CN114179395A - 真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法，涉及复合材料成形技术领域，主要步骤包括：纤维增强金属层板坯料制备、真空处理、真空袋辅助柔性介质充液成形、纤维增强金属层板复合材料构件固化处理、工艺补充面去除工序五个工艺步骤。本发明还公开了一种真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形装置。本发明制备的纤维增强金属层板构件尺寸精度高、内部缺陷少、不易产生分层剥离等缺陷，采用真空袋成形和柔性介质充液成形固化一体化技术相结合的方式，提高了纤维增强金属复杂构件的成形质量和成形效率，极大拓宽了纤维增强金属层板复合材料的应用领域。

Description

真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法及装置

技术领域

本发明涉及复合材料成形技术领域，特别是涉及一种真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法及装置。

背景技术

纤维增强金属层板是一种由金属板和纤维增强树脂基复合材料铺贴得到的一种混杂复合材料，纤维增强金属层板复合材料具有比强度高、比刚度高、轻量化、抗疲劳、可设计性强的优点，越来越多的应用到航空航天、汽车等领域，正在受到研究人员的广泛关注。然而纤维增强金属层板固化后树脂材料性质发生变化，材料呈现脆性，成形过程中出现纤维层与金属层开裂的缺陷，影响层板整体性能。

目前传统纤维增强金属层板复合材料成形工艺主要针对小曲率、大尺寸等简单结构构件，同时成形工序多、多以手工铺放为主，成形方法主要包括真空袋成形、热压罐成形、辊弯成形和喷丸成形工艺等。其中真空袋成形工艺成形压力小，固化后构件层间结合强度低，内部孔隙缺陷多，且成形较大曲率结构时，层板内部存在较大回弹应力；热压罐成形工艺具有成形压力大和加温固化的优点，但热压罐成形工艺需要人工参与过多，存在构件性能一致性差等缺点；采用辊弯成形技术成形曲率大于120mm的构件时层板不会破裂，但辊弯成形技术难以成形类似双曲率形状的复杂结构；采用喷丸成形技术开展了FMLs的成形试验研究，发现喷丸尺寸过大容易导致纤维层分层以及纤维断裂。

现有液体固化成形工艺，具有人工干预少，可成形复杂结构构件的能力，构件性能一致性好的优点。但是在液体固化成形过程中纤维增强金属层板中纤维预浸料的树脂在压边力和成形压力的作用下容易外溢污染模具表面，成形过后层板内部树脂分布不均匀，同时在成形时层板内部的纤维预浸料内部存在大量孔隙，没有辅助装置去除层板的内部孔隙。

因此需要改进工艺降低构件的内部孔隙缺陷，提高最终构件的良品率。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法及装置，以解决现有技术纤维增强金属层板柔性介质充液成形过程中树脂外溢污染模具表面、构件易分层、内部孔隙多、难以精确成形的问题，可实现纤维增强金属层板复合材料构件的高质量、高效率和高精度成形。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法，包括以下步骤：

步骤1)对模具进行安装并调试；

步骤2)制备带真空袋纤维增强金属层板坯料；

步骤3)将柔性介质注入到下模具中的液室中并充满液室，将带真空袋纤维增强金属层板坯料放置到下模具的上表面上，上模具下行直至上模具的下表面与带真空袋纤维增强金属层板坯料的上表面接触后停止运动；

步骤4)对上模具、下模具以及下模具中的柔性介质进行加热，并将带真空袋纤维增强金属层板坯料预热到设定温度，对带真空袋纤维增强金属层板坯料进行真空处理；

步骤5)对带真空袋纤维增强金属层板坯料进行柔性介质充液成形，得到最终形状的带真空袋纤维增强金属层板构件；

步骤6)将上模具、下模具以及液室内柔性介质的温度保持一定时间后停止加热，冷却到室温，停止真空处理；

步骤7)泄压脱模；

步骤8)重复步骤2)～步骤7)，实现纤维增强金属层板复合材料构件的批量成形。

优选的，所述步骤1)中，采用酒精对上模具和下模具的型腔表面进行擦拭。

优选的，所述步骤2)中，对金属板料的表面进行擦拭清理，按照金属板料的尺寸裁剪纤维预浸料，将纤维预浸料按照顺序铺贴在金属板料的表面，最后在纤维预浸料的表面再铺贴金属板料，形成纤维增强金属层板坯料；

