CN104441700B - 轨道车辆复合材料构件多步连续树脂传递成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种轨道车辆复合材料构件多步连续树脂传递成型方法，其特征在于：由上模、下模、合模锁紧机构、两组可移动式电加热管阵列、若干个树脂加注管接头、若干个抽真空接头、成型参数控制系统所组成。其中，上模、下模、合模锁紧机构共同构成所述多步连续RTM成型的成型模具；所述两组可移动式电加热管阵列安装在移动小车的平台上，工作时放置在下模的下方，用于加热下模，使注入模具型腔内部的树脂固化，移动小车的移动速度、平台高度均由成型参数控制系统设定。

Description

轨道车辆复合材料构件多步连续树脂传递成型方法
技术领域
本发明涉及一种轨道车辆复合材料构件的树脂传递模塑成型(以下简称RTM成型)方法，尤其是轨道车辆的车厢内外大曲面侧板或壳体类构件，属于树脂基纤维增强复合材料产品的设计制造领域。
背景技术
复合材料做成的构件重量轻、强度高、刚性大，对减轻车厢重量，降低噪声、振动，提高安全性、舒适性，减少维修等均有重要作用，已成为理想的高速轨道交通用结构件。
目前，树脂基纤维增强复合材料的常见生产方法主要有手糊成型、RTM成型、SMC模压成型。手糊成型不仅生产效率低、产品质量难以控制，而且生产过程存在大量有害挥发物的排放，不符合环保要求，应用范围已经逐渐减小。RTM成型属于闭模生产，有利于环保，并且产品的成型模具成本低，适于中小批量、多品种的生产方式，产品质量高，被认为是未来主要的复合材料生产方法之一。但是，轨道车辆行业配套的车厢内外侧板、地板等构件均为大尺寸零部件，由于RTM成型的树脂流动性能限制，通常需要设计复杂的树脂注射系统，难以避免树脂填充过程的气泡、干斑等缺陷的形成。而SMC成型虽然同样属于闭模生产，但通常需要较大的成型压力，导致模具及设备投资高，一般用于大批量生产的场合。
因此，为了满足轨道车辆复合材料大尺寸构件的小批量、多品种、高质量的生产要求，亟需设计开发新型的生产方法。
发明内容
为了克服现有树脂基纤维增强复合材料RTM成型方法的不足，本发明提供一种适于轨道车辆大曲面或大长度异型横截面壳体类构件的高质量、低成本的成型方法。
本发明所采用的技术方案是：所述轨道车辆复合材料构件多步连续树脂传递成型方法(以下简称多步连续RTM成型)由上模、下模、合模锁紧机构、两组可移动式电加热管阵列、若干个树脂加注管接头、若干个抽真空接头、成型参数控制系统所组成。其中，上模、下模、合模锁紧机构共同构成所述多步连续RTM成型的成型模具；所述两组可移动式电加热管阵列安装在移动小车的平台上，工作时放置在下模的下方，用于加热下模，使注入模具型腔内部的树脂固化，移动小车的移动速度、平台高度均由成型参数控制系统设定；通过调整移动速度实现下模指定区域加热范围的控制，通过调整平台高度(即与下模底部的距离)和加热温度实现下模指定区域升温速度的控制；从而控制下模指定区域的固化速度和固化时间。
所述的树脂加注管接头、抽真空接头分别安装在下模的两侧，其数量应根据构件的面积、厚度、所使用的纤维增强预制件和树脂等具体条件确定。每对接头构成一组接头单元，即包括一个树脂加注管接头和一个抽真空接头；从而将整个构件沿着最大尺寸方向上分解为若干段单元区。推荐的单元区选择原则为：沿着构件最大尺寸方向，至少间隔20cm～30cm为一组接头单元，构成一段单元区；当构件的截面简单或所使用的树脂流动性好的条件下，该接头单元的间隔距离可以进一步增加。
所述的多步连续RTM成型所采用的纤维增强预制件可以为多层纤维增强布或纤维增强毡。该纤维增强预制件应首先在改性石蜡溶液中浸润，取出后在室温下放置一定时间，纤维增强预制件所浸润的石蜡形成具有一定可塑性的固体，然后将带有固体石蜡的纤维增强预制件放入模具。
本发明所述的多步连续RTM成型过程如下：
