CN101100097A - 树脂基复合材料热压成型中制件与通孔一次成型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树脂基复合材料热压成型中制件与通孔一次成型的方法，制件与通孔的成型通过一模压成型装置在热压成型过程中形成。模压成型装置中先将预浸料(6)放置在第二模板(3)与第三模板(4)之间，然后将第一模板(2)放置在第二模板(3)的上部，且通过一夹具夹紧形成预成型体；在进行热压成型时，首先将锥柱(8)的锥尖段(81)、扩展段(82)顺次通过下模具(72)的通孔，且将圆柱段(83)放置在下模具(72)的通孔内，由锥托(84)托起；然后将上模具(71)安装在压机的上加热板(91)上，下模具(72)安装在压机的下加热板(92)上；然后将预成型体放置在锥柱(8)上。本发明提出的成型方法能够在制件成型的同时制件中的通孔也同时成型方法，有效地解决了常规工艺成型制件后，再进行通孔加工造成的缺陷。

Description

树脂基复合材料热压成型中制件与通孔一次成型的方法

技术领域

本发明涉及一种通孔的成型方法，更特别地说，是指一种纤维增强树脂基复合材料制件在热压成型的同时使制件上的多个通孔也同时成型的方法，即制件成型的同时制件上的通孔也成型了，节省了常规工艺下对制作进行再加工通孔带来的工序。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度高、耐腐蚀、抗老化、使用寿命长等优点，广泛应用于航空航天、交通运输以及能源等领域。目前，带有通孔的纤维增强树脂基复合材料制件往往不能一次成型，需要在制件固化后，通过机械加工(钻、冲)的方式成型通孔。这样的成型方式带来以下的问题：(1)制件中连续的增强纤维被切断，力学性能受到极大的影响，(2)通孔的断面出现分层、纤维裸露等破坏，这使得复合材料制品极易受到雨水、湿气或其它溶剂的侵蚀，层间强度急剧下降，使用寿命受到很大影响；(3)对于通孔数量多的制件，生产效率低并且浪费原材料。

发明内容

为了解决现有工艺是在将制件制作完成后，再进行打孔的缺陷，本发明的目的是提供一种树脂基复合材料热压成型中制件与通孔一次成型的方法，通过锥柱、模板的构形使制件在制作的同时通孔也成型。有效地降低了制作成本，节约了制件的生产时间。

本发明是一种树脂基复合材料热压成型中制件与通孔一次成型的方法，其有下列成型步骤：

第一步：根据制件构形设计制件上A通孔的个数n、布局m、直径d；

所述制件构形可以是平板结构、梯形结构、曲面结构；

A通孔的直径d一般为1～50mm；

第二步：根据第一步中所述A通孔的个数n、布局m、直径d设定第一模板上的B通孔、第二模板上的C通孔、第三模板上的D通孔、以及上模具、下模具上的通孔；

第三步：根据第一步中所述A通孔的直径d设定锥柱的扩展段的直径D₂、高度H₂，以及锥尖段的锥尖α的角度；锥柱的圆柱段与扩展段的接合处具有一拨模角β；

所述锥尖段的锥尖α的角度为30～120°，拨模角β的角度为1～30°；

第四步：将上模具安装在热压机的上平台上；将锥柱的圆柱段安装在下模具的通孔内，然后将下模具安装在热压机的下平台上；锥尖段、扩展段与上模具的通孔相对；

第五步：将预浸料放置在第二模板与第三模板之间，且在第二模板的上放置第一模板；然后采用螺钉穿过安装孔构成预成型体；

第六步：将预成型体放置在下模具上；调节热压机的上平台向下移动使上模具与第一模板接触；调节液压柱向下移动速度v、通孔成型压力f；使锥柱的锥尖段、扩展段顺次穿过第三模板、预浸料、第二模板、第一模板，使锥尖段配合在上模具的通孔内；

