CN107127985B - 一种纤维金属超混杂复合管的成形方法 - Google Patents

一种纤维金属超混杂复合管的成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纤维金属超混杂复合管的成形方法，属于复合材料的制备及成形领域。首先加工数块同尺寸的板材坯料，对其进行表面处理，将第一块圆形坯料固定到主轴上，在板坯尾端安装尾顶；然后选择合适的旋压成形工艺，对板材坯料进行多道次的旋压成形，第一次旋压加工得到圆管；在圆管外铺贴预浸料，将铺贴预浸料后的圆管装夹到芯模上，另取圆形板材通过铺贴预浸料后的圆管固定在主轴上，再进行旋压加工，根据所需复合管的结构可以重复进行铺贴预浸料和外层金属管壁的旋压过程，配合合理的固化工艺，实现了一种纤维金属超混杂复合管的成形方法。本发明生产效率高、模具简单，生产成本低，为层状复合管的塑性成形提供了较好的思路。

Description

一种纤维金属超混杂复合管的成形方法
技术领域
本发明涉及一种金属构件的制备成形方法，特别涉及一种纤维金属超混杂复合管的制备成形方法，属于复合材料的制备及成形领域。
背景技术
20世纪50年代以来，随着在航空航天和汽车等结构领域轻量化的需求和越来越多板材复杂结构的出现，同时随着新产品的不断提出，零件整体性能的要求越来越高，因而对零件的强度性能、抗疲劳、抗温、抗蚀、减重等能力要求越来越高，这就需要一种新型材料的产生来取代传统材料。纤维金属层板（Fiber Metal Laminates，FMLs）是一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定的温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料，也称为超混杂层板（Super Hybrid Laminates）。FMLs综合了传统纤维复合材料和金属材料的特点，具有较高的比强度和比刚度、优良的疲劳性能以及损伤容限性能，这些优势使得FMLs在航空航天工业中获得了广泛的应用。
纤维金属层板成形的方式主要分为以下两种：第一种主要利用热固性树脂先分别成形加工金属及纤维，经表面处理后将金属和纤维分层铺设，再利用连接方式将其粘接为纤维金属层板，而后利用热压罐成形工艺，在一次工艺中成形出目标结构件；由于纤维金属层板一般为 0.25～0.3 mm，刚度较小，在一些大曲率的结构件中可以顺利铺贴成形，单曲率的纤维金属层板常采用滚弯成形的方式，而对于双曲率成形则一般采用拉伸成形。另一种方法则主要利用热塑性树脂先将金属层板与纤维层粘接成纤维金属层板，再利用传统塑性成形工艺如冲压成形、充液成形等方式完成结构件的成形。 采用热塑性树脂作为增强体可以成形结构复杂的纤维金属层板，由于金属薄板在整个纤维金属层板中占有较大的比例，因此可以采用传统的金属塑性成形工艺如冲压成形、充液成形加工形状复杂的飞机汽车结构件。
现阶段，具有层状结构的纤维-金属超混杂复合层板的成形方法已经得到了大量的研究并且广泛应用在航空航天领域，而复合管的研究成果却很少。纤维-金属超混杂复合管是在遭受碰撞的时候，可以通过金属的塑形变形以及其中纤维、基体的断裂、脱层，纤维的拨出等共同作用来吸收大量的能量，缓冲冲击载荷。除此之外，它继承纤维增强复合材料高强度、耐疲劳的特性，具有迫切的应用需求。陶杰（CN 103832041 A）曾提出一种玻璃纤维-铝合金复合管气压胀形制备方法，采用气压胀形方法制备出玻璃纤维-铝合金复合管，有效地解决了玻璃纤维-铝合金复合管制备的难题，但是其存在以下几个方面的问题：（1）在制备结构方面，气压胀形方法仅限于制备2/1结构的复合管（两层金属层+一层纤维层），复合管的结构具有局限性，导致了其力学性能的不足，限制了其使用范围；（2）从技术层面，在气压胀形过程中，因金属层较薄，密封难度大，高压液态极易进入预浸料层，影响材料的粘接性能；此外，复合管胀形时，内管需同纤维层同步变形，为了使纤维层不发生断裂，胀形过程的变形量受到很大限制。（3）从材料体系方面，该发明仅能实现玻璃纤维-铝合金复合管的气压成形，无法解决其它常用纤维-金属复合管的成形，如碳纤维-钛合金复合管等。（4）从成本方面，不同规格复合管的胀形，都需要对冲头、密封结构及胀形模具进行设计和加工，成本较高，效率低。
发明内容
现有的制备技术普遍无法制备结构复杂的纤维金属超混杂复合管，本发明针对现有技术的不足，提出了新的制备方法。针对航空航天以及交通运输行业对复合材料结构多样性以及性能方面的要求，采用多次快速旋压+固化法制备出纤维金属超混杂复合管，可实现3/2、4/3等复杂结构复合管的高效成形，有效地解决了纤维-金属超混杂复合管制备的难题。
本发明提供了一种成形效率高、模具简单、适用于结构复杂、变形量大的纤维金属超混杂复合管的成形方法，包括以下步骤：
1）内外层金属管板材坯料准备，进行表面处理，将圆形坯料固定到主轴上，控制板材平稳的安装在主轴上，在板材尾端安装尾顶，用尾顶控制坯料在成形过程中的轴向跳动；
2）设置旋压工艺参数，选择合适的旋轮、旋压路径及尾顶速度，控制旋轮转速为400-800mm/min，主轴转速为600-1000n/min，对板材进行多道次的旋压成形，在成形位置添加润滑油，减小摩擦和降低成形温度，经过第一次旋压加工后，得到金属管；
3）对经过旋压成形后的金属管表面铺设预浸料；
4）将铺设预浸料后的圆筒形构件装夹到芯模上，进行外层金属管的旋压，根据所需要的纤维金属超混杂复合管的结构重复进行1）-3）步骤，实现纤维金属超混杂复合管的旋压制备；
5）卸压、开启模具，取出成形的构件；
6）进行固化，将加工完成后的构件逐级加热加压，温度控制在90℃-390℃之间，压力控制在1.2MPa-1.9MPa，保温一定时间，使预浸料中的树脂完全固化，固化结束后自然降温到室温，切除构件余料，得到成形的纤维金属超混杂复合管。
本发明中，所述金属为有色金属及其合金，优选为铝和钛。
本发明中，所述预浸料为市售的玻璃纤维-环氧树脂预浸料或碳纤维-聚醚醚酮预浸料、碳纤维-聚酰亚胺预浸料；所述预浸料的铺层为单向或正交。
本发明中，所述步骤6）固化过程既可用热旋压的加热代替固化，也可在旋压结束后进行固化的工艺。
本发明中，所述纤维金属超混杂复合管的结构为2/1结构、3/2结构、4/3结构、5/4结构。
本发明中，所述步骤2）中，旋轮和主轴之间的间隙控制在1.3-1.5mm，根据铺层纤维的结构与厚度改变后续旋压时旋轮和主轴的间隙；整个过程分30道次进行，包括正旋和反旋。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明针对纤维-金属超混杂复合管成形难度高的问题，提出采用金属层高速旋压+纤维层外表面铺贴+加热固化的方法，高效制造复杂结构的纤维-金属超混杂复合管，从而解决航空航天、轨道交通及汽车工业所需该类复合管的制造需求。
（2）本发明方法生产效率高，是目前唯一可实现3/2、4/3、5/4等复杂纤维金属结构复合管的成形方法；同时，仅需简单的芯模，成形效率高、灵活性大。为纤维-金属超混杂复合管的工业化批量生产和应用提供了新的思路，同时，可为纤维-金属超混杂回转体结构的成形提供参考。
附图说明
图1为本发明纤维-金属超混杂复合管的成形流程图；
图2为本发明内层金属管旋压示意图；
图3为本发明金属管外铺设预浸料结构图；
图4为本发明外层金属管旋压示意图；
图2中1、2均为预浸料。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明上述内容进行举例说明。
实施例1
第一步 首先通过磷酸阳极氧化化法对铝合金板材进行表面处理，将直径为160mm，厚度为2mm的圆形2024铝合金板材通过芯模固定在主轴上，测量轴向跳动，控制板材平稳的安装在主轴上。
第二步 安装尾顶固定装置，限制轴向跳动，设置主轴转速为800n/min；选择合适的旋轮、旋压路径及尾顶拉力和尾顶运动速度，对铝合金板材进行30道次的旋压成形，主轴带动板材高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮沿管坯轴向运动一个往复为一个道次，旋轮与主轴间隙控制在1.3mm，旋轮轴向运动速度为600mm/min。
注意在成形过程中不断的在旋压成形位置添加拉伸油，减小摩擦和降低成形温度。
第三步 将经过旋压成型后的铝合金管表面铺设三层正交的玻璃纤维-环氧树脂预浸料。
第四步 将铺设预浸料后的圆筒形构件装夹到芯模上，另一块同尺寸的铝合金板固定在装夹有圆筒形构件的主轴上，调整旋轮和主轴的间隙为2.05mm，进行外层铝合金管的旋压。
第五步 卸压、开启模具，取出成形的构件。
第六步 进行固化处理，首先将成形构件放入恒温干燥箱中，干燥箱升温到90℃，保温10min，再升温到120℃，保温10min后，继续升温到180℃，保温4h，固化结束后自然降温到室温，切除余料，最终得到2/1结构玻璃纤维增强铝合金复合管。
实施例2
第一步 首先对钛合金板材进行表面处理，用丙酮超声波清洗，去除表面的污渍，将直径为260mm，厚度为4mm的圆形TA2钛合金板材通过芯模固定在主轴上，测量轴向跳动，控制板材平稳的安装在主轴上。
第二步 安装尾顶固定装置，限制轴向跳动，设置主轴转速为600n/min；选择合适的旋轮、旋压路径及尾顶拉力和尾顶运动速度，对钛合金板材进行30道次的旋压成形，旋轮沿坯料轴向运动一个往复为一个道次，主轴带动板材高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮与主轴间隙控制在1.5mm，旋轮轴向运动速度为400mm/min，控制最后一个道次的轴向运动速度在200mm/min；芯模和坯料在旋压前各自预热到一定的温度后进行旋压，旋压过程控制温度在390℃左右，在热旋过程中采用火焰加热不断给坯料补热，以保证旋压过程中TA2钛合金坯料具有足够的塑性。
注意在成形过程中不断的在旋压成形位置添加拉伸油，减小摩擦和降低成形温度。为了防止钛合金热旋过程中表面氧化，采取适当的保护措施。
第三步 将经过热旋成形后的钛合金管表面铺设两层单向（0º）的碳纤维-聚醚醚酮预浸料。
第四步 将铺设预浸料后的复合管装夹到芯模上，另一块同尺寸的钛合金板材固定在装夹有复合管的主轴上，调整旋轮和主轴的间隙为2mm，进行第二层钛合金管的旋压。
第五步 调整旋轮和主轴的间隙为2.5mm，其余参数不变，重复第二步到第四步的过程，进行最外层（第三层）钛合金管的旋压。
第六步 卸压、开启模具，取出成形的复合管，将余料切除，最终得到3/2结构碳纤维增强钛合金复合管。
实施例3
第一步 将直径为80mm，厚度为2mm的圆形7075铝合金板材通过芯模固定在主轴上，测量轴向跳动，控制板材平稳的安装在主轴上。
第二步 安装尾顶固定装置，限制轴向跳动，设置主轴转速为1000n/min；选择合适的旋轮、旋压路径及尾顶拉力和尾顶运动速度，对铝合金板材进行30道次的旋压成形，主轴带动板材高速运动，旋轮轴向往复运动，旋轮沿管坯轴向运动一个往复为一个道次，旋轮与主轴间隙控制在1.5mm，旋轮轴向运动速度为800mm/min。
注意在成形过程中不断的在旋压成形位置添加拉伸油，减小摩擦和降低成形温度。
第三步 将经过旋压成型后的管材坯料表面铺贴两层单向（90º）的玻璃纤维-环氧树脂预浸料。
第四步 将铺设预浸料后的复合管装夹到芯模上，另一块同尺寸的铝合金板固定在装夹有复合管的主轴上，调整旋轮和主轴的间隙为1.75mm，进行第二层铝合金管的旋压。
分别调整旋轮和主轴的间隙为2mm、2.25mm，其余参数不变，重复第二步到第四步的过程，进行第三层和第四层铝合金管的旋压。
第五步 卸压、开启模具，取出成形的复合管。
第六步 进行固化处理，首先将复合管放入平板硫化机中，升高温度到120℃，保温25min，控制压力在1.2MPa；继续升温到180℃，加压到1.9MPa，保温150min，固化结束后自然降温到室温，切除余料，最终得到4/3结构玻璃纤维增强铝合金复合管。

Claims (8)

1.一种纤维金属超混杂复合管的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）内外层金属管板材坯料准备，进行表面处理，将圆形坯料固定到主轴上，控制板材平稳的安装在主轴上，在板材尾端安装尾顶，用尾顶控制坯料在成形过程中的轴向跳动；
2）设置旋压工艺参数，选择合适的旋轮、旋压路径及尾顶速度，控制旋轮转速为400-800mm/min，主轴转速为600-1000n/min，对板材进行多道次的旋压成形，在成形位置添加润滑油，减小摩擦和降低成形温度，经过第一次旋压加工后，得到金属管；
3）对经过旋压成形后的金属管表面铺设预浸料；
4）将铺设预浸料后的圆筒形构件装夹到芯模上，进行外层金属管的旋压，根据所需要的纤维金属超混杂复合管的结构重复进行1）-3）步骤，实现纤维金属超混杂复合管的旋压制备；
5）卸压、开启模具，取出成形的构件；
6）进行固化，将加工完成后的构件逐级加热加压，温度控制在90-390℃之间，压力控制在1.2-1.9MPa，保温，使预浸料中的树脂完全固化，固化结束后自然降温到室温，切除构件余料，得到成形的纤维金属超混杂复合管。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属为有色金属或有色金属的合金。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述金属为铝或钛。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预浸料为市售的玻璃纤维-环氧树脂预浸料、碳纤维-聚醚醚酮预浸料或碳纤维-聚酰亚胺预浸料。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预浸料的铺层为单向或正交。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤6）固化过程既可用热旋压的加热代替固化，也可在旋压结束后进行固化。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纤维金属超混杂复合管的结构为2/1结构、3/2结构、4/3结构、5/4结构。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤2）中，旋轮和主轴之间的间隙控制在1.3-1.5mm，根据铺层纤维的结构与厚度改变后续旋压时旋轮和主轴的间隙；整个过程分30道次进行，包括正旋和反旋。
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