CN109760340B - 连续纤维复合材料增强金属基的制备方法及制造模具 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种连续纤维复合材料增强金属基的制造模具，所述制造模具包括下模、上模和用于支撑连续纤维复合材料的镶块，所述下模构造为凹模，所述上模构造为与所述凹模相配合的凸模，所述下模的至少部分构造成沿上下方向贯通的空腔结构，所述镶块可活动地设置于所述空腔结构且能够靠近或者远离所述上模，所述上模和/或所述下模设置有第一冷却管路以冷却金属基，所述镶块设置有第二冷却管路和加热管路以冷却或者加热所述连续纤维复合材料；所述制造模具具有所述上模的至少部分伸入所述空腔结构的成型位置，以及所述上模由所述空腔结构中脱离的非成型位置。该制造模具解决了连续纤维复合材料增强金属基的成型期较长的问题。

Description

连续纤维复合材料增强金属基的制备方法及制造模具

技术领域

本公开涉及金属复合材料技术领域，具体地，涉及一种连续纤维复合材料增强金属基的制备方法及制造模具。

背景技术

目前得到广泛应用的两类轻量化材料，一是高/超高强度钢板，因其存在成型工艺复杂、制造成本高、所需成型力大等问题，限制了其轻量化潜能的发挥；二是碳纤维复合材料，其虽然具有较高的比强度、比刚度及低密度，但其延伸率低、断裂韧性差、生产周期长及原材料成本高，很大程度上限制了其在轻量化领域的应用。而将钢板和碳纤维预浸料胚组合成复合材料板胚，可以很好地实现两种异质组分材料的匹配设计和优势互补，从而在满足刚度、强度的前提下尽可能实现轻量化。

相关技术中，纤维增强金属复合材料的制造模具存在结构复杂、产品的生产周期较长的问题。

发明内容

本公开的目的是提供一种连续纤维复合材料增强金属基的制造模具，该制造模具解决了连续纤维复合材料增强金属基的成型期较长的问题。

为了实现上述目的，本公开提供一种连续纤维复合材料增强金属基的制造模具，所述制造模具包括下模、上模和用于支撑连续纤维复合材料的镶块，所述下模构造为凹模，所述上模构造为与所述凹模相配合的凸模，所述下模的至少部分构造成沿上下方向贯通的空腔结构，所述镶块可活动地设置于所述空腔结构且能够靠近或者远离所述上模，所述上模和/或所述下模设置有第一冷却管路以冷却金属基，所述镶块设置有第二冷却管路和加热管路以冷却或者加热所述连续纤维复合材料；

所述制造模具具有所述上模的至少部分伸入所述空腔结构的成型位置，以及所述上模由所述空腔结构中脱离的非成型位置。

可选地，所述镶块包括可分离或者结合的第一镶块和第二镶块，所述第一镶块和所述第二镶块可活动地设置于所述空腔结构，所述第一镶块用于支撑所述连续纤维复合材料，并且所述第一镶块相对所述第二镶块靠近所述上模，所述第二冷却管路设置在所述第一镶块内，所述加热管路设置在所述第二镶块内。