所述液压柱向下移动速度v为0.1～10mm/s；

所述每个通孔成型压力f为1～100N；

第七步：根据预浸料中树脂固化温度T、固化时间t，制件成型后经脱模即制得带有A通孔的树脂基复合材料制件；

所述树脂固化温度T为20～190℃；

所述固化时间t为5～300min。

所述的制件与通孔一次成型的方法，其树脂基复合材料制件上分布有A通孔，树脂基复合材料制件正面的A通孔端面有凸缘，凸缘高度有0.5～3.0mm。

本发明制件与通孔一次成型方法的优点在于：(1)解决了常规通孔成型过程中，需将制件完成后再打孔的工序；(2)制件与通孔一次成型解决了后加工通孔带来的力学性能及耐候性下降的问题；(3)提高了多孔制件的生产效率。

附图说明

图1是采用本发明方法制得的制件的正面结构示意图。

图1A是制件的背面结构示意图。

图2是第一模板正面结构示意图。

图3是第二模板正面结构示意图。

图4是第三模板正面结构示意图。

图5是模具装配在热压机上的层结构示意图。

图6是锥柱外部结构图。

图6A是锥柱上尺寸示意图。

图7是另一种模具装配在热压机上的层结构示意图。

图中：1.复合材料制件11.A通孔12.凸缘2.第一模板21.B通孔3.第二模板31.C通孔4.第三模板41.D通孔51.上平台52.下平台53.液压柱6.预浸料71.上模具72.下模具8.锥柱91.上加热板92.下加热板

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适用于树脂基复合材料在热压成型中，制件成型的同时制件中的通孔也同时成型方法，有效地解决了常规工艺成型制件后，再进行通孔加工造成的缺陷。

为了方便快捷的在热压成型中采用树脂基复合材料制成制件的同时也制作通孔，本发明人设计了一种通孔模压成型装置。模压成型装置包括有第一模板2、第二模板3、第三模板4、锥柱8、上模具71、下模具72；先将预浸料6放置在第二模板3与第三模板4之间，然后将第一模板2放置在第二模板3的上部，且通过螺钉夹紧形成预成型体；在进行热压成型时，首先将锥柱8的锥尖段81、扩展段82顺次通过下模具72的通孔，且将圆柱段83放置在下模具72的通孔内，由锥托84托起；然后将上模具71安装在压机的上加热板91上，下模具72安装在压机的下加热板92上；然后将预成型体放置在锥柱8上(参见图5所示)。在本发明中，(参见图6、6A所示)所述锥柱8为具有锥尖段81、扩展段82、圆柱段83的钉子结构，且锥尖段81、扩展段82、圆柱段83的高度与制件1、第一模板2、第二模板3、第三模板4的厚度相关；上模具71上设有盲孔(该盲孔的高度大于等于锥柱8的锥尖段81的高度H₁)，下模具72上设有通孔(该通孔的高度等于锥柱8的圆柱段83的高度H₃)。在实际应用中，也可以在上模具71上设有通孔，下模具72上设有盲孔，将锥柱8安装在上模具71的通孔中(参见图7所示)。

参见图2、图3、图4所示，在本发明中，为清楚的说明各个通孔之间的关系，设制件1上的A通孔11的直径为d，厚度为h；第一模板2上的B通孔21直径为d₁，厚度为h₁；第二模板3上的C通孔31直径为d₂，厚度为h₂；第三模板4上的D通孔41直径为d₃，厚度为h₃；锥柱8的扩展段82的拔模角度β；通孔直径则有下面的关系：

d₁＝(1-1.2)[d-2(h+h₂)tgβ]

$d_2=(0.9~1.5)d\sqrt{\frac{h+h_2}{h_2}}$

d₃＝d+2h₃tgβ

扩展段82的高度H₂大于等于制件1的厚度h加第一模板2的厚度h₁加第二模板3的厚度h₂加第三模板4的厚度h₃，即数学式表示为：H₂≥h+h₁+h₂+h₃。

本发明是一种树脂基复合材料热压成型中制件与通孔一次成型的方法，其有下列成型步骤：

第一步：根据制件构形设计制件上通孔的个数n、布局m、直径d；

所述制件构形可以是平板结构、梯形结构、曲面结构(波浪形结构、球形结构、椭圆形结构)；

通孔的直径d一般为1～50mm；

第二步：根据第一步中所述通孔的个数n、布局m、直径d设定第一模板2上的B通孔21、第二模板3上的C通孔31、第三模板4上的D通孔41、以及上模具71、下模具72上的通孔(图中未示出)；

