一种高性能碳纤维复合式活塞杆及其制备方法与流程

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种高性能碳纤维复合式活塞杆及其制备方法。

背景技术：

作动筒又称液压缸，是液压传动系统中常见的一类执行元件，用来实现工作机构直线往复运动或小于360度转动的能量转换装置。作动筒被广泛应用于起落架、襟翼、反推装置等飞机装置和大型客车的转向架上。作动筒主要由筒体、活塞杆、端盖等部件构成，活塞杆为其中主要的运动部件。

目前，活塞杆大多为钢材，随着飞机轻量化要求的不断提高和新能源汽车的兴起对汽车部件严酷的减重需求，传统钢制活塞杆由于重量大，应用受到了较大的限制。业界正在探索使用高比刚度、比强度的碳纤维复合材料来制备活塞杆。

荷兰的祖姆罗公司在“带有复合材料活塞杆的压力缸及制备复合材料活塞杆的方法”(cn101529101b)中，采用的方案是活塞杆所用的复合材料的纤维方向几乎与纵轴线平行，且该活塞杆为中空结构。该方案在较少此处的拉压载荷下具有一定的效果，但对于活塞杆这类需要经受上万次疲劳载荷的构件，纤维几乎同方向(4层以上)会使得复合材料活塞杆的环氧树脂容易开裂，导致活塞杆整体失效。另外，该方案中活塞杆两端的封闭件与杆件采用圆柱面胶结的方式。由于复合材料的层间剪切强度低于胶粘剂，该特性使得即使增加胶粘剂的性能也难以避免紧贴封闭件的首层复合材料先于胶粘剂破坏，导致封闭件与杆体脱离。

但这些技术存在如下问题：

(1)由于活塞杆的端部需要与其他部件连接，两端需要设置金属转接头，一般方案中金属转接头与杆体采用单面胶结的形式，活塞杆在往复运动过程中容易失效。

(2)一般的金属接头与复合材料杆体的连接部位会暴露在活塞杆外部，影响外观质量。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种高性能碳纤维复合式活塞杆及其制备方法，通过合理设计复合材料的纤维方向结合双面小角度斜面与内埋销钉配合的新型连接方式，大大提高了转接头与杆体的连接强度和可靠性，同时，有效降低了活塞杆整体结构的重量。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种高性能碳纤维复合式活塞杆，该活塞杆包括从左往右依次通过销钉相连的活塞接头、活塞杆主体和推力杆接头，所述活塞杆主体由内活塞体以及套接在内活塞体外的外活塞体构成，所述活塞接头和推力杆接头的内外表面之间均设有接触式连接，且活塞接头和推力杆接头的内表面均为锥形，锥角为2°～45°。

优选地，所述销钉的数量为4～10。

优选地，所述内活塞体内部为实心结构，外活塞体外表面光滑，粗糙度优于0.8μm。

优选地，所述活塞接头和推力杆接头的内型面顶部各设有6个直径为φ4～φ10的溢胶孔。

优选地，所述连杆外径不大于40mm，重量不大于3kg，能够承受120kn的拉力而不破坏。

本发明还提供了一种高性能碳纤维复合式活塞杆的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、根据活塞杆的承载情况和使用温度，选择适合的碳纤维和环氧树脂进行预浸料的制备；

步骤2、使用卷管的方法，将预浸料使用真空袋进行预先压实后，按纤维方向为轴向0°和±45°将内活塞体卷制好，两者之间的比例是2～4:1；

步骤3、将内活塞体放入烘箱进行固化，固化温度130℃，固化时间2h；

步骤4、将活塞接头和推力杆接头的内外表面进行磷酸阳极化处理；

步骤5、在定位工装上将活塞接头和推力杆接头内表面涂覆胶粘剂，与内活塞体进行粘接；

步骤6、按照活塞接头和推力杆接头上中部的销孔，在内活塞体上打孔，直径与接头上的一致；

步骤7、将销钉表面用砂纸打磨，清洗后涂覆胶粘剂，插入内活塞体；

步骤8、在内活塞体上通过缠绕成型的方式制备外活塞体，缠绕纤维层方向为轴向0°和±45°，两者之间的比例是2～4:1；将缠绕好支撑杆放入烘箱固化，固化温度130℃，固化时间3h；

步骤9、将固化后的活塞杆表面进行打磨，至粗糙度优于0.8μm。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出的高性能碳纤维复合式活塞杆充分利用碳纤维各向异性的特点，尽可能使纤维的排列方向与连杆的承力方向一致，并通过使用连续缠绕方法使得纤维整体连续，无拼接，提高了纤维的使用效率。

本发明提出的高性能碳纤维复合式活塞杆重量不大于3kg，能够耐100℃的高温，承受多达1万次以上的120kn的拉压疲劳，可作为一种轻质高性能的活塞杆。

本发明通过改善碳纤维的角度分配，并使用双面小角度斜面胶结代替圆柱面胶结和机械销钉的双重固定模式，可以避免复合材料杆体中树脂开裂和末端封闭件提前脱离，大大增加活塞杆的使用寿命，外表面无任何连接痕迹，性能和表观质量均十分优秀。

附图说明

图1为本发明提供的高性能碳纤维复合式活塞杆示意图。

图2为本发明提供的碳纤维内活塞体示意图。

图3为本发明提供的碳纤维外活塞体示意图。

图4为本发明提供的活塞接头示意图。

图5为本发明提供的推力杆接头示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图5所示，本发明实施例提供了一种高性能碳纤维复合式活塞杆，该活塞杆包括从左往右依次通过销钉5相连的活塞接头1、活塞杆主体和推力杆接头2，所述活塞杆主体由内活塞体3以及套接在内活塞体3外的外活塞体4构成，所述活塞接头1和推力杆接头2的内外表面之间均设有接触式连接，且活塞接头1和推力杆接头2的内表面均为锥形，锥角为2°～45°。所述销钉5的数量为4～10。所述内活塞体3内部为实心结构，外活塞体4外表面光滑，粗糙度优于0.8μm。所述活塞接头1和推力杆接头2的内型面顶部各设有6个直径为φ4～φ10的溢胶孔。所述连杆外径不大于40mm，重量不大于3kg，能够承受120kn的拉力而不破坏。

本发明还提供了一种高性能碳纤维复合式活塞杆的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、根据活塞杆的承载情况和使用温度，选择适合的碳纤维和环氧树脂进行预浸料的制备；

步骤2、使用卷管的方法，将预浸料使用真空袋进行预先压实后，按纤维方向为轴向0°和±45°将内活塞体3卷制好，两者之间的比例是2～4:1；

步骤3、将内活塞体放入烘箱进行固化，固化温度130℃，固化时间2h；

步骤4、将活塞接头1和推力杆接头2的内外表面进行磷酸阳极化处理；

步骤5、在定位工装上将活塞接头1和推力杆接头2内表面涂覆胶粘剂，与内活塞体3进行粘接；

步骤6、按照活塞接头1和推力杆接头2上中部的销孔，在内活塞体3上打孔，直径与接头上的一致；

步骤7、将销钉表面用砂纸打磨，清洗后涂覆胶粘剂，插入内活塞体3；

步骤8、在内活塞体上通过缠绕成型的方式制备外活塞体，缠绕纤维层方向为轴向0°和±45°，两者之间的比例是2～4:1；将缠绕好支撑杆放入烘箱固化，固化温度130℃，固化时间3h；

步骤9、将固化后的活塞杆表面进行打磨，至粗糙度优于0.8μm。

本具体实施

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。