所述纤维增强金属层板坯料的表面涂有脱模剂；

采用真空薄膜包裹铺贴好的纤维增强金属层板坯料，并采用密封胶带将纤维增强金属层板坯料进行密封，得到带真空袋纤维增强金属层板坯料。

优选的，所述步骤4)中，通过真空泵对纤维增强金属层板坯料进行真空处理。

优选的，所述步骤5)中，上模具下行对带真空袋纤维增强金属层板坯料产生压力，采用柔性介质高压泵继续向下模具的液室中注入柔性介质产生压强并保持，带真空袋纤维增强金属层板坯料慢慢变形，上模具继续下行增大压力并保持，继续向下模具的液室中注入柔性介质产生压强并保持，带真空袋纤维增强金属层板坯料继续变形，直到液室内的压强达到设定值，得到最终形状的带真空袋纤维增强金属层板构件。

优选的，所述步骤7)中，泄压脱模包括：将下模具的液室内柔性介质排出，上模具上行到初始位置，将带真空袋纤维增强金属层板构件取出；泄压脱模后去除真空薄膜以及工艺补充面，得到最终的纤维增强金属层板复合材料构件。

优选的，所述金属板料采用铝合金板料、钢板料、钛合金板料、镁合金板料中的一种或多种；

所述纤维预浸料采用单向纤维布和/或编织纤维布。

本发明还公开一种上述真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法所采用的成形装置，包括：

压力机，所述压力机包括上平台、下平台、液压柱和导柱，所述下平台上设置有所述导柱，所述上平台能够沿所述导柱上下移动，所述上平台的顶部与所述液压柱连接；

模具，所述模具包括上模具和下模具，所述上模具安装于所述上平台上，所述下模具安装于所述下平台上，所述下模具内设置有液室，所述液室通过柔性介质管路连接有柔性介质高压泵；

加热平台，所述加热平台包括上加热平台和下加热平台，所述上加热平台安装于所述上模具的上方，所述下加热平台安装于所述下模具的下方。

优选的，所述上模具与所述上加热平台通过螺栓能够拆卸连接，所述下模具与所述下加热平台通过螺栓能够拆卸连接；

所述上加热平台与所述上平台之间设置有上隔热垫板、所述下加热平台与所述下平台之间设置有下隔热垫板；

所述上加热平台和所述下加热平台的内部均设置有加热棒。

优选的，所述上模具上开设有排气孔。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法及装置，纤维金属层板复合材料坯料在成形过程中时刻处于真空环境中，并在高温高压柔性介质的作用下，配合压力机的压边力，实现纤维增强金属层板复合材料成形及固化，在成形及固化过程中无需热压罐，降低了成形工序及模具数量；通过真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形，可以有效避免成形过程中的树脂外溢和纤维层与金属层的分层的问题，降低了纤维增强金属层板内部的孔隙，减少了成形过程中纤维增强金属层板复合材料起皱、拉裂等缺陷，提高构件的合格率，实现纤维增强金属层板复合材料构件的高精度、高效率和高质量成形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的模具及压力机的结构示意图；

图2为本发明的带真空袋纤维增强金属层板坯料的结构示意图；

图3为本发明的带真空袋纤维增强金属层板坯料放置及模具合模结构示意图；

图4为本发明的模具加压及固化过程示意图；

图5为本发明的模具温度和时间的关系曲线；

图6为本发明的模具内柔性介质压力和时间的关系曲线；

1为上模具；2为上加热平台；2-1为加热棒；3为下模具；4为下加热平台；4-1为加热棒；5为下隔热垫板；6为下隔热垫板；7为导柱；8为液压柱；9为上平台；10为下平台；11为柔性介质管路；12为柔性介质高压泵；13为带真空袋纤维增强金属层板坯料；13-1为真空泵；13-2为真空管路；13-3为真空薄膜；13-4为密封胶条；13-5为金属板料；13-6为纤维预浸料；14为排气孔；15为带真空袋纤维增强金属层板构件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法及装置，以解决现有技术纤维增强金属层板柔性介质充液成形过程中树脂外溢污染模具表面、构件易分层、内部孔隙多、难以精确成形的问题，可实现纤维增强金属层板复合材料构件的高质量、高效率和高精度成形。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

