CN110815846B - 一种热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置和方法。渐进成形装置包括底板、安装在底板上的下垫板、安装在下垫板四周的侧板、固接在侧板顶端的上盖板和安装在上盖板顶部的固定板，所述上盖板及固定板分别在中部开孔作为加工成形区域，所述侧板和下垫板围成内部空腔，内部空腔里面紧贴有保温棉，内部空腔底部的保温棉上放置有电热辐射板，侧板的中部安装伸向空腔内的感温棒，所述感温棒通过耐高温线与控温箱连接。渐进成形方法包括7个步骤。本发明实现了渐进成形技术在热塑性树脂基编织复合材料研究领域的应用。为热塑性树脂基编织复合材料提供了全新的渐进成形加工方案，能大幅度降低了研发成本，适宜于推广应用。

Description

一种热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置及方法，属于热塑性树脂基编织复合材料热成形技术领域。

背景技术

热模压成形是目前编织织物增强热塑性复合材料的主要成形方式，也是大批量生产复合材料成品最有效的方法。但是，随着市场需求的变化越来越频繁，市场的生产不再局限于传统的“少品种、大批量”模式，“多品种、小批量、短交期”逐渐成为市场的生产模式，比如在汽车创新的过程中，样件成形所需新模具的开发成本高、适用性低，传统的热成形工艺不符合企业效益的最大化以及科技创新的普遍化，因此，有必要开发适应性强、柔性高的复合材料制造技术，以适应变化多端的市场发展趋势。渐进成形技术(Incremental sheetforming，ISF)由于操作灵活便捷、成本低、成形力小、产品质量好，并且可实现无模成形，受到了工业界的高度重视，现已广泛用于金属板料中，但是对于编织复合板料，这种技术的研究少之又少，尤其是塑性差的编织纤维增强复合材料，目前还难以直接采用渐进成形技术进行成形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置,能够装配复合材料与两块金属板料组成的三层组合板料，实现热塑性树脂基编织复合材料在热辐射加热环境下的渐进成形。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置，包括底板、安装在底板上的下垫板、安装在下垫板四周的侧板、固接在侧板顶端的上盖板和安装在上盖板顶部的固定板，

所述上盖板及固定板分别在中部开孔作为加工成形区域，

所述侧板和下垫板围成内部空腔，内部空腔里面紧贴有保温棉，内部空腔底部的保温棉上放置有电热辐射板，侧板的中部安装伸向空腔内的感温棒，所述感温棒通过耐高温线与控温箱连接。

上述渐进成形装置的原理是，固定板用于固定待加工板料的四周，上盖板及固定板中部的开孔用作成形区域，加热方式为热辐射加热，热量来源于电热辐射板，加热温度与时间由控温箱控制，实时温度测量由感温棒输出。侧板和下垫板围成的内部空腔铺设保温棉，减少热量损失，电热辐射板置于下垫板上，成形加工时侧板、下垫板及加工板料之间可形成密闭空间，有效减少热量损失。

进一步，所述上盖板的内侧开设有一圈凹槽，所述凹槽内安装背板，所述背板中间留有成形作业孔。所述背板可以避免成形过程中板料边缘出现的翘曲现象，通过将板料边缘夹持在固定板和背板之间，可以有效避免边缘区域出现翘曲现象，背板内孔的形状和大小可随着零件的形状和大小改变。

本发明还提供了上述热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形方法，包括以下步骤：

步骤1：安装好热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置，然后安装在机床上；

步骤2：将热电偶温度传感器的一端贴在热塑性树脂基编织复合板料上，热电偶温度传感器的另一端连接到温度仪表上，以便准确读出复合板料所受温度；

步骤3：在热塑性树脂基编织复合板料的顶部和底部分别放置第一金属板料和第二金属板料，形成三层组合板料；

步骤4：安装三层组合板料，用固定板固定于上盖板上；

步骤5：检查装置以及三层组合板料安装可靠后，设置电热辐射板的加热温度与升温时间，进行加热；

步骤6：待热电偶温度传感器所示温度达到指定温度，启动加工程序，开始加工；

步骤7：加工完成后，关闭电热辐射板，待冷却后，取下成形零件，完成加工。

在上述步骤3中，位于热塑性树脂基编织复合板料顶部的第一金属板料直接与工具头接触，可减少成形过程中的应力集中现象，提高编织复合板料的成形性能；位于底部的第二金属板料起支撑作用，改善复合板料的受力情况，减少复合板料的破裂现象。

