碳纤维复合材料螺旋弹簧及其成型模具制造技术

本实用新型专利技术涉及一种碳纤维复合材料螺旋弹簧及其制作方法和成型模具，该弹簧包括呈螺旋状的弹簧丝，弹簧丝由芯轴、包裹在芯轴外的中层及包裹在中层外的外层组成，芯轴由若干根碳纤维增强体组成，并且该芯轴呈扭转状，碳纤维增强体由浸渍有树脂的若干根碳纤维束及包裹在若干根碳纤维束外的一层浸渍有树脂的碳纤维布组成，中层为浸渍有树脂的若干层碳纤维布或浸渍有树脂的碳纤维束，外层为由软管构成的保护套。与现有技术相比，本实用新型专利技术的弹簧质轻，强度、刚度及疲劳寿命高，吸收弹簧自身震动能力强，同时绝缘及防锈好，制作方法简单、易行，可操作性强，而且节省成本，节约资源；成型模具可设计性强、开模成本低、模具拆卸容易、模具污染小。

Carbon fiber composite coil spring and forming die thereof

The utility model relates to a carbon fiber composite springs and its manufacturing method and forming mold, which comprises a spiral spring spring wire, spring wire consists of a core shaft, wrapped in middle and wrapped outside the mandrel in the middle layer of the outer layer, the core shaft comprises a plurality of carbon fiber reinforced body, and the core shaft is twisted, carbon fiber reinforced resin impregnated body is composed of a plurality of carbon fiber bundle and a plurality of carbon fiber bundle wrapped in a layer of the outer carbon fiber cloth impregnated with a resin composition, the middle layer is impregnated with a resin layer of carbon fiber cloth or impregnated with carbon fiber resin, the outer layer is the protective sleeve hose. Compared with the prior art, the utility model has the advantages of light spring quality, strength, stiffness and fatigue life of high, strong ability of shock absorption spring itself, while the insulation and anti rust, making a simple and convenient method, strong operability, and save costs, save resources; mold design, mold, low cost die mold easy disassembly and small pollution.

【技术实现步骤摘要】
碳纤维复合材料螺旋弹簧及其成型模具
本技术涉及一种复合材料弹簧，尤其是涉及一种碳纤维复合材料螺旋弹簧及其成型模具。
技术介绍
