CN104786518B - 一种生产纤维增强型复合材料预成型的冲压方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产纤维增强型复合材料预成型的冲压方法及设备。现有的纤维铺设技术可以用来生产二维和简单的三维预成型，而对于更为复杂的几何形状，例如汽车B柱，现有的铺设技术无法应用。本方法利用冲压技术，制造具有复杂几何形状的预成型；预成型通过高压釜、树脂注入等工艺可以制作成为超轻超强的复合材料零部件，大幅降低零部件生产成本，使之应用于民用产品，例如轿车车架；此方法亦可用于碳纤维、玻璃纤维等编织物的冲压成型过程。该过程模拟手工成型，全程给予铺层均匀的平面内和平面外的支撑，大幅度减少冲压过程中纤维丝的过度侧向滑移、皱褶以及纤维断裂，在保证产品质量的同时，提高生产效率，实现自动化、数字化和无人值守。

Description

一种生产纤维增强型复合材料预成型的冲压方法及设备

技术领域

本发明涉及一种生产纤维复合材料预成型的冲压方法及设备。

背景技术

高性能碳纤维复合材料具有极高的比刚度（钢的5倍）、比强度（钢的8倍）。它的抗疲劳属性和抗化学腐蚀性也优于普通钢铁。因此高性能复合材料被广泛应用于航空航天、高档汽车、风能、豪华游艇、潮汐发电、体育用品以及军事工业。在F1方程式赛车、宝马i8轿跑、空客A380客机、风机叶片中，都大量采用复合材料作为承力部件；在军事建筑，民用建筑领域，作为有着优越防爆、抗疲劳性能的编织物复合材料，同样获得了高度关注。

由于复合材料复杂变化的多尺度结构，使其从原材料生产到最终工业应用不能完全实现自动化。工序多、周期长、产量低，导致了复合材料部件的价格昂贵，不能在普通民用装备上大量使用。传统工艺通常是由手工工作者按照预先设计好的图样，将纤维织物进行裁剪成片，这些织物可以是干纤维，也可以是预浸料，手工工人按照预先设定好的流程将裁片手工铺设到模具表面，对于表面起伏比较大的几何形状，切口和重叠不可避免，切口使得最终的产品强度下降，同时由于重叠导致的厚度的变化不均匀，又为最终的注塑模具的设计加工增加了困难。传统工艺的缺点可以总结为：1）手工剪裁编织物复合材料成本高，次生废料多、生产工序多，额外的仓储、运输、包装耗费人力物力财力；2）产生30%到50%的边角料；3）人工铺放，导致的质量不稳定，人工成本高。

发明内容

针对以上的诸多弊端，以及现有的纤维铺设技术可以有效地用来生产二维和简单三维（半圆柱面）的预成型，而对于更为复杂的几何形状，例如汽车B柱，现有的纤维铺设技术无法应用等问题，本申请提供了一种全新的工艺方法及相关设备，大幅降低复合材料零部件的生产成本，使之应用于民用产品，例如轿车车架。此冲压过程亦可用于传统的纤维（碳纤维、玻璃纤维等）编织物的冲压成型过程。该冲压过程模拟手工成型，全程给予织物铺层均匀的平面内和平面外的支撑，可以大幅度减少冲压过程中纤维丝的过度侧向滑移（针对铺丝），皱褶（针对纤维织物）以及纤维断裂，制造出具有复杂三维几何形状的预成型。预成型通过高压釜、树脂注入等后期工艺可以制作成为超轻超强的复合材料零部件。此过程可以完全实现自动化、数字化和无人值守，可以在保证产品质量的同时，提高生产效率、大幅降低生产成本。具体技术方案如下。

本申请首先提供了一种通过冲压方法生产纤维增强型复合材料预成型的冲压设备，所述设备包括支架（1）、支架上的立柱（2）、电机（3）、曲轴（4）、总冲压块（5）、上模块（6）、下模块（7）、支撑架（21）以及上固定滑道（8）和下固定滑道（9），所述上固定滑道（8）和下固定滑道（9）分别与上模块（6）和下模块（7）连接，其中上固定滑道（8）固定在支架（1）的上端、立柱（2）的下方，所述下固定滑道（9）固定在支架（1）的底端，所述支撑架（21）固定在支架（1）上、设在上模块（6）与下模块（7）之间；所述总冲压块（5）连接在立柱（2）的上方通过曲轴（4）与电机（3）连接，电机（3）固定在支架（1）上方。

进一步地，本申请中所述上模块（6）和下模块（7）分别包括至少一个冲压块（10）和至少一个滑轴（11），所述上模块（6）和下模块（7）上的冲压块（10）形状对等，数量可以对等也可以不对等；所述冲压块（10）的末端与滑轴（11）连接，所述滑轴（11）分别与对应的上固定滑道（8）或下固定滑道（9）连接；所述支撑架（21）包含上支架（211）和下支架（212）两部分。

