CN114571195A - 一种共固化结构飞轮轮体及其制造加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共固化结构飞轮轮体及其制造加工方法，包含如下步骤：制备飞轮轮体；对制备的飞轮轮体进行精密修调，依次包含：对轮毂内孔复材进行镗削加工；对轮毂轴承安装端面进行车削加工；对轮缘的殷钢环进行车削加工；对轮缘共固化端面超声辅助加工；金属端面环槽加工；对飞轮轮体调平衡。本发明由具有轻质高强、可剪裁设计性强的碳纤维复合材料实现对结构的承力连接，由金属材料实现极端工作环境下对结构的功能、性能的要求，两部分通过共固化方式一次成型制造飞轮轮体；通过成型后为进一步实现精准化结构的切削加工工艺，提高了飞轮的表面质量，充分减小了加工表面缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种金属和碳纤维复合材料共固化结构飞轮轮体及其制造加工方法。
背景技术
碳纤维复合材料金属共固化结构是一种较为理想的一体化结构形式，其优势是结构轻量化、功效极端化、服役高可靠化，是未来结构件发展趋势之一。碳纤维复合材料金属共固化结构是由轻质高强、可剪裁设计性强的碳纤维复合材料实现结构的承力连接部分，由金属材料实现极端工作环境下对结构的功能、性能的要求，两部分通过共固化方式一次成型制造。近年来已出现碳纤维复合材料与钛合金的共固化结构，如转子为碳纤维复合材料、轮毂为钛合金的储能飞轮，轮缘为不锈钢、轮辐为碳纤维复合材料、轮毂为铝合金的大动量卫星姿控飞轮，碳纤维复合材料波纹梁与钛合金接头的共固化结构，这种结构形式的共通特点是精准化，将金属和碳纤维复合材料分别布置在了最优化合理的位置，这样的结构在保证整体轻量化的同时，实现了复合结构功能、性能等的定制化。
但是，在碳纤维复合材料金属共固化结构制造过程中，由于碳纤维复合材料的各向异性，表面质量较难保证，极易发生缺陷，进而导致产品失效。如何提高碳纤维复合材料的表面质量已成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提高金属和碳纤维复合材料共固化结构飞轮轮体的表面质量，减少加工表面缺陷。
为了达到上述目的，本发明提供了一种共固化结构飞轮轮体的制造加工方法，该飞轮轮体包含：轮毂、轮缘、辐条，该方法包含以下步骤：
S1，制备飞轮轮体：
S1.1，提供一成型模具，其包含：作为阴模的上瓣成型模具、作为阳模的下瓣成型模具；
S1.2，将成型模具划分为五个区域：飞轮辐条区域、飞轮轮毂区域、飞轮辐条下蒙皮区域、飞轮辐条上蒙皮区域和飞轮轮缘区域；将泡沫材料辐条置于飞轮辐条区域，铝合金轮毂置于飞轮轮毂区域，殷钢环轮缘置于飞轮轮缘区域；
S1.3，由高模碳纤维通过热熔法处理得到单向预浸料，使用该单向预浸料在树脂作用下在所述的五个区域进行铺层，铺层后的单向预浸料形成碳纤维复合材料；
S1.4，将所述的碳纤维复合材料与所述的泡沫材料辐条、铝合金轮毂、殷钢环经共固化一体成型，成型压力为0.2-0.5MPa，温度为150-200℃，形成共固化飞轮轮体；
S2，对步骤S1制造的飞轮进行精密修调，依次包含：
S2.1，对轮毂内孔进行镗削加工，使轮毂内孔的表面光滑，便于飞轮轴承工装对轮毂内孔装配；
S2.2，对轮毂轴承安装端面进行车削加工，使其在与飞轮轴承工装安装后同轴度小于0.02mm；
S2.3，对轮缘进行车削加工，使其与轮毂内孔同轴度在0.02mm以内，并将动平衡控制在3.6gcm2以内；
S2.4，使用超声系统，对轮缘的共固化端面超声辅助车削加工，达到轮缘外圈上下端面直径尺寸要求、并将动平衡控制在3.6gcm2以内；
S2.5，对轮缘的金属端面进行环槽加工：在轮缘外圈金属环上下两端面车90°环槽；
S3，对飞轮轮体调平衡。
较佳地，步骤S1中，所述的高模碳纤维为M40JB/602，所述的泡沫材料为ROHACELL71，所述的铝合金为铝合金7075，所述的殷钢为殷钢4J36。
