锥度段模具及基于其的锥度段、锥度长杆的拉挤成型方法

技术领域

本发明涉及碳纤维增强复合材料拉挤成型领域，具体涉及一种锥度段模具及基于其的锥度段、锥度长杆的拉挤成型方法。

背景技术

碳纤维增强复合材料长杆主要用于大型航空器中的骨架张紧，该类长杆一般为等截面圆柱形，与接头的连接方式多为胶水连接，胶水强度影响两者之间的胶结面积，为保证两者之间的粘接强度，需要很大的胶结面积，该种接头多为金属接头，大的胶结面积使整个结构的重量大大增加，且胶结强度并不随着胶结长度的延长而无限增大，强度无法满足结构需要，且该类结构胶结质量变异性较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种锥度段模具，它可以很好地成型锥度段，解决了两端有锥度段的碳纤维增强复合材料锥度长杆一体成型的难题，通过锥度长杆的锥度段与接头配合，以保证连接强度。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种锥度段模具，包括相互扣合并共同形成锥形腔的两个半模具和相互扣合并共同形成中心孔及围于所述中心孔外的环形孔的两个限位件，所述中心孔和所述环形孔均正对所述锥形腔的大端面；其中，

每个半模具沿轴向设有多个过纱孔和多对固定孔，每对固定孔对应一个过纱孔，所述过纱孔位于所述半模具的远合模侧，每对固定孔中的两个固定孔的排列方向垂直于所述半模具的轴向和合模方向，各对固定孔自所述半模具的大端面至小端面逐渐靠近所述半模具的合模侧。

进一步，所述半模具的两侧设置有固定杆，所述固定杆沿所述半模具的轴向延伸。

本发明还提供了一种锥度段的拉挤成型方法，其基于锥度段模具，方法包括：

S1，在每对固定孔中贯穿碳纤维预浸带一，并将碳纤维预浸带一固定在半模具外；

S2，碳纤维预浸带二自过纱孔进入锥形腔内，绕过相应的碳纤维预浸带一后自锥形腔的大端面穿出后再穿过中心孔；

或碳纤维预浸带二穿过中心孔后自锥形腔的大端面进入锥形腔内，绕过相应碳纤维预浸带一后自过纱孔穿出；

S3，碳纤维预浸带三沿轴向同时贯穿锥形腔和环形孔。

进一步，两个半模具和两个限位件均先供碳纤维预浸带穿过，后扣合；其中，

所述碳纤维预浸带一、所述碳纤维预浸带二和所述碳纤维预浸带三统称为碳纤维预浸带。

本发明还提供了一种锥度长杆的拉挤成型方法，包括：

SA，采用锥度段的拉挤成型方法拉挤成型锥度长杆的前锥度段；

SB，利用牵引设备牵引步骤SA中的锥度段模具及在牵引过程中放卷的碳纤维预浸带三通过烘道，牵引过程中放卷的碳纤维预浸带三拉挤成型为锥度长杆的中间等截面段；

SC，采用锥度段的拉挤成型方法拉挤成型锥度长杆的后锥度段；

SD，利用牵引设备牵引步骤SC中的锥度段模具通过烘道。

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的锥度段模具可以很好地成型锥度段，使得两端有锥度段的碳纤维增强复合材料锥度长杆可以一体成型；

2、本发明通过中心孔和环形孔的配合，使得碳纤维预浸带三作为长纱，逐渐分散在锥形段的边缘部位，碳纤维预浸带二作为断纱，卡在锥形段的中间部位，断纱被保护在里面，断纱和长纱之间不仅仅是胶接，还彼此交错包裹，大大提高了锥形段的力学性能，弥补了断纱本身没有连续性长纱强度高的缺陷，在拉的过程中，可有效避免断纱脱落；

3、锥度长杆的锥度段用于与接头固定安装，通过锥度外形与接头固定，大大减少了连接部分的尺寸，从而减少接头的重量，降低航空器重量，保证更长航时，且为航空器的飞行稳定性提供有利保障。