进一步地，本申请中所述设备还包括材料薄膜（12），所述材料薄膜优选为硅胶薄膜，所述材料薄膜（12）铺在上模块（6）与平面预成型之间以及下模块（7）与平面预成型之间；所述平面预成型为预先涂好定型剂的碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、其它纤维铺层或者各种纤维编织物铺层。

进一步地，本申请中所述设备还包括弹性装置（13）和微调系统（14），所述弹性装置（13）设在上固定滑道（8）与上模块（6）之间以及下模块（7）与下固定滑道（9）之间的滑轴（11）上；所述微调系统（14）设在滑轴（11）的末端，分别与上固定滑道（８）和下固定滑道（９）连接。

优选地，所述弹性装置（13）为弹簧、气缸或气囊；所述微调系统（14）可以为可调螺栓。

进一步地，本申请中所述设备还包括加热系统（15）和制冷系统（16），所述加热系统（15）和制冷系统（16）内置或外置于冲压设备。

进一步地，本申请中所述设备还包括装有自动夹具的机械臂（17）和加热设备（18）；所述装有自动夹具的机械臂（17）和加热设备（18）外置于冲压设备；所述自动夹具机械臂（17）的末端设有真空吸盘（19）；所述加热设备优选为（18）为热风、红外线或电炉。

本申请还提供了上述设备用于生产纤维增强型复合材料预成型的方法，主要包括如下步骤：

1）利用外置加热设备（18）或外置加热系统（15）加热已喷涂好定型剂的平面预成型至100℃以上，此时定型剂融化。然后通过人工或自动夹具机械臂（17）放入冲压设备中；或先将平面预成型通过人工或自动夹具机械臂（17）放入冲压设备中开启内置加热系统（15）加热平面预成型至100℃以上；

2）冲压：对加热好的平面预成型进行冲压，同时开启加热系统（15），保证整个冲压系统的温度在70℃以上，为了保证系统的清洁可以在上下冲压块（10）和平面预成型之间放入材料薄膜（12）；

3）定型：运用制冷系统（16）对冲压好的预成型进行降温；

4）脱模，然后通过人工或自动夹具机械臂（17）的真空吸盘（19）搬运预成型，储藏。

预成型进入冲压阶段之前，其上通常已经均匀的喷涂了定型剂。定型剂是液态或者粉末态，可以通过喷涂装置喷涂到纤维或纤维织物上形成涂层。因定型剂在室温下是固态的，所以在冲压阶段，定型剂需要被加热至一百摄氏度以上激活，使之具有粘结力。

上述方法中的冲压过程是将原本的二维平面预成型冲压成为三维形状。纤维丝不同于传统的金属或者塑料，本身比较松散，径向具有抗拉伸能力但是没有抗压能力，所以整个冲压过程要保持一定的内张力，以防止纤维卷曲或者过度的侧滑。如果模具表面的起伏过大，会导致纤维丝的侧滑无法控制，导致纤维出现卷曲、断裂，铺层褶皱、开裂等现象。为保证预成型中纤维丝的均匀分布，走向合理，本方法的重点是提出了一种分步冲压方法，预先将上下模块分割成若干冲压块，上下对应。各个冲压块都可以上下移动。在初始位置，调节微调系统，上下冲压块在中间轻轻接触，和位于其间的平面预成型形成多点接触。当冲压过程开始后，上方的冲压块依次向下按压，推动平面预成型和下方冲压块下降。上方冲压块的启动也具有先后次序。整个冲压过程平面预成型都有来自上下两侧的冲压块和薄膜的支撑，以保证纤维丝侧向位移被均匀的控制在一定范围内。

在本申请所述的方法中，当冲压设备中的冲压块（10）为多个时，在冲压之前，需根据预成型的形状预先调好上模块（6）以及下模块（7）中各个冲压块（10）的位置，并可以通过弹性装置（13）和微调系统（14）进行微调；相应地，在步骤4）所述的脱模过程中，需按照相反的顺序升起下模块（7）中的各个冲压块（10），因为有材料薄膜的存在，该过程可以比较快，上方薄膜在自身弹力的作用下，也会收起，在下方薄膜的弹力下，三维预成型会弹出。

有益效果：通过本申请提供的方法及设备以价格低廉的原材料，快速工业化生产出性价比高的复合材料结构性零部件，通过冲压过程，可以将原本的二维纤维铺层塑造成三维的几何形状，具备新材料、节能减排、高度自动化的特点：

1）成本低：可以利用价格低廉的原丝铺层代替价格昂贵的织物；

2）废料少：减少边角料（面积）百分之六十以上；

3）缩短单位产品的生产时间：传统工艺生产一件预成型需要熟练技工四个小时到一天的工时。本专利提出的工艺方法可以将单件工时缩短到半个小时以内。同时随着工艺的成熟和设备的改进，以及设备数量的增加，工时缩短还有巨大的空间；

