专利名称：用于在一次操作中层压并形成复合层压板的方法
技术领域：
本发明涉及层状结构面板，更具体的，涉及制造轻重复合层压板的方法。
背景技术：
钢板被广泛用于形成面板。所需的结构性能，例如刚度，根据特定应用而不同。当需要较高的刚度值时，通常需要增加钢板厚度。但是，增加钢板厚度生产的面板不仅较重，而且较贵。
过去，采取很多方法在基本上不增加重量或材料成本的基础上改善面板的结构性能。例如，在需要消声器和振动阻尼器的应用中采用了具有实心聚合物芯的的复合钢板。
在名称为STRUCTRAL PANEL WITH KRAFT PAPER COREBETWEEN METAL SKINS的美国专利5,985,457中，公开了一种具有层状结构的结构面板，这种层状结构具有由居间纸层分开并结合到居间纸层上的金属外皮，该项专利在此被整个引入作为参考。其中描述的层压板具有较高的比刚度。
在名称为IMPROVED STRUCTRAL PANEL AND METHOD OFMANUFACTURE的美国专利6,171,705中，描述了用于制造层压钢板和层压纸板的各种工艺，该项专利在此被整个并入作为参考。本发明对同时层压并形成复合层压板以生产成型物品的方法提供了几点改进。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供一种将薄金属板结合到一层纸层的相对表面上、同时使这些层形成所需形状的方法。换句话说，在一次操作中形成复合层并使其成型。
在一个实施例中，本发明的方法包括在层压/成型之前使浸树脂纸层脱气的步骤，从而使其中的挥发化合物在层压/成型操作中不会汽化。
该方法还优选包括在层压/成型操作过程中，保持形成冲模的被包容和包容配合表面之间的精确预定间隙的步骤。
一方面，用于形成层压板的各层是金属板，各层金属板外皮的厚度至少为约0.005英寸，在金属板外皮之间设置有一个纸层，并结合在外皮上。该纸层可用粘结树脂浸渍，粘结树脂将芯层直接结合到外皮和/或粘结层上，粘结层可设置在芯材料与外皮之间。
图1是通过本发明的方法形成的层压板物品的横截面视图。
图2是一个简图，描述带有叠放的多个层的压模机，该多个层将在一次操作中层压并成型。
图3是一个简图，描述处于闭合位置的图2的压模机，并在配合的冲模表面之间保持均匀的间隙。
图4是一个简图，描述层压/成型操作之后的图2和3的压模机。
具体实施例方式
现参照附图中的图1，如图所示，成形并且为层状的零件20具有金属外皮22和居间纤维芯24。可以理解的是，零件20具有三个不同的层，共同形成一个功能单元。该功能单元的性能优于单个组成部分的性能，这将在本文中详细描述。在本文中，包括用来参考零件20的术语“零件”，应表示一个非平面的物品；即，它的几何形状不是平板(即，图3中的叠层32是平的；零件20不是平的)。为说明的目的，图示的零件20为帽子形状的部分。
在一种优选结构中，外皮22最优选由镀锌钢形成，每层22的厚度为约0.005英寸或更厚，厚度优选在约0.007英寸和约0.030英寸之间，更优选在从约0.005英寸到约0.012英寸之间。在一个实施例中，居间纤维层24的厚度优选为约0.01英寸或更厚，并优选在从约0.01英寸到约0.05英寸之间。因此，在一个实施例中，零件20的整个厚度通常在约0.024到约0.110英寸之间。通常，具有在附图(用二维表现三维零件)中的图1中描述的尺寸，并具有所述优选厚度的零件，其重量为由具有相同尺寸和刚度的单一钢板制成的相同零件重量的30-60％。
下面将详细描述图1所示的每个层。如前文所述，金属外皮22通常是平的，在每侧都具有平面。可用来形成外皮22的金属优选从包括下列成分的组中选出钢、铝、不锈钢和它们的任意组合。能以最低的成本在零件20所应用的特定环境中提供适当的结构和(如果需要的话)抗腐蚀性能的金属是最理想的。最优选的是镀锌钢板。
本领域普通技术人员可以理解，根据含碳量和其它元素的含量，钢分成多个等级。总的来说，这些等级都可以低碳钢、中碳钢和高碳钢来描述。此处优选采用低碳钢和低碳微合金高强度钢(HSLA)。用于本发明的最优选金属外皮为冷轧钢、镀锌钢、镀锡钢和不锈钢。理想的是，采用具有镀锌表面的单侧镀锌板构成外皮22的外表面，外皮的内表面是裸露的金属，以便用于粘结。在一个实施例中，优选采用不同的锌镀层，即，内表面上采用薄的锌镀层，外表面上采用厚的锌镀层。在一个实施例中，将表面上带有锌的镀锌钢冷轧到最终的厚度。
层24为纤维材料。尽管并不希望受任何理论的约束，我们相信层24的纤维性质有利于零件20的所需结构性能，包括抗剥离性。在本文中使用的术语“纤维”并没有在本发明的上下文中限制其范围，该术语用于指同类的纤维集合，其可为天然的或合成的，并能形成片状产品。
