CN115071022B - 一种t型热塑性复合材料制件的热压成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种T型热塑性复合材料制件的热压成型装置及方法，该装置包括底座、第一模具、第二模具与第三模具；第一模具与第二模具对向滑动连接在底座上，第三模具位于底座正上方，具有沿竖向升降的行程；第一模具的顶端为第一成型面，第一模具的相向移动端为第二成型面，第二模具的顶端为第三成型面，第二模具的相向移动端为第四成型面，第三模具的底端为第五成型面；第一成型面、第二成型面、第三成型面、第四成型面、第五成型面上均设有加热结构，且围成热压腔。本发明应用于复合材料成型领域，通过控制温度与压力，克服对制件连接质量的影响，兼顾制备效率与成本，制备出的T型热塑性复合材料板尺寸精度高、表面平整且力学性能优异。

Description

一种T型热塑性复合材料制件的热压成型装置及方法

技术领域

本发明涉及树脂基复合材料成型技术领域，具体是一种T型热塑性复合材料制件的热压成型装置。

背景技术

热塑性复合材料的发展一直备受关注，基于其高比强度比刚度、抗冲击力强、耐腐、比重量小且可重复使用的特点，广泛的应用于航空航天、军工、医疗、汽车等重要领域。

目前，T型热塑性复合材料制件往往基于模压成型、树脂浇注或机械组装的方法。模压成型是在铺设好的毛坯件上施加压力，从而提高之间表面质量和制造精度，但只通过施加压力，不能保证铺层间的黏合足够致密，制备出的制件力学性能较差；树脂浇注通过往浇注模内直接浇注树脂，固化成型，这样制备出的制件力学性能较好，但往往所需时间长，且受到成型模具的局限，更换结构困难，成本高，不适合小批量制备，且不能自主改变铺层角度；机械组装在固化成型的基础上进一步发展，只将腹板、翼板结构单独成型固化，再通过胶接或者使用紧固件以机械连接的方式组装配合，有效提高了模具利用率，但在实际的制备过程中由于单独固化后各腹板的零件形状、胶接的质量无法得到有效保障，且使用过多紧固件的方法对制件的减重效率造成影响，这样制造的制件翼板腹板相互独立，传递载荷能力较差。

随着航空航天、军工领域的发展，T型复合材料应用范围不断扩展，随着T型复合材料的需求逐渐增大，变尺寸、变截面的制件也逐渐出现；另一方面，设计结构成型的过程，还需要考虑制件内部结构足够致密、制件表面的平整度，针对制件易变形、组装效果拆的特点，这对本就困难的T型复合材料制备装置、方法提出了新的挑战。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种T型热塑性复合材料制件的热压成型装置，通过控制温度与压力，克服了胶接/机械连接对制件连接质量的影响，兼顾制备效率与成本，制备出的T型热塑性复合材料板尺寸精度高、表面平整且力学性能优异。

为实现上述目的，本发明提供一种T型热塑性复合材料制件的热压成型装置，包括底座、第一模具、第二模具与第三模具；

所述第一模具与所述第二模具对向滑动连接在所述底座上，所述第三模具位于所述底座中部的正上方，且所述第三模具具有沿竖向升降的行程；

所述第一模具的顶端为第一成型面，所述第一模具的相向移动端为第二成型面，所述第二模具的顶端为第三成型面，所述第二模具的相向移动端为第四成型面，所述第三模具的底端为第五成型面；

所述第一成型面、所述第二成型面、所述第三成型面、所述第四成型面、所述第五成型面上均设有加热结构，且所述第一成型面、所述第二成型面、所述第三成型面、所述第四成型面、所述第五成型面共同围成热压腔，用于T型热塑性复合材料的热压成型。

