小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置及加工轴类产品的方法

摘要

本发明公开了一种小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置及加工轴类产品的方法。所述缠绕成型装置包括芯轴，卡环，套装在芯轴上的前挡板和后挡板；所述芯轴在前挡板与后挡板之间形成碳纤维布缠绕段；所述碳纤维布缠绕段上套装有锥筒状衬套和喉衬；所述喉衬包括套装在芯轴上的喉口，套装在过渡锥面上的第一锥形段，套装在衬套外锥面上的第二锥形段；所述衬套的端面与后挡板的侧壁接触；所述第一锥形段与过渡锥面之间、第二锥形段与衬套外锥面之间、衬套的端面与后挡板的侧壁之间均在碳纤维布缠绕成型时形成相应的受力面。本发明解决了小直径长孔类产品零件在缠绕时夹紧力和碳纤维布的拉紧力导致缠绕机构芯轴弯曲变形或断裂的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置及加工轴类产品的方法，尤其适用于小直径长孔轴类产品的碳纤维布复合材料缠绕成型。

背景技术

在现有技术中，缠绕设备一般为普通车床，普通缠绕装置适应性小，只能缠绕直径较大，长径比不大的轴类产品，但是对于小直径长孔轴类产品的缠绕，普通缠绕机构则无法完成。现有的小直径芯轴1包括轴体，轴体的一端为大端，另一端为小端，轴体大端处开有卡槽，轴体小端处具有过渡锥面，参照图9，采用普通缠绕机构，卡环2,3卡在轴体大端的卡槽上，然后将前挡板5套在芯轴上，并紧靠所述卡环2,3；轴体小端上套有后挡板8，并通过锁紧螺母9锁紧。工作时，由于缠绕机构的芯轴太细太长，缠绕时，来自车床的轴向夹紧力和碳纤维布的拉紧力会使缠绕机构芯轴弯曲变形，甚至断裂。这样无法实现缠绕工艺装置，也就无法用缠绕工艺方法成型产品。

发明内容

本发明旨在提供一种小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置，该成型装置可解决小直径长孔类产品零件在缠绕时夹紧力和碳纤维布的拉紧力导致缠绕机构芯轴弯曲变形或断裂的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置，包括芯轴，卡装在芯轴大端卡槽处的卡环，套装在芯轴上且与卡环侧壁接触的前挡板，套装在芯轴小端处的后挡板；所述芯轴在前挡板与后挡板之间形成碳纤维布缠绕段；所述碳纤维布缠绕段靠近前挡板一侧为第一直径段，该纤维布缠绕段靠近后挡板一侧为第二直径段，第一直径段的直径大于第二直径段的直径，且第一直径段与第二直径段由过渡锥面过渡相连；其结构特点是，所述碳纤维布缠绕段的第二直径段上套装有锥筒状衬套，该衬套、过渡锥面和第二直径段上套装有喉衬；

所述喉衬包括套装在第二直径段上的喉口，套装在过渡锥面上的第一锥形段，套装在衬套外锥面上的第二锥形段；所述衬套的端面与后挡板的侧壁接触；所述第一锥形段与过渡锥面之间、第二锥形段与衬套外锥面之间、衬套的端面与后挡板的侧壁之间均在碳纤维布缠绕成型时形成相应的受力面。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

所述后挡板通过螺母锁定在芯轴的小端上，该后挡板上配合安装有与芯轴同轴布置的套筒；所述套筒具有作为螺母安装腔的盲孔，且套筒端面与后挡板的侧壁之间接触配合形成受力面。由此，后挡板右端面有盲孔，对套筒进行定位，这样保证了套筒和挡板装配后的同轴度。同时这一盲孔和与芯轴配合的小孔有较好的同轴度，所以装配后套筒和芯轴有较好的同轴度。车床三爪卡盘夹持芯轴的大端，也就保证了缠绕装置和车床间的相对位置要求。

所述第一锥形段与过渡锥面之间、第二锥形段与衬套外锥面之间、衬套的端面与后挡板的侧壁之间、以及套筒端面与后挡板的侧壁之间形成的受力面为可传递扭转的摩擦受力面。由此，实施例中的受力面a面、b面、c面、d面各接触面的摩擦力传递扭转。

