.【步驟七】：脫模。

40.首先拆除外模11、12，然后抽出內(nèi)模支撐9。

41.參見圖9，將內(nèi)模5移動至彈簧內(nèi)側(cè)，然后將其抽出。然后用同樣的方法取出內(nèi)模7。

42.參見圖10，將內(nèi)6移動至彈簧內(nèi)側(cè)，然后將其抽出。然后用同樣的方法取出內(nèi)模8。

43.最后，將芯模3的隔離薄膜1從空心彈簧的內(nèi)部抽出。如果跳過了步驟六，則先將芯模3中的填充物2倒出，再將隔離薄膜1抽出。

44.至此，成型了空心碳纖維螺旋彈簧將制作完成。將得到內(nèi)外表面光滑，無分層、無皺點，無劃痕、無裂紋、無鼓泡等缺陷，尺寸恒定的，質(zhì)量輕、高負荷質(zhì)量比的空心碳纖維螺旋彈簧。技術(shù)特征：

1.一種空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧的制造工藝方法，其特征是它包括以下步驟：步驟一：制作芯模，根據(jù)彈簧的展開長度及橫截面大小，選擇相應(yīng)尺寸的桶狀隔離薄膜，兩端的兩個開口處，一個開口先用熔融或粘合劑、縫合等其他方式粘結(jié)封閉，另一個開口，從開口端處裝粒徑細小的沙子等填充物將塑料空心處充實，然后封閉開口端，制成內(nèi)裝填充物的、硬實的塑料圓柱體棍棒，步驟二：芯模卷繞，將芯模放在鋪貼后的預(yù)浸料上，從鋪層的一端開始，將復(fù)合材料鋪層從一端向另一端在芯模上進行平行卷繞，卷繞過程同時壓實，步驟三：涂脫模劑，給模具表面均勻地涂上脫模劑，然后將內(nèi)模與內(nèi)模支撐合并，步驟四：彈簧纏繞，將步驟二中得到的芯模沿著內(nèi)模的凹槽纏繞在內(nèi)模上，步驟五：外模包裹，將外模包裹在步驟四得到的螺旋彈簧外，再用卡箍或其他方式將其固定，步驟六：高溫固化，將步驟六得到的整個組合物裝入真空袋中，放入烘箱或熱壓罐進行高溫固化，步驟七：脫模，首先拆除外模，然后抽出內(nèi)模支撐，將兩塊較小的內(nèi)模移動至彈簧內(nèi)側(cè)，然后將其抽出，然后用同樣的方法取出另外兩塊較大的內(nèi)模，最后，將隔離薄膜從彈簧內(nèi)部抽出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧的制造工藝方法，其特征是在步驟一中，隔離薄膜的材料，通常使用聚四氟乙烯、特氟龍、聚酯薄膜、聚氯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇及醋酸纖維素薄膜等材質(zhì)，具有隔離膜的特性，并且具有一定的拉伸強度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧的制造工藝方法，其特征是在步驟一中，填充物以石英沙粒等細小顆粒狀或粉末狀的礦物質(zhì)物料，如：粉狀陶土、滑石粉、硅藻土、云母、蒙脫石、鈦白粉、硫酸鋇、硫酸鈣、碳酸鈣、高嶺土、石墨等，要求這些物料含水少，高溫烘烤成型時不會因水份蒸發(fā)導(dǎo)致空心彈簧的芯模內(nèi)部填充不足和空隙，其他如金屬粉末，金屬微小的鋼珠等，以及干燥后的植物粉末物質(zhì)都可以充當填充物。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧的制造工藝方法，其特征是在步驟二中，鋪層的長寬根據(jù)理論彈簧長度計算得出，每幅裁剪的長、寬分別相等，將裁剪好的預(yù)浸料一層一層程臺階狀過渡鋪貼，避免鋪層間厚度劇增而導(dǎo)致成型后的彈簧局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧的制造工藝方法，其特征是在步驟三中，內(nèi)模與內(nèi)模支撐按照間隙配合方式配合，內(nèi)模合并后的內(nèi)徑實際尺寸大于或等于內(nèi)模支撐，保證可拆卸功能的內(nèi)模，在多塊內(nèi)模相互位置正確搭配、合模后而成筒狀形。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可拆卸內(nèi)模，其特征是在合模后，用麻繩或卡箍等固定內(nèi)模和內(nèi)模支撐，也可以不使用內(nèi)模支撐，用上下兩個金屬圓盤或圓環(huán)進行位置固定：在每個內(nèi)模塊的上、下環(huán)面上打內(nèi)絲眼，并在上下兩個金屬圓盤或圓環(huán)上對應(yīng)位置打眼，打眼后可使用有外絲的絲桿螺栓將內(nèi)模塊和金屬圓盤進行固定。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多塊內(nèi)模，其特征是由中空的鋁或其他金屬材質(zhì)加工而成，并且其壁厚大于計劃要制作的空心彈簧線徑的一半。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多塊內(nèi)模，其特征是外周表面出現(xiàn)一條從下到上暢通的螺旋狀凹槽，槽的形狀是彈簧內(nèi)側(cè)形狀的半圓形的陰模具凹槽，槽的最深處距離鋁管內(nèi)壁，具有一定的厚度，具備能固定、并能承受彈簧的擠壓強度。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多塊內(nèi)模，其特征是用線切割等加工方式，由沿對稱于鋁管橫截面直徑的兩條平行線切割鋁管制成。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鋁管，可以用鋼質(zhì)、鑄鐵等金屬材料代替，也可以采用硬質(zhì)高分子的復(fù)合材料，如電木等，這些材質(zhì)需要具有相對較高的尺寸穩(wěn)定性、便于加工、機械加工性能好、加工后擁有良好的表面粗糙度、耐高溫，熱膨脹系數(shù)小等特點。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧的制造工藝方法，其特征是在步驟四中，纏繞時彈簧的內(nèi)側(cè)緊貼凹槽表面，防止彈簧內(nèi)側(cè)褶皺的產(chǎn)生。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧的制造工藝方法，其特征是在步驟五中，外模除了使用權(quán)利要求10中提到的材料，也可以使用擁有良好彈性的材料來加工，如硅膠等。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種空心輕質(zhì)纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧的制造方法，此彈簧是由纖維增強復(fù)合材料預(yù)浸料鋪貼，然后使用內(nèi)裝沙粒的塑料圓柱體棍棒做芯模卷制的碳纖維圓柱體棍棒狀物，再放置于特殊設(shè)計的內(nèi)外磨具中，進行高溫、負壓固化，再經(jīng)脫模、修飾而成的內(nèi)外表面光滑，無分層、無皺點，無劃痕、無裂紋、無鼓泡等缺陷，尺寸恒定的，質(zhì)量輕，并且具有高負荷質(zhì)量比性能的空心纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧。能的空心纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧。能的空心纖維增強復(fù)合材料螺旋彈簧。

技術(shù)研發(fā)人員：徐濤

受保護的技術(shù)使用者：徐濤

技術(shù)研發(fā)日：2020.04.20

技術(shù)公布日：2021/10/22