[发明专利]一种生产纤维增强型复合材料预成型的冲压方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产纤维复合材料预成型的冲压方法及设备。

背景技术

高性能碳纤维复合材料具有极高的比刚度（钢的5倍）、比强度（钢的8倍）。它的抗疲劳属性和抗化学腐蚀性也优于普通钢铁。因此高性能复合材料被广泛应用于航空航天、高档汽车、风能、豪华游艇、潮汐发电、体育用品以及军事工业。在F1方程式赛车、宝马i8轿跑、空客A380客机、风机叶片中，都大量采用复合材料作为承力部件；在军事建筑，民用建筑领域，作为有着优越防爆、抗疲劳性能的编织物复合材料，同样获得了高度关注。

由于复合材料复杂变化的多尺度结构，使其从原材料生产到最终工业应用不能完全实现自动化。工序多、周期长、产量低，导致了复合材料部件的价格昂贵，不能在普通民用装备上大量使用。传统工艺通常是由手工工作者按照预先设计好的图样，将纤维织物进行裁剪成片，这些织物可以是干纤维，也可以是预浸料，手工工人按照预先设定好的流程将裁片手工铺设到模具表面，对于表面起伏比较大的几何形状，切口和重叠不可避免，切口使得最终的产品强度下降，同时由于重叠导致的厚度的变化不均匀，又为最终的注塑模具的设计加工增加了困难。传统工艺的缺点可以总结为：1）手工剪裁编织物复合材料成本高，次生废料多、生产工序多，额外的仓储、运输、包装耗费人力物力财力；2）产生30%到50%的边角料；3）人工铺放，导致的质量不稳定，人工成本高。

发明内容

针对以上的诸多弊端，以及现有的纤维铺设技术可以有效地用来生产二维和简单三维（半圆柱面）的预成型，而对于更为复杂的几何形状，例如汽车B柱，现有的纤维铺设技术无法应用等问题，本申请提供了一种全新的工艺方法及相关设备，大幅降低复合材料零部件的生产成本，使之应用于民用产品，例如轿车车架。此冲压过程亦可用于传统的纤维（碳纤维、玻璃纤维等）编织物的冲压成型过程。该冲压过程模拟手工成型，全程给予织物铺层均匀的平面内和平面外的支撑，可以大幅度减少冲压过程中纤维丝的过度侧向滑移（针对铺丝），皱褶（针对纤维织物）以及纤维断裂，制造出具有复杂三维几何形状的预成型。预成型通过高压釜、树脂注入等后期工艺可以制作成为超轻超强的复合材料零部件。此过程可以完全实现自动化、数字化和无人值守，可以在保证产品质量的同时，提高生产效率、大幅降低生产成本。具体技术方案如下。

本申请首先提供了一种通过冲压方法生产纤维增强型复合材料预成型的冲压设备，所述设备包括支架（1）、支架上的立柱（2）、电机（3）、曲轴（4）、总冲压块（5）、上模块（6）、下模块（7）、支撑架（21）以及上固定滑道（8）和下固定滑道（9），所述上固定滑道（8）和下固定滑道（9）分别与上模块（6）和下模块（7）连接，其中上固定滑道（8）固定在支架（1）的上端、立柱（2）的下方，所述下固定滑道（9）固定在支架（1）的底端，所述支撑架（21）固定在支架（1）上、设在上模块（6）与下模块（7）之间；所述总冲压块（5）连接在立柱（2）的上方通过曲轴（4）与电机（3）连接，电机（3）固定在支架（1）上方。

进一步地，本申请中所述上模块（6）和下模块（7）分别包括至少一个冲压块（10）和至少一个滑轴（11），所述上模块（6）和下模块（7）上的冲压块（10）形状对等，数量可以对等也可以不对等；所述冲压块（10）的末端与滑轴（11）连接，所述滑轴（11）分别与对应的上固定滑道（8）或下固定滑道（9）连接；所述支撑架（21）包含上支架（211）和下支架（212）两部分。

进一步地，本申请中所述设备还包括材料薄膜（12），所述材料薄膜优选为硅胶薄膜，所述材料薄膜（12）铺在上模块（6）与平面预成型之间以及下模块（7）与平面预成型之间；所述平面预成型为预先涂好定型剂的碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、其它纤维铺层或者各种纤维编织物铺层。

进一步地，本申请中所述设备还包括弹性装置（13）和微调系统（14），所述弹性装置（13）设在上固定滑道（8）与上模块（6）之间以及下模块（7）与下固定滑道（9）之间的滑轴（11）上；所述微调系统（14）设在滑轴（11）的末端，分别与上固定滑道（８）和下固定滑道（９）连接。

优选地，所述弹性装置（13）为弹簧、气缸或气囊；所述微调系统（14）可以为可调螺栓。

进一步地，本申请中所述设备还包括加热系统（15）和制冷系统（16），所述加热系统（15）和制冷系统（16）内置或外置于冲压设备。