所述后挡板的外端面开有定位盲孔，所述套筒的开口端置于所述后挡板的定位盲孔内。由此，套筒装配后具有可以容纳螺母的位置空间，套筒开口端的外径有一段锥度以方便和后挡板装配。

作为该方案的进一步改进，套筒端面有中心孔，以便装夹在车床上时，车床顶尖夹紧装置。

所述第二锥形段的端面与后挡板之间不接触。优选地，衬套右端面要高出喉衬右端面，使得衬套和后挡板端面接触，衬套锥度和喉衬锥度配合。

所述喉衬的外壁面上具有定位台阶，该喉衬与碳纤维布在缠绕成型后形成一体。由此，已加工产品零件喉衬在缠绕完成后，喉衬被碳纤维布包裹在一起成为部件（附图3）。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用上述的小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置加工轴类产品的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将装配好的小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置通过机床定位夹紧；

S2、通过旋转小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置在芯轴的纤维布缠绕段和喉衬上缠绕碳纤维布；

S3、缠绕完成后，将小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置及缠绕在其上的碳纤维布一起进行保压固化；

S4、固化完成后，将小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置及其上产品整体装配在机床上进行车削加工，以满足产品零件外形尺寸要求；

S5、将产品从小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置上脱模，喉衬作为产品的一部分。

本发明的保压固化采用现有的常规工艺。

脱模时，依次取下螺母和后挡板，然后固定芯轴大端并卸下卡环，最后向芯轴小端方向推前挡板，前挡板带动产品一起从芯轴上脱下。

作为上述方案的进一步改进，芯轴B段成型产品零件内孔轮廓；芯轴锥面部分和喉衬锥面配合接触；芯轴C段与后挡板，衬套，喉衬相应孔间隙配合，对后挡板，衬套，喉衬有定位作用。芯轴C段有一和螺母配合的螺纹段，装配后要保证螺纹长度有一定的旋合余量。螺母锁住后挡板，这里螺母有较小预紧力，机构装夹在车床上时预紧力进一步减小。这样即使整个装置从机床上卸下来，也不会掉落。

藉由上述结构，本发明的成型装置主要由芯轴、卡环、螺钉、前挡板、喉衬、衬套、后挡板、螺母、套筒等组成。喉衬前锥面（第一锥形段）和芯轴锥面配合接触，受力面为a面；喉衬后锥面（第二锥形段）和衬套锥面配合接触，受力面为b面；衬套右端面与后挡板端面接触，受力面为c面；后挡板和套筒配合接触，受力面为d面；通过a面、b面、c面、d面改变了夹紧力的传递路径，避开小直径芯轴C段承载力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明改变了一般缠绕装置夹紧力的传递路径，避开了芯轴薄弱部位细长轴段，使其不受轴向夹紧力和碳纤维布绷紧力。解决了缠绕工序和车削工序中，芯轴薄弱部位C段刚度不足而变形，断裂的问题。

本发明巧妙利用产品结构特征，利用喉衬的两个锥面，使轴的锥面和衬套的锥面与之接触配合，并通过轴向力，产生摩擦力。利用各接触面的摩擦力传递扭矩，使整个机构一起旋转。

本发明结构简单可靠，便于从设备上装卸，生产周期短，特别适合相应科研产品的加工试制，也适合大批量产品的生产。

各零件的尺寸配合的合理设计使该机构得以实现。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的装配原理图；

图2 是本发明缠绕后的机构图

图3 是本发明缠绕后产品的剖视图

图4 是本发明芯轴的结构示意图；

图5 是本发明第一卡环的结构示意图；

图6 是图5的左视图；

图7是本发明第二卡环的结构示意图；

图8是图7的左视图；

图9是现有缠绕成型装置的结构原理图。

具体实施方式

一种小直径轴类产品碳纤维布缠绕成型装置附图1，该装置主要由芯轴1、卡环2、3、螺钉4、前挡板5、喉衬6、衬套7、后挡板8、螺母9、套筒10组成。

工作时，将产品轮廓成型件芯轴1夹持在车床上；芯轴左端套装有脱模零件前挡板5；第一卡环2、第二卡环3和螺钉4卡在芯轴大端用于定位前挡板，以便脱模时快速拆卸零件；置于车床顶尖处的轴向力传递机构为喉衬6、衬套7、后挡板8、套筒10；置于芯轴末端锁紧螺母9。

