CN104707888B - 一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维‑金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法，它包含下列步骤：铝合金板的裁剪、铝合金及夹层材料的铺覆、冲压模具润滑、叠层材料的加热及冲压预成型、剥离冲压叠层铝合金零件及纤维‑金属混杂复合材料零件热压成型。本发明所设计的成型工艺方法用于成型具有曲率结构的纤维‑金属混杂复合材料零件，与现有技术相比，该方法解决了金属层及纤维预浸料层在含曲率结构零件中逐步过渡时难以铺贴到位的问题，克服了金属传统的钣金成型配合精度低的缺陷，提高了铺贴层在R区等大曲率位置的尺寸匹配性，避免了“架桥”及“塌陷”两种缺陷的产生，提高了纤维‑金属混杂复合材料零件大曲率结构件的成品率。

Description

一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法
技术领域
本发明涉及一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法，主要涉及成型具有特殊结构的纤维-金属混杂复合材料蒙皮或角材。
背景技术
在纤维-金属超混杂复合材料成型过程中，目前使用的工艺方法是在模具中手工铺贴纤维预浸料层及铝合金层，这种工艺在成型平板或小曲率结构的层合板零件时具有较好的可操作性，但是成型复杂结构的纤维-金属混杂复合材料零件却难以实现，主要表现为：1)厚度较厚的金属层铺覆复杂形状时，因金属较差的铺贴性，金属层贴模困难，使成型后的零件外形偏差较大；2)金属层具有比较高的韧性及高温膨胀特性，铺贴后如无另加约束会迅速反弹，造成层板整体的铺覆工艺困难；3)当铺贴圆角结构时，因R区在法向存在曲率半径的渐变，需要对每一层金属层单独制作R区成型工具，即便如此也难以在R区形成良好的曲面过渡，容易形成层间缺陷；4)无法完全克服变曲率结构零件的成型问题，虽然在热压罐等设备的高压下成型，但变曲率区依然会存在轻微的金属褶皱等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于成型复杂结构纤维-金属混杂复合材料零件的加工制造方法，该方法具有低成本、高效率、操作简便、后期工艺简易的特点，并且叠层冲压后的金属层预制体具有较高精度及较好的层间过渡匹配性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：该方法包括以下步骤：
a.依据零件外形裁剪金属片冲压模片；
b.将金属片依次叠层，每层金属片之间铺放与纤维-金属混杂复合材料零件中纤维复合材料层相同厚度的夹层材料得到叠层板材，夹层材料包括：塑料片或金属片；
c.在预冲压模具边缘涂抹润滑剂，润滑剂包括：润滑油、石蜡或聚四氟乙烯；
d.将叠层后的叠层板材在50℃～150℃温度范围内放入预冲压模具内预冲压成型，预冲压成型的压力范围为30MPa～50MPa，恒压10min～20min；
e.定位预冲压后的叠层板材中每层金属片与模具之间的相对位置，剥离预冲压后的叠层板材，去除夹层材料；
f.在固化成型模具上设置与预冲压模具相同的定位点，在固化成型模具中依次铺贴预冲压后的金属片和纤维复合材料层，最外层为金属层，将铺贴完成后的金属-纤维复合材料叠层固化成型为纤维-金属混杂复合材料零件。
金属片包括：铝合金、钛合金及不锈钢，金属片厚度为0.2mm～2mm，纤维复合材料层使用的预浸料包括：芳纶纤维、碳纤维或玻璃纤维增强的环氧树脂基预浸料，预浸料单层厚度为0.25mm～0.6mm，金属层与纤维复合材料层的层数比为：2:1或3:2，金属层位于外层，每层的纤维复合材料层由单层或多层预浸料组成，金属层与纤维复合材料层隔层铺贴。
