一种复合纤维紧固件、制造方法以及制备模具与流程

1.本发明涉及复合纤维材料制品技术领域，具体涉及一种复合纤维紧固件、制造方法以及制备模具。


背景技术：

2.传统的紧固件(一般为螺栓、螺母等)的加工流程一般都是：盘元、退火、酸洗、冷拔、冷锻成型、螺纹加工、热处理、表面处理。目前市面上常用的紧固件的材料一般由不锈钢、碳钢或者铜等金属材料制成，制作这种紧固件需要的能源消耗大、产生的废料多、工艺复杂、强度低等缺点，而且这种紧固件也存在不耐高温、耐腐蚀性差以及耐磨性差等缺点。
3.目前市面上出现了一种由增强纤维和树脂材料(一般是碳纤维复合材料)制成的高强度紧固件，现有技术公开了申请号为cn201980007909.0，专利名称为纤维增强树脂制螺栓制造方法和纤维增强树脂制螺栓的发明专利，其通过以带状的增强纤维(即碳纤维)的方向卷绕形成增强纤维树脂带层，再通过对上述增强纤维树脂带层进行加压和加热固化，最终形成高强度的螺栓。
4.但该现有技术存在以下问题：
5.1.由于紧固件是沿着纤维材料的方向卷绕而成的，故该紧固件除了纤维材料的方向，其它方向的强度较低；
6.2.紧固件的加工精度要求较高，且制造的操作复杂，成本较高。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种复合纤维紧固件、制造方法以及制备模具，可以提升现有技术中紧固件除了纤维方向的其它方向的强度，同时制造工艺简单，成本更低。
8.本发明是通过以下技术方案实现的：
9.应用例1
10.本发明涉及的一种复合纤维紧固件的制造方法，采用下列工序形成复合纤维紧固件；
11.卷绕工序：
12.将复合纤维带沿着其纤维方向卷绕，使其围绕卷绕轴形成同心状的复合纤维内件；
13.在复合纤维内件上再次卷绕纤维方向与复合纤维内件的纤维方向交叉的复合纤维布，使复合纤维布围绕复合纤维内件的卷绕轴形成同心状的复合纤维卷制物；
14.固化工序：
15.将复合纤维卷制物放置于模具的型腔，通过对复合纤维卷制物的卷绕轴径向的一端以及垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端或两端加压，使所述复合纤维卷制物固化，形成围绕卷绕轴卷绕成网状的紧固件。
16.其中，在卷绕工序前，将带外螺纹的镶件放置于复合纤维带，使镶件的外螺纹方向与复合纤维带的纤维方向一致，再沿着镶件的中心轴方向进行卷绕工艺，使得镶件的中心轴与复合纤维内件的卷绕轴重合；并在固化工序后，取出镶件。
17.其中，模具的型腔一侧连通有溢料井，使得在固化工序中，部分复合纤维卷制物可溢出至溢料井以形成溢出部分；所述制造方法还包括后处理工序：将紧固件自型腔内取出；将紧固件与溢出部分进行切除分离。
18.其中，在卷绕工序中，复合纤维布由单向平纹布、斜纹布以及双向编织布中的一种裁切而成。
19.其中，在固化工序前，将复合纤维卷制物预热至60℃至90℃；
20.在固化工序中，将复合纤维卷制物加热至130-160℃后再进行加压。
21.应用例2
22.本发明涉及的一种复合纤维紧固件，由上述应用例1所述的制造方法制成。
23.应用例3
24.本发明涉及的一种用于制造复合纤维紧固件的制备模具，包括前模、后模、第一行位、压块组件以及顶出组件，所述压块组件装设于前模，所述顶出组件装设于后模，所述前模以及后模扣合时型腔的形状形成复合纤维紧固件的外径形状；
25.所述第一行位用于对复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，所述压块组件用于对垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，所述顶出组件用于将复合纤维卷制物从后模顶出。
26.应用例4
27.本发明涉及的一种用于制造复合纤维紧固件的制备模具，包括前模、后模、第一行位、第二行位、压块组件以及顶出组件，所述压块组件装设于前模，所述顶出组件装设于后模，所述前模以及后模扣合时型腔的形状形成复合纤维紧固件的外径形状；
28.所述压块组件用于对复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，所述第一行位以及第二行位分别用于对垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的两端加压，所述顶出组件用于将复合纤维卷制物从后模顶出。
29.应用例5
30.根据应用里3以及应用例4所述的制备模具，所述后模设置有与型腔连通的溢料井。
31.应用例6
32.根据应用里3以及应用例4所述的制备模具，所述前模与压块组件之间设置有用于将压块组件复位的弹性件。
33.本发明的有益效果：
34.1.除了纤维材料的方向，其它方向的强度更高：本发明的制造方法，通过在复合纤维带沿着其纤维方向卷绕的基础上，再卷绕复合纤维布。根据复合纤维的特性以及紧固件的使用场景，可自定义复合纤维布的纤维方向与复合纤维带的纤维方向的交叉角度，形成网状的紧固件内部结构，从而增加本发明紧固件的整体强度，突破使用场景的限制，提升使用效果。