在其中一个实施例，所述第一模具包括第一装配件与第一热压件；

所述第一装配件沿横向滑动连接在所述底座上，所述第一装配件的顶端与相向移动端均间隔设有若干第一沉槽，所述加热结构包括设在每一所述第一沉槽内的第一电加热管；

所述第一热压件可拆卸地连接在所述第一装配件上，且覆盖所述第一装配件的顶端与相向移动端，所述第一成型面、所述第二成型面即为所述第一热压件的顶端与相向移动端。

在其中一个实施例，所述第二模具包括第二装配件与第二热压件；

所述第二装配件沿横向滑动连接在所述底座上，所述第二装配件的顶端与相向移动端均间隔设有若干第二沉槽，所述加热结构包括设在每一所述第二沉槽内的第二电加热管；

所述第二热压件可拆卸地连接在所述第二装配件上，且覆盖所述第二装配件的顶端与相向移动端，所述第三成型面、所述第四成型面即为所述第二热压件的顶端与相向移动端。

在其中一个实施例，所述第三模具包括第三装配件与第三热压件；

所述第三装配件具有沿竖向升降的行程，所述第三装配件的底端间隔设有若干第三沉槽，所述加热结构包括设在每一所述第三沉槽内的第三电加热管；

所述第三热压件可拆卸地连接在所述第三装配件上，且覆盖所述第三装配件的底端，所述第五成型面即为所述第三热压件的底端。

在其中一个实施例，所述底座包括底板以及设在所述底板两侧的纵向壁；

所述第一模具通过一个作动筒连接在其中一个所述纵向壁上，所述第二模具通过另一个作动筒连接在另一个所述纵向壁上；

所述纵向壁的侧部设有水平定位槽，所述作动筒嵌入所述水平定位槽后与对应所述纵向壁相连，以保证支持力呈水平方向。

为实现上述目的，本发明还提供一种T型热塑性复合材料制件的热压成型方法，采用上述的热压成型装置，所述成型方法包括如下步骤：

装置组装：将底座放置在水平工作台上，并将第一模具、第二模具分别通过作动筒连接在底座上，在作动筒与底座的接触端放置力传感器并保持作动筒水平；外置压力机，并连接第三模具与压力机；外置控温温箱，通过控制控温温箱调节加热结构温度；

模具准备：清洁第一成型面、第二成型面、第三成型面、第四成型面、第五成型面，并涂覆脱模剂；

L型热塑性板材准备：准备两个L型热塑性板材，将其中一个L型热塑性板材放置在第一模具上，并与第一成型面、第二成型面相贴；将另一个L型热塑性板材放置在第二模具上，并与第三成型面、第四成型面相贴；

顶部热塑性板材准备：调节作动筒，使得第一模具、第二模具相向移动，使两个L型热塑性板材接近，并将顶部热塑性板材放置于两个L型热塑性板材顶部；

软化加热：调整压力机，使得第三模具逐渐降低，并控制第三模具下表面与顶部热塑性板材表面保持较小距离；开启控温温箱，控制加热结构逐渐加热到350℃～400℃；

压力定型：当加热结构达到350℃～400℃时，调节作动筒，对两个L型热塑性板材进行对向挤压，控制挤压压力为800kN～1200kN，进行T型结构腹板的压实；保持作动筒的压力不变，控制压力机，对顶部热塑性板材表面施加压力，施加与作动筒相同的压力，并保持压力不变，保温保压30min～60min；

冷却：关闭加热结构，并保持恒压30min～60min，采取水冷降温，使第一模具、第二模具、第三模具冷却至室温；

脱模：控制压力机使第三模具远离T型制件，再调控作动筒使得第一模具、第二模具分开，取出制备出的T型纤维增强热塑性制件。

在其中一个实施例，所述使两个L型热塑性板材接近，具体为：

使两个L型热塑性板材的水平间距为0.5mm～1mm。

在其中一个实施例，所述控制第三模具下表面与热塑性平板表面保持较小距离，具体为：

控制第三模具下表面与热塑性平板表面的间距保持在2mm～3mm。

本发明提供的，具有如下有益技术效果：

1、本发明通过热传导的方式对热塑性复合材料加热，再通定压成型，这样制备出的T型制件连接致密，力学性能优异；

2、本发明通过调整模具对T型结构进行塑形，通过控制第一模具、第二模具水平端形状对腹板定型，控制第三模具及第一模具、第二模具水平上下端形状对翼板定型，对变尺寸、变截面制件的兼容性好，且模具制造成本低，适用于小批量的生产；

3、本发明通过对热塑性复合材料进行软化、再塑形处理得到所需要的制件，基于已有L型制件、平板制件进行二次成型，对材料的利用率高。

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，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中热压成型装置的轴测图；