第三步：根据第一步中所述通孔的直径d设定锥柱8的扩展段82的直径D₂、高度H₂，以及锥尖段81的锥尖α的角度；锥柱8的圆柱段83与扩展段82的接合处具有一拨模角β；

所述锥尖段81的锥尖α的角度为30～120°，拨模角β的角度为1～30°；

第四步：将上模具71安装在热压机的上平台51上；将锥柱8的圆柱段83安装在下模具72的通孔内，然后将下模具72安装在热压机的下平台52上；锥尖段81、扩展段82与上模具71的通孔相对；

第五步：将预浸料6放置在第二模板3与第三模板4之间，且在第二模板3的上放置第一模板2；然后采用螺钉穿过安装孔构成预成型体；

第六步：将预成型体放置在下模具72上；调节热压机的上平台51向下移动使上模具71与第一模板2接触；调节液压柱53向下移动速度v、通孔成型压力f；使锥柱8的锥尖段81、扩展段82顺次穿过第三模板4、预浸料6、第二模板3、第一模板2，使锥尖段81配合在上模具71的通孔内；

所述液压柱53向下移动速度v为0.1～10mm/s；

所述每个通孔成型压力f为1～100N；

第七步：根据预浸料6中树脂固化温度T、固化时间t制制件，制件成型后经脱模即制得带有通孔的制件；

所述树脂固化温度T为20～190℃；

所述固化时间t为5～300min。

经上述制件与通孔一次成型的方法制得的树脂基复合材料制件1上分布有A通孔11，树脂基复合材料制件1正面的A通孔11端面有凸缘12(参见图1、图1A所示)，凸缘12高度有0.5～3.0mm。

实施例1：

制备如图1所示的制件1及制件上的A通孔11的构形。

制件1为带有多个A通孔11的平板结构，厚度h为2mm，A通孔11的直径d为16mm，A通孔11的个数为21个。

第一步：根据制件1的外形和制件上A通孔11的个数n、布局m、直径d，设计上、下模具及第一、二、三模板、锥柱的外形尺寸；

其中，上模具71的厚度为13.5mm，盲孔直径为16mm；第一模板2的厚度h₁为2mm，B通孔21直径d₁为15.5mm；第二模板3的厚度h₂为3mm，C通孔31直径d₂为21mm；第三模板4的厚度h₃为5mm，D通孔41直径d₃为16.5mm；下模具72的厚度为10mm，通孔直径为16.5mm；锥柱8的锥尖角度α为60°，扩展段82的拨模角β为3°，圆柱段83的高度H₃为10mm，直径为16.5mm。

第二步：将上模具71安装在热压机的上平台51上；将锥柱8的圆柱段83安装在下模具72的通孔内，然后将下模具72安装在热压机的下平台52上；锥尖段81、扩展段82与上模具71的通孔相对；

第三步：称取一定量的不饱和聚酯树脂、引发剂、促进剂按100∶2∶2配胶，搅拌均匀待用；

第四步：将0.2mm厚的玻璃纤维毡平铺在工作台上，将第三步制得的胶液均匀涂覆在玻璃纤维毡上，然后再铺下一层玻璃纤维毡，再涂胶液。待第10层玻璃纤维布铺好后，将胶液仔细涂覆均匀，制得预浸料。

第五步：将第四步制得的预浸料平铺在第三模板4上，然后将第二模板3放置在预浸料上，并将第一模板2放置在第二模板3上；相对位置如图5所示，定好位后采用螺钉穿过安装孔将第一、二、三模板和预浸料固定在一起构成预成型体；

第六步：调整热压机上加热板91、下加热板92的温度为50℃；

第七步：将预成型体放置在下模具72上；调节热压机的上平台51向下移动使上模具71与第一模板2接触；然后调节液压柱53向下移动速度v为2mm/s、压机压力为450N左右(每个通孔成型压力f等于450N除21)；使锥柱8的锥尖段81、扩展段82顺次穿过第三模板4、预浸料6、第二模板3、第一模板2，使锥尖段81配合在上模具7 1的通孔内；

