CN210733249U - 一种长纤维增强复合材料在线成形模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种长纤维增强复合材料在线成形模具，包括上模座和下模座，在上模座和下模座内分别安装有上隔热板和下隔热板，且在上模座和下模座的端部分别安装有上模温度传感器和下模温度传感器，所述上隔热板内表面设有上模芯，在上隔热板和上模芯之间设有上冷却板，在下隔热板内表面设有下模芯，且在下隔热板和下模芯之间下冷却板，所述上模芯和下模芯外侧均设有加热槽，上冷却板和下冷却板上均设有水槽；能够满足复杂模具型腔内产品在成形过程中的实时均匀加热和冷却，模具温度控制改造成本不高，可根据工艺要求进行灵活设计与加工，有利于实现复合材料产品各部分性能的一致性、提高生产效率和节能。

Description

一种长纤维增强复合材料在线成形模具

技术领域

本实用新型实施例涉及模具技术领域，具体涉及一种长纤维增强复合材料在线成形模具。

背景技术

长纤维增强复合材料具有优异的比强度、比模量、耐腐蚀等特点，尤其适用于对轻量化、比强度要求高的复杂形状零件的成形，在航天航空、高铁、汽车等领域得到大量应用，替代现有的钢铁、轻合金结构部件，发挥着越来越重要的作用。

长纤维增强复合材料在线模压成形工艺技术(LFT-D工艺)是将玻纤或碳纤维等长纤维、热塑性树脂、相容剂等材料，按照材料配方比例，采用高精度喂料器、双螺杆挤出机等设备实现混配、浸润、纤维切断、包覆等混合工序，经模头挤出、计量切割后，由保温输送机传送到指定位置，采用机械手或人工放入模具压制成形。与传统GMT模压成形工艺相比，LFT-D工艺省略了半成品制备步骤，因而大幅度提高生产效率，比传统工艺成本低20％～50％，其制品的机械性能提高大约30％～40％。

不论是传统的GMT工艺还是LFT-D工艺，为了实现高效快速、合格的生产，其成形模具的设计都是成形过程中最重要的工艺因素之一。现有方案：目前，GMT工艺和LFT-D工艺的模具都是采用模座、模芯、冷却与升温系统等组成，所述的模架一般包括上、下模座，分布安装在压机滑块与工作台上，起固定模芯和重复定位作用；所述的模芯一般包括上模和下模；所述的冷却与升温系统主要包括连接在上下模芯上的若干软管和模温机、水冷机等。通常是将模温机和水冷机的管路接口与模芯上的多个加热与冷却直通流道的接口相连，当坯料从保温输送装置抓取放置到下模上之前，模温机将导热油注入上下模加热管道加热模芯，同时合模；合模完成后，模温机将导热油排出上下模加热管道，同时水冷机将冷却水注入上下模冷却管道以及凹模冷却管道进行冷却模芯，保压一段时间后开模；取出工件后进入下一个循环操作周期。

现有技术存在的技术问题：采用这种方法与结构，虽然可以实现GMT工艺和LFT-D工艺的长纤维增强复合材料产品的制造，但因模温机和水冷机都需要大量金属软管与上下模芯相连，产品的体积越大、形状越复杂，则连接模芯的软管和接头数量越多，影响现场安全的同时油液泄露风险加大。而且模温机的导热油需要每年更换，若长期使用超过150℃以上，则需要每三个月更换一次，不但会增加废液处理成本，处理不当则会对生态环境造成一定影响。此外，模具上的加热与冷却流道因受常规加工手段限制，例如采用深孔钻加工流道，一般只能在模具上加工直孔，即便尽量按照型腔分布排列模具加热与冷却流道，也很难满足复杂模具型腔内复合材料产品的均匀加热和冷却，导致模压后取出的产品各个部位的性能会存在一定的差异。

