CN112606782A - 一种碳纤维复合材料前端加强梁及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维复合材料前端加强梁及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料前端加强梁及其制备方法，包括前端加强梁本体和加强筋，前端加强筋位于加强梁本体的背面；加强筋的四周还带有增强层；所述增强层的厚度从加强筋一侧向前端加强梁本体的表面呈线性减小；制备方法包括：（1）原料冲切及铺层；（2）预抽真空；（3）入模；（4）SMC成型。本发明以碳纤维SMC片材，通过变厚度的增强层的结构和弓型结构的加强梁本体的设计、预抽真空处理、铺层片材入模角度的设计，有效解决了碳纤维复合材料前端加强梁成品的加强筋处收缩以及气孔率高的问题，所得的成型制品的表面具有光亮的锻造碳纹效果，表观质量高，具有优异的刚性、力学性能、一阶固有频率和抗变形能力，综合性能优异。

Description

一种碳纤维复合材料前端加强梁及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件领域，特别是涉及一种碳纤维复合材料前端加强梁及其制备方法。
背景技术
传统燃油车对油耗法规及新能源车对续航里程的需求日益迫切，汽车轻量化已成为国内汽车主机厂迫切的需求。汽车轻量化可以降低整车质量，提高燃油效率，增加续航里程，从而降低汽车使用成本。
汽车前端加强梁是发动机舱侧边结构的重要部件之一，是正面碰撞的传力路径之一。传统汽车前端加强梁一般由钢材通过冲压和焊接工艺制成，制品不仅重量大、而且装配工序多，不利于汽车轻量化。而碳纤维复合材料密度为1.5～1.6g/cm3，仅为钢的五分之一，且具有轻质高强、耐化学腐蚀和抗疲劳性能优异等特点，同时可实现结构一体化设计，大大减少装配工序，因而在汽车轻量化领域备受关注。
采用碳纤维预浸料模压工艺，虽然制品可以达到减重效果并且机械性能优良，但仍存在如下问题：1、预浸料铺贴复杂造型时间长，模具在冷模状态铺贴料片，再转移压机台面升温加热，成型固化周期一般1小时左右，整体生产节拍较长；2、模具内排气效果差，成型件含有气孔，复杂加强筋造型很难一体成型，成型制品的加强筋处易收缩，表观质量差；3、因复杂深腔造型很难成型，简单造型制品整体刚度低。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种碳纤维复合材料前端加强梁及其制备方法，能够解决现有汽车前端加强梁存在的上述问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种碳纤维复合材料前端加强梁，包括前端加强梁本体和加强筋，所述加强筋位于所述前端加强梁本体的背面；所述加强筋的四周还带有增强层；所述增强层的厚度从所述加强筋一侧向所述前端加强梁本体的表面呈线性减小。
在本发明一个较佳实施例中，所述前端加强梁本体、加强筋和增强层一体成型。
在本发明一个较佳实施例中，所述前端加强梁本体为弓型结构，其弯曲半径为8～12mm。
在本发明一个较佳实施例中，所述加强筋的厚度为1.5～3mm，其顶端带有拔模角度。
在本发明一个较佳实施例中，所述拔模角度为0.5°～1.0°，所述前端加强梁本体拔模角度为1.5°～3°。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种碳纤维复合材料前端加强梁的制备方法，包括如下步骤：
（1）原料冲切及铺层：以碳纤维SMC片材为原料，根据前端加强梁的形状，将碳纤维SMC片材冲切成所需形状和尺寸的前端加强梁本体成型片材；
（2）预抽真空：将冲切好的所述前端加强梁本体成型片材按照冲切外形铺层，得到铺层片材，并将其装入真空袋中进行预抽真空处理；
（3）入模：将步骤（1）中冲切出所述加强筋成型材料、增强层成型材料和步骤（2）中预抽真空后的铺层片材放置到成型模具中，并使所述铺层片材的各个边到模具边缘的距离相同；
（4）SMC成型：合模、抽真空，保温固化成型，脱模整理，得到所述碳纤维复合材料前端加强梁。
在本发明一个较佳实施例中，所述碳纤维SMC片材的碳纤维是长度为25～30mm的非连续碳纤维，树脂体系为环氧树脂或乙烯基树脂，所述碳纤维的纤维含量为50%以上。
在本发明一个较佳实施例中，所述前端加强梁本体成型片材的冲切尺寸为前端加强梁垂直投影面积的70%以上。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（2）中，所述预抽真空的工艺条件为：抽真空5～10min，使真空度达到-0.09MPa以上。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（4）中，所述保温固化成型的工艺条件为：压力12～16 MPa，温度130～140℃，时间3～5min。
本发明的有益效果是：本发明一种碳纤维复合材料前端加强梁及其制备方法，以碳纤维SMC片材，通过变厚度的增强层的结构和弓型结构的加强梁本体的设计、预抽真空处理、铺层片材入模角度的设计，有效解决了碳纤维复合材料前端加强梁成品的加强筋处收缩以及气孔率高的问题，所得的成型制品的表面具有光亮的锻造碳纹效果，表观质量高，具有优异的刚性、力学性能、一阶固有频率和抗变形能力，综合性能优异，在汽车零部件领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种碳纤维复合材料前端加强梁一较佳实施例的局部结构的背面示意图；