第八步：调整压机压力，使预浸料中压力为0.3MPa左右，在50℃条件下固化30min；

第九步：将压机的上平台51向上移动，并将第一、二、三模板和制件与锥柱8分离，依次将紧固螺钉、第一模板、第二模板、第三模板与取下，及制得带有21个通孔的制件。

实施例2：

如图5所示，制件为带有多个通孔的梯形结构，厚度3mm，中面和侧面共有通孔91个，通孔直径为20mm，两边各有连接孔7个，孔直径为8mm。

第一步：根据制件外形和制件上通孔的个数、布局、直径，设计上、下模具及第一、二、三模板、锥柱的外形尺寸；

其中，上模具71的中面、侧面的通孔直径为20mm，两边的通孔直径为8mm；第一模板2的厚度h₁为3mm，中面、侧面的通孔直径d₁为18.5mm，两边的通孔直径为6.5mm；第二模板3的厚度为3mm，中面、侧面的通孔直径为28mm，两边的通孔直径为11.5mm；第三模板4的厚度h₃为6mm，中面、侧面的通孔直径d₃为21mm，两边的通孔直径为9mm；下模具72的厚度为10mm，中面、侧面的通孔直径为21mm，两边的通孔直径为9mm；锥柱8的锥尖角度α为30°，扩展段82的拨模角β为5°，圆柱段83的高度依据位置不同而不同，直径为21mm。

第二步：将上模具71安装在热压机的上平台51上；将锥柱8的圆柱段83安装在下模具72的通孔内，然后将下模具72安装在热压机的下平台52上；锥尖段81、扩展段82与上模具71的通孔相对；(与实例一中第二步相同)

(或者与实例一不同：实例二将锥柱安装在上模具上)将锥柱8的圆柱段83安装在上模具71的通孔内，然后将上模具71安装在热压机的上平台51上；锥尖段81、扩展段82与下模具72的通孔相对；将下模具72安装在热压机的下平台52上；

第三步：称取一定量的F-46树脂、引发剂三氟化硼单乙胺，按100∶3配胶，加热熔融、搅拌均匀待用；

第四步：将15层每层厚度为0.2mm的玻璃纤维方格步用第三步制得的胶液浸渍，制成预浸料；

第五步：将第四步制得的预浸料平铺在第三模板4上，然后将第二模板3放置在预浸料上，并将第一模板2放置在第二模板3上；相对位置如图5所示，定好位后采用螺钉穿过安装孔将第一、二、三模板和预浸料固定在一起构成预成型体；(与实例一中第五步相同)

(或者与实例一不同：实例二将锥柱安装在上模具上)将第二模板3铺在第三模板4上，并将第四步制得的预浸料平铺在第二模板3上，然后将第三模板4放置在预浸料上；相对位置如图6所示，定好位后采用螺钉穿过安装孔将第一、二、三模板和预浸料固定在一起构成预成型体；

第六步：调整热压机上加热板91、下加热板92的温度为140℃；

第七步：将预成型体放置在下模具72上；调节热压机的上平台51向下移动使上模具71与第一模板2接触；然后调节液压柱53向下移动速度v为1mm/s、压机压力f为2000N左右；使锥柱8的锥尖段81、扩展段82顺次穿过第一模板2、第二模板3、预浸料6、第三模板4，使锥尖段81配合在下模具72的通孔内；(与实例一基本相同)

(或者与实例一不同：实例二将锥柱安装在上模具上)将预成型体放置在下模具72上；调节热压机的上平台51向下移动使锥柱8与第三模板4接触；然后调节液压柱53向下移动速度v为1mm/s、压机压力f为2000N左右；使锥柱8的锥尖段81、扩展段82顺次穿过第三模板4、预浸料6、第二模板3、第一模板2，使锥尖段81配合在下模具72的通孔内；

第八步：调整压机压力，使预浸料中压力为0.5MPa左右，在140℃条件下固化30min；然后调整热压机上、下加热板温度到180℃，固化120min；

第九步：将压机温度降到室温，并将压机的上平台51向上移动，将第一、二、三模板和制件与锥柱8分离，依次将紧固螺钉、第一模板、第二模板、第三模板与取下，即制得带有多个通孔的梯形制件。

