CN110654040B - 一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料箱式热隔膜预成型装置及其工作方法，所述的装置包括工作台、隔膜装置、隔热门、加热室、模具Ⅰ、模具Ⅱ、排风系统和控制系统。相比于传统热隔膜预成型工艺步骤，本发明的工作台拥有双模具三工位的特征，使准备环节、加工环节和卸料环节同时进行，优化整体工艺步骤，减少工艺流程的复杂程度，并提高预成型生产效率，加工周期为5分钟/件。相比于传统热隔膜预成型工艺的模具结构，本发明的模具内部开辟多处真空管路，全程连通真空源，能够使隔膜完全贴合在所有R角处，避免了R角表面搭桥、纤维面内屈曲和面外褶皱等失效形式的出现，无需改变工艺流程就可提高箱式结构R角处的成型质量。
Description
技术领域
本发明属于复合材料预成型技术领域，具体涉及一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置及其工作方法。
背景技术
在装备制造业领域中，复合材料以其超高的综合特性取代了大多数金属材料，伴随着复合材料大量的应用，复合材料制件的自动铺叠技术迅猛发展，逐渐代替了传统的手工铺叠方式。为了不断完善成品制件的质量，预成型便成为整个成型工艺流程的关键环节，通过预成型技术可以获得L形、C形及Ω形的复合材料预成型制品；而制备结构更为复杂的壳体类制品，既能保证其预成型质量，又能保证生产效率的预成型技术却很难实现。
目前，在复杂形体如壳体制品的预成型工艺中，主要采用手糊成型法、机械化模压成型法和热隔膜成型法。手糊成型法是在传统纺织和缝合技术上发展起来的，这种预成型工艺效率低、劳动强度大、成型质量难以保证。机械模压成型法是应用最为广泛的方法，将适量的预浸料或预混料放入金属对模内，利用树脂固化反应中各阶段特性通过加热、加压固化来实现制品成型，这种方法虽然生产效率高、有利于实现自动化生产，但是阴阳双模具制造复杂、成本较大，制件的尺寸受到设备限制。因此，热隔膜成型工艺应运而生，该工艺运用延展性较高的隔膜，采用单层隔膜或者双层隔膜的方式，将预热后的平面预浸料铺层通过真空负压的方式压制成形状复杂的预成型体，在成本和效率方面有较高的优势，而且能更有效地保证形状较为复杂的制件的成型质量。
采用热隔膜成型技术来制备有角度突变的复杂结构的复合材料壳体制品，核心的工艺是有效促进预浸料铺层层间滑移。无论是采用单层隔膜还是双层隔膜，制品的R角处都会在预成型过程中不可避免的受到面外法向压力和材料自身粘着力而出现失效形式，主要的失效形式是表面搭桥、纤维面内屈曲和面外褶皱。为了减少失效形式的出现，提高壳体R角处的成型质量，需要调整整个工艺过程，无形当中增加了工艺流程的复杂程度。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明要设计一种预成型精度高、生产效率高和R角预成型质量高的复合材料壳体的热隔膜预成型装置及其工作方法。
本发明的技术方案是：
一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置，包括工作台、隔膜装置、隔热门、加热室、模具Ⅰ、模具Ⅱ、排风系统和控制系统。
所述的工作台安置在基座上，工作台上放置模具Ⅰ和模具Ⅱ，工作台设置三个工位，用于上料、卸料和预成型，通过气缸推动工作台沿着纵向轨道左右位移，使工作台上的2个模具分别处于“上料+预成型”工位或“卸料+预成型”工位，即两种交替工作位置状态；
所述的隔膜装置安装在加热室内的顶部并夹紧耐热橡胶膜，隔膜装置安置在4个导向立柱上，通过气缸实现隔膜装置上下移动，以实现密封模具，形成真空环境，在真空吸附状态下将预浸料压向模具，形成所需形状；
