CN114434834A - 一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，属于复合材料成形领域。新方法是高能率冲击成形与充液静压成形交叉融合新工艺，兼具两者的优势。解决了传统成形中纤维材料堆积、分布不均以及材料固化过程层间残余应力大、回弹大的问题。可增强零件刚度、减少模具数量、减小设备吨位、提高成形效率。其成形过程主要包括：清理模具，金属层表面处理，将坯料铺层放置在成形模具上，模具向下合模，加载液体，加热至热塑性树脂进入粘流态和高弹态的混杂状态，此时对对复合坯料进行高能率流体冲击成形，成形后在流体高压变路径载荷与梯度降温协同作用下固化，实现层板的层间紧密结合。主要用于航空航天制造领域大型复杂薄壁构件的精确成形。

Description

一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法
技术领域
本发明属于板材复合材料成形领域，尤其是纤维金属超混杂复合材料复杂截面薄壁构件的制备成形。
背景技术
随着航空航天、高性能发动机及军事装备领域的发展，尤其是近年来神舟系列载人飞行器、战略导弹、运载火箭、空天飞机、超高音速运输机、超音速巡航无人机及大推比航空发动机的发展需求，对轻质耐高温、高强度复合材料的需求越来越迫切。纤维金属层板(Fiber Metal Laminates，FMLs)是一种由金属薄板与纤维增强树脂预浸料在必要的界面处理后交替铺设，并经过一定固化工艺后得到的超混杂复合材料。FMLs独特的构成方式决定了它既不同于传统的金属材料也不同于以往的纤维复合材料，具有高的比刚度和比强度，优异的抗疲劳性能和高损伤容限，被认为是航空、航天领域具有广泛应用前景的新型复合材料。
FMLs的成形方法与金属材料相近，但由于FMLs各层之间性能差异大且纤维断裂应变小，致使FMLs成形极限远小于相应的金属材料，并且成形过程伴随有金属塑性变形、纤维等体积形状改变、树脂多流态变形与固化等问题，成形机理复杂，分层、断裂等缺陷形式多样，给成形制造带来较大困难。常规的塑性成形方法易造成纤维材料堆积、分布不均、分层等缺陷，且难以成形复杂形状FMLs构件。轻量化液压成形方法由于流体介质高压均布载荷作用，分层缺陷可以被有效降低，但若要消除，尤其是圆角等较小特征处的分层，则需加载较大的液室压力，这将导致所需设备吨位显著增大，成本提高。尤其是当复杂构件成形过程所需材料变形量大、成形极限较高时，缺乏可同时满足层板变形规律和热塑性树脂流态特点的新型成形方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明克服现有技术的不足，提供了一种针对纤维金属层板复杂薄壁构件的热介质变能率面力加载成形方法。
为达到上述目的，本发明提供的针对纤维金属层板复杂薄壁构件的热介质变能率面力加载成形方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)模具安装在成形设备上，调试完成后对液室腔进行清理，防止残存的杂质颗粒在成形时对零件表面造成划伤。
2)对金属层进行表面处理：擦拭金属板表面去除油污，进行阳极氧化。
3)将金属薄板、纤维布及热塑性树脂薄膜按照预定顺序依次放置在成形模具上并通过定位装置定位，密封圈安装在坯料外侧边缘处，防止液体漏出，保证液室所需的压力。压边圈下行合模，通过压边力将坯料压紧在液室法兰上。
4)通过液室腔上方的流体介质加载装置，向液室腔内继续加载液体，至液体介质充满坯料上方的液室腔。
5)对复合坯料整体加热至热塑性树脂的玻璃化转变温度85～150℃，保温10-30min，使树脂进入高弹态增强其塑性变形能力。
6)接着通过电加热方式对复合坯料中的金属层进行加热，加热至热塑性树脂熔融温度170～320℃，保温1-3min，此时接触金属层表面的树脂发生熔融，而与纤维层粘结的树脂仍为高弹态，具有一定变形强度，树脂进入同时具备粘流态和高弹态的混杂状态。
7)此时，通过高速运动的冲击压缩装置压缩流体介质使其获得高能量并瞬时转化为成形冲击波，使复合坯料在热态冲击波载荷作用下发生弹塑性变形，实现纤维金属层板的快速同步变形及复杂特征精准成形。
8)成形后切换至流体介质静压载荷，依据FMLs金属层材料及构件圆角特征，设置最大液压力及加载路径，并按工艺要求梯度降温，实现热塑性纤维金属层板固化与层间紧密结合，并减小组分间残余应力降低回弹，最终实现纤维金属层板复杂截面构件成形-固化一体化。