4）无人值守车间：本过程完全实现数字自动化。全部参数由微机控制。搬运冲压过程由机器人或者机械臂实现，工艺简单，错误率低。一个工人可以监控多条生产线；

5）产品质量规格统一：传统人工生产，质量参差不齐，废品率较高。实现自动化生产以后。只要前期测试得以保证，各项参数会被准确无误的执行。产品质量得以保障。

附图说明

图1 加热设备对平面预成型进行加热的结构示意图；

图2 冲压设备的结构示意图；

图3 利用冲压设备进行分步冲压的结构示意图；

图4利用冲压设备进行分步冲压的结构示意图；

图5对冲压好的预成型进行冷却定型的结构示意图；

图6 下模块复位并移走预成型；

图7 支撑架的结构示意图；

图中： 1-支架，2-立柱，3-电机，4-曲轴，5-总冲压块，6-上模块，7-下模块，8-上固定滑道，9-下固定滑道，10-冲压块，11-滑轴，12-材料薄膜，13-弹性装置，14-微调系统，15-加热系统，16-制冷系统，17-自动夹具机械臂，18-加热设备，19-真空吸盘，20-平面预成型，21-支撑架，211-上支架，212-下支架。

具体实施方式

下面结合附图对本申请做进一步解释说明。

本申请提供的用来生产纤维增强型复合材料预成型的冲压设备，其基本结构组成如图2所示，包括支架1、支架上的立柱2、电机3、曲轴4、总冲压块5、上模块6、下模块7以及上固定滑道8和下固定滑道9，所述上固定滑道8和下固定滑道9分别与上模块6和下模块7连接，其中上固定滑道8固定在支架1上端、立柱2的下方，所述下固定滑道9设在支架1的底端，也可固定在地面上，所述支撑架21可以由机械臂夹具夹稳，便于搬运。冲压过程中，支撑架21固定在支架1上、位于上模块6与下模块7之间。支撑架分为上支架211和下支架212两部分，其具体结构如图7所示，用以固定预成型的同时使得预成型在冲压过程保持一定的张力；所述总冲压块5设在立柱2的上方通过曲轴4与电机3连接，可以沿立柱2做上下往复运动；所述上模块6和下模块7分别包括至少一个冲压块10和至少一个滑轴11，所述上模块6和下模块7上的冲压块10形状对等，数量可以对等也可以不对等；所述冲压块10的末端与滑轴11连接，所述滑轴11分别与对应的上固定滑道8或下固定滑道9连接，上固定滑道8固定在支架1和立柱2上，在整个冲压过程中静止，滑轴11可以在滑道8或9中上下滑动；在冲压过程中通过加热系统15为整个设备保持在70℃以上。

当冲压过程进行充分后，接入制冷系统16，使得三维铺层迅速降温至室温，定型剂冷却固化，保证预成型的几何形状稳定，如图5所示，然后剪断周边的多余纤维丝，通过装有夹具的机械臂17移走冲压好的预成型并储藏，如图6所示。

冲压过程是本方法的关键，它将原本的二维平面预成型塑造成三维形状。纤维丝不同于传统的金属或者塑料，本身比较松散，径向具有抗拉伸能力但是没有抗压能力，所以整个冲压过程要保持一定的内张力，即通过支撑架21来实现，以防止纤维卷曲或者过度的侧滑，如果模具表面的起伏过大，会导致纤维的侧滑无法控制，出现纤维卷曲、断裂，铺层褶皱、开裂等现象，为保证预成型中纤维丝的均匀分布，走向合理，本申请通过了一种分步冲压的方式，预先将上下冲压模局分割成若干冲压块，上下对应，对于表面斜度较大的部分划分更为细致，分块的目的是大大提高冲压设备和纤维丝在冲压过程中的接触面积，增大局部摩擦，防止褶皱产生。各个冲压块都可以沿滑道上下移动。在初始位置，调节微调系统，上下冲压块在中间轻轻接触，和位于其间的平面预成型形成多点接触；在上下模块和平面丝之间，还可以铺设延展性很好的材料薄膜12，材料薄膜保证了预成型受力均匀，同时保证模具的清洁。

