一种复合材料矩形截面弹簧模具及利用该模具制备弹簧的方法与流程

本发明涉及一种弹簧模具及制备弹簧方法。

背景技术：

新型材料中，纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成的复合材料具备优异的性能。例如，复合材料中性能最优的碳纤维复合材料，碳纤维一般是由碳元素构成的特种纤维。碳纤维是拥有很多优异的特性，如高熔点、耐磨、抗腐蚀等等，同时其表面有明显的各向异性且比较柔软，可加工成各种织物且纤维方向具有很大的强度。碳纤维复合材料力学性能很好，其比重不足钢的1/4，抗拉强度可达钢的7～9倍，抗拉弹性模量也大于钢。碳纤维复合材料是比钢等金属更有潜力的新型材料。正由于纤维复合材料的优异性能，将复合材料来代替金属材料去制造弹簧，既能满足减轻重量的需求，又能提高弹簧本身的性能。

由于复合材料的性质和金属材料之间的差异，复合材料螺旋弹簧已不能按照传统方法和工序来制造，现有的一些制造方式也不满足大规模的工业生产和制造，且存在耗时长，原料消耗大，成本较高，脱膜难，效率低下等问题。例如现有的复合材料螺旋弹簧制备过程中都是用沙土或是纸来做芯模，所以原料消耗大，而且制备一个弹簧前要先做个沙模或是纸模，弹簧制备完成后，通过振捣或是溶液浸泡去除芯模，一次脱膜得数个小时，所以这种工艺耗时长、脱膜难、效率低，这种方法只适合在实验室进行实验，不适合工业生产；所以，急需一种新型模具和制备方法来进行复合材料螺旋弹簧的制造。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的复合材料螺旋弹簧制备过程中存在耗时长、原料消耗大、成本较高、脱膜难和效率低下的问题，提出一种复合材料矩形截面弹簧模具及利用该模具制备弹簧的方法；

一种复合材料矩形截面弹簧模具，该模具由圆柱芯管和模具主体构成；

所述模具主体是由数个螺旋环状片体连接构成的螺旋体；所述螺旋环状片体上的两个端面处于同一平面内，且该平面平行于螺旋环状片体的轴线；所述螺旋环状片体上的两个端面的其中一个端面的中心设置有凸块，螺旋环状片体上的两个端面的另一个端面的中心设置有与凸块间隙配合的凹坑，相邻的凸块与凹坑构成卡槽结构以连接相邻的螺旋环状片体；

所述模具主体套设在圆柱芯管外部；

所述模具主体的材质为碳素钢或合金钢；其中模具主体的材质可根据固化方法和弹簧精度确定，在使用环境为高温高压固化条件下或弹簧精度要求高时，采用刚度较大不易变形的碳素钢，在固化剂常温固化或精度要求低时，采用合金钢；

利用上述复合材料矩形截面弹簧模具制备弹簧的方法按以下步骤进行：

一、将螺旋环状片体组装成模具主体；

二、将模具主体套设在圆柱芯管外部；

三、将纤维材料缠绕在模具主体上相邻的螺旋环状片体的间隙内，缠绕过程中向纤维材料施加远离模具主体方向的拉力保持纤维材料处于拉伸状态，同时在缠绕过程中向纤维材料的间隙内填充树脂；

所述纤维材料为是碳纤维、芳纶纤或玻璃纤维；

所述在缠绕过程中向纤维材料的间隙内填充的树脂为环氧树脂；

所述缠绕过程中向纤维材料施加远离模具主体方向的拉力为50～150n；

四、步骤三完成后，将内径小于模具主体外径的硅胶套套设在模具主体外部；

其中，将内径小于模具主体外径的硅胶套套设在模具主体外部，能够保证缠绕在螺旋环状片体3的间隙内的纤维材料和树脂处于箍紧状态，且硅胶套能够起到应力维持作用；

五、步骤四完成后进行树脂固化和脱模，即完成复合材料矩形截面弹簧的制备；

本发明具备以下有益效果：

1、本发明圆柱芯管和模具主体是处于分离状态，组装成形，圆柱芯管和模具主体的直径、长度、模具主体中螺旋环状片体的截面大小，相邻的螺旋环状片体的间距等尺寸可根据所需弹簧自行设计；