近年来，世界能源危机和石油涨价及环境问题，迫切要求汽车朝向轻量化的方向发展，通常使用轻质材料(或新材料)替代传统材料以实现结构轻量化为目标，进一步提高燃油利用率已成为研究的热点之一。轻质材料(或新材料)包括高强度钢、铝、镁和钛合金、塑料及复合材料等等；与金属材料相比，碳纤维复合材料(诸如碳纤维增强塑料(下文中，称为CFRP))是轻质、高刚度、高强度、高抗疲劳性、耐磨以及抗振吸振性好等优点，其比模量高于钢和铝合金的5倍，比强度高于钢和铝合金的3倍，但比重却很小，每单位体积的重量只有钢的20％。此外，碳纤维复合材料具有较高的耐腐蚀性和较低的热膨胀性，比钢更耐用而且不易生锈，汽车生产商已积极地进行了尝试将重量轻的复合材料应用于车辆内部材料、车身、板簧、车辆保险杠等。然而，传统弹簧(即螺旋弹簧)大多数是由金属材料(钢材)卷绕而制成，制造工序极为复杂；而弹簧主要是借助金属材料的物理性能，通过一定的转换方式来实现其储存能量和释放能量，从而制成具有减震、缓冲功能的弹簧，并将其应用于各种机构和工业机械的零件上，如汽车、机车以及航空航天领域上(CN103573892A)。为适应行业发展的需求，金属材料制成的弹簧已难以满足使用需求，并且从设计、选材、制造以及检验金属弹簧已达到一个瓶颈期。因此，用碳纤维复合材料制备螺旋型弹簧替代金属螺旋弹簧将成为行业发展的趋势。许多研究者已尝试利用CFRP来制造螺旋型弹簧。然而，因为CFRP易受压缩应力或剪应力的影响，通过单一的碳纤维丝束制造出螺旋型弹簧难以产生足够的张力给弹性体提供反弹力(CN103388642A)。另有，碳纤维复合材料制作的弹簧面临着一些挑战，如弹性差、易碎、各向异性高，这些特性本质上是不适合弹簧，从而已造出的碳纤维复合材料弹簧形变小，弹性系数低，承载负荷小。因此，利用碳纤维复合材料独特的高抗拉强度，设计一种特殊结构的复合材料弹簧才能达到大承载能力(WO2014/014481A1；WO02/099307A1；US2852424A；US4773633A；US8857801B2；US7857294B2；US5685525A；US4260143A；CN104690984A；CN103221199A)。因此，迫切需要开发一种能够实现减轻重量、具有优良耐久性并且取代普通金属材料螺旋弹簧的碳纤维复合材料螺旋弹簧结构至关重要。当前提到的制作纤维增强复合材料螺旋型弹簧的制作方法不佳、操作难度大、耗费工时，要求设备资本投入大，材料浪费严重，生产的碳纤维复合材料部件成本高。(EP0637700B1；US8490530B2；CN1480658A；CN1651795A；CN1232931A；CN101439580A)。此外，现有的制造纤维增强复合材料弹簧成型模具(EP2647481A1；US4434121A；US5988612A；US4473217A；US6986203B2；CN102909870A)，设计过程复杂，开模成本高，装模和脱模困难，生产效率低。并且模具闭合加热的过程中，由于碳纤维被树脂浸润不均匀而造成产品表面或内部存在气泡，造成表面凹凸不平。在生产过程中由于树脂反应产生内应力，在无外力帮助时，内应力无法抵消，会对产品的强度性能产生极大的影响，会直接影响产品的使用寿命。
技术实现思路
本技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不仅具有质轻、强度高、刚度高、疲劳寿命高以及吸收弹簧自身震动能力强等优点，而且绝缘及防锈好的碳纤维复合材料螺旋弹簧。本技术的另一个目的在于提出了一种制作碳纤维复合材料螺旋弹簧的成型模具，本技术所涉及的成型模具可设计性强、开模成本低、模具拆卸容易、模具污染小。本技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种碳纤维复合材料螺旋弹簧，包括呈螺旋状的弹簧丝，所述的弹簧丝由芯轴、包裹在芯轴外的中层及包裹在中层外的外层组成，所述的芯轴由若干根碳纤维增强体组成，并且该芯轴呈扭转状，所述的碳纤维增强体由浸渍有树脂的若干根碳纤维束及包裹在该若干根碳纤维束外的一层浸渍有树脂的碳纤维布组成，所述的中层为浸渍有树脂的若干层碳纤维布或浸渍有树脂的碳纤维束，所述的外层为由软管构成的保护套。作为优选的技术方案，所述的芯轴的扭转圈数为15～60圈/米。芯轴通过一定圈数的扭转起到支撑作用，并能够吸收弹簧运动过程中自身的震动作用。作为优选的技术方案，构成中层的碳纤维布或碳纤维束与芯轴的中心轴呈25～75°的夹角。25～75°的夹角可减小碳纤维复合材料螺旋弹簧受力过程中切应力作用，并增加其机械性能。作为优选的技术方案，构成碳纤维增强体的碳纤维布与构成碳纤维层增强体的碳纤维束的中心轴呈5～30°的夹角。构成碳纤维增强体的碳纤维布通过一定交联的网状结构组成过渡层，交联的网状结构能够克服复合材料界面的碳纤维咬合作用，该过渡层关系到整个螺旋弹簧分层的问题，尤其决定复合材料螺旋弹簧的疲劳寿命，通过设置在该层能够有效提高其疲劳寿命。作为优选的技术方案，所述的碳纤维增强体含30～50根碳纤维束。