一种碳纤维复合材料增强的轻量化液压缸的制作方法

本发明涉及一种液压缸，具体涉及一种碳纤维复合材料增强的轻量化液压缸。

背景技术：

目前，液压技术正向高压、高速、高可靠性、高集成化方向迅猛发展。工程机械的节能化、轻量化发展使得其需要更轻更可靠的液压元件；飞机及航空航天领域中，液压系统及元件必须具备重量轻、高强度的特点；汽车工业中的轻量化设计成为汽车节能减排的有效途径，而液压元件的轻量化设计是其重要的一部分。液压缸作为液压系统中重要的执行元件，其轻量化势在必行。传统使用金属材料制造的液压缸为了满足强度、刚度、抗疲劳性和安全性等要求，必须提高安全系数，这样就使得液压缸重量大、设计保守耗费材料。实现液压缸轻量化首先是在充分进行工况研究的基础上进行产品结构优化，其次是高强度低密度新材料的开发应用。

在众多的轻量化材料中，碳纤维复合材料具有优异的综合力学性能：比强度（强度与密度之比）、比模量（模量与密度之比）和比吸能（有效破坏长度内单位质量吸收的能量）高，抗拉强度一般在3500mpa以上，抗拉弹性模量为23000-43000mpa，在等刚度或等强度设计原则下，碳纤维复合材料结构比低碳钢结构减重50%以上，比镁/铝合金结构减重达30%；同时，碳纤维复合材料具有良好的抗疲劳性能、耐腐蚀性，零件使用寿命高，因此，将碳纤维材料应用到液压缸中，不仅可以达到轻量化目的，还可以得到更好的性能。

目前有少量公司使用碳纤维复合材料制造液压缸。比如，2015年汉诺威展会上派克公司展示的碳纤维液压缸，国内汉臣液压公司也提出了类似的碳纤维液压缸。在复合材料与金属材料连接上它们大都采用胶结、螺钉、销钉等方案。胶结方案存在脱胶隐患不够可靠，且不方便拆卸维修；螺钉、销钉连接方案容易造成复合材料层的破坏。轻量化可以使液压缸有更低的能耗，节省动力，提高经济性，使液压产品满足节能环保的要求，在工程机械、航空航天、汽车工业等领域有着巨大的应用潜能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提出一种碳纤维复合材料增强液压缸，用来满足液压缸的轻量化需要和越来越高的强度、刚度、抗疲劳性、安全性等要求。这种碳纤维复合材料增强液压缸相对传统液压缸来说，结构简单，易于拆卸维修，拥有更高的强度、刚度、抗疲劳性能，同时它的重量可以减轻30%左右，该液压缸可作为液压系统的执行元件用于工程机械、航天航空、汽车工业等领域。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种碳纤维复合材料增强的轻量化液压缸，包括由缸筒两端分别与缸底和缸盖相连组成的液压缸，其特征在于：所述缸筒内设有活塞和与活塞相连的活塞杆，所述活塞杆一端从缸盖上设置的孔内伸出液压缸外，活塞杆与缸盖的孔内壁以及活塞与缸筒内壁均设有动密封，缸底和缸盖上分别设有第一油口和第二油口，所述第一油口和第二油口分别与液压油系统相连，通过液压油驱动缸筒内的活塞两边滑动；所述缸筒由金属内衬在外表面覆盖碳纤维复合材料增强层组成，所述碳纤维复合材料增强层是由强度在3500mpa以上的碳纤维材料为增强材料、热固性树脂为基体，采用湿法缠绕成型工艺制成。

作为改进，所述碳纤维复合材料增强层的湿法成型工艺是指：将碳纤维原丝、碳纤维单向布和碳纤维窄带布先使用热固性树脂进行浸胶，然后在张力控制下缠绕到作为芯模的金属内衬上，最后经固化脱模得到缸筒。

作为改进，所述湿法成型工艺中，浸胶后碳纤维材料的缠绕方式为：在金属内衬上的最底层采用碳纤维单向布缠绕，中间层采用碳纤维原丝缠绕，最外层采用碳纤维窄带布缠绕；在最底层的碳纤维单向布缠绕层采用内层无预紧力缠绕，缠绕角度为0°；对中间层的碳纤维原丝缠绕层施加预紧力，缠绕角度为45°至90°；最外层的碳纤维窄带布缠绕层采用无预紧力缠绕，缠绕角度为90°；缠绕完成后经过130至140℃加热固化，脱模后碳纤维复合材料增强层和金属内衬紧紧粘结在一起。

作为改进，所述缸底上设有缓冲密闭空间，活塞靠近缸底侧设有与缓冲密闭空间配合的缓冲套。

作为改进，所述金属内衬是一种两端内部加厚的薄壁圆筒，薄壁圆筒与缸盖及缸底均通过螺纹连接，所述螺纹为6级精度的细牙螺纹；所述金属内衬中间段内壁进行表面处理，使其表面粗糙度粗糙度ra值在0.1至0.4之间。

