專利名稱：一種螺旋鍵及其制作模具和制作方法
技術領域：
本發明為復合材料管連接的一種連接件，適用于環境有油氣腐蝕、內壓承載能力強的復合材料間的軸向連接。
背景技術：
復合材料制品各向異性，其制品纖維方向的抗拉伸、抗壓縮及抗剪切性能遠高于層間剪切性能。在復合材料管的連接中，如何設計復合材料管的連接件，使其實現復合材料制品的高強度連接成為使用中的核心環節之一。目前廣泛采用的復合材料管或軸連接件有螺栓、鉚釘、直鍵、金屬螺紋、復合材料螺紋。
螺栓或鉚接固定是在復合材料制品上加工光孔，使用螺栓或鉚釘實現復合材料間的連接。其特點是通過增加螺栓(鉚釘)連接空間完成連接功能，由于在連接材料基體上開孔，增加了局部應力集中，降低了復合材料自身的承載能力，適用于空間要求不嚴格、允許增加螺栓(鉚釘)連接空間的使用環境。直鍵是在復合材料管或軸上插制出與軸線平行的鍵槽，再通過插入直鍵連接內外管體，其主要應用于旋轉體的扭力傳送，健體本身可以實現管材的環向咬合連接但無法實現管材的軸向咬合連接。預埋金屬也是復合材料連接的一種重要方式，通過在預埋金屬中加工連接螺紋等接口方式使用，具有連接可靠、適應高強度使用要求的優點，但不足之處在于金屬具有較低的耐腐蝕性，不適用于腐蝕性油、氣等使用環境。現有技術最為接近的是普通復材卷繞件制成的復合材料螺紋。其方法是將纖維織物卷繞成型，之后分別加工內螺紋和外螺紋。之后通過螺紋咬合連接。其缺點是連接件受力全部為層間剪切受力，其強度不足50MPa，而要完成大于60MPa高強度的連接，其性能不能滿足要求。
發明內容
為克服現有技術中存在的連接強度低的不足，本發明提出了一種螺旋鍵及其制作模具和制作方法。本發明提出的螺旋鍵，為螺旋形，螺旋鍵的長度根據被連接件連接部位的長度確定，為20 400mm ;螺距為10 400mm ;所述螺旋鍵的橫截面為矩形，該矩形的寬度W為I 20mm，高度為I 20mm ；2個螺旋鍵的螺旋的方向須相同；螺旋鍵的內徑根據公式I確定D1 = D - H/2 (I)其中，D1是螺旋鍵的內徑；D是內管的外徑；H是螺旋鍵橫截面高度；螺旋鍵的外徑直徑根據公式2確定D2 = D + H/2 (2)其中，D2是螺旋鍵的外徑。
本發明提出了一種制作所述螺旋鍵的模具。所述制作螺旋鍵的模具包括內模和外模；在內模的外表面有螺旋形的凹槽，形成了螺旋槽。所述螺旋槽的螺距與擬成形螺旋鍵的螺距L1相同，所述螺旋槽的深度Ii1是螺旋鍵橫截面高度H的1/2，所述螺旋槽的寬度W1與螺旋鍵橫截面的寬度W相同。所述螺旋槽的螺旋方向與螺旋鍵的螺旋方向相同。外模由第一外模和第二外模組成。所述第一外模和第二外模的內表面均為半圓形，并且在第一外模和第二外模的內表面均有1/2螺旋槽，當第一外模和第二外模合模后，組合成為完整的螺旋槽。所述螺旋槽的螺距、深度和寬度均與內模上的螺旋槽的螺距、深度和寬度相同。所述的內模和外模上螺旋槽的螺旋方向均與螺旋鍵的螺旋方向相同。本發明還提出了一種制作所述螺旋鍵的方法，具體過程是步驟1，鋪放碳纖維預浸布帶；所鋪放的碳纖維預浸布帶有多條。鋪放時，先將一條寬度與螺旋鍵高度相同的碳纖維預浸布帶的表面沿內模螺旋槽的槽壁鋪放，并使該碳纖維預浸布帶的表面與內模螺旋槽的槽壁貼合。再依次將各碳纖維預浸布帶逐層鋪放在內模 螺旋槽中，直至將該內模螺旋槽內鋪滿。步驟2，合模；將第一外模I和第二外模2分別與內模扣合，并固緊，使鋪設在內模螺旋槽中的碳纖維預浸布帶嵌入外模內表面的螺旋槽中。