附图说明

图1为本发明的锥度段模具的结构示意图；

图2为本发明的半模具的结构示意图；

图3为本发明的两个限位件的结构示意图；

图4为本发明的限位件的结构示意图；

图5为碳纤维预浸带穿过本发明的锥度段模具的结构示意图；

图6为本发明的锥度长杆的拉挤成型方法所应用的设备图；

图7为本发明的锥度长杆的结构示意图；

图8为锥度长杆与金属接头装配后的结构示意图；

图9为等截面结构φ3碳纤维复合材料杆与金属接头装配后的结构示意图；

图10为φ3碳纤维复合材料杆外胶粘锥度部分后与金属接头的装配图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1、2、3、4、5所示，一种锥度段模具，包括相互扣合并共同形成锥形腔1的两个半模具2和相互扣合并共同形成中心孔3及围于所述中心孔3外的环形孔4的两个限位件5，所述中心孔3和所述环形孔4均正对所述锥形腔1的大端面；其中，

每个半模具2沿轴向设有多个过纱孔6和多对固定孔7，每对固定孔7对应一个过纱孔6，所述过纱孔6位于所述半模具2的远合模侧，每对固定孔7中的两个固定孔7的排列方向垂直于所述半模具2的轴向和合模方向，各对固定孔7自所述半模具2的大端面至小端面逐渐靠近所述半模具2的合模侧。

在本实施例中，中心孔3的直径大于等于锥形腔1的大端面的尺寸，中心孔3与环形孔4之间的连接部分的壁厚为2-3mm，环形孔4的内外径之差为1mm左右。

如图5所示，在本实施例中，成对的固定孔7是用来穿档条的，档条为碳纤维预浸带一10，过纱孔6是用于供碳纤维预浸带二20穿过的，穿过过纱孔6的碳纤维预浸带二20绕过相应的碳纤维预浸带一10，碳纤维预浸带一10起到对碳纤维预浸带二20定位的作用，使得碳纤维预浸带二20定型在锥形段的中心部分，锥形段是变截面的，在成型的过程中需要沿轴线逐渐扩充纤维，碳纤维预浸带二20就是用来扩充纤维的，各对固定孔7沿水平方向逐渐增高，保证绕过碳纤维预浸带一10的各个碳纤维预浸带二20平行分布在锥形腔1内，具体分布根据锥度长杆的锥度段的尺寸和角度确定。过纱孔6和固定孔7的数量和位置需要根据锥度段的尺寸、角度及所用碳纤维预浸带的规格进行计算后得到。

在本实施例中，限位件5与半模具2之间的距离为5mm左右。作为扩充用的碳纤维预浸带二20从中心孔3穿过，成型锥度长杆的等截面段的碳纤维预浸带三30从环形孔4穿过，如此设置，就使得碳纤维预浸带三30作为长纱，逐渐分散在锥形段的边缘部位，碳纤维预浸带二20作为断纱，卡在锥形段的中间部位，断纱被保护在里面，断纱和长纱之间不仅仅是胶接，还彼此交错包裹，大大提高了锥形段的力学性能，弥补了断纱本身没有连续性长纱强度高的缺陷，在拉的过程中，可有效避免断纱脱落。

如图1、2、5所示，所述半模具2的两侧设置有固定杆8，所述固定杆8沿所述半模具2的轴向延伸。固定杆8是为了更好更方便地固定贯穿成对的固定孔7的碳纤维预浸带一10的两个端部，从而保证在碳纤维预浸带二20绕过时，碳纤维预浸带一10处于绷紧状态。

实施例二

如图5所示，一种锥度段的拉挤成型方法，其基于实施例一所述的锥度段模具，方法包括：

S1，在每对固定孔7中贯穿碳纤维预浸带一10，并将碳纤维预浸带一10固定在半模具2外；

S2，碳纤维预浸带二20自过纱孔6进入锥形腔1内，绕过相应的碳纤维预浸带一10后自锥形腔1的大端面穿出后再穿过中心孔3；

或碳纤维预浸带二20穿过中心孔3后自锥形腔1的大端面进入锥形腔1内，绕过相应碳纤维预浸带一10后自过纱孔6穿出；

S3，碳纤维预浸带三30沿轴向同时贯穿锥形腔1和环形孔4。

在本实施例中，两个半模具2和两个限位件5均先供碳纤维预浸带穿过，后扣合；其中，

所述碳纤维预浸带一10、所述碳纤维预浸带二20和所述碳纤维预浸带三30统称为碳纤维预浸带。如此设置，为碳纤维预浸带穿过锥度段模具的过程提供了便利。

实施例三

如图6所示，一种锥度长杆的拉挤成型方法，包括：

SA，采用实施例二所述的锥度段的拉挤成型方法拉挤成型锥度长杆的前锥度段；

SB，利用牵引设备牵引步骤SA中的锥度段模具及在牵引过程中放卷的碳纤维预浸带三30通过烘道，牵引过程中放卷的碳纤维预浸带三30拉挤成型为锥度长杆的中间等截面段；中间等截面段拉挤到预设长度后，暂停牵引设备；

