CN107553935B - 一种frp复合材料板簧本体制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种FRP复合材料板簧本体制造工艺，通过真空吸管去除模腔中气泡、水分和小分子等，树脂注入压力不低于160bar，进一步挤出模腔中的水等小分子，使纤维与树脂产生充分物理包裹结合，同时，在物理包裹结合基础上高压高温使增强纤维和树脂的界面产生更多化学极性结合，甚至化学键结合，大幅提高增强纤维与树脂的界面结合，提高FRP复合材料板簧本体的性能。

Description

一种FRP复合材料板簧本体制造工艺

技术领域

本发明属于复合材料板簧制备技术领域，特别是指一种FRP复合材料板簧本体制造工艺。

背景技术

钢板弹簧在汽车上可以纵置或者横置。后者因为要传递纵向力，必须设置附加的导向传力装置，使结构复杂、质量加大，所以只在少数轻、微型车上应用。纵置钢板弹簧能传递各种力和力矩，具有导向功能，并且结构简单，故在汽车上得到广泛应用。板簧受力复杂，对整车性能影响也很大，因此，对板簧的材料要求也很高。

复合材料是两种以上的材料组合在一起、通过材料之间有效界面结合、性能优于原有的材料。现代工业所指的复合材料主要是玻璃纤维复合材料(GFRP)和碳纤维复合材料(CFRP)，基体是塑料(或叫树脂)，增强材料是玻璃纤维或碳纤维，现代复合材料板簧的增强材料主要是玻璃纤维，也有碳纤维，基体多为环氧树脂。

随着科技发展，复合材料板簧逐步用于汽车悬架弹簧元件。现在汽车板簧使用的复合材料都是纤维增强塑料，即FRP复合材料，FRP是英文Fibre-Reinforced Plastic简写。FRP复合材料比强度比模量高、具有良好的耐疲劳性能、阻尼减振性能和耐腐蚀性能，因此，使用FRP复合材料做板簧，可大幅提高车辆的平顺性和舒适性，而质量仅是钢板弹簧的1/4左右，不仅有效地提高了燃油效力，还降低了簧下质量，减小簧下振动，同时寿命是钢板弹簧的3倍左右，在整车寿命范围内无需更换弹性元件，整车使用和维修成本相对较低。

FRP复合材料的性能不仅取决于纤维和基体的材料特性，更取决于纤维与基体的界面结合，界面结合包括物理包裹结合、化学极性结合和化学键结合等，没有物理包裹结合就没有化学极性结合和化学键结合，化学键结合很少，因此界面结合主要是物理包裹结合、化学极性结合。而要提高物理包裹结合，就必须提高FRP复合材料板簧模具内排泡程度，也就是在成型过程中排出模具内的气泡、小分子和水分等。同时，排泡程度高也提高FRP复合材料的紧密度。

复合材料成型工艺很多，但现在复合材料板簧的成型工艺主要有两种：连续纤维缠绕工艺和模压工艺，这两种工艺合模压力都比较低，排泡不充分，产品内部还有细微的间隙，很大程度影响纤维和基体的结合，对板簧的可靠性、刚度特性、产品一致性等影响很大。

如图1所示为现有技术FRP板簧连续纤维缠绕法示意图，包括增强纤维01、预浸池02、张力调整器03、缠绕机04、FRP板簧05及模具06；现行FRP板簧的制造，不少采用连续纤维缠绕法(Filament Winding)，增强纤维在预浸池内预浸后，控制纤维的张力，用缠绕机缠绕到模具上，然后再经过合模、加压、固化、脱模等工序形成FRP板簧。

这种工艺只能形成变宽变厚等截面板簧，不能同时满足板簧的强度和性能要求；缠绕模具结构复杂，对设备的需求高，这些因素使得缠绕工艺小批量生产成本高；排泡不足，产品内部还有细微的间隙，界面的物理包覆结合率和化学极性结合率较低，对板簧性能影响很大；紧密度差，使用一段时间FRP复合材料板簧本体容易脱丝，造成板簧悬架失效。