步驟3，固化；將扣合后的模具置于烘箱中，以階梯式升溫過程將烘箱升溫至120 160°C固化。具體的升溫過程是首先在15 30min將烘箱升溫至60 120°C，保溫15 60min。保溫結束后繼續升溫，在30 60min升溫至120 160°C，保溫30 240min。保溫結束后，模具在烘箱內自然冷卻至40 60°C，取出模具放置至室溫開模，得到固化后的螺旋鍵毛還。步驟4，精加工；對得到的螺旋鍵毛坯進行精修，得到螺旋鍵。本發明的鍵體為2個環向均布的連續體，使得連接體在受軸向拉力或壓力時受力分布較為均勻，有效避免了一般銷釘或鉚接帶來的應力集中對本體的破壞。本發明鍵體采用垂直于內模螺旋槽的底面的鋪層方法，確保了產品鏈接時主要由碳纖維剪切方向受力，其有效發揮了纖維在鍵體的作用使得鍵體強度得到大幅提高。例如對普通卷繞成型的復合材料件進行機械加工螺紋后，其連接強度僅為20 50MPa，而本發明螺旋鍵體在實際使用中的抗剪強度可達500MPa以上。
圖I是螺旋鍵結構意圖，其中，圖Ia是主視圖，圖Ib是俯視圖，圖Ic是螺旋鍵的截面示意圖；圖2是內模具結構示意圖，其中，圖2a是主視圖，圖2b是圖2a的A_A向視圖，圖2c是2a的俯視圖；圖3是外模具結構示意圖，其中，圖3a是主視圖，圖3b是俯視圖，圖3c是外模具的軸測圖；圖4是內外模具組裝意圖，其中，圖4a是主視圖，圖4b是俯視圖，圖4c是內模具的軸測圖；圖5是螺旋鍵應用于連接件中的結構示意圖。其中圖5a是主視圖，圖4b是側視圖。圖中
I.第一外模 2.第二外模 3.內模 4.螺旋鍵毛還 5.外模6.螺栓7.內管8.螺旋鍵 9.外管
具體實施例方式實施例一本實施例是一種用于連接復合材料管件的螺旋鍵8，所連接的復合材料管件連接部位的長度L為100mm。螺旋鍵8有2個，均用碳纖維織物制作。所述螺旋鍵8為螺旋形，類似于彈簧。該螺旋鍵8的長度L1根據需要連接部位的長度L確定，為20 400mm。螺距為10 400mm。所述螺旋鍵8的橫截面為矩形，該矩形的寬度W為I 20mm，高度H為I 20mm。2個螺旋鍵的螺旋的方向須相同。本實施例中，螺旋鍵8長度為100mm，螺旋鍵8的螺距L1為100mm，螺旋鍵8橫截面的寬度W為5mm，高度H為8mm。2個螺旋鍵的螺旋的方向均為右旋。·螺旋鍵8的內徑根據公式I確定D1 = D — H/2 (I)其中，D1是螺旋鍵8的內徑；D是內管7的外徑；H是螺旋鍵8的橫截面高度。螺旋鍵8的外徑直徑根據公式2確定D2 = D + H/2 (2)其中，D2是螺旋鍵的外徑。本發明還提出了一種用于螺旋鍵的模具。該模具包括內模和外模；內模是圓柱體，其外徑Cl1與被連接的內管7的外徑D相同。在內模的外表面有螺旋形的凹槽，形成了螺旋槽。所述螺旋槽的螺距與擬成形螺旋鍵8的螺距L1相同，所述螺旋槽的深度Ill是螺旋鍵橫截面高度H的1/2，所述螺旋槽的寬度W1與螺旋鍵橫截面的寬度W相同。所述螺旋槽的螺旋方向與螺旋鍵的螺旋方向相同。外模5是由第一外模I和第二外模2組成。所述第一外模I和第二外模2的內表面均為半圓形，并且在第一外模和第二外模的內表面均有1/2螺旋槽,當第一外模I和第二外模2合模為圓形的外模后,分別位于第一外模I和第二外模2內表面的1/2螺旋槽組合成為完整的螺旋槽。所述外模的型腔的直徑與內模外徑Cl1相同。所述螺旋槽的螺距、深度和寬度均與內模上的螺旋槽的螺距、深度和寬度相同。