2、本发明方法制备的复合材料矩形截面弹簧具有质量轻、高强度、高刚度的优点，在相同的密度条件下，本发明方法制备的复合材料弹簧刚度为27000n/m，是普通钢弹簧刚度的4.6倍。当本发明方法制备的复合材料弹簧的刚度和普通钢弹簧的刚度均为27000n/m时，且两弹簧的尺寸相同时，本发明方法制备的与普通钢弹簧质量比为7∶25；

3、本发明弹簧模具的成本低、可重复利用、装模和脱模容易，本发明复合材料矩形截面弹簧模具分离在5分钟内即可完成，而且不会损坏弹簧，也不会影响到弹簧的性能；

附图说明：

图1为本发明弹簧模具结构示意图；

图2为本发明螺旋环状片体3的结构示意图；

图3为图2的后视图。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式复合材料矩形截面弹簧模具，该模具由圆柱芯管2和模具主体1构成；

所述模具主体1是由数个螺旋环状片体3连接构成的螺旋体；

所述螺旋环状片体3上的两个端面处于同一平面内，且该平面平行于螺旋环状片体3的轴线；所述螺旋环状片体3上的两个端面的其中一个端面的中心设置有凸块4，螺旋环状片体3上的两个端面的另一个端面的中心设置有与凸块4间隙配合的凹坑5，相邻的凸块4与凹坑5构成卡槽结构以连接相邻的螺旋环状片体3；

所述模具主体1套设在圆柱芯管2外部。

本实施方式本发明具备以下有益效果：

1、本实施方式圆柱芯管2和模具主体1是处于分离状态，组装成形，圆柱芯管2和模具主体1的直径、长度、模具主体1中螺旋环状片体3的截面大小，相邻的螺旋环状片体3的间距等尺寸可根据所需弹簧自行设计；

2、本实施方式弹簧模具的成本低、可重复利用、装模和脱模容易，本发明复合材料矩形截面弹簧模具分离在5分钟内即可完成，而且不会损坏弹簧，也不会影响到弹簧的性能；

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述模具主体1的材质为碳素钢或合金钢。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式利用复合材料矩形截面弹簧模具制备弹簧的方法按照以下步骤进行：

一、将螺旋环状片体3组装成模具主体1；

二、将模具主体1套设在圆柱芯管2外部；

三、将纤维材料缠绕在模具主体1上相邻的螺旋环状片体3的间隙内，缠绕过程中向纤维材料施加远离模具主体1方向的拉力保持纤维材料处于拉伸状态，同时在缠绕过程中向纤维材料的间隙内填充树脂；

四、步骤三完成后，将内径小于模具主体1外径的硅胶套套设在模具主体1外部；

五、步骤四完成后进行树脂固化和脱模，即完成复合材料矩形截面弹簧的制备。

本实施方式本发明具备以下有益效果：

本实施方式方法制备的复合材料矩形截面弹簧具有质量轻、高强度、高刚度的优点，在相同的密度条件下，本实施方式方法制备的复合材料弹簧刚度为27000n/m，是普通钢弹簧刚度的4.6倍。当本实施方式方法制备的复合材料弹簧的刚度和普通钢弹簧的刚度均为27000n/m时，且两弹簧的尺寸相同时，本实施方式方法制备的与普通钢弹簧质量比为7∶25；

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤三所述纤维材料为是碳纤维、芳纶纤或玻璃纤维。其他步骤和参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：步骤三所述在缠绕过程中向纤维材料的间隙内填充的树脂为环氧树脂。其他步骤和参数与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤三所述缠绕过程中向纤维材料施加远离模具主体1方向的拉力为50～150n。其他步骤和参数与具体实施方式三至五之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：结合图1至图3说明本实施例；