35.2.紧固件的加工精度要求更低，且制造的操作简单，成本较低：本发明的模具通过
在前模设置压块组件对紧固件进行压合，与现有技术中前后模通过螺栓螺母锁紧相比，加工精度要求更低；且对压块组件施力加压的同时，可同时起到对前后模紧锁的作用，无需如现有技术中在固化结束后将螺栓及螺母拆除，操作更为简单，成本也更低。
附图说明
36.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
37.图1为实施例1中模具的开模时示意图。
38.图2为实施例1中下模的示意图。
39.图3为实施例1中固化工序前模具的施力图。
40.图4为实施例1中固化工序时模具的施力图。
41.图5为实施例1中紧固件从模具顶出的示意图。
42.图6为实施例1中紧固件顶出后的结构示意图。
43.图7为实施例2中模具的开模时示意图。
44.图8为实施例2中复合纤维卷制物放入模具时的示意图。
45.图9为实施例2中固化工序前模具的施力图。
46.图10为实施例2中固化工序时模具的施力图。
47.图11为实施例2中紧固件从模具顶出的示意图。
48.图12为实施例2中紧固件顶出后的结构示意图。
49.图13为实施例中镶件从螺母中取出后的示意图。
50.附图标记
51.前模
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100，压块组件
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101，弹性件
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102，
52.后模
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200，顶出组件
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201，
53.第一行位
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301，第二行位
‑‑
302，溢料井
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303，插入孔
‑‑
304，
54.螺栓
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401，螺母
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402，镶件
‑‑
403。
具体实施方式
55.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
56.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
57.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
58.传统的紧固件(一般为螺栓、螺母等)的加工流程一般都是：盘元、退火、酸洗、冷拔、冷锻成型、螺纹加工、热处理、表面处理。目前市面上常用的紧固件的材料一般由不锈钢、碳钢或者铜等金属材料制成，制作这种紧固件需要的能源消耗大、产生的废料多、工艺复杂、强度低等缺点，而且这种紧固件也存在不耐高温、耐腐蚀性差以及耐磨性差等缺点。
59.目前市面上出现了一种由增强纤维和树脂材料(一般是碳纤维复合材料)制成的高强度紧固件，现有技术公开了申请号为cn201980007909.0，专利名称为纤维增强树脂制螺栓制造方法和纤维增强树脂制螺栓的发明专利，其通过以带状的增强纤维(即碳纤维)的方向卷绕形成增强纤维树脂带层，再通过对上述增强纤维树脂带层进行加压和加热固化，最终形成高强度的螺栓。
60.但该现有技术存在以下问题：
61.1.由于紧固件是沿着纤维材料的方向卷绕而成的，故该紧固件除了纤维材料的方向，其它方向的强度较低；
62.2.紧固件的加工精度要求较高，且制造的操作复杂，成本较高。
63.实施例1
64.为了解决上述问题，本实施例公开了一种复合纤维紧固件的制造方法，采用下列工序形成复合纤维紧固件，本实施例的紧固件为螺栓401；
65.首先进行卷绕工序，卷绕工序的步骤为：
66.将复合纤维带沿着其纤维方向卷绕，使其围绕卷绕轴形成同心状的复合纤维内件；
67.在复合纤维内件上再次卷绕纤维方向与复合纤维内件的纤维方向交叉的复合纤维布，使其围绕复合纤维内件的卷绕轴形成同心状的复合纤维卷制物。
68.其中，复合纤维带采用的是碳纤维增强环氧树脂复合材料、碳纤维增强聚丙烯腈基复合材料等碳纤维复合材料；而复合纤维布则由单向平纹布、斜纹布以及双向编织布中的一种裁切而成，其规格有1k、3k、12k等规格。
69.需要说明的是，本实施例中的碳纤维布，是根据使用需求确定其包裹方向的。也就是说，若制造的螺栓需要其在垂直于复合纤维带卷绕轴的方向上有更大的受力范围，则复合纤维布的纤维方向应当与卷绕后的复合纤维带的纤维方向垂直，以达到更好的强度效果。