较佳地，步骤S1.3中，对于所述的五个区域均铺设26层，每层0.075mm，对飞轮辐条上、下蒙皮区域各层的铺层角度为：[+45° /0° /-45° /0° /90° /0° /0° /90° /0° /+45°/0° /-45° /0°]。
较佳地，步骤S2.4中，所述的超声系统参数为：串联谐振频率为20960.8Hz，等效电阻12.3Ω，静态电容4.86nF；车削用刀具加工过程中的轴向和前刀面方向振幅分别为4.5μm和1.9μm。
较佳地，在步骤S2与S3之间，对飞轮轮体进行表面粗糙度、加工缺陷、残余应力检测，表面粗糙度检测指标为：共固化材料加工碳纤维复合材料表面Ra≤3.2μm、金属表面Ra≤1.6μm，金属与复合材料交界处的界面区域表面Ra≤3.2μm；加工缺陷检测指标为：碳纤维复合材料的表面加工损伤面积≤2％，其亚表面层每单层复合材料内加工损伤面积≤1％；所述残余应力检测指标为：殷钢表面加工残余应力＜120MPa；若检测出上述任一指标未达到要求，重复步骤S2。
较佳地，步骤S2.4过程中，同时进行低温冷风检测，控制加工温度低于160℃。
较佳地，步骤S3中，根据面板显示的双面重量值，以及轮缘厚度，选取钻头：采用去重法进行调平衡时，重量值100mg级以上，轮缘厚度大于等于8mm的轮体则选用直径为Φ5mm的钻头；轮缘厚度小于8mm的轮体根据实际情况选用小于Φ5mm钻头；重量值为10mg～100mg级时，选用直径为Φ3mm的钻头；重量值小于10mg时，选用Φ3mm的钻头浅钻，或者采用激光去重仪定量去重；切转速应选取800rpm～1600rpm之间。
本发明还公开了一种使用上述方法制备的金属和复合材料共固化结构飞轮轮体，其轮缘由高模碳纤维和殷钢环共固化形成，辐条由所述高模碳纤维和泡沫材料共固化形成，轮毂由所述高模碳纤维和铝合金共固化形成。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
由具有轻质高强、可剪裁设计性强的碳纤维复合材料实现对结构的承力连接，由金属材料实现极端工作环境下对结构的功能、性能的要求，两部分通过共固化方式一次成型制造飞轮轮体。通过成型后为进一步实现精准化结构的切削加工工艺，提高了飞轮的表面质量，充分减小了加工表面缺陷。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明的飞轮轮体及各区域示意图；
其中，101-飞轮辐条区域；102-飞轮轮毂区域；103-飞轮辐条下蒙皮区域；104-飞轮辐条上蒙皮区域；105-飞轮轮缘区域。
图3为调动平衡步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明公开了一种金属和碳纤维复合材料共固化结构飞轮轮体的制造加工方法，包含：
S1，将成型模具划分为五个区域并在相应区域分别根据各自对应的铺层方式进行单向预浸料铺层，形成碳纤维复合材料层，且将环形预制体包裹，铺层完成后与金属轮缘扣合并经共固化一体成型，得到金属与碳纤维复合材料共固化飞轮；
如图2所示，所述的五个区域为：飞轮辐条区域101、飞轮轮毂区域102、飞轮辐条下蒙皮区域103、飞轮辐条上蒙皮区域104和飞轮轮缘区域105；所述的轮缘由高模碳纤维和殷钢共固化形成，所述的辐条由所述高模碳纤维和泡沫材料共固化形成，所述的轮毂由所述高模碳纤维和铝合金共固化形成；所述的成型模具为将硅橡胶软模放置在金属组合模具内加压得到的模具，其中的金属组合模具包含：作为阴模的上瓣成型模具、作为阳模的下瓣成型模具；
S2，对步骤S1制造的飞轮进行精密修调，依次包含：对轮毂内孔复材进行镗削加工；对轮毂轴承安装端面进行车削加工；对轮缘的殷钢环进行车削加工；对轮缘共固化端面超声辅助加工；金属端面环槽加工；
S3，对飞轮轮体调平衡。
实施例
某卫星用大转动惯量金属和碳纤维复合材料共固化结构飞轮轮体的工艺步骤包含：预浸料准备、硅橡胶模制备、轮毂预制体制作、铺层和固化、精密修调、检测、调动平衡。
