CN110328871B - 一种高铁复合材料车身自动化成型方法 - Google Patents

一种高铁复合材料车身自动化成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高铁复合材料车身自动化成型方法，包括以下步骤（1）首先对车身筒形截面进行分区处理，将车身划分为具有不同截面形状的多型腔碳纤维复合材料结构；（2）通过拉挤设备进行拉挤成型高铁用的多型腔碳纤维复合材料；（3）通过定位夹持工装实现相邻高铁车身复合材料组合体的定位和胶接；（4）通过缠绕加强层的成型装置进行缠绕，沿高铁车身组合体的长度方向完成环向与±45°方向增强层的成型；（5）采用喷丸的表面处理方式；（6）对碳纤维复合材料高铁车身的表面进行涂装喷涂处理。本发明满足了自动化车身整体化、自动化成型，大大降低了连接件数量，保证了车身结构的可靠性、安全性和舒适性完成高铁车身的自动化成型。

Description

一种高铁复合材料车身自动化成型方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料自动化成型领域，特别涉及一种高铁复合材料车身自动化成型方法。
背景技术
高速动车组车体是可以视为筒形整体承载结构。目前，高速动车组车体大多数采用全承载式铝合金结构，全承载式铝合金车体由底架、侧墙、车顶、端墙以及司机室几大部分组成，各个组成部分由大型铝合金挤压型材进行拼焊，各个组成部分之间进行焊接连接。这种全承载式铝合金车体承载着高速动车组运行过程中的所有载荷，对于高速动车组来说，车体刚度特性的性能，直接影响动车组车体的安全性、可靠性以及舒适性等关键指标。
而目前金属材料制造的传统结构列车在不断提高速度的同时，加大了振动、冲击、阻力、噪声问题的解决难度。并且在应对诸如高原、沙漠、高温、高寒及高海拔等复杂多变的服役环境时，现有材料显得越来越力不从心。铝合金车体存在应力腐蚀、外表处理困难、焊接要求高、疲劳强度低的问题；不锈钢车体存在封闭性、局部屈曲、焊接变形等问题；碳钢车体存在易腐蚀、不利于轻量化、焊接变形大等问题。与传统的轨道车辆材料（例如，钢、铝等）相比，碳纤维复合材料在轻量化、节能、电磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有较强的优势和较突出的特点。例如，采用碳纤维复合材料制作的司机室头罩具有优良的抗冲击性能，能承受350kN的静载荷，可以抵挡1kg铝弹的660km/h的高速冲击；高速列车车体和转向架采用碳纤维复合材料可实现减重49%，带来的轻量化和节能效果显著。
发明内容
本发明提供一种高铁复合材料车身自动化成型方法，本针对高铁车身形状/结构特点，实现大长度型材的自动化成型。通过模块化复合材料型材和胶接的方式完成组装，在此基础上通过缠绕的方法在其表面进行环向纤维缠绕成型并固化，从而解决拉挤型材横向结合能力弱的缺点。自动化车身整体化、自动化成型，大大降低了连接件数量，保证了车身结构的可靠性、安全性和舒适性完成高铁车身的自动化成型。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种高铁复合材料车身自动化成型方法，包括以下步骤
（1）将高铁车身可视为筒形整体承载结构，首先对车身筒形截面进行分区处理，将车身划分为具有不同截面形状的多型腔碳纤维复合材料结构；该结构具有特定的截面形状结构多型腔而增加其抗弯刚度形状而长度等于车身长度（一般为10~20米）的特点。
（2）基于步骤1的分区结果，通过拉挤设备进行拉挤成型高铁用的多型腔碳纤维复合材料；其中多型腔碳纤维复合材料结构的拉挤设备包括纱架、导纱器、树脂胶槽、热压成型模具、牵引装置和裁切装置；
（3）完成组成高铁车身的各截面形状碳纤维复合材料组合体的拉挤成型后，通过定位夹持工装实现相邻高铁车身复合材料组合体的定位和胶接；
（4）将组合体定位并胶接完成后的高铁车身组合体安装至旋转主轴上，通过缠绕加强层的成型装置进行缠绕，沿高铁车身组合体的长度方向完成环向与±45°方向增强层的成型；
（5）采用喷丸的表面处理方式，对碳纤维复合材料高铁车身的表面进行喷丸处理，增加其表面粗糙度，提高表面涂装与车身粘结质量；
（6）对碳纤维复合材料高铁车身的表面进行涂装喷涂处理。
作为本发明的进一步改进在于：所述步骤（3）中相邻的高铁车身组合体胶接所用的胶体是采用低温固化结构胶，其固化温度为70-80℃，时间是1.5-2小时。
作为本发明的进一步改进在于：所述步骤（3）中采用的定位夹持工装由分瓣式装夹结构组成，每片装夹机构一端设计有与对应组合体内部型腔相配合的楔形塞块，而其末端连接在可沿组合体长度方向移动的定位主轴上，两端夹持装配配合使用完成组合体的相互定位。