所述夹层材料包括：PP塑料片、PE塑料片或铝合金片，50℃～80℃冲压选择塑料片，81℃～150℃冲压选择铝合金片。
在预冲压模具中设置有叠层板材冲压定位销，同时在固化成型模具同位置上设置定位销，定位销高度低于5mm。叠层板材冲压后在金属层上保留定位销冲压痕迹，依据该定位销冲压痕迹在固化成型模具上铺贴预冲压后的金属片及纤维复合材料层。
预冲压叠层板材中的金属片层与夹层材料层数量比例与纤维-金属混杂复合材料零件中金属层与纤维复合材料层层数比例相同。
纤维-金属混杂复合材料零件固化成型方法包括：模压成型或热压罐成型。
本发明的特点及优点是，
本发明采用多层金属层叠加并在层间预置与预浸料层等量的夹层物后，一次冲压成型，得到具有外形逐渐过渡变化的金属层预制体，而后将金属层预制体及预浸料逐层铺贴，在热压罐或热压机中成型零件。本方法可成型的纤维-金属混杂结构包括槽形、U型、角材及飞机机头蒙皮不可展开的部位。叠层冲压工艺过程包括金属层裁剪、金属层与夹层物叠层、模具准备、冲压预成型、剥离夹层物、铺贴并成型纤维-金属混杂结构零件等工序。采用该方法的纤维-金属混杂材料零件，外形尺寸匹配性好、成型效率高、操作简便，形成的金属层预制体具有良好的可操作性；并且，当成型复杂结构的纤维-铝合金夹层零件时，省去了制造成型辅助工装的费用，使零件成型更快捷、成本更低。
附图说明
图1为槽形铝合金叠层冲压模具示意图。
图2为槽形结构铝合金叠层示意图。
图3为冲压后的槽形铝合金叠层零件示意图。
具体实施方式
a.依据零件外形裁剪金属片冲压模片；
b.将金属片依次叠层，每层金属片之间铺放与纤维-金属混杂复合材料零件中纤维复合材料层相同厚度的夹层材料得到叠层板材，夹层材料包括：塑料片或金属片；
c.在预冲压模具边缘涂抹润滑剂，润滑剂包括：润滑油、石蜡或聚四氟乙烯；
d.将叠层后的叠层板材在50℃～150℃温度范围内放入预冲压模具内预冲压成型，预冲压成型的压力范围为30MPa～50MPa，恒压10min～20min；
e.定位预冲压后的叠层板材中每层金属片与模具之间的相对位置，剥离预冲压后的叠层板材，去除夹层材料；
f.在固化成型模具上设置与预冲压模具相同的定位点，在固化成型模具中依次铺贴预冲压后的金属片和纤维复合材料层，最外层为金属层，将铺贴完成后的金属-纤维复合材料叠层固化成型为纤维-金属混杂复合材料零件。
所述金属层裁剪是根据产品外形模具要求准备相应规格、尺寸的金属片，金属片在零件过渡区做剪口或切口处理，防止冲压时铝合金板开裂或起褶，并将金属层所有尖角区裁剪为半径不小于20mm的圆角区，完成后采用化学溶剂清理铝合金板表面，去除表面杂物，以获得冲压后光洁的表面。
铝合金板叠层是将裁剪后的铝合金板与塑料片、铝片等夹层物通过交叉铺覆的形式叠放在一起，夹层物厚度根据所需要的层间梯度变化而不同，夹层物厚度应与实际零件中预浸料层的理论厚度相同，保证金属层预制体与预浸料层在后期成型的匹配性。在冲压时，塑料夹层物会被压缩，如夹层物选择铝片，则压缩量可忽略，根据精度要求及配合关系的不同，应合理选择夹层物材料。夹层物材料可为PP等塑料片或铝片，夹层物硬度应低于所选用的金属硬度。根据所选夹层材料的不同，可在夹层物与铝合金板之间涂覆少量润滑油，防止两者在高温冲压后相互粘接，从而使夹层物可以二次使用，降低成本。
金属层叠层完成后，转入模具准备阶段。铝合金板叠层后具有一定的刚度，不易产生变形，在冲压时会与模具相互摩擦，可能损伤铝合金板表面，因此，可将冲压模具入口倒成圆角，并在模具边缘涂抹润滑剂，协助铝合金板下滑，减小模具与铝板之间的摩擦系数。润滑剂可以是润滑油、固体石蜡或液体石蜡等。同时，将金属-夹层物叠层整体加热后放入凹模，加热温度随金属层材料的不同而变化，加热可以增加铝合金塑性，增大铝板延展变形能力，防止在高冲压力及高速冲压下产生裂纹，加热温度一般在80℃～150℃之间，加热方法可以是烘房或加热台。根据不同的加热温度，选取的夹层物亦有不同，保证夹层物在该温度下不发生流动或分解。