发明内容

为此，本实用新型实施例提供一种长纤维增强复合材料在线成形模具，能够满足复杂模具型腔内复合材料产品在成形过程中的实时均匀加热和冷却，模具温度控制改造成本不高，加热系统与冷却系统可以根据工艺要求进行灵活设计与加工，有利于实现复合材料产品各部分性能的一致性、提高生产效率和节能，以解决现有技术中难以满足复杂模具型腔内均匀加热和冷却而导致产品性能出现差异的问题。

为了实现上述目的，本实用新型的实施方式提供如下技术方案：

一种长纤维增强复合材料在线成形模具，包括安装在压机上滑块上的上模座和安装在工作台上的下模座，在所述上模座和下模座内分别安装有上隔热板和下隔热板，且在所述上模座和下模座的端部分别安装有上模温度传感器和下模温度传感器；

所述上隔热板内表面设有上模芯，且在所述上隔热板和上模芯之间设有紧密接触的上冷却板，所述下隔热板内表面设有下模芯，且在所述下隔热板和下模芯之间设有紧密接触的下冷却板；

所述上模芯和下模芯外侧均设有螺旋状或回型的加热槽，所述上冷却板和下冷却板上均设有呈螺旋状或回型的水槽。

作为本实用新型的一种优选方案，所述水槽内设有冷却水管，位于所述上冷却板和下冷却板内的所述冷却水管分别与冷却水系统连通形成循环的冷却回路。

作为本实用新型的一种优选方案，所述加热槽内设有高温绝缘电热丝，位于所述上模芯和下模芯内的所述高温绝缘电热丝分别电性连接有加热系统。

作为本实用新型的一种优选方案，所述上模温度传感器和下模温度传感器均电性连接有PLC控制器，所述PLC控制器与冷却水系统、加热系统电性连接，且所述PLC控制器根据上模温度传感器、下模温度传感器反馈的温度信息控制冷却水系统和加热系统形成闭环控制。

作为本实用新型的一种优选方案，在所述上模座和下模座相对的面上分别设置有对应的导向定位槽和导向定位柱，且在上模座和下模座之间通过套设在导向定位柱上活动设置有预热垫。

作为本实用新型的一种优选方案，所述预热垫包括聚热板，所述聚热板表面分别设与上模座和下模座贴合接触的温养加热层，在所述聚热板内部通过固定安装的隔板分为上腔室和下腔室，且在所述上腔室和下腔室内部分别安装有相互独立的呈螺旋状排布的次级电加热丝，两组次级电加热丝连接有设在聚热板侧面的外设端口，所述外设端口通过连接线活动连接有加热系统。

本实用新型的实施方式具有如下优点：

(1)本实用新型的模具可以实现GMT工艺和LFT-D工艺的长纤维增强复合材料产品的制造，能够满足复杂模具型腔内复合材料产品在成形过程中的实时均匀加热和冷却，同时没有油液泄露风险和废液排放，降低环境污染，有利于生产过程的自动化。

(2)本实用新型的模具温度控制改造成本不高，加热系统与冷却系统可以根据工艺要求进行灵活设计与加工，有利于实现复合材料产品各部分性能的一致性、提高生产效率和节能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本实用新型实施方式中的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施方式中的预热垫结构示意图；

图中：1-上模座；2-上隔热板；3-上冷却板；4-上模芯；5-加热槽；6-PLC控制器；7-高温绝缘电热丝；8-上模温度传感器；9-下模温度传感器；10-冷却水管；11-预热垫；12-水槽；13-下模芯；14-下冷却板；15-下隔热板；16-下模座；

61-冷却水系统；62-加热系统；

1101-导向定位槽；1102-导向定位柱；1103-聚热板；1104-温养加热层；1105-次级电加热丝；1106-外设端口。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种长纤维增强复合材料在线成形模具，包括安装在压机上滑块上的上模座1和安装在工作台上的下模座16，在所述上模座1和下模座16内分别安装有上隔热板2和下隔热板15，上隔热板2和下隔热板15均由镍基隔热金属材料制成，并且安装在模座与模芯之间，可以有效降低热量传到至上模座1和下模座16，有利于上模芯4和下模芯13的快速控温和节能。