如图1-图6所示，本实施例提供一种真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法，包括以下步骤：

步骤1)如图1所示，对模具进行安装并调试，上模具1安装在上加热平台2上，并通过上隔热垫板6与上平台9连接，下模具3安装在下加热平台4上，并通过下隔热垫板5与下平台10连接，采用酒精对上模具1和下模具3的型腔表面进行擦拭，防止杂质污染柔性介质；

步骤2)对纤维增强金属层板坯料中金属板料13-5的表面进行擦拭清理，按照金属板料13-5的尺寸裁剪纤维预浸料13-6，纤维预浸料13-6按照顺序铺贴在金属板料13-5的表面，最后将金属板料13-5铺贴在纤维预浸料13-6表面；

如图2所示，采用真空薄膜13-3包裹铺贴好的纤维增强金属层板坯料，并采用密封胶带13-4将纤维增强金属层板坯料进行密封，得到带真空袋纤维增强金属层板坯料13；

步骤3)如图3所示，首先将柔性介质通过柔性介质高压泵12注入到下模具3中的液室中并充满液室(其中柔性介质采用高压液体)，将带真空袋纤维增强金属层板坯料13放置到下模具3上表面，然后采用液压柱8推动上模具1下行，当上模具1的下表面与带真空袋纤维增强金属层板坯料13的上表面接触后停止上模具运动；

步骤4)采用上加热平台2和下加热平台4分别加热上模具1、下模具3以及下模具3中的柔性介质，并将带真空袋纤维增强金属层板坯料13进行预热到设定温度，如图5所示，开启真空泵13-1对纤维增强金属层板坯料进行真空处理；

步骤5)上模具1下行对带真空袋纤维增强金属层板坯料13产生一定的压力，采用柔性介质高压泵12继续向下模具3的液室中注入液体产生一定的压强并保持，带真空袋纤维增强金属层板坯料13慢慢变形，上模具1继续下行增大压力并保持，继续向下模具3的液室中注入液体产生一定的压强并保持，带真空袋纤维增强金属层板坯料13继续变形，直到液室内的压强达到设定值(液室压力随时间变化曲线如图6所示)，得到如图4所示最终形状的带真空袋纤维增强金属层板构件15；

步骤6)将上模具1、下模具3以及液室内柔性介质的温度保持一定时间后停止加热，自然冷却到室温，关闭真空泵13-1；

步骤7)泄压脱模，将下模具3中液室内柔性介质排出，上模具1上行到初始位置，将带真空袋纤维增强金属层板构件15取出，去除真空薄膜13-3以及工艺补充面得到最终构件；

步骤8)重复步骤2)～7)，可实现纤维增强金属层板复合材料构件的批量成形。

在本实施例中，纤维增强金属层板坯料的表面涂有脱模剂，成形完成后助于去除真空薄膜13-2。

在本实施例中，金属板料13-5可以是铝合金板料、钢板料、钛合金板料、镁合金板料中的一种或其中任意几种的组合。

在本实施例中，纤维预浸料13-6可以是单向纤维布、编织纤维布中的一种或者其中任意几种的组合。

本实施例中还公开了上述真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法所采用的成形装置，包括：

压力机，压力机包括上平台9、下平台10、液压柱8和导柱7，下平台10上设置有导柱7，上平台9能够沿导柱7上下移动，上平台10的顶部与液压柱8连接；

模具，模具包括上模具1和下模具3，上模具1安装于上平台9上，下模具3安装于下平台10上，下模具3内设置有液室，液室通过柔性介质管路11连接有柔性介质高压泵12；

加热平台，加热平台包括上加热平台2和下加热平台4，上加热平台2安装于上模具1的上方，下加热平台4安装于下模具3的下方。

在本实施例中，上模具1与上加热平台2、下模具3与下加热平台4是分体的，通过螺栓相连接，实现加热平台和模具的分离，提高了加热平台利用率。

在本实施例中，上加热平台2与上平台9中间有上隔热垫板6、下平台10与下加热平台4中间有下隔热垫板5，防止热量传递到压力机平台。

在本实施例中，上加热平台2和下加热平台4的内部分别设置有一定数量的加热棒2-1和加热棒4-1。

在本实施例中，上模具1存在排气孔14，在成形过程中将上模具1内部的空气排出。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)对模具进行安装并调试；

