CN113500799A - 一种复合材料轮毂成型用预成型体及轮毂成型方法 - Google Patents

一种复合材料轮毂成型用预成型体及轮毂成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合材料轮毂成型用预成型体及轮毂成型方法，预先制造增强纤维预成型体填充于一个封闭的模具腔内，将封闭的模具腔内抽真空，再用压缩空气将树脂体系注入到模腔中，经固化后得到复合材料轮毂。本发明注入树脂体系通过压缩气体注入模具中，并在注入结束后保持压力一段时间，使可接受的增强材料体积含量加大，达到增强材料体积含量可控的目的，进而控制和提高轮毂的机械强度。本发明制造的复合材料轮毂，空隙率极低，纤维含量高，纤维在复合材料结构中分布均匀、无褶皱，并且，由于预成型体的制造可以分块进行，可将复杂的产品分解成简单形状部件的组合，生产效率高，质量可控、稳定。

Description

一种复合材料轮毂成型用预成型体及轮毂成型方法
本发明专利申请是由申请号为201610792631.0，申请日为2016年08月31日，发明名称为“一种复合材料轮毂的制造方法”的发明专利的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种轮毂制造方法，具体是一种通过预成形体制造复合材料轮毂的方法。
背景技术
减轻汽车质量、降低燃油消耗和减少排放污染成为汽车工业发展的核心问题，车轮是汽车的重要安全部件之一，作为汽车的非簧载质量，其质量的减轻比其他部件的减轻更重要。目前采用碳复合材料制造汽车轮毂可比铝合金轮毂减重20～40％。现在现行的汽车轮毂生产方法有预浸料法，其步骤为在一个准备好的阳模或阴模上将粗裁好的一块预浸料片铺放到模具表面再按照模具要求的形状裁去多余的部分，根据设计的层次、纤维方向每层进行不同的变化，同时要通过人工不停的赶压以使层与层之间贴合而减少气泡。另外预浸料铺放成型还可分为真空袋压成型和对模加压成型。真空袋压成型虽然可以得到比较密实的产品结构，但它只能保证产品的单面尺寸，而产品另一侧的尺寸需要再进行二次加工。对模加压成型虽然可以得到产品的双面的尺寸精度，但是由于每次人工铺放的离散性、预浸料树脂含量的离散性就造成了产品内部质量的不均匀性，常常产生内部缺陷，如气泡、贫胶、纤维褶皱等等，且此方法需要大量人工操作，人力物力消耗大，对产品性能有较大影响，不宜进行大批量生产。
还有一种由专利CN 102653138 A介绍的制造轮毂的方法，主要是采用树脂真空导入工艺制造一个不含轮辐的空心轮毂，树脂真空导入工艺是通过对模腔内抽真空同时通过外部大气压力将树脂导入到纤维结构中然后固化成型的方法。但是这种方法的缺点在于，因其是自然吸入树脂，纤维含量低，并且其制造的轮毂没有轮辐，所以不能制造具有苛刻结构性能要求的、形状复杂的一片式汽车轮毂。
发明内容
为了克服上述方法缺点，本发明通过用不含树脂体系的纤维增强材料预先制成一个或多个预成型体，然后填充于一个封闭的模具腔内，将封闭的模具腔内抽真空，再用压缩气体将树脂体系注入到模腔中，经固化后得到复合材料轮毂。
优选的，所述预成型体是由一个或多个预成型体组成。
优选的，所述纤维增强材料是纤维、织物或其混合体；所述纤维，是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、有机纤维或其中二种以上的混杂纤维。
优选的，所述树脂体系是环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、氰酸酯树脂、多元杂环树脂中的一种或二种以上及其相应的固化剂。
优选的，所述压缩气体是压缩的干燥的空气或氮气。
优选的，所述抽真空，其真空度为1～100Pa；所述用压缩气体将树脂体系注入到模腔中，注入气压为1～7MPa，注入后保持压力1～30min。
上述方法的具体步骤为：