作为本发明的进一步改进在于：所述步骤中采用T300-3K碳纤维，高温环氧树脂为基体，所述树脂胶槽采用电加热的方式实现加热温度在40℃-90℃；热压成型模具的成型压力0-7MPa，成型温度在120℃-200℃，以实现良好的固化质量；拉挤成型最大牵引速度1m/min。
作为本发明的进一步改进在于：所述步骤中采用干法缠绕成型工艺，以单向碳纤维预浸料为原料完成环向及±45°增强层的成型；缠绕纤维张力为10N，缠绕速度为20m/min，采用红外灯辐照固化加热的方式对缠绕层进行固化，所述固化时间小于等于5小时。
作为本发明的进一步改进在于：所述步骤中采用的缠绕加强层的成型装置位于所述定位夹持工装旁，所述缠绕加强层的成型装置包括机床支架；滑动在所述机床支架上的移动机构，所述移动机构上固定设有缠绕操作面板，所述缠绕操作面板上设有若干个缠绕辊机构；每个所述缠绕辊机构旁设有张力控制机构。
本发明的有益效果是：由于彼此间是依靠胶接连接，此时的车身并不满足相应的承压及车身的抗剪切性能。因此，满足车身的结构性要求，将组合体定位成型装置以及胶接完成的组合体整体安装至旋转主轴上，利用缠绕成型方式；而解决拉挤型材横向结合能力弱的缺点。满足了自动化车身整体化、自动化成型，大大降低了连接件数量，保证了车身结构的可靠性、安全性和舒适性完成高铁车身的自动化成型。
附图说明
图1 是本发明的高铁车身组合体的结构示意图；
图2 是分区后碳纤维复合材料车身组合体1-1示意图；
图3 是多型腔碳纤维复合材料结构的拉挤设备的结构示意图；
图4 是多根多型腔组合体拼接接头示意图；
图5 是本发明的定位夹持工装的结构示意图；
图6 是多根多型腔组合体安装示意图；
图7是缠绕加强层的成型装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：
如图1-7所示：一种高铁复合材料车身自动化成型方法，包括以下步骤
（1）将高铁车身可视为筒形整体承载结构，首先如图1所示对车身筒形截面进行分区处理，分别设有组合体1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8；将车身划分为具有不同截面形状的多型腔碳纤维复合材料结构；
（2）基于步骤1的分区结果，通过拉挤设备进行拉挤成型高铁用的多型腔碳纤维复合材料；其中多型腔碳纤维复合材料结构的拉挤设备包括纱架1、导纱器2、树脂胶槽3、热压成型模具4、牵引装置5和裁切装置6；：采用T300-3K碳纤维，高温环氧树脂为基体，所述树脂胶槽采用电加热的方式实现加热温度在40℃-90℃；热压成型模具的成型压力0-7MPa，成型温度在120℃-200℃，以实现良好的固化质量；拉挤成型最大牵引速度1m/min。
通过拉挤设备进行依次的制作裁切成需要的组合体。
（3）完成组成高铁车身的各截面形状碳纤维复合材料组合体的拉挤成型后，通过定位夹持工装实现相邻高铁车身复合材料组合体的定位和胶接；采用的定位夹持工装由分瓣式装夹结构组成，每片装夹机构31一端设计有与对应组合体内部型腔相配合的楔形塞块32，而其末端连接在可沿组合体长度方向移动的定位主轴33上，两端夹持装配配合使用完成组合体的相互定位。
相邻的高铁车身组合体胶接所用的胶体是采用低温固化结构胶，其固化温度为70-80℃，时间是1.5-2小时。
（4）将组合体定位并胶接完成后的高铁车身组合体安装至旋转主轴上，通过缠绕加强层的成型装置进行缠绕，沿高铁车身组合体的长度方向完成环向与±45°方向增强层的成型；采用干法缠绕成型工艺，以单向碳纤维预浸料为原料完成环向及±45°增强层的成型；缠绕纤维张力为10N，缠绕速度为20m/min，采用红外灯辐照固化加热的方式对缠绕层进行固化，所述固化时间小于等于5小时。
采用的缠绕加强层的成型装置位于所述定位夹持工装旁，所述缠绕加强层的成型装置包括机床支架41；滑动在所述机床支架41上的移动机构42，所述移动机构42上固定设有缠绕操作面板43，所述缠绕操作面板43上设有若干个缠绕辊机构44；每个所述缠绕辊机构44旁设有张力控制机构45。
加强层的碳纤维依次经过缠绕辊机构并通过张力控制机构45实现张紧力，保证输送到定位夹持工装上的组合体进行稳定的缠绕，利用移动机构实现缠绕操作板43的横向运动，保证加工的精细度，配合不同的加工要求。
（5）采用喷丸的表面处理方式，对碳纤维复合材料高铁车身的表面进行喷丸处理，增加其表面粗糙度，提高表面涂装与车身粘结质量；
（6）对碳纤维复合材料高铁车身的表面进行涂装喷涂处理。