用于此处层24的最优选的纤维材料、一种被认为是纤维板中比较独特的材料为纸。象本领域普通技术人员可以理解的那样，纸实质上是纤维材料的缠结的或毡状的结构，其中纤维材料通过纸浆和水的稀释悬浮液形成相对较薄的薄片。它主要由纤维素纤维组成。用于造纸的纸浆可通过机械研磨木材或其它植物物质、通过化学处理(亚硫酸盐、牛皮纸浆、或苏打)，还通过经化学处理的棉花、亚麻和大麻碎布、废物、麦杆等等来制备。
在本发明中，采用牛皮纸浆制法制造的纸是最优选的。本领域普通技术人员可以理解，采用牛皮纸浆制法(也可称为硫酸盐制浆法或碱法制浆)会产生较高物理强度和松密度的纸。一种优选的纸为Charleston，S.C.的Westvaco所出售的浸油牛皮纸。
同样，本领域普通技术人员可以理解，在造纸过程中，纸中纤维素纤维的平均对准多少是受“机器方向”控制的。我们相信，本发明中纸张在层压板中的取向是影响层压板的刚度和强度的因素。最优选的，层压板中牛皮纸的机器方向是一条平行于层压板弯曲中轴线的直线。可用于此处的另一种纤维材料为塑料纤维纸，例如通过纺出非常细的纤维然后通过热量和压力使它们结合在一起而形成的高密度聚乙烯纤维。
在本发明的一个优选实施例中，层24设置为浸树脂纤维材料。在层24为牛皮纸的情况中，将该纸用树脂浸透然后使其干燥。用于此处最优选的纸为浸酚醛树脂牛皮纸。在某些应用中，聚脂树脂浸渍也是适用的。用树脂浸渍纸的方法对本领域普通技术人员来说是熟知的。实质上，优选的浸树脂纸通过在液体酚醛树脂中浸渍基质纸幅而形成。通常，将饱和浸透纸层层叠在一起从而形成单层的半固化的浸透纸。其它浸渍方法包括在纸上涂覆和涂抹树脂。尽管在特定应用中，层24的树脂含量超出下面说明的范围可能是适当的或需要的，但在本发明的一个优选实施例中，树脂构成浸树脂层24重量的约15％到约45％。
尽管在某些应用中，热塑性树脂是容许的，但在大多数情况下，优选用热固性树脂浸透纸层24。如前所述，在采用热固性树脂的情况中，在形成零件20之前通常使树脂固化到B状态，但在下文描述的层压/成型操作之前，也可使浸透树脂完全固化。在采用酚醛树脂的情况下，在层压之前使树脂固化到B状态。然后，当用压力使外皮22和浸透纸芯24层压在一起时，使树脂完全固化。在某些应用中，可能需要在树脂中加入例如固化剂、填料等的多种标准添加剂。
不论有无纤维层24的浸透树脂，都需要或必须使用一层粘结剂将外皮22粘接到纸层24上。多种粘结剂可适用于特定应用中，包括环氧树脂、酚醛塑料、异氰酸酯、聚氨酯和热熔物。用于该目的的一种特别优选的粘结剂为Ashland Chemical以“Arofene1166”出售的丁腈酚醛树脂粘结剂。粘结剂可采用任何方法直接施加到层24或金属外皮22或两者之上。优选采用例如复合氧化物或磷酸锌的转化涂层来预处理钢，从而提高结合完整性和抗腐蚀性能。
在本发明中，在层压/成型过程中增加一个附加的步骤；在层压/成型之前，使浸树脂纸层24至少部分地脱气。浸树脂纸层24可具有多种例如有机溶剂等的挥发组分。另外，纸层24的水分含量通常根据例如环境湿度等的多种因素而变化。在本发明中，在层压之前，将浸树脂纸层24的溶剂含量和水分含量的总和减少到小于浸树脂层24重量的约5％，优选减少到小于浸树脂纸层24重量的约3％。可以理解的是，层24的脱气可应用在本发明的层压/成型操作中，或应用在如前文参考的未决美国专利申请中描述的平复合面板的层压中。
因此，在准备用于层压/成型的叠层32之前，将纸层在约200°F到250°F之间加热1到5分钟。当然，上述温度和时间可根据纸层24的厚度、包含溶剂的类型和溶剂及存在的水分的量而改变。辐射加热炉可用于该目的。优选的是，在纸层24被层压到外皮22之前不久，使其以这种方式“干燥”，但是只要在层压时溶剂/水分含量在上述的理想范围之内，就能满足本发明的目的。
现参照附图的图2、3和4，下面将描述同时层压/成型的方法。压模机28包括成型冲模30，成型冲模30通过液压等以常规方式彼此相向移动。成型冲模30包括加热元件或类似元件，从而向层压板施加热量和压力，以便使树脂固化并将各层结合到一起。更具体的，如图2所示，一个金属/纸/金属的叠层32位于具有成型腔34的冲模30上。如上文所述，在压模操作之前，层24中的酚醛树脂处于B状态的固化程度，在压模操作过程中，加热的成型冲模30完成酚醛树脂的固化。同样，在某些应用中，需要在纸层24和金属外皮22之间施加添加剂。