现也有技术采用FRP板簧的模压成型法(Compression Molding)，就是将纤维布切割成一定形状，预浸树脂后叠加在一起放入模具内，经过加压加热固化成型的一种方法。这种模压工艺对模具要求较高，模具制造较为复杂，受压机等成型设备的制约，不能生产大件复合材料制品，加热固化时间长，不适合大批量生产；压力不足，空气不能彻底排出，产品内部还有细微的间隙，很大程度影响纤维和基体之间的界面结合，对板簧性能影响很大；紧密度差，使用一段时间FRP复合材料板簧本体容易脱丝，造成板簧失效；纤维层与层之间结合不足，因负荷疲劳后层与层之间剥离而失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种FRP复合材料板簧本体制造工艺，以解决现有技术制造的复合材料板簧制造复杂，容易脱丝及出现剥离的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种FRP复合材料板簧本体制造工艺，包括以下步骤：

步骤S1：纤维布编织工序，纤维布由织布机拉动纤维并进行编织，根据FRP复合材料板簧的设计要求，编织不同角度纤维布；

步骤S2：纤维布叠层工序，将所述纤维布裁成长度相同而宽度不同的布块，根据FRP复合材料板簧的设计要求叠加在一起，中间纤维布最宽，上下纤维布从两端到中间纤维布的宽度成梯形递减变化，中间的纤维布最短，纤维布之间均匀撒有粘接剂，并将不同角度纤维布放到指定层，形成纤维布叠层；

步骤S3：叠层点焊工序，加热至150°～180°两个同轴等径的加热棒相对端面将所述纤维布叠层夹在中间，粘接剂受热后将纤维布与纤维布之间粘接在一起，形成焊点；

步骤S4：预成型工序，由预成型模具完成，形成纤维板；

步骤S5：切割工序，先将所述纤维板放在表面形状与所述纤维板内弓形状相同的垫板上，用切割机将所述纤维板切割成复数块，每块宽度与FRP复合材料板簧本体宽度一致，形成复数无树脂毛坯；

步骤S6：HP-RTM工序，由HP-RTM成型模具完成，将所述无树脂毛坯放入模腔内，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂注入模腔，并使模具保持设定时间以使树脂和纤维固化成型；

步骤S7：卸料、定型工序，打开所述模腔，取出成型毛坯，并立即装在固定夹具上，防止成型毛坯各向变形，冷却后形成定型半成品；

步骤S8：后加工工序，切除定型半成品上遗留的凸起，并切除两端多余部分，在中部上下打中心盲孔，在两端打卷耳安装过孔，形成FRP复合材料板簧本体成品。

步骤S1中，所述织布机上设置有复数纱辊，所述纤维缠绕在所述纱辊上；不同所述纱辊上缠绕不同纤维。

步骤S3中，所述纤维布叠层四周焊点密度大于中间焊点密度；

所述加热棒为复数并排同时加热，在所述纤维布叠层的宽度方向的两端最薄，加热时间最短，而中部加热时间最长。

步骤S4中，所述预成型模具包括预成型上模、预成型下模及预热器；使模腔温度保持在150°～180°之间；

先将点焊后的纤维布叠层四周切除多余部分，使得点焊后的纤维布叠层大小与预成型模具内腔一致，然后将点焊后的纤维布叠层放入预成型下模，再装上预成型上模，加压使预成型上模和预成型下模合模，保持设定时间后从模腔中取出，模腔温度和压力使纤维布叠层纤维布之间粘接在一起，形成所述纤维板。

步骤S6中，所述HP-RTM成型模具包括上模、下模、锁模器、树脂注入管及真空吸管；

所述上模和所述下模形成复数模腔，每个所述模腔上下都与树脂注入管和真空吸管相连，模具内还有预热系统，在树脂注入前将HP-RTM成型模具预热到180°～210°以便树脂流动。