所述的热介质一体化成形模具由压边圈、液室、加热单元、密封圈、冲击源和静压源组成。加热单元一般为电阻丝加热，也可采用其他加热方式，液室内置有测量温度的传感器；冲击源可以是柱塞、蓄能器或其他符合本成形方法压力需求的其他压缩装置。材料为纤维增强金属层板，由金属层、纤维层、树脂层构成，金属为铝合金、镁合金、钛合金等；纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等；树脂为热塑性树脂：聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、热塑性聚酰亚胺(TPI)等。各组分材料均为轻质材料，金属层厚度为0.2～0.5mm，纤维层厚度为0.1～0.5mm，树脂层厚度为0.1～0.3mm。
本发明提供的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，该方法是高能率冲击成形、充液静压成形与热介质成形交叉融合的新工艺；既具有流体介质成形坯料变形均匀、尺寸精度高、表面质量好的优点，又具有高能率冲击成形材料变形量大、成形极限高的优势；在减轻零件重量、改善超混杂复合材料层间结合性能、减少分层破环、提高力学性能、减少模具数量、增加零件刚度、减小设备吨位、提高成形效率方面具有广阔的应用前景。
本发明提出的纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，相比静态变形，层板高速变形时层间剪切应力会较低，不易发生界面分层缺陷。纤维金属层板流体高速冲击成形过程，对层板界面具有“冲击焊接”效应，可有效提高界面结合强度，解决传统静压成形中的金属与树脂分层问题，去除纤维层材料堆积、分布不均匀的缺陷。纤维金属层板流体高速冲击成形过程，各组分层为低约束非粘接状态，层间约束拉应力较小，纤维层变形行为得到改善，变形裕度更大，可有效解决纤维金属层板成形极限低的问题。成形后，在高压流体均布载荷作用下，混杂态树脂逐渐固化，分布均匀，层间残余应力小，省去了传统层板制备中的热压成型工序。
本发明所涉及的冲击压缩波载荷参数和加载路径由所加工的具体纤维金属层板复杂构件的材料属性、几何形状和局部特征共同确定，保证FMLs薄壁零件复杂特征和局部小特征的精确成形；其流体冲击压力20～200Ma，流体静压压力50～200Mpa。
本发明所用模具，一次安装完成后，可精准实现成形、固化的全部工艺动作。在高能率热态冲击波载荷作用下完成膨胀系数不同的多层材料快速同步变形及复杂特征精准成形，可有效的减小组分间残余应力降低回弹。成形后切换至流体介质静压载荷，并按工艺要求梯度降温，实现纤维金属层板的层间紧密固化，并最终实现复杂截面构件成形-固化一体化。
附图说明
图1是本发明提供的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法原理示意图。
图2是本发明提供的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法加热阶段示意图。
图3是本发明提供的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法热态冲击波载荷作用下零件成形阶段示意图。
图4是本发明提供的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法流体静压载荷及降温固化阶段示意图。
图中：1温度测量传感器；2液室(压边圈)；3加热单元；4凹模；5通气孔；6液室内腔；7密封圈；8坯料；9冲击源；10静压源。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明提供的一种纤维增强金属层板热介质变能率面力加载成形方法进行详细说明。
如图1-4所示，本发明提供的一种纤维增强金属层板热介质变能率面力加载成形方法包括按照顺序进行的下列步骤：
1)模具安装调试完成后，对液室腔6进行清理，去除留存杂质。
2)对金属层进行表面处理：擦拭金属板表面去除油污，进行阳极氧化。
3)将坯料8依次铺层放置在成形模具4上，通过定位装置定位，压边圈2下行合模、密封圈7密封，压边力将胚料8压紧在液室法兰上。
4)通过液室腔6上方的流体介质加载装置9继续加载液体，至液体介质充满板料上方的液室腔。
5)对坯料8加热至坯料8中热塑性树脂的玻璃化转变温度，并保温10-30min，使该组分进入高弹态增强其塑性变形能力；
6)接着通过电加热方式对坯料8中的树脂进行加热，加热至树脂的融化温度，并保温1-3min，此时接触金属层表面的树脂发生熔融，而与纤维粘结的树脂仍为高弹态，具有一定变形强度，树脂进入同时具备粘流态和高弹态的混杂状态。
7)通过高速运动的冲击压缩装置压缩流体介质使其获得高能量并瞬时转化为成形冲击波，坯料8在热态冲击波载荷作用下发生弹塑性变形，实现纤维增强金属层板类复合材料快速同步变形及复杂特征精准成形。
