CN106564151A - 一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态与制造工艺 - Google Patents

一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态与制造工艺 Download PDF

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郭景贵
张亚峰
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Abstract

本发明公开一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，适应于低成本、大批量制造纤维增强树脂基复合材料制件。本工艺是将纤维直接与热固性或热塑性树脂浸润，制备成纤维丝束预浸带，然后离线或在线短切，制备成短切丝束预浸带，可以是散片或片状模塑料或团状模塑料；将散片或片状材料手动或自动铺放到预成型模具中，形成轮毂的基本形态；手动或自动把预成型的坯料放到到模压机模具，加压并加热并快速固化，脱模，将轮毂取出，修毛边及涂装，得到复合材料汽车轮毂。用该材料形态与工艺制备的汽车轮毂结构设计灵活简单、力学性能高、低成本、大批量生产容易，非常适合汽车的轻量化。

Description

一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料 形态与制造工艺
技术领域
本发明属于复合材料应用领域，是纤维增强树脂基复合材料的新的材料形态和制造工艺，是一个高性能、低成本、大批量生产的复合材料新形态及制造工艺的应用。
背景技术
纤维增强复合材料是复合材料中最大的一项，纤维增强复合材料由于其轻、刚、强等卓越的力学性能及其耐腐蚀，耐疲劳、避震等功能，是各类工业轻量化应用的主选材料。然而，高昂的成本是这些优良材料广泛应用的拦路虎。纤维增强复合材料源于航空航天领域，在航空航天复合材料制件中，原材料(主要指纤维与树脂)与后续工艺的成本基本是20/80的关系，所以，要降低复合材料的成本，关键是解决占比80的工艺的成本。随着绿色节能经济及节能减排的要求，汽车的轻量化已经成为完成节能减排的关键技术路径，对于汽车的轻量化工作，全球的共识是：簧下减重非常关键，业界有“簧下1公斤，簧上10公斤”的说法，对于簧下重量，转动件的减重又是其关键，因为较重零件的转动惯量也需要能量去抵消，所以轮毂减重就成为簧下减重的核心工作。
无论从F1赛车及超级轿车，大量使用复合材料的经验证明，对比铝合金轮毂，可以时间减重30％以上，这个减重，可以节约油耗，由于转动惯量与陀螺效应的降低，可以明显的提高汽车的操纵灵活性；簧下的重量轻后，惯性也减小，弹簧的工作负荷降低，可以极大提升轮胎与地面的扒地性，在不平的路面上，弹簧可以更好地实现减震，提高驾驶的舒适型。诸多的优势，已经让复合材料轮毂成为各家主要汽车厂争先开发的热点。
复合材料制备汽车轮毂由来已久，主要采用经典的预浸料铺放、真空袋加热压罐成型，或者采用纤维织物加RTM(树脂模转移)的工艺制造，所有这些工艺的共同点是连续纤维材料。优点是：轮毂力学性能高，缺点是：基本手工制造，制造成本高，生产效率低。然而，对于F1赛车与超级车，这个高成本与低产量是可以接受的。对于豪华车，甚至中高档车，成熟的铝合金轮毂的成本是复合材料轮毂进入市场最大的障碍。轮毂行业另一个特点是：必须针对每个新车型的外观，对轮毂做出适当的设计，这个设计工作量是极大的，而连续复合材料结构，铺层设计是非常繁琐的，工程化设计代价相当大。
所以，市场急需要低成本、大批量、便于设计的复合材料轮毂的新的材料形态与制造工艺。
发明内容
本发明就是继承了航空航天最常用的预浸料技术，同时又兼顾了非连续纤维增强复合材料的低成本和大规模成型工艺，以及便于设计的特点，制备了短切丝束预浸带这个新形态的复合材料，结合模压工艺，开发了一种高性能、低成本、大批量生产的复合材料工艺，是品种繁多，成本要求高，批量大的汽车轮毂的解决方案。
本发明要解决的问题是通过以下的技术方案来实现的：对碳纤维、玻纤及芳纶等纤维丝束直接浸润树脂，形成丝束预浸带；然后离线或在线短切，短切料可以以散片的形态存在，也可是散片随机铺放形成的片状模塑料，还可以是散片堆积成为BMC形态；三种形态中，既可以是单一品种的纤维，也可以是纤维混杂；该材料可在室温下储存1个月以上；三种形态中，短切丝束预浸带是随机方向分布的，没有明确与明显的取向性，这个在设计上，可以借用均值材料的设计思路；利用散片、片状模塑料或团状模塑料在预成型模具上铺放，采用气动或液压对材料预成型，或者直接铺放到模压机的模具中，直接成型；采用特殊设计的模具，可以实现模压机对轮毂的轮辐及轮辋部分的整体成型；轮辋的模具可以是2-10个圆弧性模具组成，合模后共同形成轮辋的外圆面；轮辋部分的模压力主要是通过向上或向下的液压力转换从轮辋径向向心力完成，上模具具有两个部分，一个负责对轮辐施压成型，一个负责通过与轮辋的外圆模具组合的锥面施压，形成对外圆模具组合的径向向心力，这些轮辋部分的模具也可借助径向的其他气压或液压力；液压机合模，加温，固化时间小于10分钟，材料在模腔内是低流动；特殊设计的脱模设计，便于复杂形状的轮毂顺利脱模；手动或自动取出轮毂，去毛边，涂装，完成轮毂的制备。
本发明的有益效果：开发了一种全新的一种高性能、低成本、大批量生产的复合材料形态与制造工艺，为汽车轮毂轻量化提供了一个切实可行的材料形态与成型工艺，可以有效地去除复合材料在汽车中的广泛应用的各类障碍。除了汽车轮毂，该材料形态及制造工艺适合于汽车上所有复杂结构件的轻量化。
附图说明
图1是短切丝束预浸带制备工艺
图2是短切丝束预浸带模压材料
图3是外圆模具的径向向心力
图4是轮毂模压成型工艺图1.汽车轮毂制件；2.下模具；3.轮辋外圆模具；4.上模具；5.压机；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺。首先将碳纤维丝束直接浸润树脂，形成丝束预浸带；然后离线或在线短切，做成短切预浸带。计算制造汽车轮毂需要的装料量并准确称取。然后将称取的短切预浸带铺放到预成型模具上，采用气动方式对材料预成型。铺料应遵循下列原则：物料流动路程最短；物料铺放均匀；对于狭小部位和死角，应预先进行铺料。接着将整个轮毂模具预热到80℃后往模具上涂脱模剂，涂刷的脱模剂在满足脱模要求的前提下，用量尽量少些。接着通过气缸把轮辋外圆模具(3)跟下模具(2)合在一起，把预成型坯料铺放到下模具(2)和轮辋外圆模具(3)上，然后上模具(4)在压机压力作用下沿导轨向下进行合模。合模10分钟后，开始升温，温度升至105℃时，加压至10MPA；温度升至130℃时开始计时，保温、保压10分钟。保温保压时间到后脱模，脱模时上模具(4)在压机作用下沿导轨向上脱离汽车轮毂制件(1)，然后通过气缸或螺杆把轮辋外圆模具(3)跟汽车轮毂制件(1)脱离，接着顶杆通过气缸或螺杆把成型的汽车轮毂制件(1)顶出。最后手动或自动取出轮毂，去毛边，涂装，完成轮毂的制备。

