一种碳纤维增强复合齿轮生产系统及工艺技术方案

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。本发明专利技术通过定位柱、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。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强复合齿轮生产系统及工艺


[0001]本专利技术涉及齿轮制造
，具体涉及一种碳纤维增强复合齿轮生产系统及工艺。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]作为本专利技术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。
[0015]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。
[0016]作为本专利技术的一种优选结构，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。
[0017]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。
[0018]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱凤军，罗业富，何刚，
申请(专利权)人：中磁动力设备深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：