一种层板复杂深腔构件成形与界面增强装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种层板复杂深腔构件成形与界面增强装置及方法，涉及多层板复杂构件制造技术领域；该装置包括凸模和凹模，凸模上方设置有与超声波发生器连接的超声波换能器；凹模上方设置有压边机构；凹模的模腔内放置有软模，软模通过压力控制管道与压力温度传感器连接，凹模内设置有多个接触式热电偶，其通过温度控制管道与压力温度传感器连接，压力温度传感器一端连接有加压泵体。本发明专利技术基于上述装置的一种层板复杂深腔构件成形与界面增强方法，通过调节控制软模的压力，使得层板应变梯度减小，塑性增强，同时通过超声波换能器及接触式热电偶引入超声能场及热场，层板复杂深腔构件在力、热、超声多重复合场耦合作用下，提高了界面性能及成形质量。面性能及成形质量。面性能及成形质量。

【技术实现步骤摘要】
一种层板复杂深腔构件成形与界面增强装置及方法


[0001]本专利技术涉及多层板复杂构件制造
，特别是涉及一种层板复杂深腔构件成形与界面增强装置及方法。

技术介绍

[0002]复杂深腔构件是航空火箭、航天航空飞机、汽车等运载工具的关键构件,其几何形状、尺寸精度、成形质量和综合性能直接影响运载装备的承载能力、服役时间、燃料消耗等重要指标。
[0003]纤维
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铝合金层板(以下简称层板)是一种将铝合金与纤维/树脂预浸料相间铺叠，在一定温度和压力下固化而成的超混杂材料，具有比强度高、抗冲击性能好、损伤容限优异的优点，已作为尾翼前缘、拱顶、风扇叶片包边等关键构件的新型主体材料广泛应用于航空航天行业。以其中尾翼前缘为例，尾翼前缘是航空飞机的核心构件之一，作用非常关键，该类层板构件外形一般为双曲率，截面高宽比(高度h/宽度b)大于2，是典型复杂深腔构件，制备过程中的变形行为与界面性能变化极为复杂，形性调控难度大，其高性能成形制备是航空航天轻量化制造领域高度重视的前沿问题。
[0004]层板复杂深腔构件常见制备方法之一为先将非固化的叠层板成形为目标形状，再加热固化得到最终构件。也有采用滚弯成形制备层板复杂深腔构件，采用此种成形工艺时，双曲率构件弯曲线与辊轴母线不重合，容易引起层板构件扭翘和分层；采用真空吸附自成形工艺时，所得构件界面残余应力大，成形精度难以控制。拉深工艺适合于成形深腔类构件，然而传统拉深过程中层板塑性差、工艺窗口窄，同时所得试件的高宽比远远无法满足服役于现有装备的深腔构件的高宽比成形需求；此外，拉深后层板界面界面剪切强度不足，服役过程中容易产生层间错移和剥离，导致构件损伤破坏。
[0005]采用传统方法成形的构件废品或不合格品多，质量难以控制，存在经常凸缘失稳起皱、壁厚变化不均、底部拉裂以及弹性回复等缺陷，主要是由于成形过程中板料各部分的应力应变状态不断变化且差异较大导致。这些问题制约着航空技术的发展以及新材料的应用，因此，亟需采用先进纤维
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铝合金层板成形制备技术解决现有难题，满足航空领域关键构件的迫切工程需求，实现层板复杂深腔构件高性能制备。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种层板复杂深腔构件成形与界面增强装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过调节控制软模的压力，使得层板应变梯度减小，塑性增强，同时通过超声波换能器及接触式热电偶引入超声能场及热场，层板复杂深腔构件在力、热、超声多重复合场耦合作用下，界面性能及成形质量提高。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]本专利技术提供一种层板复杂深腔构件成形与界面增强装置，包括凸模和凹模，所述凸模上方设置有超声波换能器，所述超声波发生器与超声波换能器通过管路连通，装置工
作时向层板板料施加超声能场，利用超声辅助能够实现界面增强；所述凹模上方设置有压边机构，所述压边机构与所述凹模之间用于放置初始板料；所述凹模的模腔内放置有软模，所述软模通过压力控制管道与压力温度传感器连接，工作时所述软模可提供大小可控的法向应力，所述凹模的侧壁内设置有多个接触式热电偶，所述接触式热电偶通过温度控制管道与所述压力温度传感器连接，所述接触式热电偶可提供大小可控的温度，所述压力温度传感器一端连接有加压泵体。
[0009]本专利技术还提供一种层板复杂深腔构件成形与界面增强方法，包括如下步骤：
[0010]步骤(1)，将初始金属板进行前处理，并与预浸料即碳纤维树脂复合材料交替叠加放置，得到纤维
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金属叠层板即初始板料；碳纤维树脂复合材料板由碳纤维在树脂基中浸渍后得到；所述铝合金板为固溶态铝合金板；所述树脂为环氧树脂；然后将所述初始板料即纤维
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金属叠层板放置于压边机构和凹模之间；纤维