8)成形后切换至流体介质静压载荷10，并按工艺要求梯度降温，实现坯料8一体化固化并减小组分间残余应力降低回弹，最终实现纤维增强金属层板复杂截面构件成形-固化一体化。

Claims (10)

1.一种纤维金属层板(Fiber Metal Laminates，FMLs)热介质变能率面力加载成形方法，该方法是高能率冲击成形和充液静压成形交叉融合的新工艺；其特征在于所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法包括按顺序进行下列步骤：
1)模具安装调试完成后，对液室腔6进行清理，去除留存杂质；防止残存的杂质颗粒在成形时对零件表面造成划伤。
2)对金属层进行表面处理：擦拭金属板表面去除油污，进行阳极氧化。
3)将复合坯料8：金属薄板、纤维布及热塑性树脂薄膜按照预定顺序依次放置在成形模具4上并通过定位装置定位，密封圈7安装在坯料外侧边缘处，防止液体漏出，保证液室所需的压力；压边圈2下行合模，通过压边力将坯料8压紧在液室法兰上。
4)通过液室腔6上方的流体介质加载装置9向液室腔内继续加载液体，至液体介质充满坯料上方液室腔。
5)对复合坯料8整体加热至热塑性树脂的玻璃化转变温度，保温10-30min，使树脂进入高弹态增强其塑性变形能力。
6)接着通过电加热方式对复合坯料8中的金属层进行加热，加热至热塑性树脂熔融温度，保温1-3min，此时接触金属层表面的树脂发生熔融，而与纤维层粘结的树脂仍为高弹态，具有一定变形强度，树脂进入同时具备粘流态和高弹态的混杂状态。
7)此时，通过高速运动的冲击压缩装置9压缩流体介质使其获得高能量并瞬时转化为成形冲击波，使复合坯料在热态冲击波载荷作用下发生弹塑性变形，实现纤维金属层板的快速同步变形及复杂特征的精准成形。
8)成形后切换至流体介质静压载荷10，依据FMLs金属层材料及构件圆角特征，设置最大液压力及加载路径，并按工艺要求梯度降温，实现热塑性纤维金属层板固化与层间紧密结合，并减小组分间残余应力降低回弹，最终实现纤维金属层板复杂截面构件成形-固化一体化。
2.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，其特征在于：设备一次安装，可完成成形与固化全部工艺动作，简化制造流程，提高构件成形精度。
3.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，其特征在于：相比静态变形，层板高速变形时层间剪切应力会较低，不易发生界面分层缺陷。
4.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，其特征在于：纤维金属层板流体高速冲击成形过程，对层板界面具有“冲击焊接”效应，可有效提高界面结合强度，解决传统静压成形中的金属与树脂分层问题，去除纤维层材料堆积、分布不均匀的缺陷。
5.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，其特征在于：纤维金属层板流体高速冲击成形过程，各组分层为低约束非粘接状态，层间约束拉应力较小，纤维层变形行为得到改善，变形裕度更大，可有效解决纤维金属层板成形极限低的问题。
6.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，其特征在于：成形后，在高压流体均布载荷作用下，混杂态树脂逐渐固化，分布均匀，层间残余应力小，省去了传统层板制备中的热压成型工序。
7.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，其特征在于：采用热态流体介质代替传统刚性凸模或凹模，减少了纤维金属层板复杂零件成形过程中的模具数量，减小了设备吨位，降低设备成本。
8.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，其特征在于：该方法所适用的坯料为由金属层、纤维层及树脂层按照特定结构依次铺层的复合坯料，其树脂为热塑性树脂。
9.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，其特征在于：加热单元为电阻丝或电热晶体管，液室内部内置温度传感器对纤维金属层板成形温度进行准确的监测，保证层板成形质量。
10.根据权利要求1所述的一种纤维金属层板热介质变能率面力加载成形方法，其特征在于：冲击源对纤维金属层板施加的高能成形冲击波，需根据所加工的纤维金属层板构件几何形状、局部圆角特征确定并进行动态调整，控制液压力加载路径和流料速度，保证FMLs构件的成形精度。
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