[发明专利]转筒式高速复合材料转子及其制作方法

权利要求书

1.一种转筒式高速复合材料转子，包括上环箍（1）、筒体（2）、上端盖（3）、上管轴（4）、下环箍（5）、下端盖（6）和下芯轴（7），各零件为轴对称结构，组装后具有共同的旋转中心轴线，其特征在于，所述筒体（2）的外壁半径R为100～150mm，筒体中部内壁半径为R₃，R与R₃之差，即筒体壁厚d为5～60mm，内壁的上端口和下端口为台阶结构，自上向下，上端口的内壁半径分别为R₁和R₂，下端口的内壁半径分别为R₄和R5，从R₁至R₅，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅依次按相同的增加量递增，增加量为0.4～0.8mm，筒体（2）的长度与直径比为3∶1到5∶1；

所述上端盖（3）和下端盖（6）均为圆环板，上端盖（3）和下端盖（6）的厚度为5～10mm，上端盖（3）的外圆直径为2R₂，内圆直径为20～60mm，下端盖（6）的外圆直径为2R₄，内圆直径为20～60mm；

所述上管轴（4）由圆管段和圆环段构成，圆管段为两端相通的圆管，圆管段的外直径与上端盖（3）的内圆直径相同，所述下芯轴（7）由末端轴段和连接段构成，连接段与下端盖（6）的内圆固接，连接段的外直径与下端盖（6）的内圆直径相同，末端轴直径为5～10mm；

上端盖（3）的外圆与筒体（2）上端口半径R₂的内壁密封固接，下端盖（6）的外圆与筒体（2）下端口半径R₄的内壁密封固接，上管轴（4）的圆管段在上端盖（3）圆孔中与上端盖（3）密封固接，上管轴（4）作为转子上支承的结构件和液体进出口，下芯轴（7）的连接段在下端盖（6）圆孔中与下端盖（6）密封固接，下芯轴（7）作为转子下支承的结构件，上环箍（1）固接在筒体（2）外壁上端，下环箍（5）固接在筒体（2）外壁下端；

所述筒体（2）的筒壁的材料是基体为环氧树脂的复合材料，由环向缠绕纤维层（21）和轴向纤维铺层（22）交替合成，总层数为2n+1，n为5～30的正整数，单层厚度为0.3～1.8mm，其中，从内层到外层，奇数层为环向缠绕纤维层（21），偶数层为轴向纤维铺层（22），环向缠绕纤维层（21）和轴向纤维铺层（22）的单层厚度相同或者不相同，所述环向缠绕纤维层（21）的纤维为高强度碳纤维，纤维环向缠绕，所述轴向纤维铺层（22）的纤维为高模量碳纤维单向布，单向布的主纤维取向为轴向设置；

所述上端盖（3）和下端盖（6）均为螺旋式扇形织构叠层与基体复合模压成型的复合材料圆环板，复合材料的基体为环氧树脂、铝合金或镁合金；

所述螺旋式扇形织构叠层的螺旋式扇形织构为正交织构，采用斜纹或斜纹/平纹混合织造工艺，螺旋式扇形织构的经纱与纬纱的交织方式为二上二下的斜纹织造或斜纹与单上单下的平纹混合织造，螺旋式扇形织构叠层的层数为5～20，单层厚度0.5～2.0mm，经纱和纬纱的材料为高强度碳纤维；在螺旋式扇形织构叠层沿厚度方向的最外层收尾处与其相邻的次外层采用缝纫强化；

所述上环箍（1）和下环箍（5）均为缠绕在筒体（2）上的高模量碳纤维强化的树脂基复合材料圆环。

2.根据权利要求1所述的转筒式高速复合材料转子，其特征在于，所述上管轴（4）和下芯轴（7）的材料为合金钢。

3.根据权利要求1所述的转筒式高速复合材料转子，其特征在于，所述管轴4在上端盖（3）圆孔中与上端盖（3）密封固接和下芯轴（7）在下端盖（6）圆孔中与下端盖（6）密封固接均为过盈装配。

4.根据权利要求1所述的转筒式高速复合材料转子，其特征在于，所述上端盖（3）与筒体（2）的密封固接，下端盖（6）与筒体（2）的密封固接为过渡配合装配。

5.一种转筒式高速复合材料转子制作方法，其特征在于，如权利要求4所述转筒式高速复合材料转子的制作方法为：

步骤一、制作筒体（2）：

A.按筒体2的形状及长度、厚度d、外径R的数据，以及从内径R₁至内径R₅，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅依次递增的增加量数据制作筒体成形芯模；

B.用湿法缠绕方法在筒体成形芯模上端半径为R₁和R₂的表面上缠绕经环氧树脂浸润高强度碳纤维，直到半径为R₃的表面一致，加热固化，形成填平筒体成形芯模上端半径为R₁和R₂的复合材料台阶层；

C.用湿法缠绕方法从筒体成形芯模上端向下缠绕经环氧树脂浸润高强度碳纤维，加热固化，形成第1层为环向缠绕纤维层（21）；

D.裁取长度与筒体同高、宽度与第1层环向缠绕纤维层（21）外圆等长的高模量碳纤维单向布，浸润环氧树脂后，按主纤维方向与筒体轴向相同取向铺设在第1层环向缠绕纤维层（21）外，加热固化，形成第2层为轴向纤维铺层（22）；