图2为本发明实施例中热压成型装置的正视图；

图3为本发明实施例中底座的轴测图；

图4为本发明实施例中第一模具的爆炸图；

图5为本发明实施例中第二模具的爆炸图；

图6为本发明实施例中第三模具的爆炸图；

图7为本发明实施例中热压成型装置在制备正T形板时的实施方式结构图；

图8为本发明实施例中热压成型装置在制备斜T形板时的实施方式结构图；

图9为本发明实施例中热压成型装置在制备弧形T形板时的实施方式结构图；

图10为本发明实施例中热压成型装置在制备Y形板时的实施方式结构图。

附图标号：

底座1、底板101、纵向壁102、肋板103、水平定位槽104；

第一模具2、第一成型面201、第二成型面202、第一装配件203、第一热压件204、第一沉槽205；

第二模具3、第三成型面301、第四成型面302、第二装配件303、第二热压件304、第二沉槽305；

第三模具4、第五成型面401、第三装配件402、第三热压件403、第三沉槽404；

作动筒5、液压管孔501、活塞502；

第一电加热管601、第二电加热管602、第三电加热管603；

L型热塑性板材701、顶部热塑性板材702。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例1

如图1-6所示为本实施例公开的一种T型热塑性复合材料制件的热压成型装置，主要包括底座1、第一模具2、第二模具3与第三模具4。第一模具2与第二模具3对向滑动连接在底座1上，第三模具4位于底座1中部的正上方，且第三模具4具有沿竖向升降的行程；第一模具2的顶端为第一成型面201，第一模具2的相向移动端为第二成型面202，第二模具3的顶端为第三成型面301，第二模具3的相向移动端为第四成型面302，第三模具4的底端为第五成型面401；第一成型面201、第二成型面202、第三成型面301、第四成型面302、第五成型面401上均设有加热结构，且第一成型面201、第二成型面202、第三成型面301、第四成型面302、第五成型面401共同围成热压腔，用于T型热塑性复合材料的热压成型。其中，第一模具2的相向移动端即为第一模具2上朝向第二模具3的一端，第二模具3的相向移动端即为第二模具3上朝向第一模具2的一端。

在具体实施过程中，底座1包括底板101以及沿横向间隔设在底板101两侧的纵向壁102，纵向壁102与底板101之间通过肋板103加强，保证结构稳定性。

第一模具2包括第一装配件203与第一热压件204，其中，第一装配件203通过一个作动筒5与底座1上的一个纵向壁102相连，且第一装配件203的底部相较于底板101悬空，使得第一装配件203在底座1上具有沿横向滑动的行程。第一装配件203的顶端与相向移动端均间隔设有若干第一沉槽205，加热结构包括设在每一第一沉槽205内的第一电加热管601。第一热压件204通过螺栓可拆卸地连接在第一装配件203上，且覆盖第一装配件203的顶端与相向移动端，即第一热压件204的顶端即为第一模具2上的第一成型面201，第一热压件204上朝向第二模具3的一端即为第一模具2上的第二成型面202。

第二模具3包括第二装配件303与第二热压件304，其中，第二装配件303通过另一个作动筒5与底座1上的另一个纵向壁102相连，且第二装配件303的底部相较于底板101悬空，使得第二装配件303在底座1上具有沿横向滑动的行程。第二装配件303的顶端与相向移动端均间隔设有若干第二沉槽305，加热结构包括设在每一第二沉槽305内的第二电加热管602。第二热压件304通过螺栓可拆卸地连接在第二装配件303上，且覆盖第二装配件303的顶端与相向移动端，即第二热压件304的顶端即为第二模具3上的第三成型面301，第二热压件304上朝向第一模具2的一端即为第二模具3上的第四成型面302。

作为优选的实施方式，纵向壁102的侧部设有水平定位槽104，作动筒5嵌入水平定位槽104后与对应纵向壁102相连，以保证作动筒5支持力呈水平方向。作动筒5上布置有连接外置液压源的液压管孔501，作动筒5内设置活塞502，两个作动筒5的活塞502分别与第一装配件203、第二装配件303连接，进而通过外部液压源即可驱动第一模具2与第二模具3对向滑动。

第三模具4包括第三装配件402与第三热压件403，第三装配件402可与外置的压力机相连，进而使得第三装配件402在压力机的作用下具有沿竖向升降的行程。第三装配件402的底端间隔设有若干第三沉槽404，加热结构包括设在每一第三沉槽404内的第三电加热管603。第三热压件403通过螺栓可拆卸地连接在第三装配件402上，且覆盖第三装配件402的底端，即第三热压件403的下表面第三模具4上的第五成型面401。

本实施例中，第一电加热管601、第二电加热管602与第三电加热管603均采用石英玻璃加热管。作为优选地，可在石英玻璃加热管上设置温敏传感器，可通过外接控温温箱对加工温度进行有效调控，可调整温度应对不同加热工况。

参考图1-2，第一成型面201、第二成型面202、第三成型面301、第四成型面302、第五成型面401均为平面结构，且第一成型面201、第三成型面301、第五成型面401均为水平面，第二成型面202、第四成型面302均为竖向平面，第一成型面201与第二成型面202之间、第三成型面301与第四成型面302之间均为圆弧过渡。在图1-2所示的实施方式下的热压成型装置，其主要用于制备图7所示的正T形板，该正T形板由两块L型热塑性板材701与一块顶部热塑性板材702组成，即T形板的横边与竖边垂直。

需要注意的是，但是再具体实施过程中，可以根据实际需要调节第一成型面201、第二成型面202、第三成型面301、第四成型面302、第五成型面401的形状与角度。例如图8所示，当T形板为横边与竖边不需要垂直斜T形板时，只需将第二成型面202与第四成型面302设置为斜面即可。再例如若图9所示的T形板为横边与竖边均为弧形板的弧形T形板时，也只需要将第一成型面201、第二成型面202、第三成型面301、第四成型面302、第五成型面401设置为对应的弧面面结构。再比如图10所示，若所需的T形板实质为Y形结构，也可以将第五成型面401第五成型面401设置为折面结构，并将第一成型面201与第三成型面301同步设置为斜面结构。即通过控制第一模具2、第二模具3水平端形状对腹板定型，控制第三模具4及第一模具2、第二模具3水平上下端形状对翼板定型，对变尺寸、变截面制件的兼容性好，且模具制造成本低，适用于小批量的生产。

实施例2

本实施例公开了一种T型热塑性复合材料制件的热压成型方法，实施例1中的热压成型装置，该成型方法包括如下步骤：

装置组装：将底座1放置在水平工作台上，并将第一模具2、第二模具3分别通过作动筒5连接在底座1上，在作动筒5与底座1的接触端放置力传感器并保持作动筒5水平，作动筒5通过液压管连通外置液压源，此时通过控制液压源可调节作动筒5内液压，从而调节第一模具2、第二模具3的水平支持力；外置压力机，并连接第三模具4与压力机；外置控温温箱，通过控制控温温箱调节加热结构温度；

模具准备：清洁第一成型面201、第二成型面202、第三成型面301、第四成型面302、第五成型面401，并涂覆脱模剂；脱模剂由石墨粉与99％浓度工业酒精配置而成，将脱模剂分别涂抹在第一模具2、第二模具3、第三模具4上，当酒精挥发完全，石墨粉将均匀散布于模具表面；

L型热塑性板材准备：准备两个L型热塑性板材701，将其中一个L型热塑性板材701放置在第一模具2上，并与第一成型面201、第二成型面202相贴；将另一个L型热塑性板材701放置在第二模具3上，并与第三成型面301、第四成型面302相贴；

顶部热塑性板材准备：调节液压源驱动作动筒5，使得第一模具2、第二模具3相向移动，使两个L型热塑性板材701接近(控制间距为0.5mm～1mm)，并将顶部热塑性板材702放置于两个L型热塑性板材701顶部；

软化加热：调整压力机，使得第三模具4逐渐降低，并控制第三模具4下表面与顶部热塑性板材702表面保持较小距离(控制间距为2mm～3mm)；开启控温温箱，控制加热结构逐渐加热到360℃；

压力定型：当加热结构达到360℃时，调节作动筒5，对两个L型热塑性板材701进行对向挤压，控制挤压压力为1000kN，进行T型结构腹板的压实；保持作动筒5的压力不变，控制压力机，对顶部热塑性板材702表面同样施加1000kN压力，并保持压力不变，保温保压30min；

冷却：关闭加热结构，并保持恒压30min，采取水冷降温，使第一模具2、第二模具3、第三模具4冷却至室温；

脱模：控制压力机使第三模具4远离T型制件，再调控作动筒5使得第一模具2、第二模具3分开，取出制备出的T型纤维增强热塑性制件。

该方法基于热塑性复合材料二次成型原理，通过调控温度与压力，将已有的热塑性复合材料板进行二次加工，适用于各种热塑性材料；通过选取不同铺层的热塑性复合材料板，可控制铺层角度；通过改变第一模具2、第二模具3、第三模具4形状，可实现对T型制件形状的控制，且模具成本低，更换简单，能够快速适应变截面、变尺寸的形状要求；通过控制温度压制出的T型制件，结构致密，表面平整，力学性能好。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种T型热塑性复合材料制件的热压成型方法，其特征在于，采用热压成型装置，所述热压成型装置包括底座、第一模具、第二模具与第三模具；

