一种复合材料螺钉及其制备方法

摘要

本发明创造提供一种复合材料螺钉及其制备方法，采用长纤维作为螺钉芯部的增强基，长纤维沿螺钉芯部轴向分布，且在冷挤螺纹部分的同时将细短纤维丝冷压入复合材料螺钉的表层，从而在保证螺钉芯部强度的同时，提高螺纹部分的强度，螺钉的轴向强度和剪切强度高，且螺钉的抗拉强度提升至200MPa以上，抗剪切性能极为优异。细短纤维丝在复合棒材冷挤成型过程中同步压入复合棒材的表层，冷挤成型的螺纹部分与螺钉芯部一体成型、精度较高，从而妥善处理了强度目标与工艺性之间的矛盾。

权利要求

1.一种复合材料螺钉，其特征在于：包括长纤维(1)增强的螺钉芯部(3)、细短纤维丝(2)增强的螺纹部分(4)和镦制而成的螺钉头部(5)，所述长纤维(1)沿螺钉芯部轴向分布，所述细短纤维丝(2)均匀分布在螺纹部分(4)的表层，所述螺钉头部(5)由所述螺钉芯部(3)的顶部镦制而成；

所述细短纤维丝(2)的长度为0.01mm～0.1mm，其直径为0.001mm～0.005mm。

2.根据权利要求1所述的复合材料螺钉，其特征在于：所述细短纤维丝为碳纤维丝、玻璃纤维丝或二者混合的纤维丝。

3.根据权利要求1所述的复合材料螺钉，其特征在于：所述细短纤维丝(2)分布在螺纹部分的表层向里0.5mm范围内。

4.根据权利要求1所述的复合材料螺钉，其特征在于：所述螺钉头部(5)为沉头、半圆头、六角头、平圆头或齿轮槽头型。

5.根据权利要求1所述的复合材料螺钉，其特征在于：所述螺钉头部(5)为内六角头型。

6.一种如权利要求1所述的复合材料螺钉的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1.制备长纤维增强的复合棒材：通过复合材料编织机制备所需直径的长纤维增强的复合棒材，然后将所述复合棒材进行表面预处理及润滑，并快速将所述复合棒材推入螺纹成型模中，通过冷挤成型制成带螺纹的复合棒材；

S2.棒材表层覆盖细短纤维丝：在S1的冷挤成型过程中，在螺纹成型模的入口处同步充入细短纤维丝，在所述复合棒材向螺纹成型模内移动过程中，细短纤维丝被均匀带入螺纹成型模腔中，并冷压在所述复合棒材的表层，形成长纤维增强的螺钉芯部和细短纤维丝增强的螺纹部分；

S3.切割：通过切割机或带有专门定制装夹工装的车床、数控车床或加工中心将冷挤成型的带螺纹复合棒材切割成所需长度；

S4.镦制螺钉头部：通过带有配合螺纹的下模在冲床或液压机上镦制成型螺钉头部。

7.根据权利要求6所述的复合材料螺钉的制备方法，其特征在于：S2中细短纤维丝的长度为0.01mm～0.1mm，其直径为0.001mm～0.005mm。

8.根据权利要求6所述的复合材料螺钉的制备方法，其特征在于：S2中细短纤维丝分布在复合棒材表层向里0.5mm范围内。

9.根据权利要求6所述的复合材料螺钉的制备方法，其特征在于：S4中螺钉头部制成沉头、半圆头、六角头、平圆头或齿轮槽头型。

10.根据权利要求6所述的复合材料螺钉的制备方法，其特征在于：S4中螺钉头部制成内六角头型。

11.根据权利要求6所述的复合材料螺钉的制备方法，其特征在于：通过钳工去除成型过程中在螺钉表面形成的毛刺。

12.根据权利要求6所述的复合材料螺钉的制备方法，其特征在于：所述细短纤维丝为碳纤维丝、玻璃纤维丝或二者混合的纤维丝。

说明书

一种复合材料螺钉及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明创造涉及复合材料螺钉的制备方法，尤其涉及纤维增强的复合材料螺钉的制备方法。

背景技术

[0002] 复合材料螺钉因其质量轻、比强度高、无磁、抗腐蚀性能优异、结构简单、装配适应性能强，非常适合航空航天等领域复合材料结构非承力部位的连接和需要无磁、抗腐蚀性要求高的电子结构中部件的连接，得到了科技强国竞相发展和应用。复合材料螺钉不同于常规的注塑螺钉，克服了普通注塑螺钉精度低、机械性能差等缺点，但因复合材料螺钉加工复杂，成形精度不易保证，限制了复合材料紧固件在飞机结构中的应用。为满足航空航天工业对200MPa级及以上强度螺栓的需求，提升复合材料螺钉的机械性能，需要通过多种方式对螺钉的各个部位进行增强增韧。碳纤维/玻璃纤维因其强度高、刚性好、抗腐蚀性能好、耐热性能好，成为诸多复合材料结构的增强基。但只选用长纤维来作为复合材料螺钉树脂基体的增强基来提升产品的机械性能，螺纹成型会变得极其困难，且其精度难以保证。