所述的金属和碳纤维复合材料共固化结构飞轮轮体，轮体的最大直径要求：Φ200mm≤D≤Φ326mm，若直径过小，则不能达到转动惯量要求；若直径过大，也不能用在卫星上；由于卫星的轻量化要求，轮体的质量不大于3.4千克；进一步地，考虑热膨胀、密度、铁磁性与和轴承的连接装配等因素，轮毂、辐条材料采用高模碳纤维M40JB/602，轮辐采用ROHACELL 71泡沫材料，轮毂采用铝合金7075；轮缘采用殷钢4J36。飞轮轮体采用共固化一体成型的方法制备。其中硅橡胶模制备步骤为：选用R10301硅橡胶，硅橡胶的两组分混合后，室温下固化时间为24h。固化后放入烘箱中进行热处理，热处理温度为150℃，保温6h。硅橡胶模的邵氏硬度为30～40，线膨胀系数2.5～2.8×10-4K-1。
所述预浸料准备步骤方法为参照标准GBT 28461-2012，将碳纤维M40JB/602采用热熔法处理，得到单向预浸料，单层厚度0.1mm。按铺层设计进行下料排版，排版要求尺寸准确，预浸料利用率高。
所述硅橡胶模为软模辅助+金属组合模具的结构形式。金属模具主要包含：上瓣成型模具、下瓣成型模具。成型模具内部需要放置硅橡胶软模进行内加压。
所述轮毂预制体制作步骤为：预先制备轮毂处环形预制体，铺层厚度20mm，铺制完成后包覆吸胶预压实；对预制体表面进行清理、修边，测量厚度，局部偏差较大区域进行修补。
所述铺层和固化步骤为：在成型阳模上对飞轮辐条区域101、飞轮轮毂区域102、飞轮辐条下蒙皮区域103、飞轮轮缘区域105根据各自铺层方式进行单向预浸料铺层，不同区域之间需要进行交叉铺层以保证连接刚度与强度，轮毂区域需要将预制体用所述的单向预浸料包裹；当铺至接近泡沫的时候，贴近泡沫的层采用±45°铺层，然后将泡沫填入模具飞轮辐条区域101中。之后对飞轮辐条上蒙皮区域104进行单向预浸料的铺覆，铺层延续至飞轮轮缘区域105上。
所述精密修调步骤中，包含下列工序：轮毂内孔复材加工；轮毂轴承安装端面复材加工；殷钢环加工；共固化端面超声辅助加工；金属端面环槽加工。
所述轮毂内孔复材加工，要求达到安装孔与“飞轮轴承工装”小间隙顺滑安装。因为碳纤维复合材料加工与金属的切削性能相关较大，导致加工余量较小(约0.02mm)，因此进行小余量的精密镗削，加工过程中避免碳纤维复合材料出现加工缺陷。针对本实施例，优化的加工参数为：转速400rpm、切削深度0.01mm、进给量0.02mm/r。
所述轮毂轴承安装端面复材加工，要求与“飞轮轴承工装”安装后同轴度高，旋转同轴且平稳。因为加工余量较小，且碳纤维复合材料加工与金属的切削性能相关较大，因此进行小余量的精密车削，加工过程中避免碳纤维复合材料出现加工缺陷。针对本实施例，优化的加工参数为：转速600rpm、切削深度0.1mm、进给量0.05mm/r。
所述轮缘的殷钢环加工，要求达到与安装孔同轴度0.02mm以内，并充分考虑动平衡，加工后要求旋转平稳，动平衡控制在3.6gcm2以内。加工余量较小，因此进行小余量的精密车削。针对本实施例，优化的加工参数：转速1000rpm、切削深度0.2mm、进给量0.25mm/r。
所述轮缘的共固化端面超声辅助加工，为外圈上下端面(包括金属圈和碳纤维复合材料组成的外圈整体)加工，以达到外圈上下端面直径尺寸要求，且将动平衡控制在3.6gcm2以内。碳纤维复合材料加工与金属的切削性能相关较大，故进行超声辅助精密车削，避免加工过程中碳纤维复合材料出现的加工缺陷。针对本实施例，优化的加工参数：最优粗加工参数为超声功率60％、转速1000rpm、切削深度0.2mm、进给量0.25mm/r；最优精加工参数为超声功率60％、转速1000rpm、切削深度0.2mm、进给量0.05mm/r。针对本实施例，超声系统优化参数：串联谐振频率为20960.8Hz，等效电阻12.3Ω，静态电容4.86nF；超声辅助是在刀架上加超声振动，因此刀具会在不同刀面上产生不同的振幅；本例中刀具加工过程中的轴向和前刀面方向振幅分别为4.5μm和1.9μm。