Claims (6)

1.一种高铁复合材料车身自动化成型方法，其特征在于：包括以下步骤
（1）将高铁车身可视为筒形整体承载结构，首先对车身筒形截面进行分区处理，将车身划分为具有不同截面形状的多型腔碳纤维复合材料结构；
（2）基于步骤1的分区结果，通过拉挤设备进行拉挤成型高铁用的多型腔碳纤维复合材料；其中多型腔碳纤维复合材料结构的拉挤设备包括纱架（1）、导纱器（2）、树脂胶槽（3）、热压成型模具（4）、牵引装置（5）和裁切装置（6）；
（3）完成组成高铁车身的各截面形状碳纤维复合材料组合体的拉挤成型后，通过定位夹持工装实现相邻高铁车身复合材料组合体的定位和胶接；
（4）将组合体定位并胶接完成后的高铁车身组合体安装至旋转主轴上，通过缠绕加强层的成型装置进行缠绕，沿高铁车身组合体的长度方向完成环向与±45°方向增强层的成型；
（5）采用喷丸的表面处理方式，对碳纤维复合材料高铁车身的表面进行喷丸处理，增加其表面粗糙度，提高表面涂装与车身粘结质量；
（6）对碳纤维复合材料高铁车身的表面进行涂装喷涂处理。
2.根据权利要求1所述的一种高铁复合材料车身自动化成型方法，其特征在于：所述步骤（3）中相邻的高铁车身组合体胶接所用的胶体是低温固化结构胶，其固化温度为70-80℃，时间是1.5-2小时。
3.根据权利要求1所述的一种高铁复合材料车身自动化成型方法，其特征在于：所述步骤（3）中采用的定位夹持工装由分瓣式装夹结构组成，每片装夹机构（31）一端设计有与对应组合体内部型腔相配合的楔形塞块（32），而其末端连接在可沿组合体长度方向移动的定位主轴（33）上，两端夹持装配配合使用完成组合体的相互定位。
4.根据权利要求1所述的一种高铁复合材料车身自动化成型方法，其特征在于：所述步骤（2）中采用T300-3K碳纤维，高温环氧树脂为基体，所述树脂胶槽采用电加热的方式实现加热温度在40℃-90℃；热压成型模具的成型压力0-7MPa，成型温度在120℃-200℃，以实现良好的固化质量；拉挤成型最大牵引速度1m/min。
5.根据权利要求1所述的一种高铁复合材料车身自动化成型方法，其特征在于：所述步骤（4）中采用干法缠绕成型工艺，以单向碳纤维预浸料为原料完成环向及±45°增强层的成型；缠绕纤维张力为10N，缠绕速度为20m/min，采用红外灯辐照固化加热的方式对缠绕层进行固化，所述固化时间小于等于5小时。
6.根据权利要求1所述的一种高铁复合材料车身自动化成型方法，其特征在于：所述步骤（4）中采用的缠绕加强层的成型装置位于所述定位夹持工装旁，所述缠绕加强层的成型装置包括机床支架（41）；滑动在所述机床支架（41）上的移动机构（42），所述移动机构（42）上固定设有缠绕操作面板（43），所述缠绕操作面板（43）上设有若干个缠绕辊机构（44）；每个所述缠绕辊机构（44）旁设有张力控制机构（45）。
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