CN109795134B - 一种异形管成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异形管成型方法，利用高级烷烃相变材料制作内支撑体，通过在内支撑体上包覆气凝胶材料和乳胶薄膜以及连接气咀，使得在成型过程的热难以传导至内支撑体的同时适应热成型过程中的热胀，以得到形状偏差小、内表面光滑的异形管。

Description

一种异形管成型方法

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，具体涉及一种异形管成型方法。

背景技术

当前，碳纤维管材的成型方法主要有缠绕成型及内膨胀成型两大类：

缠绕成型是当前管材的主要成型方法，通过在金属材质的芯棒模具上缠绕碳纤维、外缠塑胶带定型、烘烤固化、抽出芯棒等工序可以获得综合性能良好的碳纤维管材。但是，受限于成型方法的基本原理，尤其缠绕碳纤维时的卷轧机及后期脱模时的抽芯过程，该方法只能加工直身管材，而对非直身的异形管材无法加工。

内膨胀成型则是另一大类的成型方法，具体操作上是将密封性能良好的尼龙类塑料封管套于金属芯棒上，在塑料封管上缠绕碳纤维预浸布，抽去金属芯棒后再放入模具上，然后在封管内吹入高压气体的同时进行加热固化，脱模后便可以获得所需的管材。该方法无需刚性的模芯，不存在脱模的限制，可以制作直身或者非直身的管材，但是，由于尼龙类的塑料封管的弹性变形能力差，膨胀后对外传递压力时其微小区域上的分辨率低，虽然可以在与模具接触的外表面可以获得良好的外观，但在塑料封管与碳纤维接触的内表面的光滑程度等外观效果却非常差，很难避免褶皱情况，其表面粗糙度基本只能达到Ra 50mm的级别。而且，对部分内表面并非规则平面的产品，例如，部分区域带小凹槽等的设计，该方法无法在该区域提供均匀的外张力，不能加工该类的管材产品。

当前，汽车轻量化设计过程中的一些碳纤维排气管，形状设计上具有内径不等、并非直身等特点；同时，为了降低气体紊流，提升发动机的排气平稳性，其内表面基本都要求低于Ra 20mm，因此，当前的常规工艺均很难满足这类产品的加工要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是为了提供一种尺寸偏差小、操作工艺可控的异形管加工方法。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种异形管成型方法，包括以下步骤：