70.接下来，启动模具的加热组件，将模具预热，一般来说将复合纤维卷制物预热至60℃至90℃待用。
71.接下来，如图2中所示那样，将复合纤维卷制物放置于模具，以进行固化工序；固化工序的工序为：
72.将复合纤维卷制物放置于模具的型腔，通过对复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端以及垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，使所述复合纤维卷制物固化，形成围绕卷绕轴卷绕成网状的紧固件。
73.具体的，本实施例由压块组件101对垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，由第一行位301对复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压。
74.具体的，将形成为环状的复合纤维卷制物放入模具的与螺纹部的圆筒部接近的部分，以使复合纤维卷制物的卷绕轴与模具的螺纹部的轴向大体一致。
75.模具如图1中所示那样，分成了前模100与后模200两部分，同时还包括第一行位301、压块组件101以及顶出组件201；前模100以及后模200扣合时型腔的形状形成复合纤维紧固件的外径形状。在下模中放入复合纤维紧固件后，用如图3所示的方式对模具进行加压，并使得模具如图4中所示那样，将第一行位301以及压块组件101插入模具的型腔内。在上模与下模扣合后，型腔的一侧形成插入孔304，该第一行位301包括相对于插入孔304的直径具有稍小的外径的插入部和设置于插入部的一端的圆柱状的头部。
76.而且，如图1中所示那样，第一行位301的插入部的最外端为螺栓401的螺帽顶端螺丝孔的倒模。即型腔内为螺纹部以及螺帽部的形状，前模100、压块组件101与第一行位301同时加压，前模100与压块组件101可装设在液压机的输出端处；同时，在加压过程中进行调整加热器的温度，使模具内型腔的温度达到上升到130℃至160℃的固化温度，使其固化形成紧固件。
77.固化工序结束后，关闭加热器，松开上模以及第一行位301，由顶出组件201如图5中所示的将紧固件顶出，完成制造工序；其中，顶出组件201与上模100之间设置弹性件102，方便顶出组件201复位。
78.此外，在后模200的型腔一侧连通有溢料井303，使得在固化工序中，部分复合纤维卷制物可溢出至溢料井303以形成溢出部分。溢料井303的作用是：使得复合纤维卷制物在型腔内固化时，因温度、压强升高导致的复合纤维、空气等物体从溢料井303溢出。由于在现有技术中，需要对复合纤维的用料量配置得非常精确，在此等情况下还需要对型腔内进行补料。故溢料井303的设置使得本实施例的复合纤维卷制物的用料量无需配置得非常精准，仅需在固化工序后，将紧固件的溢出部分切除即可，可大大节省紧固件的制造难度和制造成本。
79.另外，参照图5和图6，溢出部分作为顶出组件201顶出时的受力位置，从而避免顶出动作直接施加至紧固件上而导致紧固件表面具有凹痕。
80.另外，本实施例的模具还可如图1所示的设置另外一组型腔以及第二行位302，以同时对另一组螺栓401进行制造加工，其具体的加工图示可参照图2和图3，且其制造步骤与原理均与上述螺栓401的相同，在此不再赘述。
81.参照图6，通过本实施例制造的紧固件，根据复合纤维的特性以及紧固件的使用场景，可自定义复合纤维布的纤维方向与复合纤维带的纤维方向的交叉角度，形成网状的紧固件内部结构，从而增加本发明紧固件的整体强度，突破使用场景的限制，提升使用效果。与现有技术相比，其各方向的抗拉程度能提升约2.7倍～3.1倍的拉伸断裂强度。
82.另外，本实施例的模具通过在前模100设置压块组件101，同时对前模100与压块组件101进行加压，以对紧固件进行压合，同时可使前模100与后模200进行锁合；与现有技术中前后模200通过螺栓401、螺母402锁紧相比，加工精度要求更低；且对压块组件101施力加压的同时，可同时起到对前后模200紧锁的作用，无需如现有技术中在固化结束后将螺栓401及螺母402拆除，操作更为简单，成本也更低。
83.在上述实施方式中，作为螺栓401的外形形状的一例示出了模具的内面形状，但并不限定于该形状，例如可以是没有螺帽的其它形状。
84.实施例2
85.如图7至图12所示，在本实施例中，采用下列工序形成复合纤维紧固件，本实施例的紧固件为螺母402；
86.首先进行卷绕工序，卷绕工序的步骤与实施例1中的步骤大体一致，但有一点不同的是：需要在卷绕工序前，将带外螺纹的镶件403放置于复合纤维带，使镶件403的外螺纹方向与复合纤维带的纤维方向一致，再沿着镶件403的中心轴方向进行卷绕工艺，使得镶件403的中心轴与复合纤维内件的卷绕轴重合。
87.同时，模具的结构也与实施例1略有区别：具体的可参照图6。由于螺母402的结构与螺栓401不同，故本实施例的合纤维卷制物的摆放方向与实施例1中也是不同的，具体为：压块组件101用于对复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，所述第一行位301以及第二行位302分别用于对垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的两端加压。
