[发明专利]金属与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形装置及方法

说明书

本发明公开一种轻量化复合材料成型及加工领域中的金属与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形装置及方法，凹模和凸模之间是外压边圈，外压边圈正中间设有向下凹陷的台阶定位槽，台阶定位槽的顶部能放置钢板、底部置放有内压边圈，内压边圈上表面上能放置碳纤维预浸料坯，凸模正下方是推板，第一、第二外压边圈推杆顶端能向上顶住外压边圈、底端固定连接于推板；第一、第二内压边圈推杆顶端能向上顶起内压边圈、底端各连接一个液压缸，推板正下方连接第三液压缸，对钢板施加较大的可调约束阻力，对碳纤维预浸料坯作用较小的可调约束阻力，使两种异质组分材料具有相互匹配的成形能力，在一次冲压行程中分别完成温成形和热成型。

技术领域

本发明属于轻量化复合材料成型及加工领域，具体是一种金属与碳纤维预浸料复合材料构件的制造方法及装置，适用于金属钢板和碳纤维预浸料构成的金属钢板与碳纤维预浸料复合材料构件（简称Steel/CFRP构件）的批量化制造。

背景技术

目前得到广泛应用的两类轻量化材料，一是高/超高强度钢板，因为存在成形工艺复杂、制造成本高、所需成形力大、回弹严重、厚度减薄有限等问题，限制了其轻量化潜能的发挥；二是碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP），虽然具有较高的比强度、比刚度及低密度，但其延伸率低、断裂韧性差、生产周期长及原材料成本高，在很大程度上限制了其在轻量化领域的应用，尤其是在汽车车身承力构件中的应用。因此，将钢板和碳纤维预浸料坯组合成复合材料板坯，并进行一体化成形以制造新型轻量化Steel/CFRP承力构件，以期通过两种异质组分材料的匹配设计和优势互补，在满足刚度、强度要求的同时充分挖掘各自的轻量化潜能。

现有的由异质材料组成的复合材料及构件制造工艺技术有中国专利申请号为200710087145.X的文献中公开的双金属复合板材及其加工工艺以及中国专利申请号为201210364111.1的文献中公开的双金属复合板材及其制造工艺，主要是针对异质金属复合材料层合板常温辊压和加热辊压加工，面层与底层材料中间需要涂抹黏胶层，因而工艺复杂、效率低，并且没有涉及加工成复杂形状异质复合材料构件的问题，且在轻量化方面不具有明显优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属钢板与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形装置以及该装置的温热成形方法，使金属钢板和碳纤维预浸料在一体冲压成形过程中具有相互匹配的成形能力，在克服钢板成形抗力大、回弹严重缺陷的同时，保证碳纤维预浸料坯的剪切变形能够顺利进行，不至于被过早拉断。

为实现上述目的，本发明金属与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形装置所采用的技术方案是：包括凹模和凸模，凹模和凸模之间是外压边圈，外压边圈正中间设有向下凹陷的台阶定位槽，台阶定位槽的顶部能放置钢板，台阶定位槽的底部置放有内压边圈，内压边圈上表面上能放置碳纤维预浸料坯，内压边圈的上表面低于外压边圈的上表面，碳纤维预浸料坯的外形尺寸与内压边圈的上表面的外形尺寸一致，外压边圈的台阶定位槽的顶部的外形尺寸与钢板的外形尺寸一致，台阶定位槽的顶部的外形尺寸大于台阶定位槽的底部的外形尺寸，钢板与碳纤维预浸料坯相接触，钢板叠放在碳纤维预浸料坯的正上方，钢板放置后，钢板的上表面与外压边圈的上表面平齐；凸模正下方是推板，凸模上段向上有间隙地穿过外压边圈和内压边圈的中心通孔，凸模顶端能向上顶住碳纤维预浸料坯；外压边圈与推板之间设有垂直的四个推杆，第一、第二外压边圈推杆相对于凸模中心对称布置，第一、第二外压边圈推杆的中间段分别有间隙地穿过凸模上对应的通孔、顶端能向上顶住外压边圈、底端固定连接于推板；第一、第二内压边圈推杆相对于凸模中心对称布置，第一、第二内压边圈推杆中间段分别有间隙地穿过凸模上对应的通孔、顶端分别向上穿过外压边圈上的对应通孔且顶端能向上顶起内压边圈、底端分别向下有间隙地穿过推板上的对应通孔后各连接一个液压缸，推板正下方连接第三液压缸。