所述的隔热门有两个，分别安装在加热室的左右两侧，隔热门通过气缸实现上下开启和闭合，实现加热室的保温作用；
所述的加热室设置在基座上，在加热室侧壁上设置若干组加热装置以及测温传感器组，实现对预浸料铺层的控温均匀加热；
所述的模具Ⅰ和模具Ⅱ中心带有真空吸附管口，用于把持放置在模具上的预浸料，在模具凹陷处和底部周边设置有若干微小孔与真空系统连接，用于抽吸隔膜装置内的空气；
所述的排风系统设置在加热室顶部，出风口处设置具有翻转功能的盖板，盖板在出风时自动开启，无风时自动关闭，实现加热室的热气疏散和保温的双重作用。
所述的控制系统位于设备内部，由控制器、I/O模块和触摸屏组成，采用模块化以及点触操作方式的设计，控制器内部自带逻辑控制模块、模糊控制模块和PID控制模块，实现温度、工作台运动和真空吸附的控制。
所述的控制系统的温度控制方法，包括以下步骤：由系统初始化模块进行系统初始化，经过触摸屏中的HMI界面输入加热室温度设定值，控制器读取I/O模块经A/D转化后的加热室温度信息并将其与温度设定值信息进行逻辑运算，将运算结果送于模糊控制模块。模糊控制模块将最优PID增量参数传输到PID控制模块，PID控制模块依据当前参数输出控制量，控制器将加热装置的功率变化量传输到I/O模块，经过I/O模块经D/A输出信号转化后调整加热装置功率，实现加热室温度控制。
所述的工作台运动控制方法包括以下步骤：控制系统通过位置控制模式控制相应的运动单元，实现控制隔热门、隔膜装置和工作台的往复运动。
所述的控制系统的真空吸附控制方法包括以下步骤：真空泵通过真空管道连接到模具Ⅰ和模具Ⅱ内部进行抽气，每套模具含有三个真空管路，分别为顶端真空管路、R角真空管路和底端真空管路，通过控制系统控制气体流量，将隔膜装置与模具之间的空气逐渐排出，预浸料逐渐在预成型模具上随形直至完全贴合在模具表面，达到真空状态完成预成型。
一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置的工作方法，包括以下步骤：
A、将工作台上的一个模具作为模具I，另一个模具作为模具Ⅱ；将预浸料放置在工作台上的模具I上适合的位置，预浸料的放置为手动人工放置或采用机器人辅助自动化放置。
B、开启真空泵，并将模具I顶端真空管路开启，使预浸料牢固的附着在模具I上。
C、将隔热门打开，通过工作台搭载模具I以及模具I上的预浸料进入到加热室中进行壳体的预成型；并同时按照步骤A、B使另一块预浸料铺层牢固地附着在模具Ⅱ上。
所述壳体的预成型具体包括以下步骤：
C1、加热装置加热：预浸料随模具I进入到加热室中，关闭隔热门，控制系统将加热装置开启进行加热，并实时采集测温传感器组的信号，通过码值比例换算成温度数值，控制系统进行自整定模糊PID控制加热室内温度，当温度达到目标温度时，通过加热装置和排风系统将加热室内的温度保持在适合材料粘流状态和变形能力最佳的温度区间；
C2、模具密封：隔膜装置向下缓慢移动，直到耐热橡胶模将模具I及模具I上的预浸料完全密闭，完成模具密封；
C3、真空吸附预成型：开启R角真空管路的阀门使模具的R角处连通真空系统，通过控制系统控制气体流量，使预浸料边缘与模具I的贴合受压均匀，预浸料R角处逐渐在模具I上随形；然后开启底端真空管路的阀门，使模具I底端环绕的四周连通真空系统，持续一段时间，耐热橡胶膜逐渐向模具I四周靠拢，耐热橡胶膜与模具I之间的空气完全排出，达到真空状态，耐热橡胶膜与预浸料完全贴合在模具I表面，完成壳体预成型体；
C4、冷却：关闭加热装置，开启排风系统，打开隔热门通风，测温传感器组实时监控预成型后的预浸料的表面温度，当冷却至合适温度后，关闭所有真空管道；
C5、卸装上料：加热室内冷却至合适温度后，隔膜装置向上缓慢移动，直到达到加热室顶端后停止；然后工作台移动，将模具I上的预浸料移出加热室，与此同时模具Ⅱ以及准备好的预浸料被送入加热室，实现卸装上料同步进行；