作为改进，所述金属内衬中间段内壁表面处理方式为：先在金属内衬中间段内壁表面镀铬，镀层厚度为30至40µm，镀铬后珩磨或抛光。

作为改进，在缸盖和缸底与薄壁圆筒螺纹配合拧紧前，在螺纹上加入乐泰粘胶剂，以提高螺纹连接可靠性。

作为改进，所述热固性树脂采用酚醛树脂或环氧树脂m03胶黏剂，热固性树脂在碳纤维复合材料增强层中的比例大于20%。

作为改进，所述缸筒的碳纤维复合材料增强层外表面喷涂一层芳族聚酯纤维材料作为保护涂层。

作为改进，所述活塞杆表面经过镀铬处理，镀层厚度15至25µm；活塞与活塞杆连接孔径采用h9级配合，活塞杆的表面粗糙度ra为0.63至2.5µm；活塞通过两侧的缓冲套与活塞杆固定。

本发明与现有技术相比具有的优势有：

第一，所述液压缸的缸筒组件使用了高强度的碳纤维复合材料，其在强度、刚度、抗疲劳性能上比现有的全金属液压缸高很多；

第二，重量轻，可以满足工程机械、航空航天、汽车工业等领域的轻量化要求；

第三，有更低的能耗，节省动力，提高经济性，使液压产品更好满足节能环保的要求；其四，由于碳纤维复合材料有很好的耐腐蚀性能，使其可在恶劣的工况下使用。

附图说明

图1为本发明轻量化增强的液压缸结构示意图。

图2为金属内衬结构示意图。

图中:1-缸底，2-第一油口，3-金属内衬，4-碳纤维复合材料增强层，5-后缓冲套，6-活塞，7-动密封一，8-前缓冲套，9-活塞杆，10-缸盖，11-第二油口，12-动密封二。

具体实施方式

为了让本技术领域的人士更好地理解本发明方案，下面阐述本发明的具体实施方式，以及结合附图作进一步说明。

如图1所示，一种碳纤维复合材料增强的轻量化液压缸，包括由缸筒两端分别与缸底1和缸盖10相连组成的液压缸，所述缸筒内设有活塞6和与活塞6相连的活塞杆9，所述活塞杆9一端从缸盖10上设置的孔内伸出液压缸外，活塞杆9与缸盖10的孔内壁以及活塞6与缸筒内壁均设有动密封，缸底1和缸盖10上分别设有第一油口2和第二油口11，所述第一油口2和第二油口11分别与液压油系统相连，通过液压油驱动缸筒内的活塞6两边滑动；所述缸筒由金属内衬3在外表面覆盖碳纤维复合材料增强层4组成，所述碳纤维复合材料增强层4是由强度在3500mpa以上的碳纤维材料为增强材料、热固性树脂为基体，采用湿法缠绕成型工艺制成。所述缸底1、缸盖10、活塞6、缓冲套均由强度大于500mpa的高强度铝合金制成，所述金属内衬3的材料为45#钢，所述活塞杆9的材料为硬质镀铬钢。所述活塞6上的动密封一7和活塞杆9上的动密封二12均依照国标选择相应的标准件。

所述碳纤维材料为碳纤维原丝、碳纤维单向布和碳纤维窄带布，所述碳纤维复合材料增强层4的湿法成型工艺是指以碳纤维原丝为主，以碳纤维单向布、碳纤维窄带布为辅的缠绕工艺；具体为：将碳纤维原丝、碳纤维单向布和碳纤维窄带布先使用热固性树脂进行浸胶，然后在张力控制下缠绕到作为芯模的金属内衬3上，最后经固化脱模得到缸筒。

所述湿法成型工艺中，浸胶后碳纤维材料的缠绕方式为：在金属内衬3上的最底层采用碳纤维单向布缠绕，中间层采用碳纤维原丝缠绕，最外层采用碳纤维窄带布缠绕；在最底层的碳纤维单向布缠绕层采用内层无预紧力缠绕，缠绕角度为0°；对中间层的碳纤维原丝缠绕层施加预紧力，缠绕角度为45°至90°；最外层的碳纤维窄带布缠绕层采用无预紧力缠绕，缠绕角度为90°；缠绕完成后经过130至140℃加热固化，脱模后碳纤维复合材料增强层4和金属内衬3紧紧粘结在一起。

所述缸底1上设有缓冲密闭空间，活塞6靠近缸底1侧设有与缓冲密闭空间配合的后缓冲套5。

所述金属内衬3是一种两端内部加厚的薄壁圆筒，薄壁圆筒与缸盖10及缸底1均通过螺纹连接，所述螺纹为6级精度的细牙螺纹；所述金属内衬3中间段内壁进行表面处理，使其表面粗糙度粗糙度ra值在0.1至0.4之间；所述金属内衬3中间段内壁表面处理方式为：先在金属内衬3中间段内壁表面镀铬，镀层厚度为30至40µm，镀铬后珩磨或抛光。

在缸盖10和缸底1与薄壁圆筒螺纹配合拧紧前，在螺纹上加入乐泰粘胶剂，以提高螺纹连接可靠性。

所述热固性树脂采用酚醛树脂或环氧树脂m03胶黏剂，热固性树脂在碳纤维复合材料增强层4中的比例大于20%。

所述缸筒的碳纤维复合材料增强层4外表面喷涂一层芳族聚酯纤维材料作为保护涂层。

所述活塞杆9表面经过镀铬处理，镀层厚度15至25µm；活塞6与活塞杆9连接孔径采用h9级配合，活塞杆9的表面粗糙度ra为0.63至2.5µm；活塞6通过两侧的前缓冲套8、后缓冲套5与活塞杆9固定。

以上所述仅为本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可做出若干修改、改进、替换，这些修改、改进、替换也应视为本发明的保护范围。