可选地，所述第二冷却管路的数量为多条，且均匀分布在所述第一镶块内，所述加热管路的数量为多条，且均匀分布在所述第二镶块内。

可选地，所述制造模具还包括可伸缩的第一支撑件，所述第一支撑件分别与所述第一镶块和所述第二镶块连接并用于支撑所述第一镶块。

可选地，所述制造模具还包括可伸缩的第二支撑件，所述第二支撑件设置在所述第二镶块的下表面并用于支撑所述第二镶块。

可选地，所述第一镶块设置有用于放置所述连续纤维复合材料的安装槽，该安装槽朝向所述上模的一侧敞开。

本公开还提供一种连续纤维复合材料增强金属基的制备方法，所述方法包括：

分离上模和下模，向所述上模和/或所述下模中的第一冷却管路通入冷却介质，将连续纤维复合材料放置在所述下模的镶块上并在所述镶块内的第二冷却管路中通入冷却介质；

将加热至热成型温度的金属基放置于所述下模的上表面，控制所述上模向下移动以挤压并成型该金属基；

向所述镶块内的加热管路内通入加热介质，待所述金属基的温度下降至预设温度时，推动所述镶块向上移动，以使所述连续纤维复合材料与所述金属基贴紧；

待所述连续纤维复合材料固化后，取出成型的产品。

可选地，所述镶块包括可分离或者结合的第一镶块和第二镶块，所述第一镶块和所述第二镶块可活动地设置于所述下模的空腔结构，所述第一镶块用于支撑所述连续纤维复合材料，并且所述第一镶块相对所述第二镶块靠近于所述上模，所述第二冷却管路设置在所述第一镶块内，所述加热管路设置在所述第二镶块内；

所述向所述镶块内的加热管路内通入加热介质，待所述金属基的温度下降至预设温度时，推动所述镶块向上移动，以使所述连续纤维复合材料与所述金属基贴紧的步骤包括：

停止向所述第一镶块的所述第二冷却管路中通入冷却介质，并向所述第二镶块中的所述加热管路中通入加热介质。

可选地，所述加热介质为油，且油温范围为170～180℃。

可选地，在所述待所述连续纤维复合材料固化后，取出成型的产品的步骤之前，所述制备方法还包括：

再次向所述第一镶块的所述第二冷却管路中通入冷却介质。

通过上述技术方案，通过在镶块内设置有第二冷却管路，可以利用第二冷却管路中的冷却介质使连续纤维复合材料保持适宜温度，同时，镶块内还设置有加热管路，用以通入加热介质，在上模和/或下模设置有第一冷却管路以降低金属基的温度，当制造模具处于成型位置时，金属基与连续纤维复合材料贴合，避免金属基温度过高对连续纤维复合材料的性能造成不利影响，而连续纤维复合材料在加热管路的作用下升高温度，使得连续纤维复合材料可以快速固化，也就是快速粘接在金属基的表面，从而极大缩短了产品的成型周期。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为本公开示例性实施方式提供的制造模具的结构示意图，其中，该制造模具处于开模状态；

图2为本公开示例性实施方式提供的制造模具另一种视角的结构示意图，其中，该制造模具处于合模状态；

图3为本公开示例性实施方式提供的镶块、第一支撑件和第二支撑件的结构示意图；

图4为本公开示例性实施方式提供的制造模具所制成产品的结构示意图。

附图标记说明

1 上模 2 下模

3 第一镶块 4 第二镶块

5 金属基 6 连续纤维复合材料

7 第一支撑件 8 第二支撑件

21 第一冷却管路 31 第二冷却管路

32 安装槽 41 加热管路

42 槽

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

本公开中，在未做相反说明的情况下，术语名词“上、下”是指产品处于使用时惯常摆放的方位或位置关系，可以理解为沿重力方向的上、下，也与附图中图面的“上、下”相对应；“内”是指相对于部件或结构本身轮廓的“内”。此外，需要说明的是，所使用的术语如“第一”、“第二”等是为了区别一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。

参阅图1，本公开的实施方式提供一种连续纤维复合材料增强金属基的制造模具，该制造模具包括下模2、上模1和用于支撑连续纤维复合材料6的镶块，下模2构造为凹模，上模1构造为与凹模相配合的凸模，下模2的至少部分构造成沿上下方向贯通的空腔结构，镶块可活动地设置于空腔结构且能够靠近或者远离上模1，上模1和/或下模2设置有第一冷却管路21以冷却金属基5，镶块内设置有第二冷却管路31和加热管路41以冷却或者加热连续纤维复合材料6，制造模具具有上模1的至少部分伸入空腔结构的成型位置(合模状态)以及上模1由空腔结构中脱离的非成型位置(开模状态)。

其中，连续纤维复合材料6为连续纤维预浸料，连续纤维可以为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维，树脂基体可以为环氧树脂、聚氨酯、乙烯基树脂。