本发明提出的通孔与制件同时成型的工艺，可以对不同制件构形进行打孔。解决了现有工艺中是在将制件制作完成后，再进行打孔的缺陷。

Claims (7)

1、一种树脂基复合材料热压成型中制件与通孔一次成型的方法，其特征在于有下列成型步骤：

第一步：根据制件构形设计制件(1)上A通孔(11)的个数n、布局m、直径d；

所述制件构形可以是平板结构、梯形结构、曲面结构；

A通孔(11)的直径d为1～50mm；

第二步：根据第一步中所述A通孔(11)的个数n、布局m、直径d设定第一模板(2)上的B通孔(21)、第二模板(3)上的C通孔(31)、第三模板(4)上的D通孔(41)、以及上模具(71)、下模具(72)上的通孔；

第三步：根据第一步中所述A通孔(11)的直径d设定锥柱(8)的扩展段(82)的直径D₂、高度H₂，以及锥尖段(81)的锥尖α的角度；锥柱(8)的圆柱段(83)与扩展段(82)的接合处具有一拨模角β；

所述锥尖段(81)的锥尖α的角度为30～120°，拨模角β的角度为1～30°；

第四步：将上模具(71)安装在热压机的上平台(51)上；将锥柱(8)的圆柱段(83)安装在下模具(72)的通孔内，然后将下模具(72)安装在热压机的下平台(52)上；锥尖段(81)、扩展段(82)与上模具(71)的通孔相对；

第五步：将预浸料(6)放置在第二模板(3)与第三模板(4)之间，且在第二模板(3)的上放置第一模板(2)；然后采用螺钉穿过安装孔构成预成型体；

第六步：将预成型体放置在下模具(72)上；调节热压机的上平台(51)向下移动使上模具(71)与第一模板(2)接触；调节液压柱(53)向下移动速度v、通孔成型压力f；使锥柱(8)的锥尖段(81)、扩展段(82)顺次穿过第三模板(4)、预浸料(6)、第二模板(3)、第一模板(2)，使锥尖段(81)配合在上模具(71)的通孔内；

所述液压柱(53)向下移动速度v为0.1～10mm/s；

所述每个通孔成型压力f为1～100N；

第七步：根据预浸料(6)中树脂固化温度T、固化时间t，制件成型后经脱模即制得带有A通孔(11)的树脂基复合材料制件(1)；

所述树脂固化温度T为20～190℃；

所述固化时间t为5～300min。

2、根据权利要求1所述的制件与通孔一次成型的方法，其特征在于：树脂基复合材料制件(1)上分布有A通孔(11)，树脂基复合材料制件(1)正面的A通孔(11)端面有凸缘(12)，凸缘(12)高度有0.5～3.0mm。

3、根据权利要求1所述的制件与通孔一次成型的方法，其特征在于：所述扩展段(82)的高度H₂大于等于第三模板(4)的厚度加上预浸料(6)的厚度加上第二模板(3)的厚度加上第一模板(2)的厚度。

4、根据权利要求1所述的制件与通孔一次成型的方法，其特征在于：曲面结构有波浪形结构、球形结构或椭圆形结构。

5、根据权利要求1所述的制件与通孔一次成型的方法，其特征在于：第一模板(2)、第三模板(4)、上模具(71)、下模具(72)为金属，具体为铸铁、铸铝、不锈钢或铝合金的金属。

6、根据权利要求1所述的制件与通孔一次成型的方法，其特征在于：第二模板(3)为聚氨酯、聚氯乙稀、聚乙烯、聚丙稀、硅橡胶、氟橡胶或三元乙丙橡胶。

7、根据权利要求1所述的制件与通孔一次成型的方法，其特征在于：预浸料(6)为纤维增强树脂基复合材料；其中树脂是不饱和聚酯、环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂或双马树脂的热固性树脂；或者是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的热塑性树脂；纤维种类是玻璃纤维、碳纤维、芳纶、玄武岩纤维或者是PBO纤维；增强纤维是无纬布、平纹布、斜纹布、缎纹布或者短切纤维毡。

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