CN111703178B - 纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法 - Google Patents

纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111703178B
CN111703178B CN202010487235.3A CN202010487235A CN111703178B CN 111703178 B CN111703178 B CN 111703178B CN 202010487235 A CN202010487235 A CN 202010487235A CN 111703178 B CN111703178 B CN 111703178B
Authority
CN
China
Prior art keywords
spinning
infrared heating
metal laminate
fiber metal
core mold
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010487235.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111703178A (zh
Inventor
陶杰
陈熹
李华冠
韩正东
项俊贤
王辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Original Assignee
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics filed Critical Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority to CN202010487235.3A priority Critical patent/CN111703178B/zh
Publication of CN111703178A publication Critical patent/CN111703178A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111703178B publication Critical patent/CN111703178B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/10—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the pressing technique, e.g. using action of vacuum or fluid pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B1/00—Layered products having a non-planar shape
    • B32B1/08—Tubular products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B15/08—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B15/08—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B32B15/085—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin comprising polyolefins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B15/08—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B32B15/088—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin comprising polyamides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/14—Layered products comprising a layer of metal next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/28—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42
    • B32B27/285—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42 comprising polyethers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/28—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42
    • B32B27/288—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising synthetic resins not wholly covered by any one of the sub-groups B32B27/30 - B32B27/42 comprising polyketones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/32—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyolefins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/34—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyamides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B33/00—Layered products characterised by particular properties or particular surface features, e.g. particular surface coatings; Layered products designed for particular purposes not covered by another single class
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/0046—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by constructional aspects of the apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/06—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the heating method
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
    • B32B38/0036—Heat treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B43/00—Operations specially adapted for layered products and not otherwise provided for, e.g. repairing; Apparatus therefor
    • B32B43/003—Cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2260/00—Layered product comprising an impregnated, embedded, or bonded layer wherein the layer comprises an impregnation, embedding, or binder material
    • B32B2260/02—Composition of the impregnated, bonded or embedded layer
    • B32B2260/021—Fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2260/00—Layered product comprising an impregnated, embedded, or bonded layer wherein the layer comprises an impregnation, embedding, or binder material
    • B32B2260/04—Impregnation, embedding, or binder material
    • B32B2260/046—Synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/10—Inorganic fibres
    • B32B2262/101—Glass fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/10—Inorganic fibres
    • B32B2262/106—Carbon fibres, e.g. graphite fibres

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

本发明公开了一种纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法，包括芯模(5)、旋轮(8)、两组红外加热元件、功率控制元件(14)和尾顶(15)，芯模(5)的轮廓、外径和拟制备纤维金属层板回转体构件内轮廓、内径相同，纤维金属层板回转体预制件套在芯模上；两组红外加热元件在径向不发生干涉，在旋压程序运行时与同侧的旋轮的相对空间位置不发生变化，红外加热灯管和衬管表面平行保持固定距离。在旋压过程中对使用高性能热塑性树脂的纤维金属层板回转体预制件进行同步加热，使金属层和复合材料层之间形成层间混杂以及有益的残余压应力，同时旋压过程对界面施加的压力可保证层间结合性能优良。