1)将整体的轮毂结构按产品的铺层和工艺要求拆分成的两个以上结构作为预成型体模型制作成预成型体；
2)将上述预成形体按照拆分顺序安放于按照整体的轮毂结构设计的封闭的整体的模具中，闭合模具，将模具整体恒温预热，上述恒温预热的温度低于即将注入的树脂体系的凝胶温度，模腔抽真空；
3)通过压缩气体将预热的树脂体系向模具中注入，注入结束后停止抽真空，保持压力一段时间；或先停止抽真空，通过压缩气体将预热的树脂体系向模具中注入，注入结束后，保持压力一段时间；
4)将模具加热固化，固化结束冷却至室温后拆卸模具取出产品。
本发明在向模具中注入树脂体系前，要抽真空，根据气体方程(在恒温时)在密闭空间(气体量无增减)，可知P1V1＝P2V2，(P为气体压强；V为气体体积)在V1体积的空间气体压力为1Pa气压，当向空间中以1MPa压力只注入液体树脂体系时，根据力的平衡原理原来1Pa压力的气体压力将上升到1MPa，而原来占据整个空间的气体被树脂挤压的只能占据原来空间的一百万分之一即V2＝V1P1/P2，则V2＝0.000001V1。用气泡体积与整个产品体积之比定义为空隙率，则此时的空隙率为0.0001％，而采用预浸料工艺成型的产品其空隙率多大于0.1％；本发明注入树脂体系通过压缩气体注入模具中，并在注入结束后保持压力一段时间以克服粘流液体在微小空隙中流动的滞后，使树脂更容易注入铺层密度大的增强材料中，使可接受的增强材料体积含量加大，达到增强材料体积含量可控的目的，进而控制和提高轮毂的机械强度。本发明制造的复合材料轮毂，空隙率极低，纤维含量高，纤维在复合材料结构中分布均匀、无褶皱，并且，由于预成型体的制造可以分块进行，可将复杂的产品分解成简单形状部件的组合，见附图1、2，因此，生产效率高，质量可控、稳定。
附图说明
图1是预成型体分解及组合过程示意图，其中Ⅰ表示轮毂整体结构模型a经过拆分后制成轮辋预成型体b’、轮芯预成型体c’、轮辐预成型体d’的过程，Ⅱ表示预成型体重新组合成整体的轮毂装入整体模具中的过程。
图2为实施例1设计模具的轮毂结构，其中(a)为轮毂整体结构模型，(b)、(c)、(d)分别为根据整体结构拆分而成的用于制造预成型体的结构模型，(b)为轮辋预成型体模型，(c)为轮芯预成型体模型，(d)为轮辐预成型体模型。
图3为实施例1制造的轮毂产品表面照片。
图4为实施例1制造的轮毂产品的剖面照片。
图5为对比例1制造的轮毂产品的表面照片。
图6为对比例1制造的轮毂产品的剖面照片。
具体实施方式
实施例1制造碳/环氧复合材料轮毂
1，制造预成型体
1)将整体的轮毂结构(图2(a)所示)按产品的铺层和工艺要求拆分成三个分结构(图2(b)、(c)、(d)所示)作为预成型体模型，按照预成型体模型设计制造模具，按设计铺层的要求预裁剪增强材料(T-700碳纤维及织物)；将预裁好的增强材料按设计层次要求和顺序铺放于设计制造的模具中，每铺放一层撒布2克定型胶，全部层次铺放完成后夹紧模具，加热定型，加热时间2小时，加热温度130氏度，冷却至室温后裁剪露出的毛边，分别压制轮芯预成型体(1)、轮辐预成型体(2)、轮辋预成型体(3)，
2)加热定型后脱模取出备用；
2、轮毂制造
1)将拆卸开的整体模具的表面涂敷一层脱模剂并加热120摄氏度，恒温2小时；
2)在与产品接触的整体模具表面涂敷一层脱模剂，加热120摄氏度，恒温2小时；出烘箱后冷却至40摄氏度，用清洁棉布擦拭模具表面的多余污迹，至模具表面发亮；
3)将预成型体按照模型拆分位置关系和顺序安放于整体模具中(见图1)，闭合模具，将封闭模具置于烘箱中预热80℃/4小时，抽真空，到注入树脂前真空度1Pa；
4)配制树脂体系。将环氧树脂、酸酐固化剂按要求用量分别在烘箱中预热60℃/2小时，使用前将环氧树脂：酸酐固化剂：促进剂按100:90:1的比例混合均匀。
5)关闭真空装置，通过干燥的压缩空气将预热的树脂体系向模具中注入，气压7MPa，保压30分钟，将封闭模具移入烘箱加热固化，固化制度80℃/2小时120℃/2小时160℃/4小时，固化结束后从烘箱中移出冷却的封闭模具，卸下封闭模具的螺栓，分解模具取出轮毂。