冲压预成型时的冲压速度可控制在50mm/s～200mm/s之间，冲压力在30MPa～50MPa，冲压力和冲压速度过大易导致铝板开裂，凹模与凸模间隙应大于零件及夹层物叠层后的理论厚度，理论间隙控制在0.5mm～2.0mm，冲压时应保证所有料片覆盖定位销位置。
冲压后的叠层分离是逐层分离叠层的金属层和夹层物，使每层金属层成为单独的预制品。剥离塑料片夹层物时温度控制在50℃以下，剥离铝片夹层物时温度控制在80℃以下，分离时应注意保护金属层表面和夹层物，夹层物可二次使用。剥离起始点应在销钉冲压处，两者分离时，可采用气压冲击贴合面或流体冲击的方法，防止分离时金属层产生无法预料的变形，并预防夹层物的撕裂。采用铣、切的方式对分离后的金属层预制体进行加工，去除多余的料边或毛刺。
将剥离后的金属层预制体与预浸料层按照一定的铺层结构在模具中依次铺放，其中金属层铺放顺序应与冲压时保持同序，保证金属层型面变化与冲压时一致，预浸料层铺贴完成后进行真空预压实，排除其中可能包裹的气泡，所有金属层、预浸料层铺贴完成后，将零件及模具整体移入热压罐或热压机中成型。
实施例一
槽形玻璃纤维-铝合金混杂结构零件是本发明中比较典型的一种，采用本发明方法可实现一次性冲压含有过渡R区的槽形铝合金预制体的制造，及槽形玻璃纤维-铝合金层板的成型，该零件金属层与纤维复材层数量比为：2:1。图1揭示了本发明在叠层冲压时使用的冲压模具示意图，图2揭示了本发明中冲压前准备的叠层铝合金板，图3揭示了本发明冲压的叠层槽形铝合金制品。
所涉及到的模具(图1所示)有以下部分组成：导柱1、底模座2、凹模3、凹凸模座4、凸模5、顶料板6、卸料螺钉7。
槽形零件的制造首先是铝合金板叠层铺覆，本例采用的铝合金板牌号为2024-T3，依据模具型腔尺寸及零件尺寸将厚0.5mm的铝合金板，将底层铝合金板11及上层铝合金板10裁剪为所需尺寸的毛料，该尺寸比零件外形尺寸大50mm，并且将料片四角裁剪为圆形。然后，裁剪与铝合金板相同大小的夹层塑料片9，夹层塑料片9厚度为0.2mm。依次铺放底层铝合金板11、夹层塑料片9、上层铝合金板10，三种材料应放置整齐，并加热至80℃待用。
在模具凹模3侧边涂抹少量润滑剂，防止过度摩擦损伤铝板表面，将叠层物(图2所示)放置在位于凹模3内的顶料板6上，并覆盖凹模销钉位置，使凸模5以100mm/s的速度冲压叠层物(图2所示)。冲压动作完成后，等待模具冷却至50℃以下，用卸料螺钉7及顶料板6将零件取出。冲压后的零件示意图如图3所示，下层零件14和上层零件13存在底部的R区处存在0.2mm的过渡区，气压剥离三层叠层物，其中的夹层塑料片9展平后可二次使用，而两件铝合金零件可用于制造玻璃纤维-铝合金混杂复合材料零件。在凹模中铺贴金属层及纤维预浸料层，铺放顺序为：下层零件14、预浸料层9、上层零件13，其中的预浸料层厚度为0.2mm，预浸料铺贴后真空预压，所有材料铺贴完成后将模具移入热压罐中固化成型最终零件。
实施例二
实施例一说明了槽形纤维-金属混杂材料零件中其中一种结构的成型方法，采用叠层冲压方法同样可成型其他铺层结构的槽形零件，本实施例叙述了零件金属层与纤维复材层数量比为：3:2的结构形式采用叠层冲压方法的过程。这种结构的槽形纤维-金属混杂复合材料零件中采用的金属层为TC4钛合金，厚度为0.25mm，裁剪尺寸比零件展开外形大70mm，并且将料片四角裁剪为圆形。然后，裁剪与钛合金片相同大小的夹层铝合金，夹层铝合金片材质为2024-T3铝合金，厚度为0.8mm。依次铺放底层钛合金片、夹层铝合金片、中间层钛合金片、夹层铝合金片、上层钛合金片，三种材料应放置整齐，并加热至150℃待用。