Description

纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法
技术领域
本发明涉及先进复合材料及其制备成形技术领域，特别涉及一种基于热塑性树脂的大口径纤维金属层板回转体构件旋压成型/制备一体化方法。
背景技术
纤维金属层板(Fiber Metal laminates，FMLs)是一种由金属薄板和纤维增强树脂基复合材料交替铺层后在一定温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料。FMLs综合了纤维增强树脂基复合材料和金属材料的优点，具有高比强度和比刚度、优良的疲劳性能以及损伤容限性能，同时具有高度结构可设计性。随着航空航天材料的进一步发展，单纯的纤维金属层板无法满足航空航天工业对不同构件的需求，而采用高性能热塑性树脂的纤维金属层板回转体构件能有效弥补层板在应用上的不足，其优异的热稳定性和和综合电性能使其具有广阔的应用前景。
纤维金属层板根据金属薄板和纤维增强树脂基复合材料的数量不同可设计成2/1结构、3/2结构，5/4结构等铺层结构。以2/1结构为例，其代表纤维金属层板由2层金属薄板和1层纤维增强树脂基复合材料组成，铺放次序为金属/复合材料/金属。
目前针对纤维金属回转体构件的成型方式有：气压/液压胀形工艺、真空辅助树脂传递模塑工艺、旋压工艺，以上工艺均能有效实现纤维金属回转体构件的制备，但各自存在一定局限性。对于气压/液压胀形工艺，在制备结构上仅限于制备2/1结构，限制其使用范围；在技术层面，当基管较薄时密封难度大，液压胀形工艺中的高压液极易进入预浸料层影响其粘接性能，胀形压力难以控制且无法实现大口径、锥形回转体构件成型；从成本方面，不同规格复合管的胀形需要不同设计、加工的冲头、密封结构以及模具，成本高，效率低。对于真空辅助树脂传递模塑工艺，为保证树脂充分浸渍纤维铺层需要在金属管上沿轴向和环向以较小的间隔打孔，削弱复合管的整体力学性能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供一种纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法，提出使用红外加热元件随动加热、加热功率与旋压参数配合的方法极大提升采用先进热塑性树脂的纤维金属层板回转体构件的成型效率以及成型质量，同时具有低成本、高可设计性的优点。
一种纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置，包括芯模5、旋轮8、两组红外加热元件、功率控制元件14和尾顶15，芯模5的轮廓、外径和拟制备纤维金属层板回转体构件内轮廓、内径相同，纤维金属层板回转体预制件套在芯模上；芯模5一端环向设置均匀分布的螺纹孔，用于将纤维金属层板回转体预制件套在芯模5上进行固定；两组红外加热元件在径向不发生干涉，在旋压程序运行时与同侧的旋轮的相对空间位置不发生变化，红外加热灯管和衬管表面平行保持固定距离。
所述的一体化旋压成型制备装置，芯模5的长度比拟制备纤维金属层板回转体构件长度长，较长的一端用于夹持。
所述的一体化旋压成型制备装置，旋轮8数量为2个，沿芯模5外部轮廓对称分布；
所述的一体化旋压成型制备装置，每组红外加热元件包括2根2200w半环形红外加热灯管11、红外灯罩12，两个红外加热元件沿轴线对称分布。
所述的一体化旋压成型制备装置，红外加热元件的加热区域为旋轮进给方向前方轴向宽度为50-100mm的矩形。
所述的一体化旋压成型制备装置，红外灯罩上安装有红外加热元件支架18，红外加热元件支架18与红外加热元件磁性基座17以球形铰链链接，可在一定范围内转动，红外加热元件磁性基座17和旋轮安装在刀架盘16上，通过改变红外加热元件磁性基座17的安装位置并调整球形铰链控制红外加热元件和衬管表面、旋轮的位置关系；
所述的一体化旋压成型制备装置，功率控制元件14用于调节红外加热灯管的加热功率，在预热程序中和旋压程序中分别调节红外加热灯管的加热功率。
根据所述的装置旋压成型纤维金属层板回转体构件的方法，包括以下步骤：
步骤1：对基管外侧或衬管内侧表面进行电子束毛化处理，形成尺度在200～600μm范围内的微观表面形貌；
步骤2：将基管、热塑性树脂/连续纤维预浸料、衬管依次嵌套，得到纤维金属层板回转体预制件；
步骤3：将所述步骤2得到的纤维金属层板回转体预制件套上芯模，固定芯模和纤维金属层板回转体预制件的相对位置避免两者在旋压过程中产生相对轴向和切向滑动；
步骤4：将芯模和的纤维金属层板回转体预制件装夹到旋压设备爪盘上，用尾顶支撑芯模的非夹持端；
步骤5：以500～800r/min主轴转速、1mm/r的加热元件进给速度在纤维金属层板回转体构件表面预加热至稳定200℃～370℃并保持30s～60s后进行3～5个道次的旋压程序，旋轮下压量为衬管壁厚10％～30％，主轴转速400～600r/min，旋轮进给量0.3～1mm/r；红外加热元件和旋轮随动运行；红外加热元件和旋轮随动运行并保持启动；旋压程序运行时在衬管表面涂刷预热至200℃的润滑油进行润滑；
