CN115122672A - 一种预浸料预制体高精度加工工艺及其制作的产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预浸料预制体高精度加工工艺及其制作的产品，属于复合材料制备领域。本发明的预浸料预制体高精度加工工艺，包含以下步骤：S1、采用纤维和树脂加工制成预浸料；S2、采用铺层方式制作预制体；S3、根据预浸料的树脂特性对预制体进行一次预压实，压实至成品厚度；S4、将步骤S3中预压实后的预制体冷冻至树脂脆化温度Tb以下；S5、在维持树脂脆化温度Tb以下的温度环境中，利用机加工将预制体厚度方向上的结构特征加工出来；S6、将加工好的预制体放入固化成型模具内加热固化。本发明利用预制体压实、冷冻和机加工的工艺组合，使预制体能够通过机加工进行塑型，能够成型出制品厚度方向的细微结构，获得高尺寸精度的预浸料预制体。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种预浸料预制体高精度加工工艺及其制作的产品。
背景技术
随着航空航天领域的飞速发展和国际形势对我国自主研发技术水平要求的不断提高，对零件整体性能的设计开发、制备技术与生产装备等的研究备受关注。目前，在众多预浸料成型工艺中，模压成型具有较高的生产效率，适于批量生产，制品尺寸精确，表面光洁，可以有两个精制表面，多数结构复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性能的辅助加工，制品外观及尺寸的重复性好等优势。
现有的预浸料模压工艺一般包含预浸料制备、预制体制备和模压加热固化成型等。如中国专利号ZL201710060715.X公开的“一种纤维增强树脂产品及其成型方法”，其通过增加预成型模具的使用，为纤维增强树脂产品的成型工艺增加了灵活性，实现了产品结构的大型化与复杂化；使得第一纤维材料层能够铺设在纤维增强树脂产品的两侧，进而能够有效提高纤维增强树脂产品的强度，并减少纤维增强树脂产品的表面缺陷，并获得表面光泽度较好的纤维增强树脂产品。又如中国专利申请号202010919422.4公开的一种“树脂供给材料、预成型体、及纤维增强树脂的制造方法”，其纤维增强树脂的制造方法是通过对预成型体进行加热、加压从而进行成型的纤维增强树脂的制造方法，从树脂供给材料向基材供给热固性树脂或树脂。
传统的预浸料模压工艺通常只能满足小厚度壳体类制品尺寸精度要求，对于大厚度(>8mm)及厚度方向有细微结构特征的制品则无法精确的保证尺寸精度和满足细微结构特征的铺放要求，尤其是带有细微结构的大厚度尺寸构件，叠层的铺放方式会使得细微结构在压制过程中纤维产生大量的屈曲从而影响最终制品的力学性能。中国专利号ZL201380043543.5公开的“用于在包括纤维材料的板材上提供锥形边缘的方法以及设备”，其为了在产品上提供锥形边缘，浸渍纤维材料在用机加工装置机加工时是冷冻为固态的，使得边缘的一部分能够被机加工以创建锥面，其创建锥面的目的在于防止层压板层分层或破裂，整体加工精度要求并不高。前述专利申请201710060715.X和专利申请202010919422.4也提及对预制体进行冷冻处理，前者的作用是方便预制体的固定和保存，后者的作用是方便预制体的裁切，以方便观察截面和计算树脂的质量含有率。
综上，现有预浸料模压工艺难以制作大厚度及厚度方向有细微结构特征的制品，难以保证制品尺寸精度和细微结构特征的铺放要求。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明旨在提供一种预浸料预制体高精度加工工艺及其制作的产品，以解决现有预浸料模压工艺难以制作大厚度及厚度方向有细微结构特征的制品、难以保证制品尺寸精度和细微结构特征的铺放要求等问题，采用本发明的技术方案，通过对现有预浸料模压工艺进行改进，利用预制体压实、冷冻和机加工的工艺组合，使预制体能够通过机加工进行塑型，能够成型出制品厚度方向的细微结构，获得高尺寸精度的预浸料预制体，并且，可使得树脂基复材制品在厚度方向的细微结构特征与固化模具高度贴合，制品的力学性能得到保证。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种预浸料预制体高精度加工工艺，包含以下步骤：
S1、制备预浸料：采用纤维和树脂加工制成预浸料；
S2、制备预制体：采用铺层方式制作预制体；
S3、压实处理：根据预浸料的树脂特性对预制体进行一次预压实，压实至成品厚度；
S4、冷冻处理：将步骤S3中预压实后的预制体冷冻至树脂脆化温度Tb以下；
S5、机加工：在维持树脂脆化温度Tb以下的温度环境中，利用机加工将预制体厚度方向上的结构特征加工出来；
S6、加热固化：将加工好的预制体放入固化成型模具内加热固化。
更进一步地，在步骤S1中，所述的纤维选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维；所述的树脂选自热固性树脂和热塑性树脂，树脂含量为29％～50％。