且在所述上模座1和下模座16的端部分别安装有上模温度传感器8和下模温度传感器9，上模温度传感器8和下模温度传感器9数量为多个，可以按照温度控制的要求灵活选择设置位置，以便将温度信息及时的反馈至控制系统来实现准确的温度控制。

所述上隔热板2内表面设有上模芯4，且在所述上隔热板2和上模芯4之间设有紧密接触的上冷却板3，所述下隔热板15内表面设有下模芯13，且在所述下隔热板15和下模芯13之间设有紧密接触的下冷却板14。

所述上模芯4和下模芯13外侧均设有螺旋状或回型的加热槽5，所述上冷却板3和下冷却板14上均设有呈螺旋状或回型的水槽12。

所述水槽12内设有冷却水管10，位于所述上冷却板3和下冷却板14内的所述冷却水管10分别与冷却水系统61连通形成循环的冷却回路。

在上述中，冷却水系统61包括与冷却水管10连接的循环泵和冷却控制系统，其中冷却控制系统根据PLC控制器的指令驱动循环泵的启动和工作功率，以提供不等量的冷却水进入模具。

所述加热槽5内设有高温绝缘电热丝7，位于所述上模芯1和下模芯16内的所述高温绝缘电热丝7分别电性连接有加热系统62。

加热系统62包括与高温绝缘电热丝7电性连接的加热电源以及加热控制系统，其中加热控制系统根据PLC控制器的指令驱动高温绝缘电热丝7的启动和工作功率，以提供不等量的热量进入模具。

上模温度传感器8和下模温度传感器9均电性连接有PLC控制器6，所述PLC控制器6与冷却水系统61、加热系统62电性连接，且所述PLC控制器6根据上模温度传感器8、下模温度传感器9反馈的温度信息控制冷却水系统61和加热系统62形成闭环控制。

在上述中所涉及到的冷却控制系统和加热控制系统本质上均为单片机，即接受PLV控制器6提供的指定，并将该指令分别作用于循环泵和加热电源，对冷却水管10提供冷却用的循环水，以及对高温绝缘电热丝7供电提供不同的加热功率。该冷却控制系统可以选择8089系列的单片机，而加热控制系统可以采用AT89C2051系列的单片机。PLC控制器6可采用上海湘羿工业自动化设备有限公司提供的西门子PLC控制器，具体可以选择SIMATIC S7系列的如S7-200、S7-1200等。

上模温度传感器8和下模温度传感器9将上模芯4、下模芯13的温度数值实时反馈给PCL控制系统，PLC控制器根据接收的温度数据实时调整加热系统62的启停和冷却系统61供应的冷却水的流量，由此形成闭环控制，使上模芯4、下模芯13的温度分布情况达到预期值。相对于现有技术，本实用新型的模具可以实现GMT工艺和LFT-D工艺的长纤维增强复合材料产品的制造，能够满足复杂模具型腔内复合材料产品的均匀加热和冷却，同时没有油液泄露风险和废液排放，降低环境污染，有利于生产过程的自动化。

另外，在上模芯4、下模芯13外侧的螺旋状或者回型加热槽5可以依照产品外形均匀分布加工，加工成本不高；高温绝缘电热丝7可以按照上模芯4、下模芯13的壁厚和工艺要求分成不同功率的多组进行排布埋设在上模芯4、下模芯13外侧的螺旋状或者回型加热槽5内，分别实现控制，有利于实现模芯温度的均匀一致。

在所述上模座1和下模座16相对的面上分别设置有对应的导向定位槽1101和导向定位柱1102，在本实施方式中上模座1和下模座16分别通过导向定位槽1101和导向定位柱1102对应的嵌合关系连接起来，由于设置了导向定位槽1101和导向定位柱1102，使得上模座1和下模座16可以准确的闭合，另外在上模座1和下模座16之间通过套设在导向定位柱1102上活动设置有预热垫11。