将复数无树脂毛坯放入复数所述下模模腔内，盖上所述上模，并用锁模器锁紧，锁模力为3600kN以上，然后通过真空吸管使得所述模腔中真空度在0.2Pa以下，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂通过树脂注入管注入所述模腔，树脂注入压力不低于160bar。

本发明的有益效果是：

提高FRP复合材料板簧强度、可靠性和安全性；大幅降低板簧悬架的重量，提高燃油效力；提高车辆行驶的平顺性；提高纵置板簧悬架的寿命，使纵置FRP复合材料板簧悬架的寿命提高到纵置钢板弹簧的寿命的五倍以上，在整车使用寿命范围内不用更换板簧这样的弹性元件，大幅减小板簧使用成本。

附图说明

图1为现有技术FRP板簧连续纤维缠绕法示意图；

图2为本发明制造工艺一种具体实施方式的流程图；

图3为纤维布编织的示意图；

图4为纤维布叠层的示意图；

图5为纤维布叠层的局部放大图；

图6为纤维布叠层点焊示意图；

图7为预成型模具的示意图；

图8为预成型后毛坯的示意图；

图9为毛坯切割的示意图；

图10为HP-RTM的示意图；

图11为定型后半成品的示意图；

图12为FRP复合材料板簧本体成品的示意图；

图13为FRP复合材料板簧总成的示意图。

附图标记说明

01增强纤维，02预浸池，03张力调整器，04缠绕机，05FRP板簧，06模具，1纱辊，2玻璃纤维，3织布机，4纤维布，5纤维布叠层，6焊点，7预成型上模，8预成型下模，9纤维板，10无树脂毛坯，11上模，12下模，13锁模器，14树脂注入管，15真空吸管，16定型半成品，17FRP复合材料板簧本体成品，171中心盲孔，172卷耳安装过孔，18衬套，19卷耳，20上盖板，21下垫板。

具体实施方式

以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。

本申请涉及到车辆悬架弹簧元件的制造工艺，确切地说是FRP复合材料板簧本体的制造工艺。本技术方案采用高压树脂传递模塑成型工艺(HP-RTM)；使成型模腔彻底排泡，使FRP复合材料板簧本体产品内部没有细微的间隙，提高增强纤维与树脂之间界面的物理包覆结合率和化学极性结合率，使纤维和基体之间的界面充分结合，大幅提高FRP复合材料板簧本体的性能，满足悬架承载能力、疲劳性、平顺性等要求；降低板簧悬架的重量，提高燃油效力；提高FRP复合材料板簧本体阻尼特性，减小车辆振动，提高车辆行驶的平顺性；提高纵置板簧悬架的寿命，使纵置FRP复合材料板簧悬架的疲劳寿命提高到纵置钢板弹簧的寿命的五倍以上，在整车使用寿命范围内不用更换板簧这样的弹性元件，减小板簧使用成本。

请参考图2至图12，在一种具体实施方式中，本发明所提供的一种FRP复合材料板簧本体的制造工艺，包括：

步骤S1：纤维布编织工序，织布机3上有复数纱辊1，纤维2缠绕在纱辊1上，不同纱辊1有不同纤维，纤维布4由织布机3拉动纤维2并进行编织，根据FRP复合材料板簧的设计要求，编织不同角度纤维布，如图2所述。

步骤S2：纤维布叠层工序，将纤维布裁成长度相同而宽度不同的布块，根据FRP复合材料板簧的设计要求叠加放在一起，中间纤维布最宽，上下纤维布从两端到中间纤维布的宽度成梯形递减变化，中间的纤维布最短，纤维布之间均匀撒有粘接剂，如聚酯粉末，并将不同角度纤维布放到指定层，形成纤维布叠层5，如图3所述。

步骤S3：叠层点焊工序，FRP复合材料板簧的增强纤维主要是玻璃纤维，而玻璃纤维布之间很容易滑移，在纤维布叠层5转运至下道工位过程中因滑移而改变纤维布之间的相对位置，因此必须转运前并将纤维布叠层5先点焊固定在一起，而点焊不同于金属钣金之间的点焊，它是加热至150°～180°两个同轴等径的加热棒相对端面将纤维布叠层5夹在中间，粘接剂受热后将纤维布与纤维布之间粘接在一起，形成焊点6，四周焊点6密度大于中间焊点6密度，为提高点焊效率，可用复数加热棒并排同时加热，宽度方向的两端最薄，加热时间最短，而中部加热时间最长，根据厚度调整加热时间，可充分保证纤维布之间不产生滑移，也可采用先进的用超声波焊接机械人焊接，但效果相同，如图4、图5及图6所示。

步骤S4：预成型工序，预成型工序由预成型模具完成，预成型模具由预成型上模7和预成型下模8组成，内有预热器，使模腔保持在150°～180°之间，先将点焊后的纤维布叠层5四周多余纤维布边角切除，使其大小与预成型模具内腔一致，然后将纤维布叠层5放入预成型下模8，再装上预成型上模7，加压使预成型上模7和预成型下模8合模，保持360秒后从模腔中取出，模腔温度和压力使纤维布叠层5纤维布之间粘接在一起，形成纤维板9，如图7、图8所示。

步骤S5：切割工序，先将纤维板9放在表面形状与纤维板9内弓形状相同的垫板上，用切割机将纤维板9四周多余边角料切去，再将纤维板9切割成复数块，每块宽度与FRP复合材料板簧本体宽度一致，形成复数无树脂毛坯10，切割机可以激光切割机或超声波切割机，如图9所示。

步骤S6：HP-RTM工序，HP-RTM工序由HP-RTM成型模具完成，HP-RTM成型模具由上模11、下模12、锁模器13、树脂注入管14、真空吸管15等组成，上模11和下模12形成复数模腔，每个模腔上下都与树脂注入管14和真空吸管15相连，模具内还有预热系统，在树脂注入前将HP-RTM成型模具预热到180°～210°以便树脂流动，先将复数无树脂毛坯10放入复数下模12模腔内，盖上上模11，并用锁模器13锁紧，锁模力为3600kN以上，然后通过真空吸管15抽出模腔中气泡、水分和小分子等，真空度要在0.2Pa以下，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂通过树脂注入管14注入模腔，树脂注入压力不低于160bar，进一步挤出模腔中的水等小分子，使纤维与树脂产生充分物理包裹结合，在物理包裹结合基础上高压高温使增强纤维和树脂的界面产生更多化学极性结合，甚至化学键结合，大幅提高增强纤维与树脂的界面结合，提高FRP复合材料板簧本体的性能，树脂注入后使模具保持420秒以使树脂和纤维固化成型，如图10所示。

步骤S7：卸料、定型工序，解开锁模器，打开模腔，模具的顶出机构将腔内成型的毛坯顶出，毛坯出模时温度比较高，马上装在固定夹具上，防止毛坯各向变形，冷却后形成定型半成品16，如图11所示。

步骤S8：后加工工序，切除定型半成品16在树脂注入管14和真空吸管15结合处遗留的凸起，并切除两端多余部分，在中部上下打中心盲孔171，中心盲孔深度为6mm，在两端打卷耳安装过孔172，形成FRP复合材料板簧本体成品17，完成本发明的制造工艺，如图12所示。

先在FRP复合材料板簧本体成品17涂上胶水后装上卷耳19，并用螺栓螺母固定，然后在卷耳内装上衬套18，最后上盖板20和下盖板21的内侧涂上胶水，并使其中心孔对准中心盲孔171，上盖板20和下盖板21固定在FRP复合材料板簧本体成品17，完成FRP复合材料板簧本体总成的安装，如图13所示。

