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制造方法及图纸

本发明专利技术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。

Metal and carbon fiber prepreg composite material component warm forming device and method

Metal and carbon fiber pre disclosed a lightweight composite material forming and processing in the field of material leaching warm composite component forming device and method between die and mould is the blank holder, the blank holder is arranged outside the step positioning groove of concave, the top slot of the fixed step can be placed in the bottom plate, placed in the blank holder, blank holder can be placed on the surface of carbon fiber prepreg, just below the punch is pushing plate, the first and second holder top end is fixedly connected with the push rod can push plate to resist external pressure ring and a bottom edge, the first; second in the blank holder can push top upward in the blank holder and the bottom end are respectively connected with a hydraulic cylinder, pushing down the link below third hydraulic cylinders, with relatively large adjustable constraint resistance on the steel plate, the carbon fiber prepreg small adjustable constraint resistance, The two heterogeneous component materials have the matching forming ability, and the warm forming and the thermoforming are completed in a stamping stroke respectively.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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（CarbonFiberReinforcedPlastic,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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，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。进一步地，三个液压缸均连接一个液压系统，该液压系统包括电动机、液压泵和油缸，电动机带动液压泵，油缸依次连接第一换向阀左位、第一单向阀、第二换向阀左位、第二单向阀和第三液压缸下腔；第二单向阀的两端并联第一背压阀；第三液压缸上腔依次连接第四背压阀、第二换向阀右位、第一换向阀右位和油缸，第四背压阀的两端并联第五单向阀；第一换向阀左位还依次连接第二单向阀、减压阀、第三换向阀左位、第三单向阀和第一液压缸下腔，第三单向阀的两端并联第二背压阀；第一换向阀右位还依次连接第三换向阀右位、第六单向阀和第一液压缸上腔，第六单向阀的两端并联第五背压阀；减压阀还依次连接第四换向阀左位、第四单向阀和第二液压缸下腔，第四单向阀的两端并联第三背压阀，第一换向阀右位还依次连接第四换向阀右位、第七单向阀和第二液压缸上腔，第七单向阀的两端并联第六背压阀。本专利技术金属与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形方法所采用的技术方案是：其特征是包括以下步骤：A、将钢板加热至温成形温度，碳纤维预浸料坯加热至基体树脂玻璃化转变以上温度，将加热好的碳纤维预浸料坯转移至内压边圈上，钢板转移至外压边圈上并与碳纤维预浸料坯接触；B、向下移动凹模直至与钢板相接触后停止，第三液压缸向上伸出，推板带动第一、第二外压边圈推杆同步运动，推动外压边圈向上移动，将钢板压紧；同时第一、第二液压缸同步向上伸出，第一、第二内压边圈推杆同步运动，推动内压边圈向上移动，将碳纤维预浸料坯压紧，钢板和碳纤维预浸料坯受到的压紧力不同；C、凹模带动外压边圈和内压边圈下移，推动第一、第二外压边圈推杆、推板、第一、第二内压边圈推杆同步下移，使三个液压缸收缩，完成钢板和碳纤维预浸料坯的同步冲压成形。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术通过将钢板和碳纤维预浸料坯加热到不同成形温度（即钢板达到其温成形温度而碳纤维预浸料坯达到其基体树脂熔融以上温度），同时对钢板施加较大的可调约束阻力，而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，既克服了钢板和碳纤维预浸料坯在同一成形温度下所带来的钢板成形抗力大、回弹严重带来的应力积累效应问题，又在促使钢板发生较大程度塑性变形的同时，使碳纤维预浸料坯剪切变形能顺利进行、防止纤维被过早拉断，最大程度保证了构件的成形质量和力学性能。可广泛用于各种新能源汽车、轿车、货车、高铁等道路交通运载工具主、次承力件构件的制造，也可用于抗震抗扭大跨距桥架、桥梁、支吊架等主承力件的制造。（2）本专利技术采用差温非等约束一体冲压成形工艺，以“差温”代替“等温”，避免了钢板和碳纤维预浸料坯成形能力不匹配的问题，使钢板在温成形过程中发生充分的塑性变形、有效降低成形难度、减少回弹；使碳纤维预浸料坯能够顺利变形，防止其过早拉断。（3）本专利技术将钢板的温成形与碳纤维预浸料坯的热成形在一次冲压行程中同时完成，当用于热塑性树脂基碳纤维预浸料时，大幅度缩短生产周期、减少能源消耗、降低材料及工艺成本。（4）本专利技术除充分继承Steel/CFRP构件等温冲压成形工艺的优点外，还利用基体树脂传热慢的特点，通过一次同步冲压和强制冷却，有效解决等温冲压成形所面临的钢板成形性能改善与基体树脂过热损伤之间的矛盾。附图说明图1为本专利技术金属与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形装置中的冲压成形单元示意图；图2为带动图1中液压缸工作的液压系统结构示意图；图3为对图1中钢板预加热结构示意图；图4为对图1中碳纤维预浸料坯预加热结构示意图；图5为成形构件结构示意图；图中：1、第一外压边圈推杆，2、凸模，3、第一液压缸，4、第一内压边圈推杆,5、外压边圈，6、第一电加热管，7、内压边圈，8、碳纤维预浸料坯，9、钢板，10、凹模，11、柔性局部加压圈，12、第二电加热管，13、第二内压边圈推杆，14、第二液压缸，15、第三电加热管，16，第三液压缸，17、碳纤维预浸料坯加热单元，18、钢板加热单元，19、电动机，20、液压泵，21、油缸，22、溢流阀，23、第一换向阀，24、第一单向阀，25、第二单向阀，26、减压阀，27、第二换向阀，28、第三换向阀，29、第四换向阀，30、第二单向阀，31、第三单向阀，32、第四单向阀，33、第一背压阀，34、第二背压阀，35、第三背压阀，36、第五单向阀，37本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形装置，包括凹模（10）和凸模（2），其特征是：凹模（10）和凸模（2）之间是外压边圈（5），外压边圈（5）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（9），台阶定位槽的底部置放有内压边圈（7），内压边圈（7）上表面上能放置碳纤维预浸料坯（8），凸模（2）正下方是推板（43），凸模（2）上段向上有间隙地穿过外压边圈（5）和内压边圈（7）的中心通孔，凸模（2）顶端能向上顶住碳纤维预浸料坯（8）；外压边圈（5）与推板（43）之间设有垂直的四个推杆，第一、第二外压边圈推杆（1、42）相对于凸模（2）中心对称布置，第一、第二外压边圈推杆（1、42）的中间段分别有间隙地穿过凸模（2）上对应的通孔、顶端能向上顶住外压边圈（5）、底端固定连接于推板（43）；第一、第二内压边圈推杆（4、13）相对于凸模（2）中心对称布置，第一、第二内压边圈推杆（4、13）中间段分别有间隙地穿过凸模（2）上对应的通孔、顶端分别向上穿过外压边圈（5）上的对应通孔且顶端能向上顶起内压边圈（7）、底端分别向下有间隙地穿过推板（43）上的对应通孔后各连接一个液压缸（3、14），推板（43）正下方连接第三液压缸（16）。...

