一种编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法

摘要

本发明涉及一种编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法，其包括如下工艺步骤：根据所需要制备结构件的几何特点，设计可抽取的金属芯，制造芯轴模具，根据钻孔的位置以及形状设计相应的预埋孔和形控塞，将金属轴芯置入模具，然后注入熔融状态下的蜡或是高分子聚合物，使该金属芯上覆盖上蜡或高分子聚合物，成为复合芯轴，该芯轴将随后被夹持到编织装置的抽取机构上，得到表面覆有增强体的编织芯轴，最后置入结构件内表面模具，注入树脂，冷却固化，加热除尽内部蜡或者高分子聚合物后抽出金属轴芯得到中空带孔的编织纤维增强结构件。本发明具有制造工艺简单，制孔参数可调，一次成型，强度高等诸多优点。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种制孔方法，具体涉及一种编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法，属于复合材料加工方法技术领域。

【背景技术】

随着高性能机电装备的快速发展，具有高比强度、低惯量的复合材料管件获得了日益广泛的应用，其整体性能可设计，且易于整体形状同步成型制造，被广泛应用于航空航天、车辆等领域的构件，常用来制造核心承力构件。

但在机械结构中，通常需要在这类管件上打孔，通过机械连接将管件组装成为目标框架。常见的机械加工方法中，通常使用普通麻花钻的高速钢或硬质合金刀具进行复合材料单向带钻孔，制孔方式至少需要四道工序完成，即钻孔-扩孔-粗铰孔-精铰孔，此种方法不仅生产效率低下，而且还存在诸多问题:如制孔质量不稳定，制孔会出现劈裂和缩孔，由此产生的报废率高达30%以上。

同时，碳纤维增强复合材料主要是由碳纤维增强相以及树脂基体相构成的混合形态，宏观上呈现明显的各向异性和层叠特征，其层间结合强度远低于其他方向。钻孔时由于入口和出口位置约束作用弱，钻尖极易产生较大的轴向力，顶开最外面几层材料，产生分层损伤，并因无法切断纤维导致纤维弯曲，引发撕裂和毛刺等损伤。另外，复合材料的优异性能是由连续纤维提供，然而机械钻孔需要切断纤维，极易损伤纤维材料的一体性，造成强度下降，而且，由于碳纤维增强相极硬，易加剧刀具磨损，导致刃口不锋利，难以切断纤维，极易造成严重的出口和入口毛刺。

因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述技术问题，本发明的目的在于一种编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法，其制造工艺简单，制孔参数可调，一次成型，强度高。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法，其包括如下工艺步骤：

（1）根据所需制备的复合材料结构件的几何特点，设计可自由抽取的金属轴芯以及芯轴模具；

（2）根据复合材料结构件制孔的位置以及几何形状的要求，在芯轴模具上设计满足位置、方向和数量要求并尺寸略大于制孔的预埋孔；根据制孔的形状要求，设计可自由放入预埋孔并与芯轴模具呈过盈配合的形控塞，通过更改形控塞内表面形状制作多种形状的开孔；

（3）将金属轴芯放入芯轴模具，并注入熔融状态下的蜡，静置冷却；

（4）将该复合芯轴夹持到三维编织装置的抽取机构上进行三维编织，得到表面覆有增强体的编织芯轴；

（5）在改性不饱和聚酯树脂中添加一定剂量的促进剂和固化剂，搅拌均匀并静置等待无明显气泡；

（6）准备结构件内表面模具，涂上脱模膏，置入编织芯轴，合上模具并检验模具的气密性后注入调制好的树脂，然后固化；

（7）将固化的复合材料结构件置于热箱中加热，使蜡液化流出，抽出金属轴芯，得到中空带孔的编织纤维增强结构件。

本发明的编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法进一步为：步骤（1）中，所述金属轴芯为圆柱形轴芯。

本发明的编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法进一步为：步骤（3）中，静置冷却的时间为1-2小时。

本发明的编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法进一步为：步骤（3）中，采用注蜡机注入熔融状态下的蜡；且所述芯轴模具连接至一回收容器。

本发明的编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法进一步为：步骤（5）中，所述促进剂主要成分为异辛酸钴，固化剂主要成分为过氧化甲乙酮，树脂:促进剂:固化剂比例为100:1:2。

本发明的编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法进一步为：步骤（6）中，在10-30℃的温度下固化16-24h。

