CN102173060A - 一种碳纤维增强复合材料构件制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维增强复合材料构件制造装置及方法，属于复合材料成型及加工领域。本发明通过树脂渗透成型后、固化前的修边、冲孔、切断等湿态冲裁工艺，在碳纤维增强复合材料构件成型同时完成外轮廓及内孔的加工，有效减少或避免现有成型工艺对难加工碳纤维增强复合材料制件的后续铣削、钻削加工要求，提高成型效率和制件表面质量、降低设备要求及制造成本，特别适用于大尺寸碳纤维增强复合材料构件的制造。

Description

一种碳纤维增强复合材料构件制造装置及方法

技术领域

本发明属于复合材料成型及加工领域，涉及一种碳纤维增强复合材料构件制造装置及方法，适用于碳纤维增强复合材料（CFRP）覆盖件及结构件的成型、加工一体化制造。

背景技术

近年来，随着原油价格的攀升及对环保要求的日益迫切，利用各种碳纤维增强材料实现结构轻量化以提高燃油经济性在除航空航天之外的汽车、船舶等民用工业领域也具有广阔的应用前景。碳纤维增强材料（CFRP）比重不到钢的1/4，抗拉强度却是钢的7.9倍左右，抗拉弹性模量也比钢高，与金属材料相比具有轻质、高刚性、高强度、高抗疲劳性能、耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗振吸振性能好等优点，此外由于其热膨胀系数小，更容易获得尺寸稳定性好的制件，已成为各大汽车生产商首选的理想轻量化材料之一。

现有的可用于碳纤维增强材料汽车车身覆盖件、结构件制造的方法主要有：热模压成型工艺、树脂传递模塑成型工艺（Resin Transfer Molding）和在此基础上发展起来的真空树脂浸渗工艺（Vacuum Assisted Resin Transfer Molding）。当用于大尺寸零件成型时，热模压成型虽然工艺简单，但由于所需热压成型设备投资高、生产能耗大，因此制造成本高[引文：碳纤维增强复合材料成型用中间材料及其成型方法，申请号200710180971.9]；而树脂传递模塑成型工艺和真空树脂浸渗工艺虽然属于低成本闭模制造工艺，但需要大型复杂的树脂计量、注射设备，需要精细、复杂的树脂流道设计，另外为了满足树脂充分、均匀浸渍碳纤维预制型坯的要求，需要一定的保温、保压时间，加上必要的固化周期，使大型CFRP制件成型的工艺周期加长[树脂传递模塑装置和树脂传递模塑方法，申请号200780028033.5；RTM成型方法及装置，申请号200580005211.3]。

此外，用上述工艺成型的碳纤维增强材料（CFRP）构件在固化成型后，往往还需要进行修边、钻孔等多道工序才能装配使用。而碳纤维增强材料（CFRP）属于典型的难加工材料，硬度高、刚性大，成型后难以用传统的冲裁工艺进行修边和冲孔加工，现有的铣削和钻削工艺又存在所需切削力大、切削温度高、刀具磨损剧烈，而且切削过程中因为碳纤维拉断撕裂、切屑卷曲缠绕等问题而影响加工表面质量[一种高速钻削复合材料的陶瓷钻头，申请号200810134628；整体硬质合金鱼鳞铣刀，申请号200910013142]。

综合考虑上述几方面因素，本发明公开了一种用于碳纤维增强复合材料构件的低成本、高效率、成型加工一体化制造装置和方法，旨在通过树脂渗透成型后、固化前的湿态冲裁工艺，完成制件内外轮廓的修边、冲孔及修边废料的切断加工，最大程度的减少和避免现有成型工艺对难加工碳纤维增强复合材料构件的后续铣削及钻削加工要求，有效缩短了成型加工周期、提高制件的表面质量、降低对设备及装置的使用要求及制造成本。尤其适用于大型碳纤维增强复合材料构件的制造。本发明通过碳纤维增强复合材料预制叠层片材在成型后、固化前的湿态冲裁，完成对制件内外轮廓的修边、冲孔及修边废料切断等加工，然后再固化成为高强度CFRP构件，该方法具有工艺过程简单、对设备要求低、成型效率高等特点，同时有效减少和避免了对难加工CFRP材料后续的切边和冲孔等机加工工艺要求，可用于汽车、航空、船舶等碳纤维增强复合材料覆盖件及结构件的制造。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是降低对难加工碳纤维增强材料进行铣削、钻孔等机加工工序的依赖及其对表面质量、制件性能的影响，实现碳纤维增强复合材料构件的低成本、高效率成型加工一体化制造。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

