[发明专利]一种变截面弹簧坯料以及加工工装和加工工艺

说明书

本发明公开了一种变截面弹簧坯料以及加工工装和加工工艺，所述弹簧坯料为螺旋弹簧坯料，螺旋弹簧坯料的横截面呈椭圆形，沿轴线方向的截面呈橄榄形，沿椭圆的中心设有预埋在弹簧材料内部的碳纤维芯轴。加工工装包括一端设置为锥形开口的陶瓷成型管，陶瓷成型管位于锥形开口端距开口端部位设有与陶瓷成型管同轴线的碳纤维线导引管，导引管的另一开口端前方设有放线盘，在陶瓷成型管的另一端设有弹簧坯料冷却机构和碳纤维线的牵引机构。加工工艺包括将工装中的放线盘、碳纤维线导引管、陶瓷成型管、弹簧坯料冷却机构和碳纤维线的牵引机构依次安装在工作台上，将定量的融化弹簧钢钢水由陶瓷成型管锥形开口的金属液浇注口浇注到陶瓷成型管内。

技术领域

本发明涉及弹簧加工制作技术领域，尤其适用于重型弹簧，具体涉及一种变截面且中心设有碳纤维芯轴的弹簧坯料，以及弹簧坯料的加工工装和弹簧坯料的加工工艺。

背景技术

近年来，世界能源危机和石油涨价及环境问题，迫切要求重型机械朝向轻量化的方向发展，通常使用轻质材料(或新材料)替代传统材料以实现结构轻量化为目标，进一步提高燃油利用率已成为研究的热点之一。

轻质材料(或新材料)包括高强度钢、铝、镁和钛合金、塑料及复合材料等等；与金属材料相比，碳纤维复合材料(诸如碳纤维增强塑料(下文中，称为CFRP))是轻质、高刚度、高强度、高抗疲劳性、耐磨以及抗振吸振性好等优点，其比模量高于钢和铝合金的5倍，比强度高于钢和铝合金的3倍，但比重却很小，每单位体积的重量只有钢的20％。此外，碳纤维复合材料具有较高的耐腐蚀性和较低的热膨胀性，比钢更耐用而且不易生锈，重型设备生产商已积极地进行了尝试将重量轻的复合材料应用于重型设备内部材料、壳体、弹簧等。

然而，传统弹簧(即螺旋弹簧)大多数只是由金属材料(钢材)卷绕而制成，制造工序较为复杂；而弹簧主要是借助金属材料的物理性能，通过一定的转换方式来实现其储存能量和释放能量，从而制成具有减震、缓冲功能的弹簧，并将其应用于各种机构和工业机械的零件上，如工程机械、机车以及航空航天领域上(CN103573892 A)。为适应行业发展的需求，只由金属材料制成的弹簧已难以满足使用需求，并且从设计、选材、制造以及检验金属弹簧已达到一个瓶颈期。因此，用碳纤维复合材料制备螺旋型弹簧替代只由金属螺旋弹簧将成为行业发展的趋势。

许多研究者已尝试利用CFRP来制造螺旋型弹簧。然而，因为CFRP易受压缩应力或剪应力的影响，通过单一的碳纤维丝束制造出螺旋型弹簧难以产生足够的张力给弹性体提供反弹力(CN 103388642 A)。另有，碳纤维复合材料制作的弹簧面临着一些挑战，如弹性差、易碎、各向异性高，这些特性本质上是不适合弹簧，从而已造出的碳纤维复合材料弹簧形变小，弹性系数低，承载负荷小。因此，利用碳纤维复合材料独特的高抗拉强度，设计一种特殊结构的复合材料弹簧才能达到大承载能力(WO 2014/014481 A1；WO 02/099307 A1；US

2852424 A；US 4773633 A；US 8857801 B2；US 7857294 B2；US 5685525 A；US4260143 A；CN 104690984 A；CN 103221199 A)。因此，迫切需要开发一种能够实现减轻重量、具有优良耐久性并且取代只由金属材料制成的螺旋弹簧的碳纤维复合材料螺旋弹簧结构至关重要。

当前提到的制作纤维增强复合材料螺旋型弹簧的制作方法不佳、操作难度大、耗费工时，要求设备资本投入大，材料浪费严重，生产的碳纤维复合材料部件成本高。(EP0637700B1；US 8490530B2；CN 1480658A；CN 1651795A；CN 1232931A；CN 101439580A)