步骤6：旋压程序完成后通过红外加热元件持续加热复合回转体构件旋压段30min，关闭加热后待复合管自然冷却；
步骤7：将纤维金属层板回转体构件从芯模上取下，通过铣切的方式去除未旋压段，获得旋压/固化一体成型的纤维金属层板回转体构件。
所述的方法，步骤5中，旋压程序运行时在衬管表面涂刷预热至200℃的润滑油进行润滑。
所述的方法，所采用的基管、衬管材料包括铝合金、纯钛、钛合金、镍基高温合金，连续纤维包括碳纤维、玻璃纤维之一，热塑性树脂包括聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚醚醚酮树脂之一。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提出采用红外加热区与旋轮随动运行的方法，在旋压过程中对使用高性能热塑性树脂的纤维金属层板回转体构件进行同步加热，使金属层和复合材料层之间形成层间混杂以及有益的残余压应力，同时旋压过程对界面施加的压力可保证层间结合性能优良。
2、本发明显著提升采用高性能热塑性树脂的大口径纤维金属层板回转体构件的生产效率，同时可实现2/1、3/2结构等常用结构的纤维金属层板回转体构件成型，具有可设计性强、成本低、效率高的优点，对批量生产纤维金属层板回转体构件具有参考价值。
附图说明
图1为3/2结构大口径纤维金属层板管件结构示意图。
图2为2/1结构大口径纤维金属层板管件结构示意图。
图3为2/1结构大口径纤维金属层板锥形件结构示意图。
图4为大口径纤维金属层板回转体构件成型制备示意图。
图5为红外加热元件装配示意图。
图1中，1为金属基管，2为金属基管，3为金属衬管，4为连续纤维增强热塑性树脂复合材料层。图4中，5为芯模，6为复合管，7为复合管固定螺栓，8为旋轮，9为旋轮基座，10为旋轮基座固定螺栓，11为红外灯管，12为红外灯罩，13为红外加热区，14为功率控制元件，15为尾顶，16为刀架盘，17为红外加热元件磁性基座，18为红外加热元件支架。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图4，基于热塑性树脂的纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置，包括芯模5、旋轮8、红外加热元件、功率控制元件14和尾顶15，芯模5的轮廓、外径和拟制备纤维金属层板管件内轮廓、内径相同，芯模5的长度比拟制备纤维金属层板管件长度长，较长的一端用于夹持；芯模5一端环向设置均匀分布的螺纹孔，用于将纤维金属层板管件套在芯模上后进行固定；旋轮8数量为2个，沿芯模5外部轮廓对称分布。
每组红外加热元件包括2根2200w半环形红外加热灯管11、红外灯罩12，两个红外加热元件沿轴线对称分布，其中电源线、功率控制元件从环形灯罩外侧引入，红外灯罩上安装有红外加热元件支架18，红外加热元件支架18与红外加热元件磁性基座17以球形铰链链接，可在一定范围内转动，红外加热元件磁性基座17和旋轮安装在刀架盘16上，通过改变红外加热元件磁性基座17的安装位置并调整球形铰链控制红外加热元件和衬管表面、旋轮的位置关系。两组红外加热元件在径向不发生干涉，在旋压程序运行时与同侧的旋轮的相对空间位置不发生变化，红外加热灯管和衬管表面平行保持固定距离。加热区域为旋轮进给方向(图4箭头所示为进给方向)前方轴向宽度为50mm的矩形。
功率控制元件14用于调节红外加热灯管的加热功率，在预热程序中和旋压程序中分别调节其功率。
实施例1
第一步选取一根外径105mm，内径102mm，长200mm的镍基高温合金管作为金属基管1，一根外径113mm，内径109mm，长200mm的镍基高温合金管作为金属基管2，一根外径120mm，内径117mm，长200mm的镍基高温合金管作为金属衬管3，使用电子束焊机在金属基管1外表面、金属基管2内外表面和衬管内表面进行表面处理并形成轴向和环向分布的表面凹陷以及沿轴向和切向倾斜毛刺，毛刺高度600μm，加速电压0～100kV,电子束电流0～140mA，扫描频率0～2kHz，电子束焦点直径600μm。表面处理后将基管和衬管清洗并干燥，以连续铺放的方式在金属衬管3内表面铺放15层碳纤维/聚醚醚酮预浸料(每层厚度0.1mm)，纤维0°方向为基管切向，预浸料终止于预浸料起始点在环向上的相同位置；再以相同的铺放方式在金属基管2内表面铺放预浸料。
第二步将金属基管1插入铺放过预浸料的金属基管2内部，再将金属基管1和金属基管2整体插入铺放过预浸料的金属基管3内部，得到纤维金属层板预制管件，并在任意一端沿管件环向钻5个均匀分布的孔作为螺栓连接点，芯模上的螺纹孔环向分布的位置和管件上钻孔的位置对应。
第三步将纤维金属层板预制管件套在圆柱体芯模上，通过5个螺栓固定芯模和管件，芯模夹持段长度70mm。
第四步将芯模和纤维金属层板预制管件装夹到旋压设备爪盘上，并用尾顶支撑非夹持端。
第五步以800r/min的主轴转速、1mm/r的加热元件进给速度将纤维金属层板管件外表面预热至350℃，预热功率2000w，纤维金属层板管件外表面温度稳定至370摄氏度后保持30s。红外加热元件由3根2200w环形红外加热灯管、环形灯罩、功率控制元件组成，其中电源线、功率控制元件从环形灯罩外侧引入，环形灯罩上安装有活动支架，活动支架的磁性基座和旋轮安装在旋压设备刀架盘上。加热区域为旋轮进给方向前方轴向宽度为50mm的矩形，红外加热元件和旋轮的相对位置不变，加热管平行于衬管表面，距衬管表面15mm并保持。预热程序完成后调节功率控制元件将加热功率调至2200w，开始进行3个道次的旋压程序，旋轮总下压量为0.15mm，主轴转速600r/min，旋轮进给量1mm/r，旋轮距加热区远离进给方向一侧边界5mm，红外加热元件和旋轮随动运行并保持启动，道次切换的时间间隔2s；旋压程序运行时在衬管表面涂刷预热至200℃的润滑油进行润滑。