在实际工作过程中，以上模块和下模块分别包括四个冲压块为例，如图1-6所示，对准备进行冲压的平面预成型首先要进行加热，本例加热通过加热设备18来实现，具体见图1，加热设备18可以为红外灯、电炉、热风等。进行加热是为了使平面预成型表面的定型剂融化浸润到纤维丝中，因定型剂在室温下是固态的（定型剂通常是在铺丝过程中后期喷涂到纤维表面，或者是在平面织物铺放好之前喷涂到织物表面）。在冲压阶段，定型剂需要被加热激活，使之具有粘结力。冲压设备的初始位置分别由弹性装置13以及微调系统14（比如可调螺栓）控制，当冲压过程开始后，总冲压块5在电机曲轴4的带动下向下运动，上方的冲压块10向下按压，推动纤维和下方冲压块下降，上方冲压块的启动具有先后次序，上模块中的冲压块②①③④按照顺序接触主冲压块并且向下运动；下模块的冲压块按照⑥⑦⑧⑤的顺序依次启动并下降。在此过程中，上下模块以及中间的纤维铺层保持多点接触以及合适的接触力，上模块继续下行，将原丝继续压实到下模块上，整个过程都要保持加热状态。冲压完成后，冷却预成型，上模块升起，下模块各个冲压块按照相反的顺序升起恢复原位：因为有材料薄膜12的存在，该过程可以比较快，上方材料薄膜在自身弹力的作用下，也会收起，在下方材料薄膜的弹力下，三维预成型会弹出，然后通过人工或机械臂的帮助，将制作完成的原丝预成型织物搬运到储存地点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用冲压设备生产纤维增强型复合材料预成型的方法，其特征在于，所述冲压设备包括支架（1）、支架上的立柱（2）、电机（3）、曲轴（4）、总冲压块（5）、上模块（6）、下模块（7）、支撑架 （21）以及上固定滑道（8）和下固定滑道（9），所述上固定滑道（8）和下固定滑道（9）分别与上模块（6）和下模块（7）连接，其中上固定滑道（8）固定在支架（1）的上端、立柱（2）的下方，所述下固定滑道（9）固定在支架（1）的底端，所述支撑架（21）固定在支架（1）上、位于上模块（6）与下模块（7）之间；所述总冲压块（5）连接在立柱（2）的上方通过曲轴（4）与电 机（3）连接，电机（3）固定在支架（1）上方；所述上模块（6）和下模块（7）分别包括多个冲压块（10）和多个滑轴（11），所述上模块（6）和下模块（7）上的冲压块（10）形状对等 ；所述冲压块（10）的末端与滑轴（11）连 接，所述滑轴（11）分别与上固定滑道（8）或下固定滑道（9）连接；所述支撑架（21）包含上支架（211）和下支架（212）两部分；所述设备还包括材料薄膜（12），所述材料薄膜（12）铺在上模块（6）与平面预成型之间以及下模块（7）与平面预成型之间，所述平面预成型为预先涂好定型剂的碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、其它纤维铺层或者各种纤维编织物铺层；所述设备还包括加热系统（15）和制冷系统（16），所述加热系统（15）和制冷系统（16）内置或外置于冲压设备；所述设备还包括装有自动夹具的机械臂（17），所述装有自动夹具的机械臂（17）外置于冲压设备；所述材料薄膜（12）为硅胶薄膜或者其它弹性薄膜；所述设备还包括弹性装置（13）和微调系统（14），所述弹性装置（13）设在上固定滑道（8）与上模块（6）之间以及下模块（7）与下固定滑道（9）之间的滑轴（11）上 ；所述微调系统（14）设在滑轴（11）的末端、分别与上固定滑道（8）和下固定滑道（9）连接；所述弹性装置（13）为弹簧、气缸或气囊；所述微调系统（14）为可调螺栓；所述装有自动夹具的机械臂（17）的末端设有真空吸盘（19）；该方法包括如下步骤 ：

1）加热：利用外置加热系统（15）加热已喷涂好定型剂的平面预成型至100℃以上，然后通过人工或自动夹具机械臂（17）放入冲压设备中；或先将平面预成型通过人工或自动夹具机械臂（17）放入冲压设备中开启内置加热系统（15）加热平面预 成型至100℃以上；

2）冲压：在初始位置，调节微调系统，上下冲压块在中间轻轻接触，和位于其间的平面预成型形成多点接触，当冲压过程开始后，上方的冲压块依次向下按压，推动平面预成型和下方冲压块下降，对加热好的平面预成型进行冲压，同时开启加热系统（15），保证整个冲压系 统的温度在 70℃以上，为了保证系统的清洁可以在上下冲压块（10）和平面预成型之间放入材料薄膜（12）；

3）定型 ：运用制冷系统（16）对冲压好的预成型进行降温；

4）脱模，然后通过人工或自动夹具机械臂（17）的真空吸盘（19）搬运预成型，储藏。

2.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，当冲压设备中的冲压块（10）为多个时，在冲压之前，需根据预成型的形状预先调好上模块（6）以及下模块（7）中各个冲压块（10）的位置，并可以通过弹性装置（13）和微调系统（14）进行微调；相应地，在步骤 4）所述的脱模过程中，需按照相反的顺序升起下模块（7）中的各个冲压块（10）。