在轮缘共固化端面超声辅助加工过程中进行低温冷风检测。指标为：低温冷风控制加工温度低于160℃。检测方法为：机构参考实验室级检测方法，采用FLUKE TI-200红外热成像仪对6件加工过程中的工艺样件的切削加工区域进行检测，记录温度数值。
所述金属端面环槽加工，为在外圈金属环上下两端面中径的位置(不包括碳纤维复合材料)车90°环槽。针对本实施例，优化的加工参数：转速1000rpm、切削深度0.2mm、进给量0.25mm/r。
所述检测项目包括：表面粗糙度、加工缺陷、残余应力。其中对于表面粗糙度、加工缺陷、残余应力的检测在步骤精密修调与调平衡之间，若存在不合格的检测项目，则重新进行精密修调。
所述表面粗糙度检测指标为：共固化材料加工碳纤维复合材料表面Ra≤3.2μm、金属表面Ra≤1.6μm，界面区域表面Ra≤3.2μm。检测方法为：依据GB/T10610-2009，采用泰勒粗糙度检测仪对工艺样件加工表面进行检测，记录粗糙度值Ra。
所述加工缺陷检测指标为：碳纤维复合材料表面加工损伤面积≤2％，亚表面层(0.1mm以内)每单层碳纤维复合材料内加工损伤面积≤1％(加工损伤为分层、撕裂面积/加工表面总面积)。检测方法为：参考GJB548B-2005，采用KSI高频超声扫描显微镜、扫描电子显微镜对5件工艺样件加工表面及亚表层进行检测，记录加工损伤面积比例。参考GJB548B-2005方法2030，对每个工艺样件的加工表面层(0-0.1mm)、亚表面层(0.1-0.2mm)进行超声波显微扫描(SAM)探测，记录空隙、杂质等异常回波特征作为分层、撕裂加工损伤记录面积比例，碳纤维复合材料加工损伤面积比例＝分层撕裂等加工损伤面积/加工表面总面积×100％。参考GJB548B-2005方法2018.1，对每个工艺样件的加工表面进行扫描电子显微镜(SEM)形貌观察，并任选一处位置进行拍照记录，作为加工表面损伤评价依据。
所述残余应力检测指标为：殷钢表面加工残余应力＜120MPa。检测方法为：依据GB/T 7704-2017，采用X射线衍射仪对工艺加工样件的殷钢加工表面进行检测，记录残余应力值。
所述低温冷风检测指标为：低温冷风控制加工温度低于160℃。检测方法为：机构参考实验室级检测方法，采用FLUKE TI-200红外热成像仪对6件加工过程中的工艺样件的切削加工区域进行检测，记录温度数值。
可知，精密修调过程需通过多次、反复实现，修调过程中涉及尺寸、精度、动平衡、同轴度等各类设计要求，且修调过程中需借助超声等手段控制CFRP材料加工缺陷。
所述调动平衡步骤可选择硬支撑动平衡法和软支撑动平衡法，一般对于工作转速低于3000rpm的飞轮转子可以不进行软支撑动平衡。如图3所示，首先进行三次定标，然后按照工艺要求安装飞轮转子，用配套电缆连接驱动器和飞轮电机，进行动平衡测试。调平衡时，根据面板显示的双面重量值及轮缘厚度，选取钻头。采用去重法进行调平衡时，重量值100mg级以上时，针对轮缘厚度大于等于8mm的轮体采用直径为φ5mm的钻头；针对轮缘厚度小于8mm的轮体根据实际情况选用小于φ5mm钻头。重量值为10mg～100mg级时，采用直径为φ3mm的钻头。重量值小于10mg时，可采用φ3mm的钻头浅钻，或者采用激光去重仪定量去重。切转速应选取800rpm～1600rpm之间。
综上所述，本发明将具有轻质高强、可剪裁设计性强的碳纤维复合材料实现结构的承力连接部分，由金属材料实现极端工作环境下对结构的功能、性能的要求，两部分通过共固化方式一次成型制造飞轮轮体。通过成型后为进一步实现精准化结构的切削加工工艺，提高了飞轮的表面质量，充分减小了加工表面缺陷。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种共固化结构飞轮轮体的制造加工方法，其特征在于，该飞轮轮体包含：轮毂、轮缘、辐条，该方法包含以下步骤：
S1，制备飞轮轮体：
S1.1，提供一成型模具，其包含：作为阴模的上瓣成型模具、作为阳模的下瓣成型模具；