1)制备内支撑体模具、外观模具，内支撑体模具内缩1-3mm的间隙；

2)用内支撑体模具成型出内支撑体，内支撑体的材质为熔点在60-70℃内的相变材料；

3)在内支撑体外喷涂隔热层，所述隔热层为有机硅气凝胶隔热层，所述隔热层的导热系数低于0.015w/m·k；

4)在隔热层外涂覆一层乳胶薄膜并在端部设置通气气咀；

5)在内支撑体外包覆碳纤维预浸布后置于外观模具，对碳纤维固化成型；

6)打开模具，剪开乳胶薄膜并向乳胶薄膜内吹入80-100℃热风至内支撑体熔融流出，得到异形管。

进一步地，所述内支撑体的材质优选为高级烷烃，尤其为C28-C35的烷烃。较优地可选择所述正二十八烷制成内支撑体。

进一步地，步骤3)中，隔热层的制备方法如下所示：

a)将甲基三乙氧基硅烷加水持续搅拌至形成连续相水凝胶；

b)将水凝胶置于超临界干燥装置内，干燥得到气凝胶粉末；

c)将气凝胶粉末与乙醇按1：0.05-0.3的重量比配成溶液，喷涂于内支撑体表面，干燥，得到隔热层。

隔热层能有效延缓固化成型时热的传导，从而使内支撑体保持固有形状，从而有效避免异形管变形。优选地，所述隔热层的厚度为0.1-0.2mm。

进一步地，乳胶薄膜的制备方法进一步地如下所示：

a)在硬质芯棒上涂覆一层脱模剂，并在金属芯棒上固定通气气咀；在内支撑体非关键部位插入该芯棒，并将内支撑体固定于芯棒上；

b)将内支撑体浸入乳胶液内5-10s后取出，置于干燥箱使用40-50℃热风进行处理，以硬质芯棒作为支撑以20-30rpm的速度旋转；

c)干燥后，取出硬质芯棒，得到包覆有乳胶薄膜的内支撑体。

通过缓慢旋转的方式，能有效避免乳胶薄膜在制作初期时因重力作用而厚薄不均匀。

进一步地，步骤5)中，使用20-40wt％的环氧树脂对纤维布进行预浸渍处理得到碳纤维预浸布。

进一步地，步骤5)中，碳纤维固化成型的方法为：通过通气气咀向乳胶薄膜内通气至气压为1-1.5MPa，同时加热至140-150℃。

进一步地，步骤6)中，利用热鼓风机向乳胶薄膜内吹入热风。

进一步地，步骤6)中，将熔融的内支撑体倒入外内支撑体模具。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1)本发明提供的方法综合使用高级烷烃相变材料的尺寸稳定性和相变性质、有机硅气凝胶的低导热系数和低厚度、乳胶的高延展性易脱模性，从而制得适合异形管材、内空腔结构的异形件的尺寸偏差小的加工方法；

2)本发明提供的成型方法不仅适用可适用于碳纤维产品、玻璃纤维、玄武纤维产品的异形管成型，还可适用于高分子材料注塑成型。

附图说明

图1为步骤四成型的内支撑体的结构示例图；

图2为步骤六去内支撑体后的异形管和乳胶薄膜结构示例图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

本发明提供一种异形管成型方法，包括以下步骤：

1)制备内支撑体模具、外观模具，内支撑体模具内缩1-3mm的间隙；

该步骤通过预设内缩，以为后其有的密封乳胶薄膜、隔热喷涂层及合模预留合适的空间；

2)用内支撑体模具成型出内支撑体，内支撑体的材质为熔点在60-70℃内的相变材料；

通过相变材质制成的内支撑体，以提供力学支撑，具有较；方便精密的定位定形，而超过相变温度时熔融流走，从而方便从异形零件内脱出；

3)在内支撑体外喷涂隔热层，所述隔热层为有机硅气凝胶隔热层，所述隔热层的导热系数低于0.015w/m·k；

隔热层主要防止内支撑体过早熔融，以避免高温固化时内支撑体变形；隔热层主要由有机硅胶烷材料制成，具有较佳的亲和性，对内支撑体无影响；

4)在隔热层外涂覆一层乳胶薄膜并在端部设置通气气咀；

利用乳胶薄膜形成柔韧性和密封性较佳，为后面的高温固化提供内膨胀力，同时防止内支撑体熔融流出对设备的影响；乳胶的材质选择可以是天然乳胶也可以是聚丁二烯、丁苯等合成乳胶；

5)在内支撑体外包覆碳纤维预浸布后置于外观模具，对碳纤维固化成型；

该步骤中，固化成型采用高压高热固化成型，气压控制在1-1.5，固化温度控制在140-150℃，固化时间为20-45min；

6)打开模具，剪开乳胶薄膜并向乳胶薄膜内吹入80-100℃热风至内支撑体熔融流出，得到异形管。

该步骤中，乳胶薄膜剪开之后，向膜内吹入热风，以使膜内的内支撑体熔融流出，而原内支撑体上的隔热层因其与乳胶薄膜的粘结力相对更大一些，所以，熔融后的内支撑体不会带有隔热层的材料，无污染，可重复利用。

以下为优选的具体实施方式

一、模具设计

设计外观模具及内支撑体模具各一套，外观模具的尺寸为际外观尺寸进行加工，材质为45号钢或P20钢材等；内支撑体模具的尺寸为减云碳纤维层厚度后再内缩1.0-3.0mm的间隙，材质可选用成本更低的铝合金。

二、内支撑体的制作

将正二十八烷加热至80℃，注入步骤一得到的内支撑体模具，冷却至60℃成型，取出，得到内支撑体。

三、隔热层的制作

1)以甲基三乙氧基硅烷为原材料，加水于40±2℃持续搅拌24小时，得到呈现小团状的非连续相水凝胶；

2)将上述水凝胶放入超临界干燥装置内，通过超临界干燥法得到气凝胶粉末。超临界条件为水介质的374.3℃、22.1MPa；

3)将气凝胶粉末与乙醇按照气凝胶粉末：乙醇＝1：0.1的重量百分比配成溶液，并喷涂在内支撑体表面设计接触碳纤维的区域，待乙醇蒸发后形成0.1-0.2mm隔热层。

四、乳胶薄膜的制备

1)在金属芯棒上涂覆一层脱模剂，并在金属芯棒上固定尼龙材质的通气气咀；在内支撑体末端未涂覆插入该芯棒，气咀与内支撑体的距离为0.1-1mm；

b)将内支撑体浸入乳胶液内8s后取出，气咀部分浸入乳胶液中，置于干燥箱使用40-50℃热风进行处理，以金属芯棒为轴以25rpm的速度旋转；

c)干燥后，取出硬质芯棒，得到包覆有乳胶薄膜的内支撑体。完成的内支撑体示例如图1所示。

五、碳纤维成型

在内支撑体表面按照零件设计包覆碳纤维预浸布，碳纤维预浸布为编织布，表面预浸有30％重量比的环氧树脂；

将已经包裹有碳纤维预浸布的内支撑体放入外观模具上，通入高压气体，同时对模具加热使碳纤维固化成型，通过气咀往乳胶薄膜内通入的气压为1.2MPa，固化温度为145℃，固化时间为30min。

六、除内支撑体

打开模具将产品取出，将气嘴附近的乳胶薄膜剪开后将开口朝下，利用热鼓风机往内吹入热风，热风的温度控制在80-100℃之间，烷烃材质的内支撑体会逐渐熔融并流出，为了进一步提高生产效率，实现循环式生产，可以将内支撑体的模具置于气嘴开口下方并接住流出的熔融态烷烃，待其固化后便可进入下一循环生产周期。同时，由于喷涂的气凝胶薄膜与乳胶的粘合力远大于与内支撑体间的粘合力，基本不会有气凝胶成分进入熔融的烷烃中，因此不会明显改变烷烃的热特性，从而使得烷烃可以重复利用，成型后的内支撑体胶膜与成型件的结构如图2所示。

失去内支撑体支撑的乳胶膜，其厚度薄、弹性好，可以直接在异形件内取出，从而最终获得内表面光滑的异形件产品。

采用此方法加工的异性管材等产品，基本不受产品的形状所限，而且内表面的光洁度及平整度均可以达到非常高的水平。同时，方法内可以实现循环式生产，具有非常高的操作性。这些都是当前的工艺方法难以达到的。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种异形管成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备内支撑体模具、外观模具，内支撑体模具内缩1-3mm的间隙；

2)用内支撑体模具成型出内支撑体，内支撑体的材质为熔点在60-70℃内的相变材料；

3)在内支撑体外喷涂隔热层，所述隔热层为有机硅气凝胶隔热层，所述隔热层的导热系数低于0.015w/m·k；

隔热层由以下步骤制得： a)将甲基三乙氧基硅烷加水持续搅拌至形成连续相水凝胶；

b)将水凝胶置于超临界干燥装置内，干燥得到气凝胶粉末；

c)将气凝胶粉末与乙醇按1：0.05-0.3的重量比配成溶液，喷涂于内支撑体表面，干燥，得到隔热层；

4)在隔热层外涂覆一层乳胶薄膜并在端部设置通气气咀；

5)在内支撑体外包覆碳纤维预浸布后置于外观模具，对碳纤维固化成型；

6)打开模具，剪开乳胶薄膜并向乳胶薄膜内吹入80-100℃热风至内支撑体熔融流出，得到异形管。

2.如权利要求1所述的异形管成型方法，其特征在于，所述内支撑体由正二十八烷制成。

3.如权利要求1所述的异形管成型方法，其特征在于，所述隔热层的厚度为0.1-0.2mm。

4.如权利要求1所述的异形管成型方法，其特征在于，步骤4)的具体如下：

a)在金属芯棒上涂覆一层脱模剂，并在金属芯棒上固定通气气咀；在内支撑体非关键部位插入该金属芯棒，并将内支撑体固定于金属芯棒上；

b)将内支撑体浸入乳胶液内5-10s后取出，置于干燥箱使用40-50℃热风进行处理，以金属芯棒作为支撑以20-30rpm的速度旋转； c)干燥后，取出金属芯棒，得到包覆有乳胶薄膜的内支撑体。

5.如权利要求1所述的异形管成型方法，其特征在于，步骤5)中，使用20-40wt％的环氧树脂对纤维布进行预浸渍处理得到碳纤维预浸布。

6.如权利要求1所述的异形管成型方法，其特征在于，步骤5)中，碳纤维固化成型的方法为：通过通气气咀向乳胶薄膜内通气至气压为1-1.5MPa，同时加热至140-150℃。

7.如权利要求1所述的异形管成型方法，其特征在于，步骤6)中，利用热鼓风机向乳胶薄膜内吹入热风。

8.如权利要求1所述的异形管成型方法，其特征在于，步骤6)中，将熔融的内支撑体倒入外内支撑体模具。

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