88.其中，第一行位301与第二行位302的插入部的最外端刚好为正六边形的一半，二者在型腔两侧的插入孔304插入后形成螺母402的正六边形结构。
89.除此之外，在固化工序后，还需将其中的镶件403从螺母402中拧出，从而形成最终的成品。
90.需要说明的是，除了本实施例中记载的特征外，其余特征均与实施例1一致，在此不再赘述。
91.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种复合纤维紧固件的制造方法，其特征在于，采用下列工序形成复合纤维紧固件；卷绕工序：将复合纤维带沿着其纤维方向卷绕，使其围绕卷绕轴形成同心状的复合纤维内件；在复合纤维内件上再次卷绕纤维方向与复合纤维内件的纤维方向交叉的复合纤维布，使复合纤维布围绕复合纤维内件的卷绕轴形成同心状的复合纤维卷制物；固化工序：将复合纤维卷制物放置于模具的型腔，通过对复合纤维卷制物的卷绕轴径向的一端以及垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端或两端加压，使所述复合纤维卷制物固化，形成围绕卷绕轴卷绕成网状的紧固件。2.根据权利要求1所述的一种复合纤维紧固件的制造方法，其特征在于，在卷绕工序前，将带外螺纹的镶件放置于复合纤维带，使镶件的外螺纹方向与复合纤维带的纤维方向一致，再沿着镶件的中心轴方向进行卷绕工艺，使得镶件的中心轴与复合纤维内件的卷绕轴重合；并在固化工序后，取出镶件。3.根据权利要求1所述的一种复合纤维紧固件的制造方法，其特征在于，模具的型腔一侧连通有溢料井，使得在固化工序中，部分复合纤维卷制物可溢出至溢料井以形成溢出部分；所述制造方法还包括后处理工序：将紧固件自型腔内取出；将紧固件与溢出部分进行切除分离。4.根据权利要求1所述的一种复合纤维紧固件的制造方法，其特征在于，在卷绕工序中，复合纤维布由单向平纹布、斜纹布以及双向编织布中的一种裁切而成。5.根据权利要求1所述的一种复合纤维紧固件的制造方法，其特征在于，在固化工序前，将复合纤维卷制物预热至60℃至90℃；在固化工序中，将复合纤维卷制物加热至130-160℃后再进行加压。6.一种复合纤维紧固件，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述的制造方法制成。7.一种用于制造复合纤维紧固件的制备模具，其特征在于，包括前模、后模、第一行位、压块组件以及顶出组件，所述压块组件装设于前模，所述顶出组件装设于后模，所述前模以及后模扣合时型腔的形状形成复合纤维紧固件的外径形状；所述第一行位用于对复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，所述压块组件用于对垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，所述顶出组件用于将复合纤维卷制物从后模顶出。8.一种用于制造复合纤维紧固件的制备模具，其特征在于，包括前模、后模、第一行位、第二行位、压块组件以及顶出组件，所述压块组件装设于前模，所述顶出组件装设于后模，所述前模以及后模扣合时型腔的形状形成复合纤维紧固件的外径形状；所述压块组件用于对复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，所述第一行位以及第二行位分别用于对垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的两端加压，所述顶出组件用于将复合纤维卷制物从后模顶出。9.根据权利要求7或8所述的一种用于制造复合纤维紧固件的制备模具，其特征在于，所述后模设置有与型腔连通的溢料井。
10.根据权利要求7或8所述的一种用于制造复合纤维紧固件的制备模具，其特征在于，所述前模与压块组件之间设置有用于将压块组件复位的弹性件。

技术总结
本发明涉及复合纤维材料制品技术领域，具体涉及一种复合纤维紧固件、制造方法以及制备模具，采用下述工序形成的复合纤维紧固件：卷绕工序：将复合纤维带沿着其纤维方向卷绕，使其围绕卷绕轴形成同心状的复合纤维内件；在复合纤维内件上再次卷绕纤维方向与复合纤维内件的纤维方向交叉的复合纤维布，使其围绕复合纤维内件的卷绕轴形成同心状的复合纤维卷制物；固化工序：将复合纤维卷制物放置于模具的型腔，通过对复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端以及垂直于复合纤维卷制物的卷绕轴轴向的一端加压，使所述复合纤维卷制物固化，形成围绕卷绕轴卷绕成网状的紧固件。这种紧固件具有强度高、制造工艺简单，成本更低等特点。成本更低等特点。成本更低等特点。


技术研发人员：黄梅荣 何晓红 李立凤
受保护的技术使用者：东莞市麦星匠碳纤维科技有限公司
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/21