所述第一模具与所述第二模具对向滑动连接在所述底座上，所述第三模具位于所述底座中部的正上方，且所述第三模具具有沿竖向升降的行程；

所述第一模具的顶端为第一成型面，所述第一模具的相向移动端为第二成型面，所述第二模具的顶端为第三成型面，所述第二模具的相向移动端为第四成型面，所述第三模具的底端为第五成型面；

所述第一成型面、所述第二成型面、所述第三成型面、所述第四成型面、所述第五成型面上均设有加热结构，且所述第一成型面、所述第二成型面、所述第三成型面、所述第四成型面、所述第五成型面共同围成热压腔，用于T型热塑性复合材料的热压成型；

所述第一模具包括第一装配件与第一热压件；

所述第一装配件沿横向滑动连接在所述底座上，所述第一装配件的顶端与相向移动端均间隔设有若干第一沉槽，所述加热结构包括设在每一所述第一沉槽内的第一电加热管；

所述第一热压件可拆卸地连接在所述第一装配件上，且覆盖所述第一装配件的顶端与相向移动端，所述第一成型面、所述第二成型面即为所述第一热压件的顶端与相向移动端；

所述第二模具包括第二装配件与第二热压件；

所述第二装配件沿横向滑动连接在所述底座上，所述第二装配件的顶端与相向移动端均间隔设有若干第二沉槽，所述加热结构包括设在每一所述第二沉槽内的第二电加热管；

所述第二热压件可拆卸地连接在所述第二装配件上，且覆盖所述第二装配件的顶端与相向移动端，所述第三成型面、所述第四成型面即为所述第二热压件的顶端与相向移动端；

所述第三模具包括第三装配件与第三热压件；

所述第三装配件具有沿竖向升降的行程，所述第三装配件的底端间隔设有若干第三沉槽，所述加热结构包括设在每一所述第三沉槽内的第三电加热管；

所述第三热压件可拆卸地连接在所述第三装配件上，且覆盖所述第三装配件的底端，所述第五成型面即为所述第三热压件的底端；

所述底座包括底板以及设在所述底板两侧的纵向壁；

所述第一模具通过一个作动筒连接在其中一个所述纵向壁上，所述第二模具通过另一个作动筒连接在另一个所述纵向壁上；

所述纵向壁的侧部设有水平定位槽，所述作动筒嵌入所述水平定位槽后与对应所述纵向壁相连，以保证支持力呈水平方向

所述成型方法包括如下步骤：

装置组装：将底座放置在水平工作台上，并将第一模具、第二模具分别通过作动筒连接在底座上，在作动筒与底座的接触端放置力传感器并保持作动筒水平；外置压力机，并连接第三模具与压力机；外置控温温箱，通过控制控温温箱调节加热结构温度；

模具准备：清洁第一成型面、第二成型面、第三成型面、第四成型面、第五成型面，并涂覆脱模剂；

L型热塑性板材准备：准备两个L型热塑性板材，将其中一个L型热塑性板材放置在第一模具上，并与第一成型面、第二成型面相贴；将另一个L型热塑性板材放置在第二模具上，并与第三成型面、第四成型面相贴；

顶部热塑性板材准备：调节作动筒，使得第一模具、第二模具相向移动，使两个L型热塑性板材接近，并将顶部热塑性板材放置于两个L型热塑性板材顶部；

软化加热：调整压力机，使得第三模具逐渐降低，并控制第三模具下表面与顶部热塑性板材表面保持较小距离；开启控温温箱，控制加热结构逐渐加热到350℃~400℃；

压力定型：当加热结构达到350℃~400℃时，调节作动筒，对两个L型热塑性板材进行对向挤压，控制挤压压力为800kN~1200kN，进行T型结构腹板的压实；保持作动筒的压力不变，控制压力机，对顶部热塑性板材表面施加压力，施加与作动筒相同的压力，并保持压力不变，保温保压30min~60min；

冷却：关闭加热结构，并保持恒压30min~60min，采取水冷降温，使第一模具、第二模具、第三模具冷却至室温；

脱模：控制压力机使第三模具远离T型制件，再调控作动筒使得第一模具、第二模具分开，取出制备出的Ｔ型纤维增强热塑性制件。

2.根据权利要求1所述的T型热塑性复合材料制件的热压成型方法，其特征在于，所述使两个L型热塑性板材接近，具体为：

使两个L型热塑性板材的水平间距为0.5mm~1mm。

3.根据权利要求1所述的T型热塑性复合材料制件的热压成型方法，其特征在于，所述控制第三模具下表面与热塑性平板表面保持较小距离，具体为：

控制第三模具下表面与热塑性平板表面的间距保持在2mm~3mm。