第六步旋压程序完成后通过红外加热元件持续加热复合回转体构件旋压段30min，关闭加热后待纤维金属层板管件自然冷却，得到纤维金属层板管件尺寸为：外径119.7mm，内径102mm，长200mm。
第七步将纤维金属层板管件从芯模上取下，通过铣切的方式去除未旋压段，获得旋压/固化一体成型的纤维金属层板管件。
实施例2
第一步选取一根外径144mm，内径141mm，长270mm的纯钛管作为基管，一根外径150mm，内径147mm，长270mm的纯钛管作为衬管，使用电子束焊机在基管外表面和衬管内表面进行表面处理并形成轴向和环向分布的表面凹陷以及沿轴向和切向倾斜毛刺，毛刺高度200μm，加速电压0～70kV,电子束电流0～100mA，扫描频率0～2kHz，电子束焦点直径200μm。表面处理后将基管和衬管清洗并干燥，以逐层铺放的方式在衬管内表面铺放10层碳纤维/聚酰胺预浸料(每层厚度0.1mm)，纤维0°方向为基管轴向，各层预浸料接头为搭接的形式且各层的接头沿环向均匀分布。
第二步将基管嵌套放入预浸料层内侧，得到纤维金属层板预制管件，并在任意一端沿管件环向钻4个均匀分布的孔作为螺栓连接点，芯模上的螺纹孔环向分布的位置和管件上钻孔的位置对应。
第三步将纤维金属层板预制管件套上圆柱体芯模，通过4个螺栓固定芯模和管件，芯模夹持段长度50mm。
第四步将芯模和纤维金属层板预制管件装夹到旋压设备爪盘上，并用尾顶支撑非夹持端。
第五步以500r/min的主轴转速、1mm/r的加热元件进给速度将纤维金属层板管件外表面预热至250℃，预热功率1600w，纤维金属层板管件外表面温度稳定至250摄氏度后保持30s。红外加热元件由2根2200w环形红外加热灯管、环形灯罩、功率控制元件组成，其中电源线、功率控制元件从环形灯罩外侧引入，环形灯罩上安装有活动支架，支架的基座和旋轮安装在旋压设备刀架盘上。加热区域为旋轮进给方向前方轴向宽度为30mm的矩形，红外加热元件和旋轮的相对位置保持不变，加热管平行于衬管表面，距衬管表面10mm并保持。预热程序完成后调节功率控制元件将加热功率调至1800w，进行3个道次的旋压程序，旋轮总下压量为0.3mm，主轴转速400r/min，旋轮进给量0.3mm/r，旋轮距加热区远离进给方向一侧边界9mm，红外加热元件和旋轮随动运行并保持启动，道次切换的时间间隔2s；旋压程序运行时在衬管表面涂刷预热至200℃的润滑油进行润滑。
第六步旋压程序完成后通过红外加热元件持续加热复合回转体构件旋压段30min，关闭加热后待纤维金属层板管件自然冷却，得到纤维金属层板管件尺寸为：外径119.4mm，内径141mm，长270mm。
第七步将纤维金属层板管件从芯模上取下，通过铣切的方式去除未旋压段，获得旋压/固化一体成型的纤维金属层板回转体构件。
实施例3
第一步选取一根大端外径205mm，小端外径135mm，长250mm，厚1.5mm的的铝合金管作为基管，一根大端外径210mm，小端外径140mm，长250mm，厚1mm的钛合金管作为衬管，使用电子束焊机在基管外表面和衬管内表面进行表面处理并形成轴向和环向分布的表面凹陷以及沿轴向和切向倾斜毛刺，毛刺高度400μm，加速电压0～50kV,电子束电流0～700mA，扫描频率0～2kHz，电子束焦点直径300μm。表面处理后将基管和衬管清洗并干燥，以逐层铺放的方式在衬管内表面铺放12层玻璃纤维/聚丙烯预浸料(每层厚度0.1mm)，各层纤维正交排布，各层预浸料接头为搭接的形式且各层的接头沿环向均匀分布。
第二步将基管嵌套放入预浸料层内侧，得到纤维金属层板预制锥形件，并在大端沿管件环向钻6个均匀分布的孔作为螺栓连接点，芯模上的螺纹孔环向分布的位置和管件上钻孔的位置对应。
第三步将纤维金属层板预制锥形件套上圆台体芯模，芯模夹持段为圆柱体且夹持段直径120mm，旋压段小端靠近夹持段，大端为夹持段另一侧，通过6个螺栓固定芯模和管件，芯模夹持段长度60mm。
第四步将芯模和纤维金属层板预制锥形件装夹到旋压设备爪盘上，并用尾顶支撑非夹持端。
第五步以600r/min的主轴转速、1mm/r的加热元件进给速度将纤维金属层板预制锥形件外表面预热至200℃，预热功率,1400w，纤维金属层板预制锥形件外表面温度稳定至320℃后保持30s。红外加热元件由4根2200w半圆形红外加热灯管、两个灯罩、功率控制元件组成，其中电源线、功率控制元件从环形灯罩外侧引入，环形灯罩上安装有活动支架，支架的基座和旋轮安装在旋压设备刀架盘上。加热区域为旋轮进给方向前方轴向宽度为40mm的矩形，红外加热元件与旋轮的相对位置不变，加热管平行于衬管表面，距衬管表面12mm并保持。预热程序完成后调节功率控制元件将加热功率调至1600w，进行4个道次的旋压程序，旋轮下压量为0.1mm，主轴转速500r/min，旋轮进给量0.6mm/r，旋轮距加热区远离进给方向一侧边界8mm，红外加热元件和旋轮随动运行并保持启动，道次切换的时间间隔2s；旋压程序运行时在衬管表面涂刷预热至200℃的润滑油进行润滑。