本发明的编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法进一步为：所述结构件内表面模具上分别连接有一树脂桶和一回收桶；步骤（6）中，所述回收桶连接至一真空泵。

本发明的编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法还为：步骤（7）中，热箱温度为80℃，加热30min；所述热箱内设置有蜡液回收盒。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法制造工艺简单，制孔参数可调，一次成型，强度高；其采用编织技术，增强体按照特定结构进行交织，可完成无缝连接，大大提高了结构件的强度；孔洞在编织时自然产生，不会因为道具切断纤维破坏结构件的完整性，强度高；另外，本设计没有单独使用蜡或者高分子材料作为芯轴，而是采用金属轴芯和蜡复合的方式作为复合芯轴，大大提高了复合芯轴在三维编织装置上编织时的强度，有利于保护编织形状的规则性和完整性。本发明克服了传统机械钻孔极容易破坏编织纤维复合材料的一体性，造成纤维断裂，整体强度下降，而且由于纤维复合材料呈现各向异性的特征，钻孔过程中容易出现毛刺、撕裂和层间分离等问题。

【附图说明】

图1（a）是芯轴模具上模的示意图。

图1（b）是芯轴模具下模的示意图。

图2（a）是方形形控塞的示意图。

图2（b）是圆形形控塞的示意图。

图2（c）是椭圆形形控塞的示意图。

图3（a）是在金属轴芯上包覆蜡模用于制作芯轴的示意图。

图3（b）是表面覆蜡的复合芯轴的示意图。

图4是在芯轴上进行增强体编织的示意图。

图5是编织完成之后的编织芯轴的示意图。

图6是编织复合材料结构件的产生的示意图。

图7是复合材料结构件脱模的示意图。

图8是中空带孔的复合材料结构件的示意图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图8所示，本发明为一种编织复合材料中空构件无损一体化制孔方法，其包括如下工艺步骤：

（1）根据所需制备的复合材料结构件的几何特点，设计可自由抽取的金属轴芯（一般为圆柱形轴芯）以及芯轴模具（如图1（a）、（b））。

（2）为了提高制孔调节性，制孔参数可调，包括孔形状、孔尺寸，根据复合材料结构件制孔的位置以及几何形状的要求，在芯轴模具上设计满足位置、方向和数量要求并尺寸略大于制孔的预埋孔1（一般为尺寸略大于所需开孔最大尺寸的圆孔）；根据制孔的形状要求，设计可自由放入预埋孔并与芯轴模具呈过盈配合的形控塞（如图2（a）、（b）、（c）），通过调节形控塞达到改变制孔形状的目的。

（3）将金属轴芯3置入芯轴模具2，并注入熔融状态下的蜡或者其他高分子聚合物（如图3（a）、3（b）），静置冷却12小时，使金属轴芯表面覆有所需制备的结构件形状的蜡，并在预埋孔位置具有相应形控塞内表面形状的突起结构，该结构形状从下往上逐渐减小，可有效防止编织物缠绕在突起上，从而得到复合芯轴（如图4）；其中，采用注蜡机5注入熔融状态下的蜡；且所述芯轴模具2连接至一回收容器4。

（4）将该复合芯轴夹持到三维编织装置的抽取机构上（如图4），该机构可根据具体结构件的要求调整抽取机构的运动速度以改变增强体在复合芯轴上的覆盖密度，增强结构件强度，得到表面覆有增强体的编织芯轴6（如图5）。

（5）在改性不饱和聚酯树脂中添加一定剂量的增稠剂和固化剂，搅拌均匀并静置等待无明显气泡。所述促进剂主要成分为异辛酸钴，固化剂主要成分为过氧化甲乙酮，树脂:促进剂:固化剂比例为100:1:2。

（6）准备结构件内表面模具7，涂上脱模膏，置入编织芯轴6，合上模具并检验模具的气密性后注入调制好的树脂（如图6），在10-30℃的温度下固化16-24h。其中，所述结构件内表面模具7上分别连接有一树脂桶8和一回收桶9；所述回收桶9连接至一真空泵10。

（7）将固化的复合材料结构件13置于温度为85℃的热箱11中加热大约30min（如图7），使蜡液化流出，抽出金属轴芯，得到中空带孔的编织纤维增强结构件（如图8）。其中，所述烘箱11内设置有用于回收蜡液的蜡液回收盒12。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。