所述的內模和外模上螺旋槽的螺旋方向均與螺旋鍵的螺旋方向相同。在第一外模I和第二外模2相結合處的外表面有法蘭，通過該法蘭將合模后的外模固定。實施例2本實施例是一種利用所述模具制作螺旋鍵的方法，具體過程是步驟I，鋪設碳纖維預浸布帶。所使用的碳纖維預浸布帶的樹脂含量為40%，厚度為O. 3mm,寬度為8mm，抗拉強度為1200MPa。所制作的螺旋鍵8的橫截面的寬度W為5mm，共需17條碳纖維預浸布帶。鋪放時，先將一條寬度與螺旋鍵高度相同的碳纖維預浸布帶的表面沿內模螺旋槽的槽壁鋪放，并使該碳纖維預浸布帶的表面與內模螺旋槽的槽壁貼合；再依次將其余各碳纖維預浸布帶逐層鋪放在內模螺旋槽中，直至將該內模螺旋槽內鋪滿。步驟2，合模；將第一外模I和第二外模2分別與內模扣合，并固緊，使鋪設在內模螺旋槽中的碳纖維預浸布帶嵌入外模內表面的螺旋槽中。
步驟3，固化；將扣合后的模具置于烘箱中，以階梯式升溫過程將烘箱升溫至150°C固化；具體的升溫過程是首先在25min將烘箱升溫至90°C，保溫60min ;保溫結束后繼續升溫，在40min升溫至150°C，保溫240min ;保溫結束后，模具在烘箱內自然冷卻至50°C，取出模具放置至室溫開模，得到固化后的螺旋鍵毛坯；步驟4，精加工；對得到的螺旋鍵毛坯進行精修，得到螺旋鍵。實施例3本實施例是一種利用所述模具制作螺旋鍵的方法，具體過程是步驟I，鋪設碳纖維預浸布帶。所使用的碳纖維預浸布帶的樹脂含量為40%，厚度 為O. 3mm,寬度為8mm，抗拉強度為1200MPa。所制作的螺旋鍵8的橫截面的寬度W為5mm，共需17條碳纖維預浸布帶。鋪放時，先將一條寬度與螺旋鍵高度相同的碳纖維預浸布帶的表面沿內模螺旋槽的槽壁鋪放，并使該碳纖維預浸布帶的表面與內模螺旋槽的槽壁貼合；再依次將其余各碳纖維預浸布帶逐層鋪放在內模螺旋槽中，直至將該內模螺旋槽內鋪滿。步驟2，合模；將第一外模I和第二外模2分別與內模扣合，并固緊，使鋪設在內模螺旋槽中的碳纖維預浸布帶嵌入外模內表面的螺旋槽中。步驟3，固化；將扣合后的模具置于烘箱中，以階梯式升溫過程將烘箱升溫至120°C固化；具體的升溫過程是首先在15min將烘箱升溫至60°C，保溫15min ;保溫結束后繼續升溫，在30min升溫至120°C，保溫30min;保溫結束后，模具在烘箱內自然冷卻至40°C，取出模具放置至室溫開模，得到固化后的螺旋鍵毛坯；步驟4，精加工；對得到的螺旋鍵毛坯進行精修，得到螺旋鍵。實施例4本實施例是一種利用所述模具制作螺旋鍵的方法，具體過程是步驟I，鋪設碳纖維預浸布帶。所使用的碳纖維預浸布帶的樹脂含量為40%，厚度為O. 3mm,寬度為8mm，抗拉強度為1200MPa。所制作的螺旋鍵8的橫截面的寬度W為5mm，共需17條碳纖維預浸布帶。鋪放時，先將一條寬度與螺旋鍵高度相同的碳纖維預浸布帶的表面沿內模螺旋槽的槽壁鋪放，并使該碳纖維預浸布帶的表面與內模螺旋槽的槽壁貼合；再依次將其余各碳纖維預浸布帶逐層鋪放在內模螺旋槽中，直至將該內模螺旋槽內鋪滿。步驟2，合模。將外模與內模扣合，并使鋪設在內模螺旋槽中的碳纖維預浸布帶嵌入外模內表面的螺旋槽中。步驟3，固化；將扣合后的模具置于烘箱中，以階梯式升溫過程將烘箱升溫至160°C固化；具體的升溫過程是首先在30min將烘箱升溫至120°C，保溫45min ;保溫結束后繼續升溫，在60min升溫至160°C，保溫120min ;保溫結束后，模具在烘箱內自然冷卻至60°C，取出模具放置至室溫開模，得到固化后的螺旋鍵毛坯；步驟4，精加工；對得到的螺旋鍵毛坯進行精修，得到螺旋鍵。