该数量范围内的炭纤维束使得最终制得的螺旋瘫痪具有比较好的成型形状，太多或太少会影响其成型形状。作为优选的技术方案，所述的软管包括塑料软管、橡胶软管或硅橡胶软管。该保护套能够消除整个碳纤维复合材料弹簧的外表面缺陷，从而形成光滑且干燥的表面。所述的碳纤维复合材料螺旋弹簧的制作方法，包括以下步骤：(1)预浸料的准备：对碳纤维束和碳纤维布表面进行清洗，然后在50～120℃的温度下进行保温处理，使得后续的胶液的浸渍更加充分；(2)胶液配置：将环氧树脂、消泡剂、增韧剂及阻燃剂按照质量比100:1.5～2.5:0.5～1.5:0.5～1.5的比例配置后在50～70℃下保温15～30分钟后，加入胺类固化剂，所述的胺类固化剂与环氧树脂的质量比为100:5～10，然后真空处理2～20分钟，即得到胶液；(3)预浸料的浸渍：在保温处理后的碳纤维束和碳纤维布的表面喷涂硅烷偶联剂，然后喷涂步骤(2)得到的胶液；(4)制备碳纤维复合材料预成型件：在经过步骤(3)处理的若干根碳纤维束外包裹一层经过步骤(3)处理的一层碳纤维布，形成碳纤维增强体，然后将若干根碳纤维增强体扭转，包裹若干层经过步骤(3)处理的碳纤维布或经过步骤(3)处理的碳纤维束，套设软管，对其施加多次压力，得到碳纤维复合材料预成型件；(5)成型：通过缠绕成型法将碳纤维复合材料预成型件装入成型模具并合模，然后在真空烘箱中升温固化，冷却后拆除成型模具即得到碳纤维复合材料螺旋弹簧。作为优选的技术方案，所述的步骤(5)中的升温固化过程包括：(a)室温环境下放置10～30min后，以2～10℃/min的升温速率升温至70～80℃，并保持20～35min；(b)以3～10℃/min的升温速率升温至95～105℃，并保持10～25min；(c)以4～10℃/min的升温速率升温至120～135℃，并保持10～25min。制作所述的碳纤维复合材料螺旋弹簧的成型模具，包括芯模以及套设在芯模外的外模以及锁紧机构，所述的芯模呈圆柱状，外侧面设有螺旋状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维复合材料螺旋弹簧，包括呈螺旋状的弹簧丝(5)，所述的弹簧丝(5)由芯轴(1)、包裹在芯轴(1)外的中层(2)及包裹在中层(2)外的外层(3)组成，其特征在于，所述的芯轴(1)由若干根碳纤维增强体(11)组成，并且该芯轴(1)呈扭转状，所述的碳纤维增强体(11)由浸渍有树脂的若干根碳纤维束及包裹在该若干根碳纤维束外的一层浸渍有树脂的碳纤维布组成，所述的中层(2)为浸渍有树脂的若干层碳纤维布或浸渍有树脂的碳纤维束，所述的外层(3)为由软管构成的保护套。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料螺旋弹簧，包括呈螺旋状的弹簧丝(5)，所述的弹簧丝(5)由芯轴(1)、包裹在芯轴(1)外的中层(2)及包裹在中层(2)外的外层(3)组成，其特征在于，所述的芯轴(1)由若干根碳纤维增强体(11)组成，并且该芯轴(1)呈扭转状，所述的碳纤维增强体(11)由浸渍有树脂的若干根碳纤维束及包裹在该若干根碳纤维束外的一层浸渍有树脂的碳纤维布组成，所述的中层(2)为浸渍有树脂的若干层碳纤维布或浸渍有树脂的碳纤维束，所述的外层(3)为由软管构成的保护套。2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料螺旋弹簧，其特征在于，所述的芯轴(1)的扭转圈数为15～60圈/米。3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料螺旋弹簧，其特征在于，构成中层的碳纤维布(21)或碳纤维束与芯轴(1)的中心轴(4)呈25～75°的夹角。4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料螺旋弹簧，其特征在于，构成碳纤维增强体的碳纤维布(112)与构成碳纤维层增强体的碳纤维束(111)的中心轴呈5～30°的夹角。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：答建成，周细应，朱玉坤，戚文，杨涛，吴德振，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，上海中国弹簧制造有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31