所得产品如图3所示，可见按照本发明提供的方法制造的轮毂表面未经任何修饰即可得到很好的外观效果；图4为本实施例制造轮毂的剖面，可见按照本发明提供的方法制造的产品，结构紧密，空隙率低；经过500kg、230mm下落冲击实验及弯曲疲劳实验3000Nm。
实施例2制造碳/酚醛复合材料轮毂
1，制造预成型体
1)将整体的轮毂结构(图2(a)所示)按产品的铺层和工艺要求拆分成三个分结构(图2(b)、(c)、(d)所示)作为预成型体模型，按照预成型体模型设计制造模具，按设计铺层的要求预裁剪增强材料(T-700碳纤维及织物)；将预裁好的增强材料按设计层次要求和顺序铺放于设计制造的模具中，每铺放一层撒布2克定型胶，全部层次铺放完成后夹紧模具，加热定型，加热时间2小时，加热温度130氏度，冷却至室温后裁剪露出的毛边，分别压制成轮芯预成型体(1)、轮辐预成型体(2)、轮辋预成型体(3)，
2)加热定型后脱模取出备用；
2、轮毂制造
1)将拆卸开的整体模具的表面涂敷一层脱模剂并加热120摄氏度，恒温2小时；
2)在与产品接触的整体模具表面涂敷一层脱模剂，加热120摄氏度，恒温2小时；出烘箱后冷却至40摄氏度，用清洁棉布擦拭模具表面的多余污迹，至模具表面发亮；
3)将预成型体按照模型拆分位置关系和顺序安放于整体模具中，闭合模具，将封闭模具置于烘箱中预热100℃/4小时，抽真空，到注入树脂前真空度50Pa；
4)配制树脂体系。本实施例使用的改性酚醛树脂为单组份体系，按要求用量在烘箱中预热100℃/2小时，备用。
5)将调配好的树脂体系通过压缩氮气加入足够量到模具中，使树脂罐中气压缓慢升至5MPa，保压20分钟，将封闭模具移入烘箱加热固化，固化制度180℃/6小时，固化结束后从烘箱中移出冷却的封闭模具，卸下封闭模具的螺栓，分解模具取出。
实施例3玻璃纤维/多元杂环类树脂复合材料轮毂
1，制造预成型体
1)将整体的轮毂结构(图2(a)所示)按产品的铺层和工艺要求拆分成三个分结构(图2(b)、(c)、(d)所示)作为预成型体模型，按照预成型体模型设计制造模具，按设计铺层的要求预裁剪增强材料(T-700碳纤维及织物)；将预裁好的增强材料按设计层次要求和顺序铺放于设计制造的模具中，每铺放一层撒布2克定型胶，全部层次铺放完成后夹紧模具，加热定型，加热时间2小时，加热温度130氏度，冷却至室温后裁剪露出的毛边，分别压制成轮芯预成型体(1)、轮辐预成型体(2)、轮辋预成型体(3)，
2)加热定型后脱模取出备用；
2、轮毂制造
1)将拆卸开的整体模具的表面涂敷一层脱模剂并加热120摄氏度，恒温2小时；
2)在与产品接触的整体模具表面涂敷一层脱模剂，加热120摄氏度，恒温2小时；出烘箱后冷却至40摄氏度，用清洁棉布擦拭模具表面的多余污迹，至模具表面发亮；
3)将预成型体按照模型拆分位置关系和顺序安放于整体模具中，闭合模具，将封闭模具置于烘箱中预热60℃/4小时，抽真空，到注入树脂前真空度100Pa；
4)配制树脂体系。多元杂环类树脂体系(耐高温树脂体系)，按要求用量在烘箱中预热170℃/2小时，备用。
5)将调配好的树脂体系通过压缩氮气加入足够量到模具中，使树脂罐中气压缓慢升至1MPa，保压1分钟，将封闭模具移入烘箱加热固化，固化制度240℃/4小时，固化结束后从烘箱中移出冷却的封闭模具，卸下封闭模具的螺栓，分解模具取出。
对比例1
1模具处理
1)使用实施例1制造的整体模具，将拆卸开的整体模具的表面涂敷一层脱模剂；
2)在与产品接触的整体模具表面涂敷一层脱模剂；
2、预浸料裁剪
按设计的铺层、数量、角度、形状裁剪预浸料片材(T-700碳纤维及织物)备用。
3、制造预成形芯
1)将处理好的预成形芯模具取出。配制泡沫料，以A组份、B组份各50％的比例混合后迅速倒入模腔中，倒入量为10克，合模夹紧，送入烘箱。固化结束冷却至常温，取出泡沫芯材，重复上述过程，制取5个相同泡沫芯材。
