一种采用碳纤维复合材料联接及承载的可拆卸液压缸的制作方法

本发明涉及一种采用碳纤维复合材料联接及承载的可拆卸液压缸。

背景技术：

液压执行器件的发展趋势是轻量化和高功重比。传统的金属液压缸一般采用高强度钢作为结构材料；对重量控制要求较高的场合则采用一定比例的低密度材料，如高强度铝合金；对重量要求特别苛刻的场合则一般采用纤维增强复合材料作为承载结构。

碳纤维复合材料比重远低于钢材；碳纤维抗拉强度一般高于3500MPa，部分碳纤维材料抗拉强度可达4500MPa以上。这些特性使得碳纤维增强复合材料制造液压缸具有较大优势。

目前已有的某些采用碳纤维复合材料制造的液压缸，其联接方案或沿用传统的螺钉、销钉等联接，或采用高剪切模量的黏合剂联接，这些方式或对碳纤维复合材料的连续结构造成破坏，或存在脱胶的隐患。同时，目前已有的某些采用碳纤维复合材料制造的液压缸采用碳纤维全包覆方案，虽然避免了传统联接的削弱作用，但是却使得缸筒丧失结构独立性，整个液压缸一旦成型便不可拆卸，以至维修成本昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种采用碳纤维复合材料联接及承载的可拆卸液压缸设计方案，解决现有技术领域全金属液压缸质量大、功重比不理想的问题；同时提供一种无需破坏碳纤维复合材料结构完整性即可实现可靠联接的镶嵌联接方法，解决现有复合材料液压缸的联接对承载结构造成削弱的问题；同时提出一种具有独立缸筒结构的液压缸设计，解决现有复合材料液压缸维修成本高的问题。

本发明解决技术问题采用的技术方案为：一种采用碳纤维复合材料联接及承载的可拆卸液压缸，包括端盖、缸头、缸筒外层、缸筒内衬、缸底、活塞杆和活塞；所述缸头、缸底、缸筒内衬三者构成缸筒组件金属部分；所述缸筒外层是以抗拉强度≥4200MPa的高强度碳纤维为增强材料、环氧树脂为基体，采用接触成型法将碳纤维缠绕在缸筒组件金属部分上成型的；所述缸头、缸底、缸筒内衬三者在缸筒外层的镶嵌联接作用下，共同构成独立的、可拆装替换的缸筒组件。

进一步地，所述碳纤维缠绕成型工艺是以碳纤维原丝为主，以碳纤维单向布、碳纤维窄带为辅的碳纤维湿法缠绕成型工艺；在紧贴缸筒组件金属部分采用碳纤维单向布缠绕，缸筒外层的外表面采用碳纤维窄带缠绕，中间层采用碳纤维原丝缠绕；具体为：采用现场浸胶法，在碳纤维窄带缠绕层和碳纤维原丝缠绕层施加预紧力，将碳纤维缠绕在缸筒内衬、缸头、缸底三者构成的缸筒组件金属部分上，然后经过130至140℃加热固化，获得缸筒组件。

进一步地，所述碳纤维缠绕过程运用了测地线缠绕、端部90°缠绕、非测地线稳定缠绕、内层无预紧力缠绕结合的方法；缸筒外层的单向布缠绕层采用内层无预紧力缠绕的方法，等效缠绕角为0°；窄带缠绕层采用非测地线稳定缠绕的方法，缠绕角为90°；碳纤维原丝缠绕层中不涉及镶嵌联接的主承载部分采用测地线缠绕方法，缠绕角为45°至90°；碳纤维原丝缠绕层中涉及镶嵌联接的部分采用端部90°缠绕方法。

进一步地，所述的缸底、缸头均运用机加工方式制出深度大于4mm、有效宽度大于10mm的异形沟槽，此沟槽用于碳纤维复合材料制成的缸筒外层与缸头、缸底完成镶嵌联接。

进一步地，所述端盖、缸头、缸筒内衬、缸底、活塞杆、活塞材质均为普通45号钢，其中活塞杆外层经过镀铬处理。

进一步地，所述缸筒外层的组分比例为：碳纤维体积：环氧树脂体积＝7:3。

进一步地，所述缸筒内衬为规格符合GB 8713-1988的冷拔无缝钢管，缸筒内衬加工过程中除了内表面进行精磨、端部倒角之外，再无其他机加工工序。

进一步地，所述活塞杆端部加工外螺纹，活塞内圆柱面上加工内螺纹，活塞杆与活塞采用螺纹联接，通过螺纹联接代替传统的螺母联接结构，可节省缸筒内部空间。

上述液压缸可应用在以液压油为流体介质的液压传动、液压控制设备中。

本发明的有益结果是：

1、本发明与现有金属液压缸相比具有重量轻、功重比高、抗腐蚀能力强等优点，较等规格、等压力等级的金属液压缸至少减重35％，相应地，实际工程应用中本设备可以降低能耗、提高设备经济性；同时，由于液压缸自身减轻，设备转动惯量减小，使系统动态特性有所改善。

2、本发明与采用传统联接的复合材料液压缸相比，提出了镶嵌式联接。与螺纹、螺栓、销钉、卡键等破坏结构完整性的连接方式相比，镶嵌式联接具有碳纤维相连续性高、碳纤维复合材料结构完整的特点，充分发挥了碳纤维复合材料的力学优势。

3、本发明缸筒组件具有可替换性，即缸头、缸底、缸筒内衬、缸筒外层四部分作为一个独立整体结构存在，维修时可在不破坏该独立整体结构及其他零部件的情况下进行零件替换，使维修难度及成本较“全包覆式的复合材料液压缸”均有所降低。