本实施例复合材料矩形截面弹簧模具，该模具由圆柱芯管2和模具主体1构成；

所述模具主体1是由5个螺旋环状片体3连接构成的螺旋体；所述螺旋环状片体3上的两个端面处于同一平面内，且该平面平行于螺旋环状片体3的轴线；所述螺旋环状片体3上的两个端面的其中一个端面的中心设置有凸块4，螺旋环状片体3上的两个端面的另一个端面的中心设置有与凸块4间隙配合的凹坑5，相邻的凸块4与凹坑5构成卡槽结构以连接相邻的螺旋环状片体3；

所述模具主体1套设在圆柱芯管2外部；所述模具主体1的材质为合金钢；

利用上述复合材料矩形截面弹簧模具制备弹簧的方法按照以下步骤进行：

一、将螺旋环状片体3组装成模具主体1；

二、将模具主体1套设在圆柱芯管2外部；

三、将纤维材料缠绕在模具主体1上相邻的螺旋环状片体3的间隙内，缠绕过程中向纤维材料施加远离模具主体1方向的拉力保持纤维材料处于拉伸状态，同时在缠绕过程中向纤维材料的间隙内填充树脂；

所述纤维材料为是碳纤维；所述为在缠绕过程中向纤维材料的间隙内填充的树脂为环氧树脂；所述缠绕过程中向纤维材料施加远离模具主体1方向的拉力为100n；

四、步骤三完成后，将内径小于模具主体1外径的硅胶套套设在模具主体1外部；

五、步骤四完成后进行树脂固化和脱模，即完成复合材料矩形截面弹簧的制备。

本实施例制备的碳纤维复合材料弹簧与钢弹簧轻相比，在在刚度强度相同的条件下，比钢弹簧轻40％，剪切模量比钢弹簧高16％，制备过程中脱模时间为5分钟；

本实施例复合材料矩形截面弹簧模具，该模具由圆柱芯管2和模具主体1构成；

所述模具主体1是由5个螺旋环状片体3连接构成的螺旋体；所述螺旋环状片体3上的两个端面处于同一平面内，且该平面平行于螺旋环状片体3的轴线；所述螺旋环状片体3上的两个端面的其中一个端面的中心设置有凸块4，螺旋环状片体3上的两个端面的另一个端面的中心设置有与凸块4间隙配合的凹坑5，相邻的凸块4与凹坑5构成卡槽结构以连接相邻的螺旋环状片体3；

实施例1：

本实施例复合材料矩形截面弹簧模具，该模具由圆柱芯管2和模具主体1构成；

所述模具主体1套设在圆柱芯管2外部；所述模具主体1的材质为合金钢；

利用上述复合材料矩形截面弹簧模具制备弹簧的方法按照以下步骤进行：

一、将螺旋环状片体3组装成模具主体1；

二、将模具主体1套设在圆柱芯管2外部；

三、将纤维材料缠绕在模具主体1上相邻的螺旋环状片体3的间隙内，缠绕过程中向纤维材料施加远离模具主体1方向的拉力保持纤维材料处于拉伸状态，同时在缠绕过程中向纤维材料的间隙内填充树脂；

所述纤维材料为是玻璃纤维；所述为在缠绕过程中向纤维材料的间隙内填充的树脂为环氧树脂；所述缠绕过程中向纤维材料施加远离模具主体1方向的拉力为110n；

四、步骤三完成后，将内径小于模具主体1外径的硅胶套套设在模具主体1外部；

五、步骤四完成后进行树脂固化和脱模，即完成复合材料矩形截面弹簧的制备。

本实施例制备的玻璃纤维复合材料弹簧与钢弹簧轻相比，在在刚度强度相同的条件下，比钢弹簧轻70％，剪切模量比钢弹簧高16％，制备过程中脱模时间为4分钟。