C6、取出模具I随形的复合材料壳体预成型制品，其中壳体预成型制品的取出为手工方式或借助辅助机器人自动化取出；
D、利用工作台的双模具三工位的结构和工作节拍，交替将模具I换成模具Ⅱ或将模具Ⅱ换成模具I，重复步骤C。
进一步地，在步骤C1中，加热装置在加热过程中，采用多个加热源交替通断的辐射加热方式，即确保预浸料表面温度分布均匀，减少局部过热导致的温度差异。
进一步地，在步骤C3中，控制系统先后控制R角真空管路和底端真空管路的抽气端形成负压，抽真空的持续时间为45±1s，确保耐热橡胶模与模具之间形成真空状态，实现预浸料R角处成型的一致性，防止搭桥和翘曲现象发生。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过触摸屏有效地实现人与控制系统对话，给人提供大量有关信息及提示请示，实现工作台平移、隔膜装置位移到位、预成型温度控制和真空吸附等步骤，具有自动化程度高的特点，避免人工误操作，保证各复合材料预成型体的一致性。
2、本发明在壳体热隔膜R角预成型过程中，通过控制R角真空管路的气路流量和通断，使预浸料壳体的R角外形与模具完全贴合，避免因为耐热橡胶模架桥、变形量过大而出现翘曲等缺陷。
3、本发明在加热室预成型过程中，通过加热装置的加热源不断交替辐射加热的方式，使预浸料表面及四周温度分布均匀，减小预浸料铺层之间的摩擦系数，降低层间剪切力，有利于后续预成型阶段发生层间滑移。
附图说明
图1是复合材料壳体热隔膜预成型装置外形示意图。
图2是复合材料壳体热隔膜预成型装置模具及真空系统的剖视示意图。
图3是复合材料壳体热隔膜预成型装置工作方法流程图。
图中：1、控制器，2、I/O模块，3、模具Ⅰ，4、真空泵，5、加热室，6、隔热门，7、工作台，8、加热装置，9、耐热橡胶模，10、导向立柱，11、排风系统，12、隔膜装置，13、触摸屏，14、模具Ⅱ，15、测温传感器组，16、顶端真空管路，17、R角真空管路，18、底端真空管路。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1-2所示，一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置，包括工作台7、隔膜装置12、隔热门6、加热室5、模具Ⅰ3、模具Ⅱ14、排风系统11和控制系统。
所述的工作台7安置在基座上，工作台7上放置模具Ⅰ3和模具Ⅱ14，工作台7设置三个工位，用于上料、卸料和预成型，通过气缸推动工作台7沿着纵向轨道左右位移，使工作台7上的2个模具分别处于“上料+预成型”工位或“卸料+预成型”工位，即两种交替工作位置状态；
所述的隔膜装置12安装在加热室5内的顶部并夹紧耐热橡胶膜，隔膜装置12安置在4个导向立柱10上，通过气缸实现隔膜装置12上下移动，以实现密封模具，形成真空环境，在真空吸附状态下将预浸料压向模具，形成所需形状；
所述的隔热门6有两个，分别安装在加热室5的左右两侧，隔热门6通过气缸实现上下开启和闭合，实现加热室5的保温作用；
所述的加热室5设置在基座上，在加热室5侧壁上设置若干组加热装置8以及测温传感器组15，实现对预浸料铺层的控温均匀加热；
所述的模具Ⅰ3和模具Ⅱ14中心带有真空吸附管口，用于把持放置在模具上的预浸料，在模具凹陷处和底部周边设置有若干微小孔与真空系统连接，用于抽吸隔膜装置12内的空气；
所述的排风系统11设置在加热室5顶部，出风口处设置具有翻转功能的盖板，盖板在出风时自动开启，无风时自动关闭，实现加热室5的热气疏散和保温的双重作用。