首先，通过成型参数控制系统设定各项工艺参数。然后，将带有固体石蜡的纤维增强预制件放入模具，合模锁紧机构在液压或气压的驱动作用下将上、下模锁紧。在模具锁模力的作用下，带有固体石蜡的纤维增强预制件贴合到模具型腔表面。此时，位于下模一侧下方的移动小车开始直线移动，安装在移动小车平台上的两组可移动式电加热管阵列依次为低温加热阵列(例如70～80℃)和高温加热阵列(例如100℃以上)。在低温加热阵列经过所遇到的第一段单元区时，所加热区域内的固体石蜡将熔化为液体；单元区一端的抽真空接头工作，将该单元区内液体石蜡利用真空负压抽出，单元区另一端的树脂加注管接头打开，注入的树脂将该单元区内的增强纤维浸润；移动小车继续向前移动，高温加热阵列对该单元区进行进一步升温加热，浸润增强纤维的树脂固化。随着移动小车的不断移动，构件在其最大尺寸方向上所形成的若干段单元区内的固体石蜡依次被低温加热阵列熔化，由抽真空接头抽出，随后注入的树脂填充并浸润该单元区的增强纤维，在高温加热阵列的加热下固化。当所有单元区全部固化后，即获得最终的复合材料构件。
本发明的有益之处在于：
现有的RTM成型均需要将注入的树脂完全填充模具型腔后，再进行加热固化。当成型大尺寸构件时，由于受到树脂最大流动长度的限制，常常需要在计算机分析模拟的基础上，设计若干个树脂注射口，形成复杂的树脂注射流道，易于形成构件内部的气泡、干斑等缺陷。此外，树脂的加热固化时间长，导致生产效率低。
本发明所述的多步连续RTM成型过程将复合材料构件分解为若干段单元区。每次树脂填充仅限于一个单元区的范围，并且树脂注入和填充该单元区后可立即进行加热固化；这样不仅每次填充的区域内树脂流动长度大幅缩短，注射压力随之显著降低，能够有效地防止气泡 或干斑等缺陷的发生；而且树脂固化区域小，固化时间短，能够显著提高生产效率。
在构件的最大尺寸方向的横截面上，可以按照树脂所处形态分为“树脂未填充区”、“树脂填充区”和“树脂固化区”3个区域。具体说明如下：
1、树脂未填充区：模具型腔内，带有固体石蜡的纤维增强预制件所占区域。
2、树脂填充区：模具型腔内，固体石蜡受热熔融的纤维增强预制件所占区域。
3、树脂固化区：模具型腔内，浸润树脂已经固化的纤维增强预制件所占区域。
沿着构件最大尺寸方向的不同位置处，树脂填充区所处的状态为：
1、当树脂注入第一段单元区时，此时，树脂填充的两端状态为：一端为下模的型腔表面，另一端为带有固体石蜡的纤维增强预制件(即树脂未填充区)。
2、当树脂注入最后一段单元区时，此时，树脂填充的两端状态为：一端为下模的型腔表面，另一端为浸润树脂已经固化的纤维增强预制件(即树脂固化区)。
3、除了上述2段单元区之外，其他的单元区在模具型腔内部任意时刻都同时存在上述3个区域。即在其他的单元区内，树脂填充的两端状态为：一端为带有固体石蜡的纤维增强预制件(即树脂未填充区)，另一端为浸润树脂已经固化的纤维增强预制件(即树脂固化区)。
附图说明
图1是本发明所述多步连续RTM成型过程的总体示意图。其中：
1、上模，2、下模，3、合模锁紧机构，4、可移动式电加热管阵列，5、树脂加注管接头，6、抽真空接头，7、成型参数控制系统，8、移动小车，9、纤维增强预制件，10、单元区。
具体实施方式
如图1所示，一种多步连续RTM成型方法由上模1、下模2、合模锁紧机构3、两组可移动式电加热管阵列4、若干个树脂加注管接头5、若干个抽真空接头6、成型参数控制系统7所组成。其中，上模1、下模2、合模锁紧机构3共同构成所述多步连续RTM成型的成型模具；所述两组可移动式电加热管阵列4安装在移动小车8的平台上，工作时放置在下模2的下方，用于加热下模2，使注入模具型腔内部的树脂固化，移动小车8的移动速度、平台高度均由成型参数控制系统7设定；通过调整移动速度实现下模2指定区域加热范围的控制，通过调整平台高度(即与下模2底部的距离)和加热温度实现下模2指定区域升温速度的控制；从而控制下模2指定区域的固化速度和固化时间。
所述的树脂加注管接头5、抽真空接头6分别安装在下模2的两侧，其数量应根据构件的面积、厚度、所使用的纤维增强预制件9和树脂等具体条件确定。每对接头构成一组接头单元，即包括一个树脂加注管接头5和一个抽真空接头6；从而将整个构件沿着最大尺寸方向上分解为若干段单元区。推荐的单元区10选择原则为：沿着构件最大尺寸方向，至少间隔 20cm～30cm为一组接头单元，构成一段单元区10；当构件的截面简单或所使用的树脂流动性好的条件下，该接头单元的间隔距离可以进一步增加。