[0003] 中国专利CN102701772A公开了一种碳纤维增强碳化硅复合材料螺钉的制备方法，其采用的技术方案为：先预处理碳纤维预制件；然后制备螺钉毛坯件，选择C/SiC毛坯板相对密度为50～80%时加工螺纹，获得螺钉毛坯件；再采用螺纹改性溶液对螺钉毛坯件进行浸渍、固化和交联，利用金刚石砂轮进行螺纹加工，获得半成品螺钉；最后对半成品螺钉进一步致密化及抗氧化处理，获得成品C/SiC复合材料螺钉。该专利申请提供的复合材料螺钉的制备方法采用毛坯件表面浸渍、固化和交联的方式，形成改性涂层，以增加强度，但是，该专利只选用长纤维来作为复合材料基体的增强基，而由于复合材料基体和改性涂层之间热膨胀系数不匹配，制备的改性涂层与复合材料基体的结合性较差，在急冷急热过程中容易脱落，无法实现增强螺纹部分强度的作用，会导致螺纹部分在挤压拉伸过程中受损。

[0004] 因此，在采用长纤维作为螺钉芯部增强基的前提下，需同时改进螺钉表面，尤其是螺纹部分的强度，从而在保证了螺钉杆部强度的同时，使螺纹部分强度不至于太低。

发明内容

[0005] 本发明创造要解决的问题是在保证螺钉杆部强度的同时，提高螺纹部分的强度，且保证螺纹部分的成型较容易、精度较高，从而妥善处理了强度目标与工艺性之间的矛盾，为解决该技术问题，本发明创造提供了一种复合材料螺钉及其制备方法。

[0006] 本发明创造采用的技术方案是：一种复合材料螺钉，包括长纤维增强的螺钉芯部、细短纤维丝增强的螺纹部分和镦制而成的螺钉头部，所述长纤维沿螺钉芯部轴向分布，所述细短纤维丝均匀分布在螺纹部分的表层，所述螺钉头部由所述螺钉芯部的顶部镦制而成。

[0007] 该螺钉中长纤维沿螺钉芯部轴向分布，且较为均匀地分布在螺钉螺纹中径尺寸以内，从而提升螺钉的轴向强度和剪切强度。同时通过在螺钉表层加入细短纤维丝增强螺纹部分的强度和表面强度，从而将螺钉的抗拉强度提升至200MPa以上，抗剪切性能极为优异。

[0008] 其中，所述细短纤维丝的长度为0.01mm～0.1mm，其直径为0.001mm～0.005mm。

[0009] 其中，所述细短纤维丝分布在复合棒材表层向里0.5mm范围内。

[0010] 其中，所述螺钉头部为沉头、半圆头、六角头、平圆头、内六角头或齿轮槽头型。

[0011] 本发明创造还提供了一种复合材料螺钉的制备方法，包括以下步骤：

[0012] S1.制备长纤维增强的复合棒材：通过复合材料编织机制备所需直径的长纤维增强的复合棒材，然后将所述棒材进行表面预处理及润滑，并快速将所述棒材推入螺纹成型模中，通过冷挤成型制成带螺纹的复合棒材。

[0013] S2.棒材表层覆盖细短纤维丝：在S1的冷挤成型过程中，在螺纹成型模的入口处同步充入细短纤维丝，在所述棒材向螺纹成型模内移动过程中，细短纤维丝被均匀带入螺纹成型模腔中，并冷压在所述棒材的表层，形成长纤维增强的螺钉芯部和细短纤维丝增强的螺纹部分；

[0014] S3.切割：通过切割机或带有专门定制装夹工装的车床、数控车床或加工中心将冷挤成型的带螺纹复合棒材切割成所需长度；

[0015] S4.镦制螺钉头部：通过带有配合螺纹的下模在冲床或液压机上镦制成型螺钉头部。

[0016] 其中，S1中棒材表面的预处理方法为：采用浓度为4～5%的HCl溶液和NaOH溶液依次交替浸泡所述棒材2～4小时，且在酸碱溶液交替之间使用大量清水或高纯度去离子水淋洗所述棒材至淋出水接近中性，如此重复2～3次，每次酸碱溶液的用量为所述棒材体积的2倍,最后一次处理应用4～5%的HCl溶液进行，然后放尽酸溶液，用清水淋洗至中性即可待用。

[0017] 由S1和S2可知，本制备方法首先制备长纤维增强的复合棒材，然后将棒材进行表面预处理及润滑，并快速将棒材通过冷挤成型机，在挤压成型机中挤压推杆的作用下，借助挤压模具的螺纹内腔，形成精密螺纹棒料。螺纹的精度由挤压模具和细短纤维丝的含量和状态保证，而复合棒材的抗拉强度可以通过调整细短纤维丝的长度和细短纤维丝的大小来进行确定。该方法制得的螺纹棒料整体表面质量好，细短纤维丝的分布容易控制。