S1.2，将成型模具划分为五个区域：飞轮辐条区域、飞轮轮毂区域、飞轮辐条下蒙皮区域、飞轮辐条上蒙皮区域和飞轮轮缘区域；将泡沫材料辐条置于飞轮辐条区域，铝合金轮毂置于飞轮轮毂区域，殷钢环轮缘置于飞轮轮缘区域；
S1.3，由高模碳纤维通过热熔法处理得到单向预浸料，该单向预浸料在树脂作用下在所述的五个区域进行铺层，铺层后的单向预浸料形成碳纤维复合材料；
S1.4，将所述的碳纤维复合材料与所述的泡沫材料辐条、铝合金轮毂、殷钢环经共固化一体成型，成型压力为0.2-0.5MPa，温度为150-200℃，形成共固化飞轮轮体；
S2，对步骤S1制造的飞轮进行精密修调，依次包含：
S2.1，对轮毂内孔进行镗削加工，使轮毂内孔的表面光滑，便于飞轮轴承工装对轮毂内孔装配；
S2.2，对轮毂轴承安装端面进行车削加工，使其在与飞轮轴承工装安装后同轴度小于0.02mm；
S2.3，对轮缘进行车削加工，使其与轮毂内孔同轴度在0.02mm以内，并将动平衡控制在3.6gcm2以内；
S2.4，使用超声系统，对轮缘的共固化端面超声辅助车削加工，达到轮缘外圈上下端面直径尺寸要求、并将动平衡控制在3.6gcm2以内；
S2.5，对轮缘的金属端面进行环槽加工：在轮缘外圈金属环上下两端面车90°环槽；
S3，对飞轮轮体调平衡。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述的高模碳纤维为M40JB/602，所述的泡沫材料为ROHACELL 71，所述的铝合金为铝合金7075，所述的殷钢环为殷钢4J36。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1.3中，对于所述的五个区域均铺设26层，每层0.075mm，对飞轮辐条上、下蒙皮区域各层的铺层角度为：[+45°/0°/-45°/0°/90°/0°/0°/90°/0°/+45°/0°/-45°/0°]。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2.4中，所述的超声系统参数为：串联谐振频率为20960.8Hz，等效电阻12.3Ω，静态电容4.86nF；车削用刀具加工过程中的轴向和前刀面方向振幅分别为4.5μm和1.9μm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2与S3之间，对飞轮轮体进行表面粗糙度、加工缺陷、残余应力检测，表面粗糙度检测指标为：共固化材料加工碳纤维复合材料表面Ra≤3.2μm、金属表面Ra≤1.6μm，金属与复合材料交界处的界面区域表面Ra≤3.2μm；加工缺陷检测指标为：碳纤维复合材料的表面加工损伤面积≤2％，其亚表面层每单层复合材料内加工损伤面积≤1％；所述残余应力检测指标为：殷钢表面加工残余应力＜120MPa；若检测出上述任一指标未达到要求，重复步骤S2。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2.4过程中，同时进行低温冷风检测，控制加工温度低于160℃。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，根据面板显示的双面重量值，以及轮缘厚度，选取钻头：采用去重法进行调平衡时，重量值100mg级以上，轮缘厚度大于等于8mm的轮体则选用直径为Φ5mm的钻头；轮缘厚度小于8mm的轮体根据实际情况选用小于Φ5mm钻头；重量值为10mg～100mg级时，选用直径为Φ3mm的钻头；重量值小于10mg时，选用Φ3mm的钻头浅钻，或者采用激光去重仪定量去重；切转速应选取800rpm～1600rpm之间。
8.一种使用权利要求1-7中任意一种方法制备的金属和复合材料共固化结构飞轮轮体，其特征在于，其轮缘由高模碳纤维和殷钢环共固化形成，辐条由所述高模碳纤维和泡沫材料共固化形成，轮毂由所述高模碳纤维和铝合金共固化形成。
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