SC，采用实施例二所述的锥度段的拉挤成型方法拉挤成型锥度长杆的后锥度段；

SD，利用牵引设备牵引步骤SC中的锥度段模具通过烘道。

图7为本实施例拉挤成型的一种锥度长杆的结构示意图，锥度长杆的中间等截面段的直径D1为3-10mm，锥度长杆两端的锥度段的锥度大于0°，小于90°，锥度长杆的总体长度L为20米以上。

图6为本实施例的锥度长杆的拉挤成型方法所应用的设备图，如图6所示，左端的锥度段模具为前端模具100，用于成型前锥度段，右端的锥度段模具为后端模具200，用于成型后锥度段，放纱架一300用于放卷本实施例整个方法过程中的碳纤维预浸带三30以及步骤SC中的碳纤维预浸带二20，放纱架二400用于放卷步骤SA中的碳纤维预浸带二20，牵引设备一500用于牵引前端模具100、前端模具100内的碳纤维预浸带及牵引过程中放卷的碳纤维预浸带二20通过烘道，牵引设备600用于牵引后端模具200及后端模具200内的碳纤维预浸带通过烘道。

在本实施例中，步骤SA中，碳纤维预浸带二20自过纱孔6进入锥形腔1内，绕过相应的碳纤维预浸带一10后自锥形腔1的大端面穿出后再穿过中心孔3；步骤SC中，碳纤维预浸带二20穿过中心孔3后自锥形腔1的大端面进入锥形腔1内，绕过相应碳纤维预浸带一10后自过纱孔6穿出。

如图5所示，碳纤维预浸带三30作为主体碳纤维，用于成型锥度长杆的锥度段的外缘部分及锥度长杆的主体部分，即等截面段，碳纤维预浸带二20作为外援碳纤维，用于成型锥度长杆的锥度段的内部，这样的结构可以保证外缘碳纤维和主体碳纤维部分的整体性，从而保证了锥度长杆有更好的强度。

图8所示，为本实施例中的锥度长杆与金属接头700装配后的形式；图9所示，为等截面结构φ3碳纤维复合材料杆与金属接头700装配后的形式，经对比测试，该种结构用结构胶与金属接头700粘接，随着胶结长度的增加，胶结面积增大，从而胶结强度增加，但当粘接长度超过300mm后胶结强度随胶结面积增大的趋势不再明显，而胶结长度在300mm时，在拉力3KN时发生胶层破坏而导致碳纤维复合材料杆与金属接头700脱开，但如果采用本实施例这种两端带锥度段的锥度长杆，在锥度段长20mm，即金属接头700长20mm时，该结构拉力至10KN时锥度长杆发生破坏，因此，本实施例中的锥度长杆完全发挥了碳纤维杆的高强度优势。同时由于金属接头700长度缩短为1/15，大大降低了整体结构的金属接头的尺寸，从而降低了整个结构的重量，提高了飞行器的续航时间同时也发挥了碳纤维复合材料杆的最大强度；

如图10所示，将等截面结构的φ3碳纤维复合材料杆，及用同种原材料的碳纤维预浸料制出锥度部分800，然后再用结构胶将该锥度部分800粘接在φ3碳纤维复合材料杆上，再装配至金属接头700中，经拉伸测试，发现拉力只在0.8KN时φ3碳纤维复合材料杆与锥度部分800发生脱胶破坏，这是因为这种连接形式仍为胶结方式，而结构胶的拉剪强度在20MPa左右，远小于碳纤维的拉伸强度，易发生拉伸破坏。

综上，用本实施例中的方法制作的碳纤维增强复合材料锥度长杆的锥度段和等截面段的碳纤维是一体的，在与金属接头700配合装配时能够以较小的装配尺寸，得到较大拉伸强度。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。