[0018] 其中，S2中细短纤维丝的长度为0.01mm～0.1mm，其直径为0.001mm～0.005mm。

[0019] 其中，S2中细短纤维丝分布在复合棒材表层向里0.5mm范围内。

[0020] 通过S3可获得任意长度的螺钉，且该步骤保证了螺纹在切割过程中免受损伤或碰伤。

[0021] 其中，S4中的镦制方法是指：利用金属的塑性，把棒材或线材的顶部加粗的锻造成形方法。通过镦制可将螺钉头部制成沉头、半圆头、六角头、平圆头、内六角头或齿轮槽头型等任意头型。

[0022] 进一步地，对头部高度尺寸仅要求h13及以下的复合材料螺钉，可以通过钳工去除成型过程中在螺钉表面形成的毛刺，完成该复合材料螺钉的加工。而对头部高度尺寸为h12及以上精度要求的复合材料螺钉，通过钳工去除成型过程中形成的毛刺后，还需采用特殊装夹后对螺钉头部进行加工，保证尺寸，完成该复合材料螺钉的加工。

[0023] 进一步地，本发明创造中所提及的细短纤维丝为碳纤维丝、玻璃纤维丝或二者混合的纤维丝。

[0024] 本发明创造具有的优点和积极效果是：采用长纤维作为螺钉芯部的增强基，且在螺纹部分加入细短纤维丝，在保证螺钉杆部强度的同时，提高螺纹部分的强度，细短纤维丝在复合棒材冷挤成型过程中同步压入复合棒材的表层，冷挤成型的螺纹部分与螺钉芯部一体成型、精度较高，从而妥善处理了强度目标与工艺性之间的矛盾。

附图说明

[0025] 图1是本发明创造中制备方法的总体流程图

[0026] 图2是采用本发明创造的制备方法制得的复合材料螺钉的结构示意图具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。

[0028] 如图所示，本发明创造提供一种复合材料螺钉，包括长纤维1增强的螺钉芯部3、细短纤维丝2增强的螺纹部分4和镦制而成的螺钉头部5，所述长纤维1沿螺钉芯部3轴向分布，所述细短纤维丝2均匀分布在螺纹部分4的表层，所述螺钉头部5由所述螺钉芯部3的顶部镦制而成。

[0029] 一种复合材料螺钉的制备方法，包括以下步骤：

[0030] S1.制备长纤维增强的复合棒材：通过复合材料编织机制备所需直径的长纤维增强的复合棒材，然后将所述棒材进行表面预处理及润滑，并快速将所述棒材推入螺纹成型模中，通过冷挤成型制成带螺纹的复合棒材;

[0031] S2.棒材表层覆盖细短纤维丝：在S1的冷挤成型过程中，在螺纹成型模的入口处同步充入细短纤维丝，在所述棒材向螺纹成型模内移动过程中，细短纤维丝被均匀带入螺纹成型模腔中，并冷压在所述棒材的表层，形成长纤维增强的螺钉芯部和细短纤维丝增强的螺纹部分；

[0032] S3.切割：通过切割机或带有专门定制装夹工装的车床、数控车床或加工中心将冷挤成型的带螺纹复合棒材切割成所需长度；

[0033] S4.镦制螺钉头部：通过带有配合螺纹的下模在冲床或液压机上镦制成型螺钉头部。

[0034] 其中，S1中棒材表面的预处理方法为：采用浓度为4～5%的HCl溶液和NaOH溶液依次交替浸泡所述棒材2～4小时，且在酸碱溶液交替之间使用大量清水或高纯度去离子水淋洗所述棒材至淋出水接近中性，如此重复2～3次，每次酸碱溶液的用量为所述棒材体积的2倍,最后一次处理应用4～5%的HCl溶液进行，然后放尽酸溶液，用清水淋洗至中性即可待用。

[0035] 在S1中，长纤维沿螺钉芯部轴向分布，从而提升螺钉的轴向强度和剪切强度。同时S2中通过在螺钉表层加入细短纤维丝增强螺纹部分的强度和表面强度，从而将螺钉的抗拉强度提升至200MPa以上，抗剪切性能极为优异。S2中的细短纤维丝的长度控制在0.01mm～0.1mm范围内，其直径控制在0.001mm～0.005mm范围内。

[0036] 在S2中，通过冷压的方式将所述细短纤维丝压入复合棒材表层向里0.5mm范围内，冷挤成型的螺纹部分的精度可达6h及以上，表面性能优异。

[0037] 通过S3可获得任意长度的螺钉，且该步骤保证了螺纹在切割过程中免受损伤或碰伤。

[0038] 加工出螺纹的复合棒材，经S4，将所述螺钉头部镦制为沉头、半圆头、六角头、平圆头、内六角头或齿轮槽头型等任意头型。

[0039] 进一步地，对头部高度尺寸仅要求h13及以下的复合材料螺钉，可以通过钳工去除成型过程中在螺钉表面形成的毛刺，完成该复合材料螺钉的加工。而对头部高度尺寸为h12及以上精度要求的复合材料螺钉，通过钳工去除成型过程中形成的毛刺后，还需采用特殊装夹后对螺钉头部进行加工，保证尺寸，完成该复合材料螺钉的加工

[0040] 以上对本发明创造的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。