4、本发明采用接触成型法将碳纤维复合材料结构紧贴金属零件的特殊形状的外表面，固化后二者便牢牢镶嵌在一起。碳纤维复合材料的增强结构发挥承载作用的同时也起到联接的作用。碳纤维复合材料不需机加工，最大限度地保持了结构完整性，单位体积的承载能力高于机加工处理后的复合材料结构。

附图说明

图1是本发明采用碳纤维复合材料制造的液压缸的主要结构示意图；

图2是本发明缸筒外层的组成部分及各部分的缠绕方法示意图；

图中，端盖1、缸头2、缸筒外层3、缸筒内衬4、缸底5、活塞杆6、活塞7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种采用碳纤维复合材料联接及承载的可拆卸液压缸与传统液压缸结构基本相同，除缸筒外层3系复合材料制造，密封圈、防尘圈、支撑环、导向环均依照国标选择相应标准件以外，其他零件均采用45号钢制造。本发明液压缸包括端盖1、缸头2、缸筒外层3、缸筒内衬4、缸底5、活塞杆6和活塞7；所述缸头2、缸底5、缸筒内衬4三者构成缸筒组件金属部分；所述缸筒外层3是以抗拉强度≥4200MPa的高强度碳纤维为增强材料、环氧树脂为基体，采用接触成型法将碳纤维缠绕在缸筒组件金属部分上成型的；所述缸头2、缸底5、缸筒内衬4三者在缸筒外层3的镶嵌联接作用下，共同构成独立的、可拆装替换的缸筒组件。本发明缸筒组件具有可替换性，即缸头、缸底、缸筒内衬、缸筒外层四部分作为一个独立整体结构存在，维修时可在不破坏该独立整体结构及其他零部件的情况下进行零件替换，使维修难度及成本较“全包覆式的复合材料液压缸”均有所降低。

所述碳纤维缠绕成型工艺是以碳纤维原丝为主，以碳纤维单向布、碳纤维窄带为辅的碳纤维湿法缠绕成型工艺；在紧贴缸筒组件金属部分采用碳纤维单向布作为增强材料，采取无预紧力缠绕，单向布的纤维走向平行于液压缸轴向；缸筒外层3的外表面采用碳纤维窄带缠绕，中间层采用碳纤维原丝缠绕；如图2中的碳纤维窄带缠绕层a、碳纤维原丝缠绕层不涉及镶嵌联接的部分b、碳纤维原丝缠绕层涉及镶嵌联接的部分c、单向布缠绕层d；具体为：采用现场浸胶法，在碳纤维窄带缠绕层和碳纤维原丝缠绕层施加预紧力，将碳纤维缠绕在缸筒内衬4、缸头2、缸底5三者构成的缸筒组件金属部分上，然后经过130至140℃加热固化，获得缸筒组件。通过采用接触成型法将碳纤维复合材料结构紧贴金属零件的特殊形状的外表面，固化后二者便牢牢镶嵌在一起。碳纤维复合材料的增强结构发挥承载作用的同时也起到联接的作用。碳纤维复合材料不需机加工，最大限度地保持了结构完整性，单位体积的承载能力高于机加工处理后的复合材料结构。

所述碳纤维缠绕过程运用了测地线缠绕、端部90°缠绕、非测地线稳定缠绕、内层无预紧力缠绕结合的方法；缸筒外层3的单向布缠绕层采用内层无预紧力缠绕的方法，等效缠绕角为0°；窄带缠绕层采用非测地线稳定缠绕的方法，缠绕角为90°；碳纤维原丝缠绕层中不涉及镶嵌联接的主承载部分采用测地线缠绕方法，缠绕角为45°至90°；碳纤维原丝缠绕层中涉及镶嵌联接的部分采用端部90°缠绕方法。

所述的缸底5、缸头2均运用机加工方式制出深度大于4mm、有效宽度大于10mm的异形沟槽，此沟槽用于碳纤维复合材料制成的缸筒外层3与缸头2、缸底5完成镶嵌联接。

所述端盖1、缸头2、缸筒内衬4、缸底5、活塞杆6、活塞7材质均为普通45号钢，其中活塞杆6外层经过镀铬处理。

所述缸筒外层3的组分比例为：碳纤维体积：环氧树脂体积＝7:3。

所述缸筒内衬4为规格符合GB 8713-1988的冷拔无缝钢管，缸筒内衬4加工过程中除了内表面进行精磨、端部倒角之外，再无其他机加工工序。当缸头2、缸底5、缸筒内衬4机加工完成之后，须去除毛刺并清洗内部杂物，缸头2与缸筒内衬4过渡配合处采用O型圈密封，缸底5与缸筒内衬4过渡配合处采用O型圈密封，确保安装同轴度后方可缠绕碳纤维。

所述活塞杆6端部加工外螺纹，活塞7内圆柱面上加工内螺纹，活塞杆6与活塞7采用螺纹联接，通过螺纹联接代替传统的螺母联接结构，可节省缸筒内部空间。活塞杆6采取三段式结构，通过两处焊接，将实心的活塞杆头、空心的活塞杆主体、实心的活塞杆尾部合为一体；为保证同轴度、直线度等公差要求，按照“焊接—粗车—精车—磨削—镀铬—精磨”的工序加工。

本发明液压缸可应用在以液压油为流体介质的液压传动、液压控制设备中。

最后需要注意的是，上述说明只是本发明的一种具体应用实例，可以根据需要，设计其他规格的液压缸，显然与本发明基本原理相同的其他应用实例也应属于本发明的保护范围。