權利要求
1.一種螺旋鍵，其特征在于，所述的螺旋鍵為螺旋形，該螺旋鍵的長度根據被連接件連接部位的長度確定；螺旋鍵的螺距為10 400mm ;所述螺旋鍵的橫截面為矩形，該矩形的寬度為I 20mm，高度為I 20mm ；2個螺旋鍵的螺旋的方向須相同；螺旋鍵的內徑根據公式I確定 D1 = D — H/2 (I) 其中，D1是螺旋鍵的內徑；D是內管的外徑；H是螺旋鍵橫截面高度； 螺旋鍵的外徑直徑根據公式2確定 D2 = D + H/2 (2) 其中，D2是螺旋鍵的外徑。
2.—種制作權利要求I所述螺旋鍵的模具，其特征在于，包括內模和外模；在內模的外 表面有螺旋形的凹槽，形成了螺旋槽；所述螺旋槽的螺距與擬成形螺旋鍵的螺距L1相同，所述螺旋槽的深度h是螺旋鍵橫截面高度H的1/2，所述螺旋槽的寬度W1與螺旋鍵橫截面的寬度W相同；所述螺旋槽的螺旋方向與螺旋鍵的螺旋方向相同； 外模由第一外模和第二外模組成；所述第一外模和第二外模的內表面均為半圓形，并且在第一外模和第二外模的內表面均有1/2螺旋槽，當第一外模和第二外模合模后，組合成為完整的螺旋槽；所述螺旋槽的螺距、深度和寬度均與內模上的螺旋槽的螺距、深度和寬度相同；所述的內模和外模上螺旋槽的螺旋方向均與螺旋鍵的螺旋方向相同。
3.一種制作權利要求I所述螺旋鍵的方法，其特征在于，具體過程是 步驟1，鋪放碳纖維預浸布帶；所鋪放的碳纖維預浸布帶有多條；鋪放時，先將一條寬度與螺旋鍵高度相同的碳纖維預浸布帶的表面沿內模螺旋槽的槽壁鋪放，并使該碳纖維預浸布帶的表面與內模螺旋槽的槽壁貼合；再依次將各碳纖維預浸布帶逐層鋪放在內模螺旋槽中，直至將該內模螺旋槽內鋪滿； 步驟2，合模；將第一外模和第二外模分別與內模扣合，并固緊，使鋪設在內模螺旋槽中的碳纖維預浸布帶嵌入外模內表面的螺旋槽中； 步驟3，固化；將扣合后的模具置于烘箱中，以階梯式升溫過程將烘箱升溫至120 160°C固化；具體的升溫過程是首先在15 30min將烘箱升溫至60 120°C，保溫15 60min ;保溫結束后繼續升溫，在30 60min升溫至120 160°C，保溫30 240min ;保溫結束后，模具在烘箱內自然冷卻至40 60°C，取出模具放置至室溫開模，得到固化后的螺旋鍵毛坯； 步驟4，精加工；對得到的螺旋鍵毛坯進行精修，得到螺旋鍵。
全文摘要
本發明公開了一種螺旋鍵及其制作模具和制作方法。所述的螺旋鍵用碳纖維預浸布帶制作而成。螺旋鍵的長度根據被連接件連接部位的長度確定，為20～400mm；螺距為10～400mm；所述螺旋鍵的橫截面為矩形，該矩形的寬度W為1～20mm，高度為1～20mm；2個螺旋鍵的螺旋的方向須相同。制作時，將多條碳纖維預浸布帶依次逐層鋪放在內模螺旋槽中，通過固化的方式得到螺旋鍵毛坯。對得到的螺旋鍵進行外形加工后得到螺旋鍵。本發明的鍵體為2個環向均布的連續體，使得連接體在受軸向拉力或壓力時受力分布較為均勻，有效避免了一般銷釘或鉚接帶來的應力集中對本體的破壞。
文檔編號F16B3/04GK102840202SQ201210278819
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月7日 優先權日2012年8月7日
發明者賈晶, 周玉璽, 盧彬, 王增加, 張勇, 侯鋒輝 申請人:西安康本材料有限公司