进一步，所述热塑性树脂基编织复合板料所采用的原材料为任意形式的热塑性树脂与纤维编织布，包括不同的种类的树脂和不同编织方式、不同纤维种类的编织布、不同纤维树脂比例；所述金属材料为任意一种可用于渐进成形的材料。

进一步，在所述步骤3中，所述热塑性树脂基编织复合板料与两块金属板料之间铺设有聚四氟乙烯薄膜。采用聚四氟乙烯薄膜可替代润滑油，进行润滑与脱模。

进一步，在所述步骤3中，为了增加材料流动，提高复合板料的成形性能，所述热塑性树脂基编织复合板料的尺寸小于两块金属板料。

进一步，在所述步骤5中，由于渐进成形工艺局部成形的特殊性，热塑性树脂加热温度不需超过熔融温度即可成形，并且加热温度越低，越能减少热塑性树脂的热损耗，因此加热温度介于热塑性树脂基编织复合板料的玻璃化转变温度与熔融温度之间。

进一步，在所述步骤6中，采用由内向外的加工轨迹能够有效提高复合板料的成形性能，具体轨迹为：首先，工具头下降一个进给量，从板料中心开始，以螺旋轨迹进行平面加工；加工完本层，跳刀至板料中心，而后再次下降一个进给量，进行平面加工，直至完成所有轨迹。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明为热塑性树脂基编织复合材料的热成形工艺提供了新的加热装置和加热方法，实现了渐进成形技术在热塑性树脂基编织复合材料研究领域的应用。

2、本发明为热塑性树脂基编织复合材料提供了全新的渐进成形加工方案和加工轨迹，操作灵活，产品质量好并能大幅度降低了研发成本。

3、本发明能有效减少成形加工过程中的热损耗，在熔融温度以下就可成形三维零件。

附图说明

图1为本发明热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置一实施例的结构示意图。

图2为本发明热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置中三层组合板料的结构示意图。

图3为本发明热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形方法的过程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。根据下面的说明，本发明的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的优选实施例，而不是全部的实施例。

结合图1所示，一种热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置，包括通过销钉1定位、螺钉2连接于机床上的底板3、通过螺钉2固定在底板3上的下垫板5、通过螺钉2安装在下垫板5四周的侧板7、通过螺钉2固接在侧板7顶端的上盖板9和通过螺钉2安装在上盖板9顶部的固定板12。所述上盖板9及固定板12分别在中部开孔作为加工成形区域。

所述侧板7和下垫板5围成内部空腔，内部空腔里面紧贴有保温棉14，内部空腔底部的保温棉14上放置有电热辐射板13，侧板7的中部安装伸向空腔内的感温棒15，所述感温棒15通过耐高温线16与控温箱17连接。控温箱17可以设置加热最高温度、升温时间，并且可以实时读出装置内腔空气的温度。

所述上盖板9的内侧开设有一圈凹槽9a，所述凹槽9a内安装背板10，背板10与上盖板9的上表面相平齐，所述背板10中间留有成形作业孔10a。安装背板10可以避免成形过程中板料边缘出现的翘曲现象，通过将板料边缘夹持在固定板12和背板10之间，可以有效避免边缘区域出现翘曲现象，背板内孔的形状和大小可随着零件的形状和大小改变。