通过这种方式设置预热垫11可以使得预热垫11灵活的在上模座1和下模座16取上和取下，而在本实用新型中增加预热垫的作用在于两个方面：

第一，由于本实用新型中所涉及到的是长纤维增强复合材料，在模具成型时对于温度的需求性比较高，因此在成型之前需要加热模具使其达到指定的温度范围内才可以进行模压，否则就会导致复合材料内外温度不同；

第二，在本实用新型中构建的加热系统，由于是设置在模芯内部，而环境温度始终要低于模压成型的温度，因此，模型内部的加热系统无法通过自加热的方式使得整个模具达到指定的温度范围，而且如果直接通过内部的加热系统进行强热，必然会导致模具内部的温度超过设定的温度，影响导热油的使用寿命，还会触发冷却系统为保护模具而进行冷却。

相比较于现有技术的预热垫，本实用新型中的预热垫进行了适应本工艺的改进，具体为如图2所示：预热垫11包括聚热板1103，所述聚热板1103表面分别设与上模座1和下模座16贴合接触的温养加热层1104，聚热板1103能够有效的将预热垫内部的热量集中到表面来，该实现方式是通过采用导热系数高的材料来制备聚热板，由于其是热的良导体，温度更加容易传递到该处，避免在预热垫内部聚集过多的热量而导致内部过热。在聚热板1103的表面设置温养加热层1104是为了保存聚热板1103上的热量，由于聚热板1103是热的良导体，其上的热量能够很容易就聚集起来形成较高的温度，设置温养加热层1104一方面是缓冲这个瞬间的高温，先将热量集中到温养加热层1104上逐步提高温养加热层1104的温度，使其达到或者超过设定的温度，从而形成一个稳定的热源对模具进行预热。

在本实施方式中，还需要说明的是，温养加热层1104是由比热容较高的材料制成，以保证其始终为稳定热源，由于模具相对于其它组件来说，是热的不良导体，需要长时间的温养才能够使得模具加热至指定的温度。

另外，在本实用新型中还着重考虑到上模芯和下模芯的区别，因此在所述聚热板1103内部通过固定安装的隔板分为上腔室和下腔室，且在所述上腔室和下腔室内部分别安装有相互独立的呈螺旋状排布的次级电加热丝1105，呈螺旋状排布的次级电加热丝1105能够便于内部的热量扩散至表面，以在最快的速度内加热聚热板，另外通过两组次级电加热丝1105分别对其上、下面进行加热，而两组次级加热丝则连接有设在聚热板1103侧面的外设端口1106，所述外设端口1106通过连接线活动连接有加热系统62。

此处为本实用新型的另外一个创新点，即预热垫是通过相同的控制系统来实现加热的，这样设置的好处在于，首先，缩减装置的构造，能够共用一组控制系统，其次则是可以直接套用相同的参数，无需再次设置预热的参数，而是可以单独对加热系统进行指示，按照设定的要求对温度进行上浮，对于两个不同阶段的温度加热来说，其是十分有利的。

采用上述结构，上冷却板3和下冷却板14上的螺旋状或回型水槽12可以依照产品外形均匀分布加工，加工成本不高；水槽12分别与上隔热板2和下隔热板15封闭形成上下模具的冷却水道，水道的走向和截面可以根据工艺要求进行灵活设计与加工，有利于实现复合材料产品各部分性能的一致性和提高生产效率。

在本实用新型中首先通过预热垫对模具进行闭环控制的预热，然后在对模具进行温养，使其内外温度逐渐趋向于相同，从而满足本实用新型所需求的内外温度均相同的技术要求。

正如前面所述，在本实用新型中由于模具的热导性与其他组件不同，因此为了保证模具处于一个均衡的温度环境中，需要对模具进行长时间的温养，使其内外的温度均处于一个平衡状态。