图2是所示碳纤维复合材料左前端加强梁的结构示意图；
图3是所示碳纤维复合材料右前端加强梁的结构示意图；
附图中各部件的标记如下：1.前端加强梁本体，2.加强筋，3.增强层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1-3，本发明实施例包括：
实施例1
本发明揭示了一种碳纤维复合材料前端加强梁，有左前端加强梁和右前端加强梁，包括加强梁本体1和加强筋2；所述加强梁本体1设计为弯曲半径为8～12mm的弓型结构，所述加强梁本体1的厚度为3mm，其边部的翻边高度为16～24mm；所述加强筋2呈网格状分布在加强梁本体1的背面；所述加强筋2的四周还带有变壁厚的增强层3；所述增强层3的厚度从所述加强筋2一侧向所述加强梁本体1一侧逐渐减小；所述加强梁本体1、加强筋2和增强层3一体成型。通过加强梁本体1的结构设计、加强筋2和增强层3的设计，能够有效提高碳纤维复合材料前端加强梁的整体刚性、一阶固有频率和抗变形能力。
另外，将所述增强层3设计为变厚度的结构，能够降低成品的收缩率，提高加强梁的成型质量。
所述加强筋2的厚度为1.5～3mm，小于所述增强层3靠近加强筋一侧的端点到加强梁本体1对侧的厚度；所述加强筋2的顶端（背离所述加强梁本体1的一端）带有0.5°～1.0°的拔模角度，前端加强梁本体1带有1.5°～3°的拔模角度，使脱模更加顺利。
所述加强梁本体1、加强筋2和增强层3采用碳纤维SMC片材经SMC成型工艺一体成型得到。其中，所述碳纤维SMC片材的纤维成分是长度为25～30mm的长丝束非连续碳纤维，纤维含量为50%以上，其树脂体系为环氧树脂或乙烯基树脂。
实施例2
一种碳纤维复合材料前端加强梁的制备方法，其原材料碳纤维SMC片材为环氧乙烯基树脂体系，纤维的质量百分含量为53%，碳纤维长度为25～26mm。
选用的成型模具为一模两穴的金属模具。模具温度由油温机控制在135℃。
设计前端加强梁本体1的厚度为3mm，增强层3靠近所述加强筋2一侧的端点到加强梁本体1对侧的厚度为4mm；加强筋2的厚度为3mm。
所述制备方法具体包括如下步骤：
（1）原料冲切及铺层：将碳纤维SMC片材放置在冲床平台上，并根据前端加强梁的结构将碳纤维SMC片材冲切处所需形状和尺寸的加强梁本体成型片材；
其中，所述加强梁本体成型片材的冲切尺寸为前端加强梁垂直投影面积的70%；
（2）预抽真空：将冲切好的所述加强梁本体成型片材揭膜精确称量后，按照左前端加强梁投料量355g，右前端加强梁投料量255g的分量按照冲切外形铺贴在一起，成为铺层片材，将该铺层片材防止到真空袋内，水平放置且整体密封，然后对其进行抽预抽真空10min，使真空袋内的真空压力达到-0.09MPa以上，通过模外预抽真空处理，可以有效去除加强梁本体成型片材内部和层间的空气，有效降低成型制品的气孔率；
（3）入模：将步骤（2）中预抽真空后的铺层片材放置到成型模具中，并使所述铺层片材的各个边到模具边缘的距离相同；
（4）SMC成型：模具合模，在模具合模刚接触密封圈且有一定合模间隙时，设置自动打开抽真空阀门，将模具型腔内的空气抽净，模具缓慢合模后，将压机压力增加到16MPa,在135℃模具温度下保压3min，待环氧乙烯基树脂固化后顶出脱模，最后将固化好的半成品经过去毛边、机加工和胶接等工序。
按照ISO527、ISO 14125 和ISO 1183测试标准对实施例制得的碳纤维复合材料前端加强梁进行性能测试，其拉伸强度为185MPa，拉伸模量为30.4GPa，弯曲强度为330MPa，弯曲模量为25GPa，密度为1.47g/cm3。
一阶固有频率为274.76Hz，明显高于钢件的一阶固有频率168.55Hz；在零件中段施加100N集中力，其结构最大变形量为0.390mm，小于钢结构的最大变形量0.476mm，结构稳固性更高。
实施例3
一种碳纤维复合材料前端加强梁的制备方法，其原材料碳纤维SMC片材为环氧树脂体系，纤维的质量百分含量为50～52%，碳纤维长度为25～26mm。
选用的成型模具为一模两穴的金属模具。模具温度由油温机控制在145℃。
设计前端加强梁本体1的厚度为3mm，增强层3靠近所述加强筋2一侧的端点到加强梁本体1对侧的厚度为4mm；加强筋2的厚度为3mm。
所述制备方法具体包括如下步骤：
（1）原料冲切及铺层：将碳纤维SMC片材放置在冲床平台上，并根据前端加强梁的结构将碳纤维SMC片材冲切处所需形状和尺寸的加强梁本体成型片材；
其中，所述加强梁本体成型片材的冲切尺寸为前端加强梁垂直投影面积的75%；
（2）预抽真空：将冲切好的所述加强梁本体成型片材揭膜精确称量后，按照左前端加强梁投料量350g，右前端加强梁投料量250g的分量按照冲切外形铺贴在一起，成为铺层片材，将该铺层片材防止到真空袋内，水平放置且整体密封，然后对其进行抽预抽真空10min，使真空袋内的真空压力达到-0.09MPa以上，通过模外预抽真空处理，可以有效去除加强梁本体成型片材内部和层间的空气，有效降低成型制品的气孔率；
（3）入模：将步骤（2）中预抽真空后的铺层片材放置到成型模具中，并使所述铺层片材的各个边到模具边缘的距离相同；
（4）SMC成型：模具合模，在模具合模刚接触密封圈且有一定合模间隙时，设置自动打开抽真空阀门，将模具型腔内的空气抽净，模具缓慢合模后，将压机压力增加到15MPa,在145℃模具温度下保压5min，待环氧树脂固化后顶出脱模，最后将固化好的半成品经过去毛边、机加工和胶接等工序。
按照ISO527、ISO 14125 和ISO 1183测试标准对实施例制得的碳纤维复合材料前端加强梁进行性能测试，其拉伸强度为231MPa，拉伸模量为31GPa，弯曲强度为381MPa，弯曲模量为25GPa。
一阶固有频率为276Hz，明显高于钢件的一阶固有频率168.55Hz；在零件中段施加100N集中力，其结构最大变形量为0.386mm，小于钢结构的最大变形量0.476mm，结构稳固性更高。
密度为1.46g/cm3。
本发明一种碳纤维复合材料前端加强梁及其制备方法，具有如下优点：
1、以碳纤维SMC片材为原料，采用SMC成型工艺，相比碳纤维预浸料模压成型工艺，SMC成型固化时间缩短到5min以内，大大缩短了成型周期，提高生产效率；
2、增加了模外预抽真空的工序，有效排除了铺层片材内部及层间的空气，有助于降低成型制品内的气孔率，提高成型质量，使成型制品的外观更加精美，达到光亮的锻造碳纹效果；
3、通过变厚度的增强区的设计，有效解决了成型制品的加强筋处收缩的缺陷；
4、通过铺层片材入模位置的设计，使铺层片材在热压成型过程中冲模更加均匀、完整，有效降低了收缩率，所得的成型制品表面碳丝清晰、均匀展开，具有锻造纹理，外观质量高；
5、所制得的碳纤维复合材料前端加强梁的力学性能优异，整体刚性大、一阶固有频率明显高于钢件的一阶固有频率，抗变形能力大于钢结构件。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料前端加强梁，其特征在于，包括前端加强梁本体和加强筋，所述加强筋位于所述前端加强梁本体的背面；所述加强筋的四周还带有增强层；所述增强层的厚度从所述加强筋一侧向所述前端加强梁本体的表面呈线性减小。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料前端加强梁，其特征在于，所述前端加强梁本体、加强筋和增强层一体成型。
3.根据权利要求2所述的一种碳纤维复合材料前端加强梁，其特征在于，所述前端加强梁本体为弓型结构。
4.根据权利要求2所述的一种碳纤维复合材料前端加强梁，其特征在于，所述加强筋的厚度为1.5～3mm，其顶端带有拔模角度。
5.根据权利要求4所述的一种碳纤维复合材料前端加强梁，其特征在于，所述拔模角度为0.5°～1.0°，所述前端加强梁本体拔模角度为1.5°～3°，弯曲半径为8～12mm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的碳纤维复合材料前端加强梁的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）原料冲切及铺层：以碳纤维SMC片材为原料，根据前端加强梁的形状，将碳纤维SMC片材冲切成所需形状和尺寸的前端加强梁本体成型片材；
（2）预抽真空：将冲切好的所述前端加强梁本体成型片材按照冲切外形铺层，得到铺层片材，并将其装入真空袋中进行预抽真空处理；
（3）入模：将步骤（1）中冲切出所述加强筋成型材料、增强层成型材料和步骤（2）中预抽真空后的铺层片材放置到成型模具中，并使所述铺层片材的各个边到模具边缘的距离相同；
（4）SMC成型：合模、抽真空，保温固化成型，脱模整理，得到所述碳纤维复合材料前端加强梁。
7.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料前端加强梁的制备方法，其特征在于，所述碳纤维SMC片材的碳纤维是长度为25～30mm的非连续碳纤维，树脂体系为环氧树脂或乙烯基树脂，所述碳纤维的纤维含量为50%以上。
8.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料前端加强梁的制备方法，其特征在于，所述前端加强梁本体成型片材的冲切尺寸为前端加强梁垂直投影面积的70%以上。
9.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料前端加强梁的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述预抽真空的工艺条件为：抽真空5～10min，使真空度达到-0.09MPa以上。
10.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料前端加强梁的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，所述保温固化成型的工艺条件为：压力12～16 MPa，温度130～140℃，时间3～5min。
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