工作原理

通过真空吸管15模腔中气泡、水分和小分子等，树脂注入压力不低于160bar，进一步挤出模腔中的水等小分子，使纤维与树脂产生充分物理包裹结合，同时，在物理包裹结合基础上高压高温使增强纤维和树脂的界面产生更多化学极性结合，甚至化学键结合，大幅提高增强纤维与树脂的界面结合，提高FRP复合材料板簧本体的性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (4)

1.一种FRP复合材料板簧本体制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：纤维布编织工序，纤维布由织布机拉动纤维并进行编织，根据FRP复合材料板簧的设计要求，编织不同角度纤维布；

步骤S2：纤维布叠层工序，将所述纤维布裁成长度相同而宽度不同的布块，根据FRP复合材料板簧的设计要求叠放在一起，中间纤维布最宽，上下纤维布从两端到中间纤维布的宽度成梯形递减变化，中间的纤维布最短，纤维布之间均匀撒有粘接剂，并将不同角度纤维布放到指定层，形成纤维布叠层；

步骤S3：叠层点焊工序，加热至150°～180°两个同轴等径的加热棒相对端面将所述纤维布叠层夹在中间，粘接剂受热后将纤维布与纤维布之间粘接在一起，形成焊点；

步骤S4：预成型工序，由预成型模具完成，形成纤维板；

步骤S5：切割工序，先将所述纤维板放在表面形状与所述纤维板内弓形状相同的垫板上，用切割机将所述纤维板切割成复数块，每块宽度与FRP复合材料板簧本体宽度一致，形成复数无树脂毛坯；

步骤S6：HP-RTM工序，由HP-RTM成型模具完成，将所述无树脂毛坯放入模腔内，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂注入模腔，并使模具保持设定时间以使树脂和纤维固化成型；

步骤S7：卸料、定型工序，打开所述模腔，取出成型毛坯，并立即装在固定夹具上，防止成型毛坯各向变形，冷却后形成定型半成品；

步骤S8：后加工工序，切除定型半成品上遗留的凸起，并切除两端多余部分，在中部上下打中心盲孔，在两端打卷耳安装过孔，形成FRP复合材料板簧本体成品；

步骤S6中，所述HP-RTM成型模具包括上模、下模、锁模器、树脂注入管及真空吸管；

所述上模和所述下模形成复数模腔，每个所述模腔上下都与树脂注入管和真空吸管相连，模具内还有预热系统，在树脂注入前将HP-RTM成型模具预热到180°～210°以便树脂流动；

将复数无树脂毛坯放入复数所述下模模腔内，盖上所述上模，并用锁模器锁紧，锁模力为3600kN以上，然后通过真空吸管使得所述模腔中真空度在0.2Pa以下，根据不同树脂特性调整树脂黏度，再将树脂通过树脂注入管注入所述模腔，树脂注入压力不低于160bar。

2.根据权利要求1所述的FRP复合材料板簧本体制造工艺，其特征在于，步骤S1中，所述织布机上设置有复数纱辊，所述纤维缠绕在所述纱辊上；不同所述纱辊上缠绕不同纤维。

3.根据权利要求1所述的FRP复合材料板簧本体制造工艺，其特征在于，步骤S3中，所述纤维布叠层四周焊点密度大于中间焊点密度；

所述加热棒为复数并排同时加热，在所述纤维布叠层的宽度方向的两端最薄，加热时间最短，而中部加热时间最长。

4.根据权利要求1所述的FRP复合材料板簧本体制造工艺，其特征在于，步骤S4中，所述预成型模具包括预成型上模、预成型下模及预热器；使模腔温度保持在150°～180°之间；

先将点焊后的纤维布叠层四周切除多余部分，使得点焊后的纤维布叠层大小与预成型模具内腔一致，然后将点焊后的纤维布叠层放入预成型下模，再装上预成型上模，加压使预成型上模和预成型下模合模，保持设定时间后从模腔中取出，模腔温度和压力使纤维布叠层纤维布之间粘接在一起，形成所述纤维板。