所述的多步连续RTM成型所采用的纤维增强预制件9可以为多层纤维增强布或纤维增强毡。该纤维增强预制件9应首先在改性石蜡溶液中浸润，取出后在室温下放置一定时间，纤维增强预制件9所浸润的石蜡形成具有一定可塑性的固体，然后将带有固体石蜡的纤维增强预制件9放入模具。
具体生产过程实例如下：
首先，通过成型参数控制系统7设定各项工艺参数。然后，将带有固体石蜡的纤维增强预制件9放入模具，合模锁紧机构3在液压或气压的驱动作用下将上模1、下模2锁紧。在模具锁模力的作用下，带有固体石蜡的纤维增强预制件9贴合到模具型腔表面。此时，位于下模2一侧下方的移动小车8开始直线移动，安装在移动小车8平台上的两组可移动式电加热管阵列4依次为低温加热阵列(例如70～80℃)和高温加热阵列(例如100℃以上)。在低温加热阵列经过所遇到的第一段单元区10时，所加热区域内的固体石蜡将熔化为液体；单元区10一端的抽真空接头6工作，将该单元区10内液体石蜡利用真空负压抽出，单元区10另一端的树脂加注管接头5打开，注入的树脂将该单元区10内的增强纤维浸润；移动小车8继续向前移动，高温加热阵列对该单元区10进行进一步升温加热，浸润增强纤维的树脂固化。随着移动小车8的不断移动，构件在其最大尺寸方向上所形成的若干段单元区10内的固体石蜡依次被低温加热阵列熔化，由抽真空接头6抽出，随后注入的树脂填充并浸润该单元区的增强纤维，在高温加热阵列的加热下固化。当所有单元区10全部固化后，即获得最终的复合材料构件。

Claims (4)

1.一种轨道车辆复合材料构件多步连续树脂传递成型方法，其特征在于：由上模、下模、合模锁紧机构、两组可移动式电加热管阵列、若干个树脂加注管接头、若干个抽真空接头、成型参数控制系统所组成，其中，上模、下模、合模锁紧机构共同构成所述多步连续RTM成型的成型模具；所述两组可移动式电加热管阵列安装在移动小车的平台上，工作时放置在下模的下方，用于加热下模，使注入模具型腔内部的树脂固化，移动小车的移动速度、平台高度均由成型参数控制系统设定；所述的树脂加注管接头、抽真空接头分别安装在下模的两侧，其数量应根据构件的面积、厚度、所使用的纤维增强预制件和树脂的具体条件确定；每对接头构成一组接头单元，即包括一个树脂加注管接头和一个抽真空接头；从而将整个构件沿着最大尺寸方向上分解为若干段单元区；每次树脂填充仅限于一个单元区的范围，并且树脂注入和填充该单元区后可立即进行加热固化。
2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：所采用的纤维增强预制件可以为多层纤维增强布或纤维增强毡，该纤维增强预制件应首先在改性石蜡溶液中浸润，取出后在室温下放置到纤维增强预制件所浸润的石蜡形成具有可塑性的固体，然后将带有固体石蜡的纤维增强预制件放入模具。
3.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：推荐的单元区选择原则为：沿着构件最大尺寸方向，间隔20cm～30cm为一组接头单元，构成一段单元区，当构件所使用的树脂流动性好的条件下，该接头单元的间隔距离可以进一步增加。
4.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：可移动式电加热管阵列依次为首次加热阵列和二次加热阵列，其中，首次加热阵列的加热温度为70～80℃，二次加热阵列的加热温度为100℃以上，在首次加热阵列经过所遇到的第一段单元区时，所加热区域内的固体石蜡将熔化为液体；单元区一端的抽真空接头工作，将该单元区内液体石蜡利用真空负压抽出，单元区另一端的树脂加注管接头打开，注入的树脂将该单元区内的增强纤维浸润；移动小车继续向前移动，二次加热阵列对该单元区进行进一步升温加热，浸润增强纤维的树脂固化；随着移动小车的不断移动，构件在其最大尺寸方向上所形成的若干段单元区内的固体石蜡依次被首次加热阵列熔化，由抽真空接头抽出，随后注入的树脂填充并浸润该单元区的增强纤维，在二次加热阵列的加热下固化；当所有单元区全部固化后，即获得最终的复合材料构件。
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