发明人在研究中发现，由于连续纤维复合材料6中的树脂基体在常温时较稳定，在升温状态下会快速固化，通过在镶块内设置有第二冷却管路31，可以利用第二冷却管路31中的冷却介质使连续纤维复合材料6保持适宜温度，同时，镶块内还设置有加热管路41，用以通入加热介质，在上模1和/或下模2设置有第一冷却管路21以降低金属基5的温度，当制造模具处于成型位置时，金属基5与连续纤维复合材料6贴合，避免金属基5温度过高对连续纤维复合材料6的性能造成不利影响，而连续纤维复合材料6在加热管路41的作用下升高温度，使得连续纤维材料可以快速固化，也就是快速粘接在金属基5的表面，从而极大缩短了产品的成型周期。

本公开的实施方式中，金属基5可以为钢板。

参阅图1和图2，其中，第一冷却管路21可以设置在上模1或下模2，也可以分别在上模1或下模2中设置第一冷却管路21，第一冷却管路21和第二冷却管路31中通入的冷却介质可以为常温水，例如温度为18-25℃的水。

参阅图3，本公开的实施方式中，镶块包括可分离或者结合的第一镶块3和第二镶块4，第一镶块3和第二镶块4可活动地设置于空腔结构，第一镶块3用于支撑连续纤维复合材料6，第一镶块3相对第二镶块4靠近上模1，第二冷却管路31设置在第一镶块3内，加热管路41设置在第二镶块4内，由于第一镶块3和第二镶块4可相对分离或者结合，当连续纤维复合材料6放置在第一镶块3上时，此时，金属基5未与连续纤维复合材料6贴合，也就是金属基5与连续纤维复合材料6处于分离状态，第一镶块3的第二冷却管路31可通入冷却介质以保持连续纤维复合材料6的状态稳定，当金属基5与连续纤维复合材料6贴合时，此时，第二镶块4内的加热管路41通入加热介质，从而对第一镶块3进行加热，进而快速对连续纤维复合材料6进行加热，以加速连续纤维复合材料6的固化，以缩短产品的成型周期。

其中，该加热介质可以采用油，且油温范围可以为170～180℃，一方面可以加快连续纤维复合材料6的升温，另一方面该油温能够避免高温影响连续纤维复合材料6的性能。

参阅图3，本公开的实施方式中，第二镶块4的朝向上模1的一侧设置有槽42，该槽42的面向上模1的一侧敞开，第一镶块3可活动地设置在槽42内，并且第一镶块3能够相对靠近或者远离上模1，第一镶块3可设置于棱柱状，上述的分离是指第一镶块3相对第二镶块4分离，即是指第一镶块3的至少部分脱离槽42，上述的结合是指第一镶块3位于第二镶块4内并与第二镶块4的内壁贴合，可以理解，第一镶块3的体积小于第二镶块4，由于第一镶块3体积较小，当第一镶块3与第二镶块4分离时，第二镶块4内即可通入加热介质，此时，加热管路41中的加热介质不会对连续纤维复合材料6升温固化，当第一镶块3与第二镶块4结合时，第一镶块3则可对连续纤维复合材料6进行升温，整个制造过程中第二镶块4的加热管路41可以始终保持通入加热介质，无需频繁启闭加热管路41，有利于缩短产品的成型周期。进一步地，当第一镶块3与第二镶块4结合时，此时，第一镶块3内的第二冷却管路31停止输入冷却介质，有利于进一步提高第一镶块3的升温速度，从而加速对连续纤维复合材料6进行升温。

本公开的实施方式中，第二冷却管路31的数量可以为多条，且均匀分布在第一镶块3内，在金属基5与连续纤维复合材料6结合前，有利于保持连续纤维复合材料6的温度；加热管路41的数量为多条，且均匀分布在第二镶块4内，多条加热管路41有利于快速对第一镶块3进行升温，从而加速连续纤维复合材料6的升温，以缩短产品的成型周期。