Claims (13)

1.一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：对碳纤维、玻纤及芳纶等纤维丝束直接浸润树脂，形成丝束预浸带；然后离线或在线短切，短切料可以以散片的形态存在，也可是散片随机铺放形成的片状模塑料，还可以是散片堆积成为BMC形态；三种形态中，既可以是单一品种的纤维，也可以是纤维混杂；该材料可在室温下储存1个月以上；三种形态中，短切丝束预浸带是随机方向分布的，没有明确与明显的取向性，这个在设计上，可以借用均值材料的设计思路；利用散片、片状模塑料或团状模塑料在预成型模具上铺放，采用气动或液压对材料预成型，或者直接铺放到模压机的模具中，直接成型；采用特殊设计的模具，可以实现模压机对轮毂的轮辐及轮辋部分的整体成型；轮辋的模具可以是2-10个圆弧形模具组成，合模后共同形成轮辋的外圆面；轮辋部分的模压力主要是通过向上或向下的液压力转换从轮辋径向向心力完成，上模具具有两个部分，一个负责对轮辐施压成型，一个负责通过与轮辋的外圆模具组合的锥面施压，形成对外圆模具组合的径向向心力，这些轮辋部分的模具也可借助径向的其他气压或液压力；液压机合模，加温，固化时间小于10分钟，材料在模腔内是低流动；特殊设计的脱模设计，便于复杂形状的轮毂顺利脱模；手动或自动取出轮毂，去毛边，涂装，完成轮毂的制备。
2.根据权利要求1所述一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：对碳纤维、玻纤或芳纶等纤维丝束直接浸润树脂，这些树脂可以是热固性或热塑性的，形成丝束预浸带。
3.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：对纤维丝束预浸带实现离线或在线短切，短切长度5-100毫米，最好是10-50毫米范围。短切丝束预浸带可以是散片方式存在，散片方式堆积，也可成为BMC方式(Bulk Molding Compound团状模塑料)，也可以是SMC方式(sheet moldingcompound片状模塑料)。
4.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：在短切纤维丝束预浸带三种形态中，包含的纤维可以是一种纤维，也可以是均匀混杂的纤维材料，比如碳纤维短切丝束预浸带与玻璃纤维短切预浸带的混合，碳纤维短切丝束预浸带与芳纶短切丝束预浸带的混合。
5.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：这些形态的短切丝束预浸带材料，无论是热固性或热塑性材料，均需要在室温下储存1个月以上，较好是3个月，最佳是6个月以上。
6.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：三种形态中，短切丝束预浸带是随机方向分布的，没有明确与明显的取向性，这个在设计上，可以借用均值材料的设计思路。
7.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：利用散片、片状模塑料或团状模塑料在预成型模具上铺放，采用气动或液压对材料预成型，或者直接铺放到模压机的模具中，直接成型。
8.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：采用特殊设计的模具，可以实现模压机对轮毂的轮辐及轮辋部分的整体成型，这个特殊设计的模具，必须完成对轮辐与轮辋的同时、一次性及整体成型。
9.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：轮辋的模具可以是2-10个圆弧性模具组成，合模后共同形成轮辋的外圆面。
10.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：轮辋部分的模压力主要是通过向上或向下的液压力转换成轮辋径向向心力完成，上模具具有两个部分，一个负责对轮辐施压成型，一个负责通过与轮辋的外圆模具组合的锥面施压，形成对外圆模具组合的径向向心力，这些轮辋部分的模具也可借助径向的其他气压或液压力。
11.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：液压机合模，加温，固化时间小于10分钟，更好是5分钟之内，最佳是3分钟，材料在模腔内是低流动，不是高流动特性，也保证最佳的力学性能。
12.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：特殊设计的脱模设计，便于复杂形状的轮毂顺利脱模，关键是轮辋部分的脱模，采用的是轮辋径向外延脱模方式，动力可以是气动或液压力。
13.根据权利要求1所述的一种大批量低成本纤维增强树脂基复合材料汽车轮毂的材料形态及制造工艺，其特征在于：手动或自动取出轮毂，去毛边，涂装，完成轮毂的制备。
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