所述的控制系统位于设备内部，由控制器1、I/O模块2和触摸屏13组成，采用模块化以及点触操作方式的设计，控制器1内部自带逻辑控制模块、模糊控制模块和PID控制模块，实现温度、工作台7运动和真空吸附的控制。
所述的控制系统的温度控制方法，包括以下步骤：由系统初始化模块进行系统初始化，经过触摸屏13中的HMI界面输入加热室5温度设定值，控制器1读取I/O模块2经A/D转化后的加热室5温度信息并将其与温度设定值信息进行逻辑运算，将运算结果送于模糊控制模块。模糊控制模块将最优PID增量参数传输到PID控制模块，PID控制模块依据当前参数输出控制量，控制器1将加热装置8的功率变化量传输到I/O模块2，经过I/O模块2经D/A输出信号转化后调整加热装置8功率，实现加热室5温度控制。
所述的工作台7运动控制方法包括以下步骤：控制系统通过位置控制模式控制相应的运动单元，实现控制隔热门6、隔膜装置12和工作台7的往复运动。
所述的控制系统的真空吸附控制方法包括以下步骤：真空泵4通过真空管道连接到模具Ⅰ3和模具Ⅱ14内部进行抽气，每套模具含有三个真空管路，分别为顶端真空管路16、R角真空管路17和底端真空管路18，通过控制系统控制气体流量，将隔膜装置12与模具之间的空气逐渐排出，预浸料逐渐在预成型模具上随形直至完全贴合在模具表面，达到真空状态完成预成型。
一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置的工作方法，包括以下步骤：
A、将工作台7上的一个模具作为模具I3，另一个模具作为模具Ⅱ14；将预浸料放置在工作台7上的模具I3上适合的位置，预浸料的放置为手动人工放置或采用机器人辅助自动化放置。
B、开启真空泵4，并将模具I3顶端真空管路16开启，使预浸料牢固的附着在模具I3上。
C、将隔热门6打开，通过工作台7搭载模具I3以及模具I3上的预浸料进入到加热室5中进行壳体的预成型；并同时按照步骤A、B使另一块预浸料铺层牢固地附着在模具Ⅱ14上。
所述壳体的预成型具体包括以下步骤：
C1、加热装置8加热：预浸料随模具I3进入到加热室5中，关闭隔热门6，控制系统将加热装置8开启进行加热，并实时采集测温传感器组15的信号，通过码值比例换算成温度数值，控制系统进行自整定模糊PID控制加热室5内温度，当温度达到目标温度时，通过加热装置8和排风系统11将加热室5内的温度保持在适合材料粘流状态和变形能力最佳的温度区间；
C2、模具密封：隔膜装置12向下缓慢移动，直到耐热橡胶模9将模具I3及模具I3上的预浸料完全密闭，完成模具密封；
C3、真空吸附预成型：开启R角真空管路17的阀门使模具的R角处连通真空系统，通过控制系统控制气体流量，使预浸料边缘与模具I3的贴合受压均匀，预浸料R角处逐渐在模具I3上随形；然后开启底端真空管路18的阀门，使模具I3底端环绕的四周连通真空系统，持续一段时间，耐热橡胶膜逐渐向模具I3四周靠拢，耐热橡胶膜与模具I3之间的空气完全排出，达到真空状态，耐热橡胶膜与预浸料完全贴合在模具I3表面，完成壳体预成型体；
C4、冷却：关闭加热装置8，开启排风系统11，打开隔热门6通风，测温传感器组15实时监控预成型后的预浸料的表面温度，当冷却至合适温度后，关闭所有真空管道；
C5、卸装上料：加热室5内冷却至合适温度后，隔膜装置12向上缓慢移动，直到达到加热室5顶端后停止；然后工作台7移动，将模具I3上的预浸料移出加热室5，与此同时模具Ⅱ14以及准备好的预浸料被送入加热室5，实现卸装上料同步进行；
C6、取出模具I3随形的复合材料壳体预成型制品，其中壳体预成型制品的取出为手工方式或借助辅助机器人自动化取出；
D、利用工作台7的双模具三工位的结构和工作节拍，交替将模具I3换成模具Ⅱ14或将模具Ⅱ14换成模具I3，重复步骤C。