步骤2)制备带真空袋纤维增强金属层板坯料；

步骤3)将柔性介质注入到下模具中的液室中并充满液室，将带真空袋纤维增强金属层板坯料放置到下模具的上表面上，上模具下行直至上模具的下表面与带真空袋纤维增强金属层板坯料的上表面接触后停止运动；

步骤4)对上模具、下模具以及下模具中的柔性介质进行加热，并将带真空袋纤维增强金属层板坯料预热到设定温度，对带真空袋纤维增强金属层板坯料进行真空处理；

步骤5)对带真空袋纤维增强金属层板坯料进行柔性介质充液成形，得到最终形状的带真空袋纤维增强金属层板构件；

步骤6)将上模具、下模具以及液室内柔性介质的温度保持一定时间后停止加热，冷却到室温，停止真空处理；

步骤7)泄压脱模；

步骤8)重复步骤2)～步骤7)，实现纤维增强金属层板复合材料构件的批量成形。

2.根据权利要求1所述的真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法，其特征在于：所述步骤1)中，采用酒精对上模具和下模具的型腔表面进行擦拭。

3.根据权利要求1所述的真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法，其特征在于：所述步骤2)中，对金属板料的表面进行擦拭清理，按照金属板料的尺寸裁剪纤维预浸料，将纤维预浸料按照顺序铺贴在金属板料的表面，最后在纤维预浸料的表面再铺贴金属板料，形成纤维增强金属层板坯料；

所述纤维增强金属层板坯料的表面涂有脱模剂；

采用真空薄膜包裹铺贴好的纤维增强金属层板坯料，并采用密封胶带将纤维增强金属层板坯料进行密封，得到带真空袋纤维增强金属层板坯料。

4.根据权利要求3所述的真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法，其特征在于：所述步骤4)中，通过真空泵对纤维增强金属层板坯料进行真空处理。

5.根据权利要求4所述的真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法及装置，其特征在于：所述步骤5)中，上模具下行对带真空袋纤维增强金属层板坯料产生压力，采用柔性介质高压泵继续向下模具的液室中注入柔性介质产生压强并保持，带真空袋纤维增强金属层板坯料慢慢变形，上模具继续下行增大压力并保持，继续向下模具的液室中注入柔性介质产生压强并保持，带真空袋纤维增强金属层板坯料继续变形，直到液室内的压强达到设定值，得到最终形状的带真空袋纤维增强金属层板构件。

6.根据权利要求5所述的真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法，其特征在于：所述步骤7)中，泄压脱模包括：将下模具的液室内柔性介质排出，上模具上行到初始位置，将带真空袋纤维增强金属层板构件取出；泄压脱模后去除真空薄膜以及工艺补充面，得到最终的纤维增强金属层板复合材料构件。

7.根据权利要求1所述的真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法，其特征在于：所述金属板料采用铝合金板料、钢板料、钛合金板料、镁合金板料中的一种或多种；

所述纤维预浸料采用单向纤维布和/或编织纤维布。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的真空辅助纤维增强金属层板柔性介质充液成形方法所采用的成形装置，其特征在于：包括：

压力机，所述压力机包括上平台、下平台、液压柱和导柱，所述下平台上设置有所述导柱，所述上平台能够沿所述导柱上下移动，所述上平台的顶部与所述液压柱连接；

模具，所述模具包括上模具和下模具，所述上模具安装于所述上平台上，所述下模具安装于所述下平台上，所述下模具内设置有液室，所述液室通过柔性介质管路连接有柔性介质高压泵；

加热平台，所述加热平台包括上加热平台和下加热平台，所述上加热平台安装于所述上模具的上方，所述下加热平台安装于所述下模具的下方。

9.根据权利要求8所述的成形装置，其特征在于：所述上模具与所述上加热平台通过螺栓能够拆卸连接，所述下模具与所述下加热平台通过螺栓能够拆卸连接；

所述上加热平台与所述上平台之间设置有上隔热垫板、所述下加热平台与所述下平台之间设置有下隔热垫板；

所述上加热平台和所述下加热平台的内部均设置有加热棒。

10.根据权利要求8所述的成形装置，其特征在于：所述上模具上开设有排气孔。

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