所提供的用于碳纤维增强复合材料构件制造的装置由模架、上模部分和下模部分构成，主要包括：导柱、导套、模柄、上模座板、隔热垫A、上模固定板、上模、废料切断侧刃、上模加热元件、连接螺钉、冲孔凸模、叠层片材、下模、下模加热元件、隔热垫B、下模固定板、下模座板、支撑螺钉、弹簧等。

其中，上模座板与下模座板通过导柱、导套导向构成基本模架，通过模柄将上模部分与冲床相连接，通过下模座板将下模部分固定在机床工作台上。下模部分主要包括预制叠层片材、下模、下模加热元件、隔热垫B、下模固定板、下模座板。下模为凸模，具有与成型结构件内表面特征相同的型面；下模的成型凸模上开设有竖直通孔，通孔外缘为冲孔凹模刃口；下模的外缘呈台阶状，台阶上部在型腔过渡圆角处开设有抽真空吸气孔，台阶上部外缘端部有切削刃，为下模修边刃口；台阶下部沿径向设有废料切断窄槽；下模底面开设竖直的台阶孔，台阶孔内设有下模加热元件；下模底面与下模固定板间设有隔热垫B；所述下模固定板上设有不在同一直线上的三个沉头孔，沉头孔中安置弹性支撑架；所述弹性支撑架包括支撑螺钉和弹簧，其中支撑螺钉安置在下模固定板的沉头孔中，弹簧套在支撑螺钉上，构成弹性支撑架。

上模部分主要包括上模座板、隔热垫A、上模固定板、上模、废料切断侧刃、上模加热元件、连接螺钉、冲孔凸模、弹簧等；上模为凹模，具有与成型结构件外表面特征相同的型腔；上模上开设与所冲孔尺寸形状相对应的竖直台阶孔，台阶孔中安置弹簧，弹簧中安置冲孔凸模， 弹簧上端抵住冲孔凸模的尾端；上模的外边缘有切削刃，即上模修边刃口，与下模台阶上部边缘的下模修边刃口配合修边；上模外缘周边沿竖直方向开槽，槽中镶入废料切断侧刃，废料切断侧刃与下模外缘下部台阶上的废料切断窄槽相配合剪切；上模模体在型腔轮廓周围设置有台阶孔，台阶孔中设置上模加热元件；上模沿周边开设均布的螺纹台阶孔，螺纹台阶孔中安置弹簧，连接螺钉穿过上模固定板上的台阶孔、弹簧使上模固定板与上模弹性连接；上模固定板上设有沉孔，沉孔中安置冲孔凸模的凸缘台阶；上模固定板与上模座板间设有隔热垫A。

采用上述装置的碳纤维增强复合材料构件的制造方法主要包括以下几个步骤：

A、将碳纤维预浸料、缝制品或编织物等碳纤维增强片材和固态基体树脂片交替铺放至所需厚度，最上层铺放耐热、柔韧真空袋膜，预制成所需尺寸的叠层片材。

B、向上模、下模的成型模面分别涂覆或喷涂脱模剂，同时将叠层片材放在弹性支撑架上，开启下模加热元件将下模加热到基体树脂片软化温度并保温，下模再通过热传导作用将叠层片材加热至软化，使其脱离支撑，逐渐下落而包覆下模。

C、用真空泵通过下模吸气孔抽真空，继续将基体树脂加热到最佳浸渍温度并保温，使基体树脂在负压作用下充分浸渍碳纤维增强片材，并进一步贴膜成型。

D、带修边刃口、废料切断侧刃和冲孔凸模的上模下降合模，在模压同时，分别与下模上的修边刃口、废料切断窄槽及冲孔凹模刃口形成剪切冲裁作用，完成固化前的切边、冲孔及废料切断加工。

E、开启上模、下模加热元件，将上模、下模分别加热至基体树脂固化温度，对成型、冲裁后的制件进行模内加热固化。

F、向下模通入压缩空气，冷却后开模取件，再次将下模加热至基体树脂片的软化温度，进入下一工作循环。

本发明提供了一种碳纤维增强复合材料构件的制造装置及方法，其有益效果是（1）实现了高强度、轻量化碳纤维增强复合材料构件成型、加工、固化的一体化制造；（2）以湿态剪切冲裁技术代替传统浸渗及RTM工艺后续的铣削、钻孔等机加工工序，降低了对难加工碳纤维增强复合材料机加工过程中碳纤维撕裂、分层等缺陷对制件表面质量及装配、使用性能的影响，显著提高了制件的生产效率；（3）在普通冲压机上，通过使用可加热、温控模具，配以真空泵即可实现连续生产，所需设备投资小，生产成本低。

附图说明

图1 为碳纤维增强复合材料构件制造装置总体结构图。

图2 为下模结构示意图。

图3 为上模结构示意图。

图4 为预制叠层片材构成示意图。

图5 为叠层片材弹性支撑架结构示意图。

图6 为叠层片材包覆下模成型面示意图。

图7为叠层片材贴模成型示意图。

图中：1、导柱A，2、导套A，3、模柄，4、上模座板，5、隔热垫A，6、上模固定板，7、导套B，8、弹簧A，9、上模加热元件A，10、上模， 11 、废料切断侧刃A，12、弹簧D，13、支撑螺钉，14、导柱B，15、连接螺钉A，16、下模，17、下模加热元件A，18、冲孔凸模，19、弹簧C，20、下模加热元件B，21、叠层片材，22、连接螺钉B，23、隔热垫B，24、下模固定板，25、下模座板，26、支撑螺钉B，27、弹簧E，28、废料切断侧刃B，29、上模加热元件B，30、弹簧B，31、吸气孔，32、冲孔凹模刃口，33、台阶孔，34、废料切断窄槽，35、下模修边刃口，36、螺纹台阶孔，37、台阶孔，38、冲孔凸模安装孔，39、上模修边刃口，40、真空袋膜，41、基体树脂片，42、碳纤维增强片材。

具体实施方式

下面结合附图，通过对实施例的描述，对本发明的技术方案进行详细说明。

本实施例中所涉及的碳纤维增强复合材料构件的制造装置总体结构如图1所示，由模架、上模和下模三部分构成，其中上模座板4与下模座板25通过导柱1、导套2和导柱14、导套7导向，构成基本模架，通过模柄3将上模部分与冲床相连接，通过下模座板25将下模部分固定在机床工作台上，对于大型制件也可以采用导板导向，并将上模固定板直接与压力机滑块连接。

下模部分由叠层片材21、下模16、下模加热元件17、下模加热元件20、隔热垫B23、下模固定板24、下模座板25、支撑螺钉13、支撑螺钉26、弹簧C12、弹簧D27组成。其中下模16的结构如图2所示，具有与成型结构件内表面特征相同的型面，为成型凸模；下模的成型凸模上开设有竖直通孔，通孔外缘为冲孔凹模刃口32；下模外缘呈台阶状，台阶上部在型腔过渡圆角处开设有抽真空吸气孔31，台阶上部外缘有切削刃，为下模修边刃口35；台阶下部沿径向设有废料切断窄槽，与上模10上的废料切断侧刃A11和废料切断侧刃B28一起完成修边废料的切断加工；下模底面开设竖直的台阶孔37，台阶孔37内设有下模加热元件A17和下模加热元件B20；下模16与下模固定板24间设有隔热垫B23；下模固定板24上设有不在同一直线上的三个沉头孔，沉头孔中安置弹性支撑架；弹性支撑架由支撑螺钉和弹簧构成，其中支撑螺钉A13和支撑螺钉B26安置在下模固定板24的相应沉头孔中，弹簧D12和弹簧E27分别套在支撑螺钉A13和支撑螺钉B26上构成弹性支撑架，弹性支撑架上放置预制叠层片材21。

上模部分由上模座板4、隔热垫A5、上模固定板6、上模10、废料切断侧刃A11和废料切断侧刃B28、上模加热元件A9和上模加热元件B29、连接螺钉A15和连接螺钉B22、弹簧A8和弹簧B30、冲孔凸模18、弹簧C19组成。其中上模10为成型凹模，上模10的结构如图3所示，上模10具有与成型结构件外表面特征相同的型腔；上模10上开设与所冲孔尺寸形状相对应的竖直台阶孔，即冲孔凸模安装孔38，冲孔凸模安装孔38中安置弹簧C19，弹簧C19中安置冲孔凸模18， 弹簧C19上端抵住冲孔凸模18的尾端；上模10的外边缘有切削刃，即上模修边刃口39，上模修边刃口39与下模台阶上部边缘的下模修边刃口35配合完成外缘修边加工；上模10外缘周边沿竖直方向开槽，槽中镶入废料切断侧刃A11和废料切断侧刃B28，废料切断侧刃A11和废料切断侧刃B28与下模16外缘下部台阶上的废料切断窄槽34相配合剪切，完成修边废料的切断加工；上模10在型腔轮廓周围设置有台阶孔37，台阶孔37中设置上模加热元件A9和上模加热元件B29；上模沿周边开设均布的螺纹台阶孔36，螺纹台阶孔36中安置弹簧A和弹簧B，连接螺钉A和连接螺钉B穿过上模固定板上的台阶孔、弹簧A8和弹簧B30、螺纹台阶孔36使上模固定板6与上模10弹性连接；上模固定板6上设有竖直台阶孔，竖直台阶孔中安置上模固定板6与上模10的连接螺钉A15和连接螺钉B22；上模固定板6上设有沉孔，沉孔中安置冲孔凸模18的凸缘台阶；上模固定板6与上模座板4之间设有隔热垫A5。

使用上述碳纤维增强复合材料构件制造装置的制造方法，包括以下几个工序步骤：

（A）预制叠层片材21。按所需规格、形状将基体树脂片41和碳纤维增强片材42交替铺放至所需厚度，并在最上层铺放耐热、柔韧真空袋膜40，完成叠层片材21的预制，叠层片材21的构成如图4所示，所述基体树脂片采用E51/BF3-400体系高性能固态环氧树脂膜，碳纤维增强片材可以是单向碳纤维铺层形成的预浸料，也可以是各种织纹的碳纤维编织布及三维编织物；真空袋膜40采用工作温度达199的卡普龙12LL系列真空袋膜。

（B）向上模10、下模16的成型模面分别涂覆Xtend 840半永久型脱模剂，然后将叠层片材21放在弹性支撑架上，弹性支撑架结构如图5所示，然后用下模加热元件A17和下模加热元件B20，将下模16加热至                                                

，下模16通过热传导方式将叠层片材21加热至软化，使叠层片材21逐渐下落、脱离支撑而包覆下模16，如图6所示。

（C）用真空泵通过下模16的吸气孔抽真空至0.2MPa，使叠层片材21进一步贴膜成型，如图7所示，然后将下模16的温度提高至

并保温10min，使基体树脂在负压作用下充分浸渍碳纤维增强片材。

（D）上模下降合模，在模压同时，上模修边刃口39、冲孔凸模18分别与下模修边刃口35及冲孔凹模刃口32形成剪切冲裁作用，同时上模10上的废料切断侧刃A11、废料切断侧刃B28分别与下模16下部凸缘上对应位置的废料切断窄槽34形成剪切冲裁作用，完成固化前的切边、冲孔及废料切断加工。

（E）同时开启上模加热元件A9、上模加热元件B29和下模加热元件A17、下模加热元件B20，分别将上模10、下模16的温度提高至

并保温,对成型、冲裁后的制件进行模内固化。

（F）向下模通入压缩空气，冷却后开模取件，再次开启下模加热元件A17和下模加热元件B20，将下模加热至

，进入下一工作循环。

工业应用性： 本发明所提供的碳纤维增强复合材料构件的制造装置及方法，将树脂膜渗透成型、湿态冲裁及加热固化工艺相结合，在树脂膜渗透成型后、固化前，通过湿态冲裁完成切边、冲孔、废料切断等机加工工序，在固化后获得高强度碳纤维增强复合材料构件，减小或避免了对固化后难加工CFRP材料制件的铣削、钻削等机加工工艺要求。 本发明使实现质轻、大型、形状复杂碳纤维增强覆盖件及结构件的一体化制造成为可能，而且在普通冲压机上通过使用可加热、温控模具，配以真空泵即可实现连续生产，所需设备投资小，生产成本低，在轻量化、新能源车身制造中具有广阔的应用前景。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，很显然本发明的具体实现，尤其是模具型腔及冲孔凸、凹模的形状结构、所适用的纤维增强片材和基体树脂范围、对于不同体系基体材料的浸渗及固化工艺等并不受上述方式限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种碳纤维增强复合材料构件制造装置，其特征在于，由模架、上模部分和下模部分构成，所述下模部分包括预制叠层片材（21）、下模(16)、下模加热元件A(17)和下模加热元件B（20）、隔热垫B(23)、下模固定板(24)、下模座板(25)；所述下模(16) 为凸模，具有与成型结构件内表面特征相同的型面；下模(16)的成型凸模上开设有竖直通孔；下模(16)的外缘呈台阶状，台阶上部在型腔过渡圆角处开设有抽真空吸气孔，台阶上部外缘端部有切削刃，为下模修边刃口；台阶下部沿径向设有废料切断窄槽；下模(16)上从底面开设竖直的台阶孔，台阶孔内设有下模加热元件A(17)和下模加热元件B（20）；下模(16)的底面与下模固定板(24)间设有隔热垫B（23）；所述下模固定板(24)上设有不在同一直线上的三个沉头孔，沉头孔中安置弹性支撑架；