所述芯轴1位于前挡板5与后挡板8之间为碳纤维布缠绕段；所述碳纤维布缠绕段靠近前挡板5一侧为第一直径段10，该纤维布缠绕段靠近后挡板8一侧为第二直径段12，第一直径段10的直径大于第二直径段的直径，且第一直径段10与第二直径段12由过渡锥面11过渡相连；所述碳纤维布缠绕段的第二直径段12上套装有锥筒状衬套7，该衬套7、过渡锥面11和第二直径段12上套装有喉衬6；所述喉衬6包括套装在第二直径段12上的喉口14，套装在过渡锥面11上的第一锥形段13，套装在衬套7外锥面上的第二锥形段15。

在喉衬6、衬套7、后挡板8、套筒10之间形成4个受力面，所述4个受力面a面、b面、c面、d面，喉衬6前锥面第一锥形段和芯轴锥面配合接触形成受力面a面，喉衬6后锥面第二锥形段和衬套7锥面配合接触形成受力面b面，衬套7右端面与后挡板8端面接触形成受力面c面，后挡板和套筒配合接触形成受力面d面，避开小直径芯轴不能承载力的一段C段，改变了夹紧力的传递路径；所述后挡板，衬套，喉衬和芯轴相配合，实现各个零部件对芯轴位置要求，所述喉衬，衬套，后挡板通过螺母锁紧在芯轴上；所述衬套右端面高出喉衬右端面；所述套筒和后挡板相配合实现套筒和后挡板的同轴；所述受力面a面b面c面d面各接触面的摩擦力传递扭转。

在上述方案中，缠绕完成后，已加工产品零件喉衬6被碳纤维布包裹在一起成为部件，如附图3，喉衬6前锥面第一锥形段和芯轴锥面在a面配合接触,喉衬6后锥面第二锥形段和衬套7锥面在b面配合接触，衬套7右端面高出喉衬6右端面，这样衬套7右端面与后挡板8端面在c面接触，后挡板和套筒在d面配合接触，依次对应四个受力面，a面,b面,c面,d面。这样缠绕装置装配在车床上后，车床三爪卡盘夹持件1芯轴大端，车床顶尖顶紧件10套筒中心孔，车床顶尖的轴向夹紧力从右向左依次传递，这样轴向夹紧力承受部位越过了芯轴小直径C段，C段轴不受轴向夹紧力，缠绕时芯轴C段也不受碳纤维布绷紧力，避免了因刚度不足而折弯或折断，整个机构的旋转依靠各接触面的摩擦力传递扭转，即使有相对转动也不会影响缠绕，不会影响产品成型。

本发明的成型装置按图1装配，先将第一卡环,第二卡环，用螺钉4装在芯轴大端槽宽位置，再将前挡板套在芯轴上，使前挡板左端面与卡环端面接触，再依次装上喉衬，衬套，后挡板，用螺母预紧，再将套筒卡在后挡板盲孔。装配好后，三爪卡盘夹紧缠绕机构芯轴大端，车床顶尖顶紧缠绕机构的套筒中心孔，实现机床对缠绕机构的定位夹紧。三爪卡盘带动缠绕机构旋转，碳纤维布一层一层缠绕在芯轴上。整个过程中，三爪卡盘带动整个机构旋转，4个受力面a面、b面、c面、d面，喉衬6前锥面第一锥形段和芯轴锥面配合接触，受力面a面；喉衬6后锥面第二锥形段和衬套7锥面配合接触，受力面b面，衬套7右端面与后挡板8端面接触，受力面c面，后挡板和套筒配合接触，受力面d面，传递夹紧力，避开了芯轴C段，使C段轴不受力。

四个受力面a面、b面、c面、d面的摩擦力带动各个零件实现旋转，即使有相对转动，也不会影响缠绕，不会影响产品成型。

缠绕工序完成后整个机构一起放进压力缶保压固化，压力范围为5MPa——6MPa，固化温度为160—170℃，恒温固化时间约4小时，保压工序完成后，再将整个缠绕机构夹持在车床上对缠绕好的产品车削外形，达到产品零件外形尺寸，最后把产品16从缠绕机构脱模出来。脱模时，先取下套筒再取下螺母，再取下后挡板，固定芯轴大端，卸下第一卡环，第二卡环，向芯轴小端方向推前挡板，前挡板带动产品一起从芯轴上退出去。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。