参阅图1，本公开的实施方式中，该制造模具还包括可伸缩的第一支撑件7，第一支撑件7分别与第一镶块3和第二镶块4连接并用于支撑第一镶块3，在第一支撑件7的作用下，可以使第一镶块3相对第二镶块4分离；可选地，第一支撑件7可以为氮气弹簧，并且，第一支撑件7的数量可以为多个，以稳定地对第一镶块3进行支撑。

参阅图2，本公开的实施例方式中，该制造模具还包括可伸缩的第二支撑件8，第二支撑件8设置在第二镶块4的下表面并用于支撑第二镶块4，在第二支撑件8的作用下，第二镶块4连同第一镶块3可靠近或者远离上模1，以使连续纤维复合材料6与金属基5贴合。

参阅图3，本公开的实施方式中，第一镶块3设置有用于放置连续纤维复合材料6的安装槽32，该安装槽32朝向上模1的一侧敞开。其中，该安装槽32的截面形状可以设置为梯形，以与成型后的金属基5相配合，有利于增强产品的强度和刚度。

本公开的实施方式还提供一种连续纤维复合材料,增强金属基的制备方法，参阅图1、图2和图4，该方法包括：

S100，离上模1和下模2，向上模1和/或下模2中的第一冷却管路21通入冷却介质，将连续纤维复合材料6放置在下模2的镶块上并在镶块内的第二冷却管路31中通入冷却介质；

S110，将加热至热成型温度的金属基5放置于下模2的上表面，控制上模1向下移动以挤压并成型该金属基5；

S120，向镶块内的加热管路41内通入加热介质，待金属基5的温度下降至预设温度时，推动镶块向上移动，以使连续纤维复合材料6与金属基5贴紧；

S130，待连续纤维复合材料6固化后，取出成型的产品。

其中，上模1构造成凸模，下模2构造成凹模，生产时，将上模1和下模2分开，并将连续纤维复合材料6放置在镶块上并使镶块向下移动，上模1和下模2均接通常温水，镶块内通入常温水，将金属基5加热至热成型温度，其中，热成型温度的范围可以为800～900℃，并将金属基5放置在线的上表面，控制上模1向下移动，在上模1和下模2的作用下成型金属基5，在第一冷却管路21的作用下使金属基5降至预设温度，此时，停止向第二冷却管路31中通入冷却介质，通过镶块内的加热管路41通入加热介质，控制镶块向上移动，使连续纤维复合材料6与金属基5贴紧，连续纤维复合材料6在加热介质的作用下固化并粘接在金属基5上，待其固化后，从而上模1和下模2之间取出产品即可。

根据上述可知，该制造方法中，金属基5和连续纤维复合材料6各自的成型期错开，也就是金属基5的成型期在先，连续纤维复合材料6的成型期在后，一方面，这样避免了处于热成型温度的金属基5对连续纤维复合材料6的不利影响，也就是高温会使得连续纤维复合材料6中的树脂基体降解，对连续纤维复合材料6的性能造成不利影响；另一方面，通过镶块内的加热管路41对连续纤维复合材料6进行快速升温，有利于加快连续纤维复合材料6的固化速度，缩短产品的成型周期。

参阅图3，本公开的实施方式中，镶块包括可分离或者结合的第一镶块3和第二镶块4，第一镶块3和第二镶块4可活动地设置于下模2的空腔结构，第一镶块3用于支撑连续纤维复合材料6，并且第一镶块3相对第二镶块4靠近于上模1，第二冷却管路31设置在第一镶块3内，加热管路41设置在第二镶块4内，其中，步骤S120包括：停止向第一镶块3的第二冷却管路31中通入冷却介质，并向第二镶块4中的加热管路41中通入加热介质，有利于进一步提高第一镶块3的升温速度，从而加速对连续纤维复合材料6进行升温，缩短了产品的成型周期。

本公开的实施方式中，步骤S1130包括：再次向第一镶块3的第二冷却管路31中通入冷却介质，以对产品降温。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (8)