所述上模部分包括上模座板(4)、隔热垫A(5)、上模固定板(6)、上模(10)、废料切断侧刃A（11）和废料切断侧刃B(28)、上模加热元件A(9)和上模加热元件B(29)、连接螺钉A(15)和连接螺钉B（22）、弹簧A(8)和弹簧B(30)、冲孔凸模(18)、弹簧C(19)；所述上模(10)为凹模，具有与成型结构件外表面特征相同的型腔；上模(10)上开设与所冲孔尺寸形状相对应的竖直台阶孔，台阶孔中安置弹簧C(19)，弹簧C(19)中安置冲孔凸模(18)， 弹簧C(19)上端抵住冲孔凸模(18)的尾端；上模(10)的外边缘有切削刃，为上模修边刃口，与下模(16)台阶上部边缘的下模修边刃口配合修边；上模(10)外缘周边沿竖直方向开槽，槽中镶入废料切断侧刃A（11）和废料切断侧刃B(28)，废料切断侧刃A（11）和废料切断侧刃B(28)与下模(16)外缘下部台阶上的废料切断窄槽相配合剪切；上模(10)的模体上在型腔轮廓周围设置有台阶孔，台阶孔中设置上模加热元件A(9)和上模加热元件B(29)；上模(10)沿周边开设均布的螺纹台阶孔，螺纹台阶孔中安置弹簧A(8)和弹簧B(30)，连接螺钉A(15)和连接螺钉B（22）穿过上模固定板(6)上的台阶孔、弹簧A(8)和弹簧B(30)使上模固定板(6)与上模(10)弹性连接；上模固定板(6)的底面设有沉孔，沉孔中安置冲孔凸模(18)的凸缘台阶；上模固定板(6)与上模座板(4)间设有隔热垫A(5)。

2.如权利要求1中所述的碳纤维增强复合材料构件制造装置，其特征在于，所述弹性支撑架包括支撑螺钉A(13)、支撑螺钉B（26）、弹簧D(12)和弹簧E(27)；其中支撑螺钉A(13)和支撑螺钉B（26）安置在下模固定板(24)的沉头孔中，弹簧D(12)和弹簧E(27)分别套在支撑螺钉A(13)和支撑螺钉B（26）上，构成弹性支撑架。

3.使用权利要求1所述碳纤维增强复合材料构件制造装置的方法，其特征在于：将树脂膜渗透成型、湿态冲裁和加热固化工艺相结合，对预制的碳纤维增强叠层片材，先将其加热至基体树脂软化温度，并进行树脂膜浸渗成型；在固化前即对浸渗成型后的制件进行湿态冲裁，完成修边、冲孔、废料切断等加工；最后再对成型、冲裁后的制件在模内进行加热固化获得所需制件。

4.根据权利要求3所述碳纤维增强复合材料构件制造方法，其特征在于，具体步骤为：

A、按所需规格、形状将基体树脂片和碳纤维增强片材交替铺放至所需厚度，并在最上层铺放耐热、柔韧真空袋膜，预制成叠层片材（21）；

B、向上模(10)和下模(16)的成型模面分别涂覆脱模剂，并将叠层片材（21）放在弹性支撑架的支撑螺钉A（13）和支撑螺钉B（26）上，用下模加热元件A(17)和下模加热元件B（20）对下模(16)加热，下模(16)再通过热传导作用将叠层片材（21）加热至基体树脂片软化，使叠层片材（21）逐渐下落、脱离支撑而包覆下模(16)；

C、用真空泵通过下模(16)的吸气孔抽真空，将下模(16)继续加热至基体树脂最佳浸渗温度并保温，使基体树脂在负压作用下充分浸渍碳纤维增强片材，并进一步贴膜成型；

D、上模(10)下降合模，在模压同时，通过上模(10)外边缘的上模修边刃口、冲孔凸模(18)分别与下模(16)上部台阶边缘的下模修边刃口和冲孔凹模刃口配合，进行剪切冲裁，同时上模(10)上的废料切断侧刃A（11）和废料切断侧刃B(28)与下模(16)下部台阶上的废料切断窄槽相配合剪切，依次完成固化前的修边、冲孔及修边废料的切断加工；

E、同时开启上模加热元件A(9)和上模加热元件B(29)、下模加热元件A(17)和下模加热元件B（20），分别将上模(10)、下模(16)加热至基体树脂固化温度,完成对成型、冲裁后制件的模内固化；

F、向下模通入压缩空气，冷却后开模取件，并再次将下模(16)加热至基体树脂片软化温度，进入下一工作循环。

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