进一步地，在步骤C1中，加热装置8在加热过程中，采用多个加热源交替通断的辐射加热方式，即确保预浸料表面温度分布均匀，减少局部过热导致的温度差异。
进一步地，在步骤C3中，控制系统先后控制R角真空管路17和底端真空管路18的抽气端形成负压，抽真空的持续时间为45±1s，确保耐热橡胶模9与模具之间形成真空状态，实现预浸料R角处成型的一致性，防止搭桥和翘曲现象发生。
本发明与现有壳体的热隔膜预成型工艺相比，具有以下优点：
1、相比于传统热隔膜预成型工艺步骤，本发明装置拥有双模具三工位的特征，使准备环节、加工环节和卸料环节同时进行，优化整体工艺步骤，减少工艺流程的复杂程度，并提高预成型生产效率，加工周期为5分钟/件。
2、相比于传统热隔膜预成型工艺的模具结构，本发明的模具内部开辟多处真空管路，全程连通真空源，能够使隔膜完全贴合在所有R角处，避免了R角表面搭桥、纤维面内屈曲和面外褶皱等失效形式的出现，无需改变工艺流程就可提高壳体R角处的成型质量。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置，其特征在于：包括工作台(7)、隔膜装置(12)、隔热门(6)、加热室(5)、模具Ⅰ(3)、模具Ⅱ(14)、排风系统(11)和控制系统；
所述的工作台(7)安置在基座上，工作台(7)上放置模具Ⅰ(3)和模具Ⅱ(14)，工作台(7)设置三个工位，用于上料、卸料和预成型，通过气缸推动工作台(7)沿着纵向轨道左右位移，使工作台(7)上的2个模具分别处于“上料+预成型”工位或“卸料+预成型”工位，即两种交替工作位置状态；
所述的隔膜装置(12)安装在加热室(5)内的顶部并夹紧耐热橡胶膜，隔膜装置(12)安置在4个导向立柱(10)上，通过气缸实现隔膜装置(12)上下移动，以实现密封模具，形成真空环境，在真空吸附状态下将预浸料压向模具，形成所需形状；
所述的隔热门(6)有两个，分别安装在加热室(5)的左右两侧，隔热门(6)通过气缸实现上下开启和闭合，实现加热室(5)的保温作用；
所述的加热室(5)设置在基座上，在加热室(5)侧壁上设置若干组加热装置(8)以及测温传感器组(15)，实现对预浸料铺层的控温均匀加热；
所述的模具Ⅰ(3)和模具Ⅱ(14)中心带有真空吸附管口，用于把持放置在模具上的预浸料，在模具凹陷处和底部周边设置有若干微小孔与真空系统连接，用于抽吸隔膜装置(12)内的空气；
所述的排风系统(11)设置在加热室(5)顶部，出风口处设置具有翻转功能的盖板，盖板在出风时自动开启，无风时自动关闭，实现加热室(5)的热气疏散和保温的双重作用；
所述的控制系统位于设备内部，由控制器(1)、I/O模块(2)和触摸屏(13)组成，采用模块化以及点触操作方式的设计，控制器(1)内部自带逻辑控制模块、模糊控制模块和PID控制模块，实现温度、工作台(7)运动和真空吸附的控制；
所述的控制系统的温度控制方法，包括以下步骤：由系统初始化模块进行系统初始化，经过触摸屏(13)中的HMI界面输入加热室(5)温度设定值，控制器(1)读取I/O模块(2)经A/D转化后的加热室(5)温度信息并将其与温度设定值信息进行逻辑运算，将运算结果送于模糊控制模块；模糊控制模块将最优PID增量参数传输到PID控制模块，PID控制模块依据当前参数输出控制量，控制器(1)将加热装置(8)的功率变化量传输到I/O模块(2)，经过I/O模块(2)经D/A输出信号转化后调整加热装置(8)功率，实现加热室(5)温度控制；
所述的工作台(7)运动控制方法包括以下步骤：控制系统通过位置控制模式控制相应的运动单元，实现控制隔热门(6)、隔膜装置(12)和工作台(7)的往复运动；