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金属叠层板的层数为2～5；能够形成2/1叠层板、3/2叠层板、4/3叠层板、5/4叠层板；
[0011]步骤(2)，在所述凹模内布置压力控制管道、温度控制管道和接触式热电偶；
[0012]步骤(3)，启动所述接触式热电偶对所述凹模加热处理，利用所述凹模对软模进行加热处理，利用所述软模对所述初始板料进行加热处理；
[0013]步骤(4)，模具到达指定温度后，凸模下行，同时调节压力控制器，将软模压力提升至P1，设置超声波发生器及超声波换能器，对初始板料施加振动频率为f1的超声振动；进行软模应力增塑成形，初始板料变形时树脂恰好进入固
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液转变区域，高粘度流体树脂在界面之间形成小范围流体润滑效果，同时能够避免大范围流动，保证了变形协调性，纤维
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金属叠层板在凸模压力与软模压力的约束下逐渐变形得到非固化层板复杂深腔零件。
[0014]步骤(5)，待所述凸模进给到设定位置，调节接触式热电偶，提高凹模温度至固化温度，调节压力控制管道，降低软模压力至P2，同时设置所述超声波发生器及超声波换能器，对叠层板施加振动频率为f2的超声振动，辅助界面变形，通过超声波发生器及超声波换能器施加超声振动，提高板料的成形极限，促进组织晶粒细化与均匀分布，提高构件的成形质量与界面强度；此时初始板料在热、力、超声耦合作用下进一步变形，中间层树脂在高温、高压、超声振动的增强作用下在界面处逐渐固化。步骤(2)～(5)在模具内进行，通过凹模中的加热孔所设置的接触式热电偶按照所给要求控制模具整体温度高低。
[0015]步骤(6)，完成保温保压固化后，停止施加超声振动，降温，降压，开模取出变形后的初始板料，对变形后的初始板料进行空冷，最终得到层板复杂深腔构件。
[0016]可选的，在所述步骤(4)中，初始板料同时受到凸模压力与软模压力，初始板料所受法向应力诱发增塑效应，进行软模应力增塑成形。
[0017]可选的，在所述步骤(5)中，通过超声发生器与超声换能器向初始板料施加超声振动，提高板料的成形极限，促进组织晶粒细化与均匀分布，提高构件的成形质量与界面强度。
[0018]可选的，在所述步骤(5)中，非固化纤维金属叠层板固化时同时引入热、力、超声能场，在热、力、超声多重复合场耦合作用下变形固化，实现界面增强，热/力/超声多重复合场耦合作用下提升了构件的界面力学性能和组织均匀性。构件发生的变形是一个复杂的热力超声耦合过程。随着超声振动与构件之间的持续摩擦，接触式热电偶加热工作，结合界面温度将升高，温度的升高能够促进塑性变形，热量扩散降低了层板构件的屈服强度。这是包括
超声场、应力场、温度场等多场耦合的结果。
[0019]可选的，层板复杂深腔构件作为力－温度－超声耦合效应的材料，在热、力、超声多重复合场作用下发生力热超声耦合现象，耦合的过程伴随着能量的转化同时产生机械形变。
[0020]可选的，所述步骤(2)中加热处理的温度为80～100℃。
[0021]可选的，所述步骤(3)中软模可以采用橡皮囊制成，软模材质和制作方式并不做具体限制，橡皮囊只是本专利技术其中一种优选结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层板复杂深腔构件成形与界面增强装置，其特征在于：包括凸模和凹模，所述凸模上方设置有超声波换能器，所述超声波换能器连接有超声波发生器；所述凹模上方设置有压边机构，所述压边机构与所述凹模之间用于放置初始板料；所述凹模的模腔内放置有软模，所述软模通过压力控制管道与压力温度传感器连接，所述凹模的侧壁内设置有多个接触式热电偶，所述接触式热电偶通过温度控制管道与所述压力温度传感器连接，所述压力温度传感器一端连接有加压泵体。2.一种层板复杂深腔构件成形与界面增强方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)，将初始金属板进行前处理，并与预浸料交替叠加放置，得到初始板料，然后将所述初始板料放置于压边机构和凹模之间；步骤(2)，在所述凹模内布置压力控制管道、温度控制管道和接触式热电偶；步骤(3)，启动所述接触式热电偶对所述凹模加热处理，利用所述凹模对软模进行加热处理，利用所述软模对所述初始板料进行加热处理；步骤(4)，模具到达指定温度后，凸模下行，同时调节压力控制器，将软模压力提升至P1，设置超声波发生器及超声波换能器，对初始板料施加振动频率为f1的超声振动；步骤(5)，待所述凸模进给到设定位置，调节接触式热电偶，提高凹模温度至固化温度，调节压力控制管道，降低软模压力至P2，同时设置所述超声波发生器及超声波换能器，对初始板料施加振动频率为f2的超声振动，辅助界面变形；步骤(6)，完成保温保压固化后...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈一哲，王卓群，王辉，胡志力，钱东升，华林，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：