2)预成形芯
a，将单个泡沫芯取出，在其上按铺层层数、铺层角度、铺层顺序包裹预浸料铺层。重复上述过程，制取5个相同泡沫芯材预浸料包裹件，送入烘箱加热60℃/1小时，然后包裹真空袋抽真空，冷却至常温后取出，除去真空袋，取出泡沫芯材预浸料包裹件。
b，在预成型芯材模具下模(阳模)上铺放预浸料，按铺层层数、铺层角度、铺层顺序铺放预浸料铺层1，上述铺层完成后在轮辐结构位置处放置泡沫芯材预浸料包裹件，然后在泡沫芯材预浸料包裹件周围按铺层层数、铺层角度、铺层顺序包裹预浸料铺层2,按铺层层数、铺层角度、铺层顺序在轮心部位铺放预浸料铺层3。铺层结束后包裹真空袋抽真空，送入烘箱加热60℃/2小时，冷却至室温取出，除去真空袋，合上上模(阴模)并用螺栓夹紧上下模至要求位置，送入烘箱加热60℃/2小时，冷却至室温后取出，除去上下模得到预成形芯备用。
4、整体轮毂成型
准备好整体轮毂模具，在阳模上铺放预浸料。轮辋、轮辐、轮芯分别按不同的层数、角度和顺序铺层。
a,首先在轮芯处铺放预浸料，再在轮辋处铺放预浸料，同时向上连续延伸预浸料至轮芯原点；铺放轮辐铺层时在轮辐轮芯边缘留出铺层余量；
b,上预成形芯，再将轮辐两侧留出铺层向上翻边包裹轮辐及轮芯两侧立边；铺放轮辐轮芯上铺层，同时将轮辐轮芯留出铺层余量向下翻边，包裹轮辐及轮芯的立边；全部铺层结束后包裹真空袋，抽真空并送入烘箱加热100℃/2小时；冷却至60℃时出烘箱，合阴模，用螺栓将阴阳模具夹紧，送入烘箱固化，固化制度80℃/2小时120℃/2小时160℃/4小时。固化结束后冷却至室温，出炉，拆卸模具取出产品。
预浸料法制造的轮毂外观有缺陷，不平整不光滑，此方法制造的轮毂结构不致密，纤维层有屈曲，气泡多，对性能会造成较大影响。
所得轮毂表面照片见图5，可见预浸料法制造的轮毂外观有缺陷，不平整不光滑，图6为轮毂实物的剖面照片，可见此方法制造的轮毂结构不致密，气泡多，对性能会造成较大影响。

Claims (4)

1.一种复合材料轮毂成型用预成型体，其特征在于，按照轮毂的整体结构拆分成轮辋预成型体，轮芯预成型体和轮辐预成型体，所述的轮辋预成型体套装在轮芯预成型体的外侧，轮辐预成型体盖装在轮辋预成型体的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料轮毂成型用预成型体，其特征在于，所述的轮辋预成型体，轮芯预成型体和轮辐预成型体由纤维增强材料和树脂组成。
3.一种权利要求1所述的预成型体的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，按照预成型体设计模具，按设计铺层的要求预裁剪纤维增强材料，将预裁好的增强材料按设计层次要求和顺序铺放于设计制造的模具中；
具体铺设过程为：将预裁好的增强材料按设计层次要求和顺序铺放于设计制造的模具中，每铺放一层撒布2克定型胶，全部层次铺放完成后夹紧模具；
步骤2，加热定型；
在130℃条件下保温2h，冷却至室温后裁剪露出的毛边，获得预成型体。
4.应用权利要求1所述的预成型体制备复合材料轮毂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，按照轮毂的整体结构设计模具，将轮辋预成型体，轮芯预成型体和轮辐预成型体按照轮毂的拆分顺序安放于模具中，闭合模具，将模具整体恒温预热，上述恒温预热的温度低于即将注入的树脂体系的凝胶温度，模腔抽真空至1～100Pa；
步骤2，通过压缩气体将预热的树脂体系向模具中注入，注入气压为1～7MPa，注入结束后停止抽真空，保持压力一段时间，保持压力1～30min；或先停止抽真空，通过压缩气体将预热的树脂体系向模具中注入，注入气压为1～7MPa，注入结束后，保持压力1～30min。
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