1.一种连续纤维复合材料增强金属基的制备方法，其特征在于，所述方法应用于一种连续纤维复合材料增强金属基的制造模具，

所述制造模具包括：

下模（2）、上模（1）和用于支撑连续纤维复合材料（6）的镶块，所述下模（2）构造为凹模，所述上模（1）构造为与所述凹模相配合的凸模，所述下模（2）的至少部分构造成沿上下方向贯通的空腔结构，所述镶块可活动地设置于所述空腔结构且能够靠近或者远离所述上模（1），所述上模（1）和/或所述下模（2）设置有第一冷却管路（21）以冷却金属基（5），所述镶块设置有第二冷却管路（31）和加热管路（41）以冷却或者加热所述连续纤维复合材料（6）；

所述制造模具具有所述上模（1）的至少部分伸入所述空腔结构的成型位置，以及所述上模（1）由所述空腔结构中脱离的非成型位置；

所述方法包括：

分离上模（1）和下模（2），向所述上模（1）和/或所述下模（2）中的第一冷却管路（21）通入冷却介质，将连续纤维复合材料（6）放置在所述下模（2）的镶块上并在所述镶块内的第二冷却管路（31）中通入冷却介质；

将加热至热成型温度的金属基（5）放置于所述下模（2）的上表面，控制所述上模（1）向下移动以挤压并成型该金属基（5）；

向所述镶块内的加热管路（41）内通入加热介质，待所述金属基（5）的温度下降至预设温度时，推动所述镶块向上移动，以使所述连续纤维复合材料（6）与所述金属基（5）贴紧；

待所述连续纤维复合材料（6）固化后，取出成型的产品。

2.根据权利要求1所述的连续纤维复合材料增强金属基的制备方法，其特征在于，所述镶块包括可分离或者结合的第一镶块（3）和第二镶块（4），所述第一镶块（3）和所述第二镶块（4）可活动地设置于所述下模（2）的空腔结构，所述第一镶块（3）用于支撑所述连续纤维复合材料（6），并且所述第一镶块（3）相对所述第二镶块（4）靠近于所述上模（1），所述第二冷却管路（31）设置在所述第一镶块（3）内，所述加热管路（41）设置在所述第二镶块（4）内；

所述向所述镶块内的加热管路（41）内通入加热介质，待所述金属基（5）的温度下降至预设温度时，推动所述镶块向上移动，以使所述连续纤维复合材料（6）与所述金属基（5）贴紧的步骤包括：

停止向所述第一镶块（3）的所述第二冷却管路（31）中通入冷却介质，并向所述第二镶块（4）中的所述加热管路（41）中通入加热介质。

3.根据权利要求2所述的连续纤维复合材料增强金属基的制备方法，其特征在于，所述第二冷却管路（31）的数量为多条，且均匀分布在所述第一镶块（3）内，所述加热管路（41）的数量为多条，且均匀分布在所述第二镶块（4）内。

4.根据权利要求2所述的连续纤维复合材料增强金属基的制备方法，其特征在于，所述制造模具还包括可伸缩的第一支撑件（7），所述第一支撑件（7）分别与所述第一镶块（3）和所述第二镶块（4）连接并用于支撑所述第一镶块（3）。

5.根据权利要求2所述的连续纤维复合材料增强金属基的制备方法，其特征在于，所述制造模具还包括可伸缩的第二支撑件（8），所述第二支撑件（8）设置在所述第二镶块（4）的下表面并用于支撑所述第二镶块（4）。

6.根据权利要求2所述的连续纤维复合材料增强金属基的制备方法，其特征在于，所述第一镶块（3）设置有用于放置所述连续纤维复合材料（6）的安装槽（32），该安装槽（32）朝向所述上模（1）的一侧敞开。

7.根据权利要求2所述的连续纤维复合材料增强金属基的制备方法，其特征在于，所述加热介质为油，且油温范围为170~180℃。

8.根据权利要求2所述的连续纤维复合材料增强金属基的制备方法，其特征在于，在所述待所述连续纤维复合材料（6）固化后，取出成型的产品的步骤之前，所述制备方法还包括：

再次向所述第一镶块（3）的所述第二冷却管路（31）中通入冷却介质。

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