【技术特征摘要】
1.一种金属与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形装置，包括凹模（10）和凸模（2），其特征是：凹模（10）和凸模（2）之间是外压边圈（5），外压边圈（5）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（9），台阶定位槽的底部置放有内压边圈（7），内压边圈（7）上表面上能放置碳纤维预浸料坯（8），凸模（2）正下方是推板（43），凸模（2）上段向上有间隙地穿过外压边圈（5）和内压边圈（7）的中心通孔，凸模（2）顶端能向上顶住碳纤维预浸料坯（8）；外压边圈（5）与推板（43）之间设有垂直的四个推杆，第一、第二外压边圈推杆（1、42）相对于凸模（2）中心对称布置，第一、第二外压边圈推杆（1、42）的中间段分别有间隙地穿过凸模（2）上对应的通孔、顶端能向上顶住外压边圈（5）、底端固定连接于推板（43）；第一、第二内压边圈推杆（4、13）相对于凸模（2）中心对称布置，第一、第二内压边圈推杆（4、13）中间段分别有间隙地穿过凸模（2）上对应的通孔、顶端分别向上穿过外压边圈（5）上的对应通孔且顶端能向上顶起内压边圈（7）、底端分别向下有间隙地穿过推板（43）上的对应通孔后各连接一个液压缸（3、14），推板（43）正下方连接第三液压缸（16）。2.根据权利要求1所述金属与碳纤维预浸料复合材料构件的温热成形装置，其特征是：三个液压缸均连接一个液压系统，该液压系统包括电动机（19）、液压泵（20）和油缸（21），电动机（19）带动液压泵（20），油缸（21）依次连接第一换向阀（23）左位、第一单向阀（24）、第二换向阀（27）左位、第二单向阀（30）和第三液压缸（16）下腔；第二单向阀（30）的两端并联第一背压阀（33）；第三液压缸（16）上腔依次连接第四背压阀（39）、第二换向阀（27）右位、第一换向阀（23）右位和油缸（21），第四背压阀（39）的两端并联第五单向阀（36）；第一换向阀（23）左位还依次连接第二单向阀（25）、减压阀（26）、第三换向阀（28）左位、第三单向阀31和第一液压缸（3）下腔，第三单向阀（31）的两端并联第二背压阀（34）；第一换向阀（23）右位还依次连接第三换向阀（28）右位、第六单向阀（37）和第一液压缸（3）上腔，第六单向阀（37）的两端并联第五背压阀（40）；减压阀（26）还依次连接第四换向阀（29）左位、第四单向阀（32）和第二液压缸（14）下腔，第四单向阀（32）的两端并联第三背压阀（35），第一换向阀（23）右位还依次连接第四...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉琴，翟长盼，李富柱，王匀，陈龙，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32