第六步旋压程序完成后通过红外加热元件持续加热复合锥形件旋压段30min，关闭加热后待纤维金属层板锥形件自然冷却，得到纤维金属层板锥形件尺寸为大端外径209.4mm，小端外径139.4mm，厚度3.7mm。
第七步将纤维金属层板锥形件从芯模上取下，通过铣切的方式去除未旋压段，获得旋压/固化一体成型的纤维金属层板锥形件。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置，其特征在于，包括芯模(5)、旋轮(8)、两组红外加热元件、功率控制元件(14)和尾顶(15)，芯模(5)的轮廓、外径和拟制备纤维金属层板回转体内轮廓、内径相同，纤维金属层板回转体预制件套在芯模上；芯模(5)一端环向设置均匀分布的螺纹孔，用于将纤维金属层板回转体构件套在芯模(5)上进行固定；两组红外加热元件在径向不发生干涉，在旋压程序运行时与同侧的旋轮的相对空间位置不发生变化，红外加热灯管和衬管表面平行保持固定距离；旋压程序及控制参数为：以一定的主轴转速、一定的加热元件进给速度在纤维金属层板回转体构件表面预加热至稳定200℃～370℃并保持30s～60s后进行3～5个道次的旋压程序，旋轮下压量为衬管壁厚10％～30％，主轴转速400～600r/min，旋轮进给量0.3～1mm/r；红外加热元件和旋轮随动运行并保持启动。
2.根据权利要求1所述的一体化旋压成型制备装置，其特征在于，芯模(5)的长度比拟制备纤维金属层板回转体构件长度长，较长的一端用于夹持。
3.根据权利要求1所述的一体化旋压成型制备装置，其特征在于，旋轮(8)数量为2个，沿芯模(5)外部轮廓对称分布。
4.根据权利要求1所述的一体化旋压成型制备装置，其特征在于，每组红外加热元件包括2根2200w半环形红外加热灯管(11)、红外灯罩(12)，两个红外加热元件沿轴线对称分布。
5.根据权利要求1所述的一体化旋压成型制备装置，其特征在于，红外加热元件的加热区域为旋轮进给方向前方轴向宽度为50-100mm的矩形。
6.根据权利要求1所述的一体化旋压成型制备装置，其特征在于，红外灯罩上安装有红外加热元件支架(18)，红外加热元件支架(18)与红外加热元件磁性基座(17)以球形铰链连接，可在一定范围内转动，红外加热元件磁性基座(17)和旋轮安装在刀架盘(16)上，通过改变红外加热元件磁性基座(17)的安装位置并调整球形铰链控制红外加热元件和衬管表面、旋轮的位置关系。
7.根据权利要求1所述的一体化旋压成型制备装置，其特征在于，功率控制元件(14)用于调节红外加热灯管的加热功率，在预热程序中和旋压程序中分别调节红外加热灯管的加热功率。
8.根据权利要求1-7任一所述的装置旋压成型纤维金属层板回转体构件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对基管外侧或衬管内侧表面进行电子束毛化处理，形成尺度在200～600μm范围内的微观表面形貌；
步骤2：将基管、热塑性树脂/连续纤维预浸料、衬管依次嵌套，得到纤维金属层板回转体预制件；
步骤3：将所述步骤2得到的纤维金属层板回转体预制件套上芯模，固定芯模和纤维金属层板回转体预制件的相对位置避免两者在旋压过程中产生相对轴向和切向滑动；
步骤4：将芯模和纤维金属层板回转体预制件装夹到旋压设备爪盘上，用尾顶支撑芯模的非夹持端，开始旋压程序；
步骤5：旋压程序完成后通过红外加热元件持续加热复合回转体构件旋压段30min，关闭加热后待复合管自然冷却；
步骤6：将纤维金属层板回转体构件从芯模上取下，通过铣切的方式去除未旋压段，获得旋压/固化一体成型的纤维金属层板回转体构件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤4中，旋压程序运行时在衬管表面涂刷预热至200℃的润滑油进行润滑。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所采用的基管、衬管材料包括铝合金、纯钛、钛合金、镍基高温合金之一，连续纤维包括碳纤维、玻璃纤维，热塑性树脂包括聚丙烯树脂、聚酰胺树脂、聚醚醚酮树脂之一。
CN202010487235.3A 2020-06-01 2020-06-01 纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法 Active CN111703178B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010487235.3A CN111703178B (zh) 2020-06-01 2020-06-01 纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010487235.3A CN111703178B (zh) 2020-06-01 2020-06-01 纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111703178A CN111703178A (zh) 2020-09-25
CN111703178B true CN111703178B (zh) 2022-04-12

Family

ID=72537581