更进一步地，在步骤S2中，预制体的铺层方式根据构件所需的力学性能设计。
更进一步地，在步骤S3中，压实的压力为1～15MPa，保压20～40min。
更进一步地，在步骤S4中，采用液氮、干冰或制冷机对预制体进行冷冻处理，冷冻温度根据所选树脂的脆化温度Tb而定。
更进一步地，在步骤S5中，所述的机加工为去除材料的切削加工。
更进一步地，在步骤S6中，所述的固化成型模具的型腔与机加工后的预制体的形状一致。
更进一步地，在步骤S6中，根据所选树脂的固化特性设定固化加热温度，固化压力为1～15MPa，温度为90～400℃，保压30～60min。
本发明的一种预浸料预制体产品，该预浸料预制体产品采用上述的预浸料预制体高精度加工工艺制作而成。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种预浸料预制体高精度加工工艺及其制作的产品，其采用低温加工预制体技术，可以得到高尺寸精度的预浸料预制体，其精度取决于加工方式和加工设备；并且，可以使得预制体中的纤维保持平直并维持拉紧状态，保证了最终树脂基复材制品的力学性能；再者，可实现制品厚度方向的细微特征与固化成型模具的贴合度很高，压制过程中纤维不会产生屈曲，最终保证了树脂基复材制品高精度的结构特征和力学性能；
(2)本发明的一种预浸料预制体高精度加工工艺及其制作的产品，其通过对现有预浸料模压工艺进行改进，利用预制体压实、冷冻和机加工的工艺组合，预制体压实能够方便产品结构塑型，冷冻能够使预制体变成固态，机加工能够将预制体的形状和尺寸加工至与成品一致，后期无需再进行额外的修剪，使机加工后的预制体的形状与固化成型模具的型腔一致，具有更高的贴合度，制品的力学性能得到保证。
附图说明
图1为本发明的一种预浸料预制体高精度加工工艺的工艺流程图；
图2为本发明的预浸料预制体高精度加工工艺模压加工的1/4半管接头零件图。
示意图中的标号说明：
1、预浸料；2、预压实装置；3、冷冻装置；4、机加工装置；5、固化成型装置；11、螺纹；12、退刀槽；13、阶梯孔。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
结合图1所示，本发明的一种预浸料预制体高精度加工工艺，包含以下步骤：
S1、制备预浸料：采用纤维和树脂加工制成预浸料。树脂作为基体，纤维作为增强体，具体制作时可采用连续的纤维织物浸渍树脂来制作预浸料。纤维可选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维等，具体可根据制品力学性能需要来选择，树脂优选采用热固性树脂和热塑性树脂，并且预浸料中树脂的含量可设计为29％～50％，树脂的具体含量可根据制品性能需要而定。
S2、制备预制体：采用铺层方式制作预制体。具体可采取常规叠层的初始铺层方式制作预制体，预制体的铺层方式根据构件所需的力学性能设计，如单向铺层或多向铺层等。
S3、压实处理：根据预浸料的树脂特性对预制体进行一次预压实，压实至成品厚度。预压实后的预制体能够更加方便塑型，压实的压力可控制在1～15MPa，并保压20～40min，使预制体整体更加紧实，提高了预制体的结构强度。将预制体直接压实至成品厚度，方便了后续模压固化，并且能够减少模压固化过程中的纤维屈曲，有利于提高制品性能。
S4、冷冻处理：将步骤S3中预压实后的预制体冷冻至树脂脆化温度Tb以下。制冷方式可采用液氮、干冰等冷源，也可以采用压缩机和蒸发机等制冷机，通过对预制体进行冷冻处理，使预制体达到树脂脆化温度Tb以下，使预制体变成固态，此时的预浸料没有发生化学反应，属于物理变化，为后续加工出预制体厚度方向上的结构特征提供条件。冷冻温度根据所选树脂的脆化温度Tb而定。
S5、机加工：在维持树脂脆化温度Tb以下的温度环境中，利用机加工将预制体厚度方向上的结构特征加工出来。机加工为去除材料的切削加工，如常用的车削、铣削、刨削、磨削、钻削和镗削等等，具体可根据构件的结构特征进行选择。整个机加工过程的环境温度均在树脂脆化温度Tb以下，保证了预制体以固态状态被加工出厚度方向的结构特征。
S6、加热固化：将加工好的预制体放入固化成型模具内加热固化。具体可根据所选树脂的固化特性设定固化加热温度，固化加压压力可设计为1～15MPa，温度为90～400℃，保压30～60min，具体的预浸料模压参数可根据设计需要来定。固化成型模具的型腔与机加工后的预制体的形状一致，使预制体与固化成型模具高度贴合，压制过程中纤维不会产生屈曲，最终保证了树脂基复材制品高精度的结构特征和力学性能。
采用上述预浸料预制体高精度加工工艺制作的预浸料预制体产品，其能够获得高精度的结构特征和力学性能，能够制作大厚度及厚度方向有细微结构特征的制品，保证了制品尺寸精度和细微结构特征的铺放要求。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
[实施例]