所述的控制系统的真空吸附控制方法包括以下步骤：真空泵(4)通过真空管道连接到模具Ⅰ(3)和模具Ⅱ(14)内部进行抽气，每套模具含有三个真空管路，分别为顶端真空管路(16)、R角真空管路(17)和底端真空管路(18)，通过控制系统控制气体流量，将隔膜装置(12)与模具之间的空气逐渐排出，预浸料逐渐在预成型模具上随形直至完全贴合在模具表面，达到真空状态完成预成型。
2.一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将工作台(7)上的一个模具作为模具I(3)，另一个模具作为模具Ⅱ(14)；将预浸料放置在工作台(7)上的模具I(3)上适合的位置，预浸料的放置为手动人工放置或采用机器人辅助自动化放置；
B、开启真空泵(4)，并将模具I(3)顶端真空管路(16)开启，使预浸料牢固的附着在模具I(3)上；
C、将隔热门(6)打开，通过工作台(7)搭载模具I(3)以及模具I(3)上的预浸料进入到加热室(5)中进行壳体的预成型；并同时按照步骤A、B使另一块预浸料铺层牢固地附着在模具Ⅱ(14)上；
所述壳体的预成型具体包括以下步骤：
C1、加热装置(8)加热：预浸料随模具I(3)进入到加热室(5)中，关闭隔热门(6)，控制系统将加热装置(8)开启进行加热，并实时采集测温传感器组(15)的信号，通过码值比例换算成温度数值，控制系统进行自整定模糊PID控制加热室(5)内温度，当温度达到目标温度时，通过加热装置(8)和排风系统(11)将加热室(5)内的温度保持在适合材料粘流状态和变形能力最佳的温度区间；
C2、模具密封：隔膜装置(12)向下缓慢移动，直到耐热橡胶模(9)将模具I(3)及模具I(3)上的预浸料完全密闭，完成模具密封；
C3、真空吸附预成型：开启R角真空管路(17)的阀门使模具的R角处连通真空系统，通过控制系统控制气体流量，使预浸料边缘与模具I(3)的贴合受压均匀，预浸料R角处逐渐在模具I(3)上随形；然后开启底端真空管路(18)的阀门，使模具I(3)底端环绕的四周连通真空系统，持续一段时间，耐热橡胶膜逐渐向模具I(3)四周靠拢，耐热橡胶膜与模具I(3)之间的空气完全排出，达到真空状态，耐热橡胶膜与预浸料完全贴合在模具I(3)表面，完成壳体预成型体；
C4、冷却：关闭加热装置(8)，开启排风系统(11)，打开隔热门(6)通风，测温传感器组(15)实时监控预成型后的预浸料的表面温度，当冷却至合适温度后，关闭所有真空管道；
C5、卸装上料：加热室(5)内冷却至合适温度后，隔膜装置(12)向上缓慢移动，直到达到加热室(5)顶端后停止；然后工作台(7)移动，将模具I(3)上的预浸料移出加热室(5)，与此同时模具Ⅱ(14)以及准备好的预浸料被送入加热室(5)，实现卸装上料同步进行；
C6、取出模具I(3)随形的复合材料壳体预成型制品，其中壳体预成型制品的取出为手工方式或借助辅助机器人自动化取出；
D、利用工作台(7)的双模具三工位的结构和工作节拍，交替将模具I(3)换成模具Ⅱ(14)或将模具Ⅱ(14)换成模具I(3)，重复步骤C。
3.根据权利要求2所述的一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置的工作方法，其特征在于：在步骤C1中，加热装置(8)在加热过程中，采用多个加热源交替通断的辐射加热方式，即确保预浸料表面温度分布均匀，减少局部过热导致的温度差异。
4.根据权利要求2所述的一种复合材料壳体的热隔膜预成型装置的工作方法，其特征在于：在步骤C3中，控制系统先后控制R角真空管路(17)和底端真空管路(18)的抽气端形成负压，抽真空的持续时间为45±1s，确保耐热橡胶模(9)与模具之间形成真空状态，实现预浸料R角处成型的一致性，防止搭桥和翘曲现象发生。
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