本发明还提供了一种热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形方法，其过程包括：基于图1安装好热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置，然后装置安装在机床上；基于图2，将热电偶传感器22连接到热塑性树脂基编织复合板料19的上方，热电偶温度传感器22的另一端连接到温度仪表23上，以便准确读出复合板料所受温度；在热塑性树脂基编织复合板料19的顶部和底部分别放置第一金属板料18和第二金属板料20，形成三层组合板料，然后用固定板12固定于上盖板9上方。第一金属板料18直接与工具头接触，可减少成形过程中的应力集中现象，提高编织复合板料的成形性能；金属板料二20位于热塑性树脂基编织复合板料19的底部，起支撑作用，改善复合板料的受力情况，减少热塑性树脂基编织复合板料19的破裂现象。聚四氟乙烯薄膜21铺设于两块金属板料与复合板料之间，替代润滑油，起润滑与脱模作用；热塑性树脂基编织复合板料19的尺寸小于金属板料，能够增加材料流动，提高复合板料的成形性能。三层组合板料安装可靠后，设置电热辐射板13的加热温度与升温时间，进行加热。这个温度值要根据热塑性树脂材料的力学状态来确定，由于渐进成形技术局部成形的特殊性，温度无需超过熔融温度即可成形，因此加热温度介于热塑性树脂基编织复合板料的玻璃化转变温度与熔融温度之间即可。待热电偶温度传感器22所示温度达到指定温度后保温一定时间，启动加工程序，开始加工。加工完成后，关闭电热辐射板13，冷却一段时间，取下成形零件24，完成加工。

更为具体地，在本实施例中，采用由内向外的加工轨迹能够有效提高复合板料的成形性能，工具头下降一个进给量，从板料中心开始，以螺旋轨迹进行平面加工；加工完本层，工具头再次下降一个进给量，依旧从板料中心开始进行平面加工，直至完成所有轨迹。

以上所述，仅是本发明优选实施例的描述说明，并非对本发明保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其他实施例，这些均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：安装好热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置，然后将其安装在机床上，

所述热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置包括底板、安装在底板上的下垫板、安装在下垫板四周的侧板、固接在侧板顶端的上盖板和安装在上盖板顶部的固定板，所述上盖板及固定板分别在中部开孔作为加工成形区域，所述侧板和下垫板围成内部空腔，内部空腔里面紧贴有保温棉，内部空腔底部的保温棉上放置有电热辐射板，侧板的中部安装伸向空腔内的感温棒，所述感温棒通过耐高温线与控温箱连接；

步骤2：将热电偶温度传感器的一端贴在热塑性树脂基编织复合板料上，热电偶温度传感器的另一端连接到温度仪表上，以便准确读出复合板料所受温度；

步骤3：在热塑性树脂基编织复合板料的顶部和底部分别放置第一金属板料和第二金属板料，形成三层组合板料，所述热塑性树脂基编织复合板料的尺寸小于两块金属板料；

步骤4：安装三层组合板料，用固定板固定于上盖板上；

步骤5：检查装置以及三层组合板料安装可靠后，设置电热辐射板的加热温度与升温时间，进行加热；

步骤6：待热电偶温度传感器所示温度达到指定温度，启动加工程序，开始加工；

步骤7：加工完成后，关闭电热辐射板，待冷却后，取下成形零件，完成加工。

2.根据权利要求1所述热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形方法，其特征在于：

在所述步骤3中，所述热塑性树脂基编织复合板料所采用的原材料为任意形式的热塑性树脂与纤维编织布，包括不同的种类的树脂和不同编织方式、不同纤维种类的编织布、不同纤维树脂比例；所述金属板 料为任意一种可用于渐进成形的材料。

3.根据权利要求1所述热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形方法，其特征在于：

在所述步骤3中，所述热塑性树脂基编织复合板料与两块金属板料之间铺设有聚四氟乙烯薄膜。

4.根据权利要求1所述热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形方法，其特征在于：

在所述步骤1中，所述热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形装置的上盖板的内侧开设有一圈凹槽，所述凹槽内安装背板，所述背板中间留有成形作业孔。

5.根据权利要求1所述热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形方法，其特征在于：

在所述步骤5中，加热温度介于热塑性树脂基编织复合板料的玻璃化转变温度与熔融温度之间。

6.根据权利要求1所述热塑性树脂基编织复合材料的渐进成形方法，其特征在于：

在所述步骤6中，采用由内向外的加工轨迹能够有效提高复合板料的成形性能，具体轨迹为：首先，工具头下降一个进给量，从三层组合板料中心开始，以螺旋轨迹进行平面加工；加工完本层，工具头再次下降一个进给量，依旧从板料中心开始进行平面加工，直至完成所有轨迹。

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