本实施例以制作图2所示的管接头制品为例，该管接头制品的结构特点是在其外壁上具有螺纹11和退刀槽12，在其内壁具有阶梯孔13，即在制品厚度方向上有螺纹11、退刀槽12和阶梯孔13，现有的预浸料模压工艺难以成型出上述细微结构特征。
参见图1所示，本实施例的一种预浸料预制体高精度加工工艺，其包含以下步骤：
S1、制备预浸料：该预浸料1为热固性碳纤维单向预浸料，预浸料1的厚度为0.1mm，碳纤维为T700S，树脂为热固性环氧树脂，树脂含量为42％。
S2、制备预制体：将预浸料裁剪成设计的形状后，在工装内进行铺层；具体采用连续包覆铺层方式进行铺层，上下表面两侧也可根据需要铺编织预浸料。
S3、压实处理：根据预浸料的树脂特性对预制体进行一次预压实，预压实步骤可采用预压实装置2，该预压实装置2可以是模压装置，预压压力为2MPa，压实到成品厚度，保压30min。
S4、冷冻处理：采用液氮、干冰、压缩机和蒸发机等冷冻装置3将预制体冷冻至树脂脆化温度Tb以下的温度，具体温度为-30℃。
S5、机加工：在维持树脂脆化温度以下的温度环境中，利用机加工装置4将预制体厚度方向上的螺纹11、退刀槽12、阶梯孔13等特征加工出来。
S6、加热固化：将加工好的预制体放入固化成型装置5内加热固化，该固化成型装置5可以是模压装置，加压固化的压力为4MPa，温度为150℃，保压60min。
采用上述的预浸料预制体高精度加工工艺制作获得图2所示的管接头制品。该制品具有高精度的结构特征和良好的力学性能。
本发明的一种预浸料预制体高精度加工工艺，特别适用于大厚度(>8mm)及厚度方向有细微结构特征的预制品。通过对现有预浸料模压工艺进行改进，利用预制体压实、冷冻和机加工的工艺组合，预制体压实能够方便产品结构塑型，冷冻能够使预制体变成固态，机加工能够将预制体的形状和尺寸加工至与成品一致，后期无需再进行额外的修剪，使机加工后的预制体的形状与固化成型模具的型腔一致，具有更高的贴合度，制品的力学性能得到保证。
与现有技术相比，本发明还具有如下优点：
其一，本发明采用低温加工预制体技术，可以得到高尺寸精度的预浸料预制体，其精度取决于加工方式和加工设备。
其二，本发明可以使得预制体中的纤维保持平直并维持拉紧状态，保证了最终树脂基复材制品的力学性能。
其三，本发明可实现厚度方向的细微特征与模具的贴合度很高，压制过程中纤维不会产生屈曲，最终保证了树脂基复材制品高精度的结构特征和力学性能。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种预浸料预制体高精度加工工艺，其特征在于，包含以下步骤：
S1、制备预浸料：采用纤维和树脂加工制成预浸料；
S2、制备预制体：采用铺层方式制作预制体；
S3、压实处理：根据预浸料的树脂特性对预制体进行一次预压实，压实至成品厚度；
S4、冷冻处理：将步骤S3中预压实后的预制体冷冻至树脂脆化温度Tb以下；
S5、机加工：在维持树脂脆化温度Tb以下的温度环境中，利用机加工将预制体厚度方向上的结构特征加工出来；
S6、加热固化：将加工好的预制体放入固化成型模具内加热固化。
2.根据权利要求1所述的预浸料预制体高精度加工工艺，其特征在于：在步骤S1中，所述的纤维选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和芳纶纤维；所述的树脂选自热固性树脂和热塑性树脂，树脂含量为29％～50％。
3.根据权利要求1所述的预浸料预制体高精度加工工艺，其特征在于：在步骤S2中，预制体的铺层方式根据构件所需的力学性能设计。
4.根据权利要求1所述的预浸料预制体高精度加工工艺，其特征在于：在步骤S3中，压实的压力为1～15MPa，保压20～40min。
5.根据权利要求1所述的预浸料预制体高精度加工工艺，其特征在于：在步骤S4中，采用液氮、干冰或制冷机对预制体进行冷冻处理，冷冻温度根据所选树脂的脆化温度Tb而定。
6.根据权利要求1所述的预浸料预制体高精度加工工艺，其特征在于：在步骤S5中，所述的机加工为去除材料的切削加工。
7.根据权利要求1所述的预浸料预制体高精度加工工艺，其特征在于：在步骤S6中，所述的固化成型模具的型腔与机加工后的预制体的形状一致。
8.根据权利要求7所述的预浸料预制体高精度加工工艺，其特征在于：在步骤S6中，根据所选树脂的固化特性设定固化加热温度，固化压力为1～15MPa，温度为90～400℃，保压30～60min。
9.一种预浸料预制体产品，其特征在于：该预浸料预制体产品采用权利要求1至8任意一项所述的预浸料预制体高精度加工工艺制作而成。
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- 2022-06-30 CN CN202210758335.4A patent/CN115122672A/zh active Pending
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