在本实用新型中结合预热和实际的加热，能够有效的克服现有技术中对内部温度不能均匀加热和冷却的缺陷，这是因为：第一，本实用新型中通过预热使得模具内外的温度在初期就处于一致，在模具温度达到一致后通过脉冲信号使得模具表面温度高于模具内部，这样设置的好处在于适应复合材料刚入模具对模具表面温度场的影响，使得两者之间的温度不会发生太大的波动；第二，一般来说，模具内部的温度随着加热系统和冷却水系统的闭环控制，能够使得内部的温度处于一个均衡的状态，但是这里需要考虑到在模具中由于工艺的限制，模具内部不是所有的结构都能够覆盖到均匀的加热丝和冷却水管道，因此必然在某些区域就会存在低温区和高温区，而在本实用新型中为了解决上述问题，在模具内部构建低温区，而避免高温区，这是因为本实施方式中可以通过热辐射的方式对低温区进行加热，而由于局部加热导致的局部过热则由冷却水系统负责对该区域进行降温，通过辐射和冷却作用，保证每个区域的温度均处于均衡，从而避免了需要保证模具内部温度均衡需要对模具进行钻孔加设按照型腔分布的加热或者冷却管道。

本实用新型通过上述的温度控制方式，能够以较为简单的方式对模具内外进行温度控制，而且对于模具温度场的分布具有较强的控制作用，可以有效保证模具内外表面均处于均衡的温度范围内以满足模压后产品各个部位性能的一致性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种长纤维增强复合材料在线成形模具，包括安装在压机上滑块上的上模座(1)和安装在工作台上的下模座(16)，其特征在于，在所述上模座(1)和下模座(16)内分别安装有上隔热板(2)和下隔热板(15)，且在所述上模座(1)和下模座(16)的端部分别安装有上模温度传感器(8)和下模温度传感器(9)；

所述上隔热板(2)内表面设有上模芯(4)，且在所述上隔热板(2)和上模芯(4)之间设有紧密接触的上冷却板(3)，所述下隔热板(15)内表面设有下模芯(13)，且在所述下隔热板(15)和下模芯(13)之间设有紧密接触的下冷却板(14)；

所述上模芯(4)和下模芯(13)外侧均设有螺旋状或回型的加热槽(5)，所述上冷却板(3)和下冷却板(14)上均设有呈螺旋状或回型的水槽(12)。

2.根据权利要求1所述的一种长纤维增强复合材料在线成形模具，其特征在于，所述水槽(12)内设有冷却水管(10)，位于所述上冷却板(3)和下冷却板(14)内的所述冷却水管(10)分别与冷却水系统(61)连通形成循环的冷却回路。

3.根据权利要求2所述的一种长纤维增强复合材料在线成形模具，其特征在于，所述加热槽(5)内设有高温绝缘电热丝(7)，位于所述上模芯(4)和下模芯(13)内的所述高温绝缘电热丝(7)分别电性连接有加热系统(62)。

4.根据权利要求3所述的一种长纤维增强复合材料在线成形模具，其特征在于，所述上模温度传感器(8)和下模温度传感器(9)均电性连接有PLC控制器(6)，所述PLC控制器(6)与冷却水系统(61)、加热系统(62)电性连接，且所述PLC控制器(6)根据上模温度传感器(8)、下模温度传感器(9)反馈的温度信息控制冷却水系统(61)和加热系统(62)形成闭环控制。

5.根据权利要求1所述的一种长纤维增强复合材料在线成形模具，其特征在于，在所述上模座(1)和下模座(16)相对的面上分别设置有对应的导向定位槽(1101)和导向定位柱(1102)，且在上模座(1)和下模座(16)之间设有套设在导向定位柱(1102)上的预热垫(11)。

6.根据权利要求5所述的一种长纤维增强复合材料在线成形模具，其特征在于，所述预热垫(11)包括聚热板(1103)，所述聚热板(1103)表面分别设有与上模座(1)和下模座(16)贴合接触的温养加热层(1104)，在所述聚热板(1103)内部通过固定安装的隔板分为上腔室和下腔室，且在所述上腔室和下腔室内部分别安装有相互独立的呈螺旋状排布的次级电加热丝(1105)，两组次级电加热丝(1105)连接有设在聚热板(1103)侧面的外设端口(1106)，所述外设端口(1106)通过连接线活动连接有加热系统(62)。

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