E.重复步骤C和D，形成第3层环向缠绕纤维层（21）和第4层轴向纤维铺层（22），直到形成第2n+1层环向缠绕纤维层（21），随层数增加，把筒体成形芯模下端半径为R₄和R₅的表面部分一起覆盖；

F.加热固化后脱模，制得筒壁为碳纤维增强环氧树脂复合材料的筒体（2），备用；

步骤二、制作上端盖（3）和下端盖（6）：

A.按照上端盖（3）和下端盖（6）的外径、内径和厚度尺寸数据，以及上端盖（3）的外圆与筒体（2）上端口半径R₂的内壁过渡配合装配，下端盖（6）的外圆与筒体（2）下端口半径R₄的内壁过渡配合装配，上管轴（4）在上端盖（3）圆孔中与上端盖（3）过盈装配，下芯轴（7）在下端盖（6）圆孔中与下端盖（6）过盈装配的要求分别设计螺旋式扇形织构，并用经纱（31）和纬纱（32）织造螺旋式扇形织构；

螺旋式扇形织构的纺织要求为：

螺旋式扇形织构为正交织构，采用斜纹或斜纹/平纹混合织造工艺，螺旋式扇形织构的经纱与纬纱的交织方式为二上二下的斜纹织造或二上二下的斜纹与单上单下的平纹混合织造；

经纱与纬纱体积之和与同基体材料复合形成的圆环板体积之比为40～60%，纤维体积占比越高，圆环板复合结构强度越高，可以获得更高的旋转速度；

使用1～5束单束纤维根数为3k、6k或12k的高强度碳纤维组合成交织纱线，作为纺织纱线，其中1k为1000根纤维；

螺旋式扇形织构中，环向排布的经纱与径向排布的纬纱纤维体积比为2∶1到5∶1，通过采用不同单束纤维根数为3k、6k或12k的高强度碳纤维组合成交织纱线实现；

螺旋式扇形织构的单层厚度为0.5～2mm；

为保证固化工艺中基体的浸润性能，环向经纱的纱线最大纤维丝含量和径向纬纱的纱线最大纤维丝含量均不超过60k；

B.制作圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层：

按照上端盖（3）和下端盖（6）的厚度尺寸数据，分别从步骤A获得的螺旋式扇形织构截取圆环板端盖的螺旋式扇形织构叠层用的螺旋式扇形织构，为保证固化工艺中基体的浸润性能，螺旋式扇形织构叠层的层数为5～20，底层收尾边沿与顶层收尾边沿在环向上处于同一条半径上；

螺旋式扇形织构叠层的底层收尾处与次底层以及顶层收尾处与次顶层在厚度方向上分别缝纫强化，底层的缝纫强化区（33）和顶层的缝纫强化区（33）为面积相同的扇形区，缝纫强化区（33）外圆弧长度为螺旋式扇形织构单层厚度10～30倍，缝纫工艺中，采用往返不重复的“弓”字形径向连续路径，缝纫线（34）采用高强度尼龙丝线，丝线直径为0.05～0.1mm；

C.按照上端盖（3）和下端盖（6）的外径、内径和厚度尺寸数据设置树脂传递模塑工艺装备，即RTM工艺装备，采用RTM工艺将纤维纺织的螺旋式扇形织构叠层与环氧树脂复合固化，或者采用真空模铸工艺将纤维纺织的螺旋式扇形织构叠层与铝合金、镁合金固化，得到螺旋叠层纺织复合材料圆环板的上端盖（3）和下端盖（6）；

步骤三、按照上管轴（4）和下芯轴（7）尺寸要求制作上管轴（4）和下芯轴（7），上管轴（4）和下芯轴（7）的材料均为合金钢；

步骤四、在筒体（2）上装配上端盖（3）、下端盖（6）、上管轴（4）和下芯轴（7）：

A.采用过盈装配，将上管轴（4）的圆管段装配在上端盖（3）的圆孔内，实现上管轴（4）与上端盖（3）的密封固接，将下芯轴（7）的连接段装配在下端盖（6）的圆孔内，实现下芯轴（7）与下端盖（6）的密封固接；

B.用过渡配合装配将上端盖（3）装配在筒体（2）上端口半径R₂的内壁，实现上端盖（3）与筒体（2）的密封固接，上管轴（4）的圆管段向外；

C.用过渡配合装配将下端盖（6）装配在筒体（2）下端口半径R₄的内壁，实现下端盖（6）与筒体（2）的密封固接，下芯轴（7）的末端轴段向外；

步骤五、在筒体（2）的上端和下端分别制作上环箍（1）和下环箍（5）：

A.按照上环箍（1）和下环箍（5）尺寸要求，用湿法缠绕方法缠绕浸润环氧树脂的高模量碳纤维分别缠绕在筒体（2）外壁的上端和下端；

B.经加热固化形成环氧树脂复合材料的上环箍（1）和下环箍（5）；

步骤六、经检验合格，获得转筒式高速复合材料转子。