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010487235.3A Active CN111703178B (zh) 2020-06-01 2020-06-01 纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111703178B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113306154A (zh) * 2021-04-20 2021-08-27 福建闽维科技有限公司 预成型强化复合材料及其制法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5864324B2 (ja) * 2012-03-27 2016-02-17 積水化成品工業株式会社 繊維強化複合体の製造方法
CN107127985A (zh) * 2017-05-25 2017-09-05 南京工程学院 一种纤维金属超混杂复合管的成形方法
CN109108139A (zh) * 2018-10-31 2019-01-01 哈尔滨工业大学 一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5864324B2 (ja) * 2012-03-27 2016-02-17 積水化成品工業株式会社 繊維強化複合体の製造方法
CN107127985A (zh) * 2017-05-25 2017-09-05 南京工程学院 一种纤维金属超混杂复合管的成形方法
CN109108139A (zh) * 2018-10-31 2019-01-01 哈尔滨工业大学 一种基于复合加热的钛基合金材料旋压成形方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111703178A (zh) 2020-09-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1861240B1 (en) Composite tube production
US20210348290A1 (en) Method of Manufacturing Aircraft Engine Parts Utilizing Reusable And Reconfigurable Smart Memory Polymer Mandrel
CN102078895A (zh) 一种成形带环向内筋大型复杂薄壁壳体的方法
CN111703178B (zh) 纤维金属层板回转体构件一体化旋压成型制备装置及方法
CN107127985A (zh) 一种纤维金属超混杂复合管的成形方法
CN109201834B (zh) 一种流动旋压和双辊夹持旋压的复合成形方法
US20080160122A1 (en) Continuous debulking systems
CN104772909B (zh) 一种制造中间管的双工位缠绕模具及中间管的制造方法
CN103182457A (zh) 一种管材端口高速旋压封口的工艺方法
GB2484350A (en) A method of making a hollow object comprising a flange portion
US20240253297A1 (en) Manufacturing systems and methods for three-dimensional printing
CN208906605U (zh) 一种四氟管翻边用顶紧装置
US20080156419A1 (en) Continuous debulking methods
CN117885252A (zh) 一种碳纤维增强热塑性回转体结构件的大张力缠绕一体化成型工艺
CN108555104B (zh) 含钛双金属板材制备复合管的装置及方法
CN104260384A (zh) 一种高密度聚乙烯缠绕结构壁管的加工方法
EP0293162B1 (en) Methods and apparatus for flanging tubular polymer articles
US20200238635A1 (en) Method for the Production of an FMV Hybrid Component, and FMV Hybrid Component
CN106182716A (zh) 一种制造中间管的多工位缠绕模具及中间管的制造方法
CN112848419B (zh) 连续纤维复合材料螺栓的制造方法
JPS5964328A (ja) 複合管製造方法および製造装置
US11548205B2 (en) Post curing process for composite parts produced by filament winding manufacturing process
CN112976615B (zh) 热塑复材管的制造装置及制造方法
CN210100733U (zh) 非金属材料涡流焊接装置
CN117565426A (zh) 一种碳纤维与金属复合智能结构制造方法及应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant