CN110871578A - 一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺 - Google Patents

Abstract

一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺是将充液成形技术与热成形技术进行交叉、融合而衍生出的一种新型纤维金属层板制备成形固化一体化技术，兼具充液成形与热成形的特点，可以一次性完成成形与固化两步工艺，适用于热固性和热塑性两种纤维金属层板。定义为：凸模预先冷却，压边圈合模，液室预充液。首先进行加热油液至指定温度，然后进行预胀工序，使层板紧贴凸模。随后凸模下行，液室压力按指定压力加载，完成成形。充液成形后，根据不同纤维金属层板特点，加热或冷却液室液压油，改变固化温度和压力条件，完成固化工艺，从而获得最终的产品零件。模具一次安装完成，实现成形和固化两套制备工序过程，减少了转换模具的耗时，保证了产品零件的整体成形精度要求和外观尺寸精度要求。同时，充液成形模具安装方便，易于更换，降低了修模时间，提高了生产效率。该一体化工艺技术在成形航空航天、汽车等领域的复杂纤维金属层板结构件方面具有独特的优势，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺

技术领域

本发明属于复合层板制备成形领域。

背景技术

纤维金属层板(Fiber metal laminates，简称FMLs)是由金属薄板(铝合金、钛合金)和纤维(芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维)增强树脂基复合材料按照特定要求铺层后，在一定的温度和压力下固化成的一种混杂结构材料。FMLs形式的混杂材料产生协同效应，提供更好的抗疲劳性能、损伤容限、机械/热性能。FMLs按树脂基体材料的不同，可分为热固性FMLs与热塑性FMLs。热固性树脂的特点是当固化工艺完成后，树脂形态不可逆，而热塑性树脂遇热变软、冷却变硬，过程可逆，造成这两种层板的制备和成形工艺完全不同，制备和成形设备更是不可通用。

热固性FMLs常用的制备成形方法有自成形技术、滚弯成形、热压罐成形等，特点是FMLs进行常温铺层后进行成形固化，固化需要在一定的温度和压力下保持一段时间才可以制备出合格零件。此种方法制备成形时间较长，成形后需要在真空袋或热压罐中进行进一步固化，工艺步骤繁多，而且只能成形曲率较小零件。对于热塑性FMLs常用的制备成形方法是热压成形技术，由于热塑性树脂在常温下多处于固态，铺层后需要加温加压才能制备出热塑性FMLs，在成形工艺前也需要对层板进行加温，使树脂处于粘流态，进而成形出需要零件，随后迅速至于低温介质中使零件再度固化。热塑性FMLs成形特点是相较于热固性FMLs成形后固化速度快，但是需要低温环境或介质。

国内郎利辉课题组提出了纤维金属层板充液成形工艺，通过一种“半固化充液成形”工艺(即利用充液成形未固化完全FMLs)成形热固性纤维金属层板，进一步提高了纤维金属层板的成形成形极限，降低了回弹量和分层现象。但是，通过此种工艺成形的纤维金属层板，依然需要进一步在真空袋中进行固化处理才可以制备出最终零件，而且此种工艺和设备不能成形热塑性FMLs。因此，为了进一步提高纤维金属的成形性，拓展充液成形工艺成形纤维金属层板的应用范围，提出了一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺，即充液成形与温热成形技术相结合的复合成形制备工艺。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种集成形与固化一体化的组合工艺，在一套设备上完成纤维金属层板的制备与成形两个工艺步骤，提高生产效率。第二，基于此种工艺及设备，可以成形热塑性及热固性两种类型纤维金属层板，提高工艺柔性。第三，由于控温技术的加入，进一步控制成形时树脂状态，提供更多工艺参数选择，为成形合格零件扩大工艺窗口。

为了达到上述目的，本发明提供的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺按顺序包括如下步骤：

1)将热固性或热塑性纤维金属层板至于充液成形制备固化一体化模具的凹模(下模)上。完成液室补液，压边等工艺步骤，并加入冷却液使凸模(上模)冷却。

2)通过加温管对液体及纤维金属层板进行加热，达到指定温度。通过温热介质与纤维金属层板的热传递作用，使纤维金属层板各层与界面处于最佳的成形状态。对纤维金属层板采用预胀工艺，预设合适预胀压力，使纤维金属层板进一步提高成形性能。

3)进行成形阶段，凸模按照设定的运行速度下行，压边圈同时调整压边力，以便于更好的促进纤维金属层板流入凹模型腔。加热管控制成形介质温度，液室压力按照优化的加载路径进行加载，避免纤维金属层板在成形的过程中出现分层现象，最终完成纤维金属层板的成形。

4)进入固化阶段，一体化模具根据热固性或热塑性纤维金属层板分别选择加热或冷却工艺，在模具上完成固化过程，无须零件移除模具进行二次固化。

5)模具恢复室温，卸载流体压力，开模，取出零件，加工完成。

本发明提供的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺是将充液成形技术与热成形技术进行交叉、融合而衍生出的一种新型纤维金属层板成形固化一体化的技术。该技术是针对目前航空航天、汽车、国防工业等领域中复合材料应用逐渐增多的需求，进一步改善复合材料结构件生产效率低，产品质量难以满足实用需求等不足，而研发出的一种热介质成形固化工艺，也即是一种复合成形与固化的混合工艺。该工艺兼具充液成形与热成形各自的优点。首先，利用充液成形可以提高纤维金属层板成形极限、控制层板分层现象、壁厚分布均匀、回弹量小的优势，获得复杂结构纤维金属层板构件。其次，利用高温下树脂具有优良的塑性及变形流动性的特点，不但可以进一步提高成形性能，而且在成形后可以通过温度控制，直接在模具上完成固化工艺，大大缩短制备时间，并且通过液室压力可以加载远大于热压罐工艺的法向压力，进而获得优良的层间性能，进一步控制回弹产生。

本发明提供的纤维金属层板制备成形一体化成形设备，可以充分实现该制备成形固化一体化过程。首先，利用热介质充液成形工艺获得纤维金属层板复杂结构件，通过进一步控制液室压力与温度耦合作用，直接在充液成形模具上完成固化过程，制备出最终零件。省去了零件移出模具后再固化的工序，提高生产效率，缩减生产成本。同时，充液成形过程因为省去了凹模，从而减少了设备的投入，进一步降低了生产成本。

附图说明

图1为采用本发明提供的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺示意图。

图2为采用本发明提供的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺反胀阶段示意图。

图3为采用本发明提供的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺成形固化阶段示意图。

图中：1-凸模(上模)，2-凸模冷却管，3-压边圈，4-密封圈，5-凹模(下模)，6-冷油进油口，7-增压缸进油口，8-凹模液室，9-出油口，10-纤维金属层板，11-加热管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺进行详细说明。

如图1—图3所示，本发明提供的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺包括按照顺序进行的下列步骤：

1)将纤维金属层板10(既可以是热塑性也可以是热固性)至于充液成形制备固化一体化下模5之上。此时通过注油口7预先进行充液，油液升至板料下方并与板料接触，加热管11此时不加热，温度和压力值都为0。此时压边圈3下行，施加预设压边力F，通过不同压边力F，控制纤维金属层板流入下模速度。O型密封圈4置于下模之上，防止成形时油液溢出，从而保持液体压力。同时凸模1内部冷却管道2开始通入冷却液，使凸模温度降低，进一步提高纤维金属层板成形性能。

2)首先通过加温管11对液体及纤维金属层板进行加热，达到指定温度。加热热固性纤维金属层板10的温度一般低于固化温度，加热热塑性纤维金属层板10的温度一般超过玻璃化迁移温度，通过温热介质与纤维金属层板的接触，使纤维金属层板各层与界面处于最佳的成形状态，如图2所示。同时为了进一步增强纤维金属层板的成形性能，采用被动式充液成形的预胀工艺。通过增压器注油口7，注入液压油，使液室压力达到预设值P，此时液室压力称为预胀压力，可使纤维金属层板更好地包覆在凸模1之上，在凸模1下行前使层板与凸模充分接触，进一步提高成形性能。

3)如图3所示，始终被冷却液冷却的凸模1在温热介质的包围下按照设定的运行速度下行，在凸模下行的过程中压边圈的压力也可以实时进行调节，更好的促进纤维金属层板流入凹模型腔。同时，液室8内的压力按照优化的液室压力加载路径进行加载，避免纤维金属层板在成形的过程中出现分层现象，同时由于三向应力状态可以进一步提高铝合金成形性能。在液室压力和凸模下行力的共同作用下，完成纤维金属层板的成形。同时由于温热介质作用，进一步提高层板成形性能。

4)对于热固性纤维金属层板，成形后，将凸模1冷却管注入与液室温度相同的液体，通过热电偶和温控设备，控制加热管11的加热，保持层板处于固化温度范围。并且关闭注油口6，7和出油口9，使液室压力在一个预设的稳定水平，防止固化过程中产生间隙，降低回弹。根据固化温度控制曲线最后降至室温，固化结束后，卸载流体压力，凸模1后退，压边圈3退回，取出零件，加工完成。

5)对于热塑性纤维金属层板，成形后，保持凸模冷却。同时，关闭加热管11，由冷却油管6将低温液压油注入液室，同时出油口9以同一速度进行泄压，维持液室压力的同时迅速冷却纤维金属层板，使热塑性树脂迅速固化，同时防止分层现象，降低回弹。固化结束后，卸载流体压力，凸模1后退，压边圈3退回，取出零件，加工完成。

Claims (5)

1.一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺，其特征在于：所述的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺包括按顺序进行的下列步骤：

1)将热固性或热塑性纤维金属层板至于充液成形制备固化一体化下模之上。完成液室补液，压边等工艺步骤，并加入冷却液使凸模冷却。

2)通过加温管对液体及纤维金属层板进行加热，达到指定温度。通过温热介质与纤维金属层板的热传递作用，使纤维金属层板各层与界面处于最佳的成形状态。对纤维金属层板采用被动式充液成形的预胀工艺，预设合适反胀压力，使纤维金属层板进一步提高成形性能。

3)进行成形阶段，冷却凸模按照设定的运行速度下行，压边圈同时调整压边力，更好的促进纤维金属层板流入凹模型腔。加热管控制成形介质温度，液室压力按照优化的加载路径进行加载，避免纤维金属层板在成形的过程中出现分层现象，最终完成纤维金属层板的成形。

4)进入固化阶段，一体化模具根据热固性或热塑性纤维金属层板分别选择加热或冷却工艺，在模具上完成固化过程，无须零件移除模具进行二次固化。

5)模具恢复室温，卸载流体压力，开模，取出零件，加工完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺，其特征在于：该工艺兼具充液成形与热成形各自的优点成形纤维金属层板。首先，利用充液成形可以提高纤维金属层板成形极限、控制层板分层现象、壁厚分布均匀、回弹量小的优势，获得复杂结构的纤维金属层板构件。

3.根据权利要求1所述的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺，其特征在于：利用高温下树脂具有优良的塑性及变形流动性的特点，不但可以进一步提高成形性能，而且在成形后可以通过温度控制，直接在模具上完成固化工艺，大大缩短制备时间。

4.根据权利要求1所述的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺，其特征在于：通过液室压力可以加载远大于热压罐工艺的法向压力，进而获得优良的层间性能，进一步控制回弹产生。

5.根据权利要求1所述的一种基于充液成形的纤维金属层板制备成形一体化工艺，其特征在于：充液成形过程因为省去了凹模，从而减少了设备的投入，进一步降低了纤维金属层板零件的生产成本。

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