预压成型模具凹模侧边涂抹少量润滑剂，将叠层物放置在位于凹模内，覆盖凹模销钉位置，使凸模以150mm/s的速度冲压叠层物。冲压动作完成后，等待模具冷却至50℃以下，用顶料板将预压成型体顶出。采用气压剥离五层叠层物，去除夹层铝合金片，三层钛合金预压成型体可用于制造纤维-钛合金混杂复合材料槽形零件。
在凹模中铺贴金属层及纤维预浸料层，预浸料为玻璃纤维预浸料，铺放顺序为：底层钛合金层、玻璃纤维预浸料层、钛合金层、玻璃纤维预浸料层、钛合金层，其中的预浸料层厚度为0.8mm，预浸料铺贴后真空预压，所有材料铺贴完成后将模具移入热压罐中固化成型最终零件。
采用该种方法成型的叠层铝合金预制体过渡区准确、一致，成型简便、成本低廉。本发明不仅限于以上的实施例，对本领域普通专业技术人员，所做的各种变化和修改，都应在本发明的构思及保护范围之内。

Claims (6)

1.一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
a.依据零件外形裁剪金属片冲压模片；
b.将金属片依次叠层，每层金属片之间铺放与纤维-金属混杂复合材料零件中纤维复合材料层相同厚度的夹层材料得到叠层板材，夹层材料包括：塑料片或金属片；
c.在预冲压模具边缘涂抹润滑剂，润滑剂包括：润滑油、石蜡或聚四氟乙烯；
d.将叠层后的叠层板材在50℃～150℃温度范围内放入预冲压模具内预冲压成型，预冲压成型的压力范围为30MPa～50MPa，恒压10min～20min；
e.定位预冲压后的叠层板材中每层金属片与模具之间的相对位置，剥离预冲压后的叠层板材，去除夹层材料；
f.在固化成型模具上设置与预冲压模具相同的定位点，在固化成型模具中依次铺贴预冲压后的金属片和纤维复合材料层，最外层为金属层，将铺贴完成后的金属-纤维复合材料叠层固化成型为纤维-金属混杂复合材料零件。
2.如权利要求1所述的一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法，其特征在于：金属片包括：铝合金、钛合金及不锈钢，金属片厚度为0.2mm～2mm，纤维复合材料层使用的预浸料包括：芳纶纤维、碳纤维或玻璃纤维增强的环氧树脂基预浸料，预浸料单层厚度为0.25mm～0.6mm，金属层与纤维复合材料层的层数比为：2:1或3:2，金属层位于外层，每层的纤维复合材料层由单层或多层预浸料组成，金属层与纤维复合材料层隔层铺贴。
3.如权利要求1所述的一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法，其特征在于：所述夹层材料包括：PP塑料片、PE塑料片或铝合金片，50℃～80℃冲压选择塑料片，81℃～150℃冲压选择铝合金片。
4.如权利要求1所述的一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法，其特征在于：在预冲压模具中设置有叠层板材冲压定位销，同时在固化成型模具同位置上设置定位销，定位销高度低于5mm，叠层板材冲压后在金属层上保留定位销冲压痕迹，依据该定位销冲压痕迹在固化成型模具上铺贴预冲压后的金属片及纤维复合材料层。
5.如权利要求1所述的一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法，其特征在于：预冲压叠层板材中的金属片层与夹层材料层数量比例与纤维-金属混杂复合材料零件中金属层与纤维复合材料层层数比例相同。
6.如权利要求1所述的一种纤维-金属混杂复合材料零件叠层成型工艺方法，其特征在于：纤维-金属混杂复合材料零件固化成型方法包括：模压成型或热压罐成型。
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