现参照附图中的图3，压模机28闭合从而向叠层施加压力。根据外皮22和层24的厚度、用于浸透层24的树脂，和在层24与金属外皮22之间所采用的粘结剂的类型(如果有的话)，时间、温度和压力有很大的不同。最优选的，所采用的温度应足够使酚醛树脂完全固化，并确保粘结层(如果有的话)的结合。对于用酚醛树脂浸透的纸来说，温度优选在约350°F到400°F之间，压强优选在25到800psi之间，更优选的，在300到500psi之间。在这些优选的温度和压力下，为形成牢固结合的层压板所需的时间通常为15到60秒之间。即，通常在这个范围内的一段时间内施加热量和压力。如上所述，减少溶剂/水分的含量有助于防止沿外皮22与纸层24之间的界面形成空洞，空洞会影响粘结过程。
在本发明中，冲模30的冲模表面36之间保持尺寸精确并且均匀的间隙38。尽管金属成型通常不需要在冲模表面之间的所有接触区域施加均匀的压力，但据发现，在用于如上所述的复合零件的同时层压/成型操作中，保持这样的均匀压力是理想的。
如从图3中最容易看到的，通过使间隙38保持紧公差，可在冲模表面36的全部接触区域和金属外皮22的主要表面上施加基本上相等的压力。因此，在任意两点之间，间隙38的变化量不应超过其预定理想值的约2％。例如，如果间隙38的标称宽度为1mm，则公差不应超过±0.02mm。在压力方面，物品20任意两个区域之间的压力变化不应超过10％。
然后参照附图中的图4，当冲模30分开时，零件20既被层压(各层结合到一起)又成形为需要的非平面形状。然后可将零件20从腔34中取出。
尽管此处示出并描述了本发明的特定实施例，显然可以理解的是，本发明不局限于此，因为受本公开的启发，特别是本领域普通技术人员可对本发明作出多种修改。因此，可以理解，通过附加的权利要求，本发明包括落入本发明真正精神和范围内的任何的这种修改。
权利要求
1.一种用于形成复合零件的方法，包括以下步骤提供一对金属板外皮，每个所述外皮的厚度至少为约0.005英寸；在所述金属板外皮之间并与金属板外皮相接触地放置浸有树脂的纸层，从而形成复合叠层；将所述叠层放置到压模机中，所述压模机具有至少一个与所述叠层相接触的非平面表面；和在足够长的时间内，用所述压模机向所述叠层施加均匀压力，从而使所述外皮和所述纸层结合到一起，同时在该同一次操作中使所述叠层成型为非平面的零件。
2.如权利要求1所述用于形成复合零件的方法，其中所述纸层含有挥发溶剂和水分，所述方法进一步包括在将所述纸层放置到所述金属外皮之间之前，加热所述纸层的步骤，以便减小所述挥发溶剂和水分在所述纸层中的含量。
3.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，其中所述的均匀压力在沿所述叠层表面的任意两点处的变化量不超过10％。
4.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，其中所述压模机的相对冲模表面之间存在一个间隙，并且其中所述间隙的宽度是均匀的，并且其中所述均匀的宽度在沿所述间隙的任意两点处的变化量不超过约2％。
5.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，其中将所述纸层中的挥发化合物和水分的总量减小到小于所述纸层重量的约5％。
6.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，其中所述金属板从包括冷轧钢、镀锌钢、镀锡钢和不锈钢的组中选出。
7.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，其中所述纸层可粘结地结合到所述金属板外皮上。
8.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，其中每一个所述外皮的厚度为从约0.007英寸到约0.030英寸。
9.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，其中所述纸层的厚度至少为约0.01英寸。
10.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，其中所述纸层的厚度为从约0.01英寸到0.05英寸。
11.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，还包括设置在所述纸层与每个所述外皮之间的粘结层。
12.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，其中所述金属板外皮为镀锌钢，它通过将锌施加在其表面上冷轧形成。
13.如权利要求1所述的用于形成复合零件的方法，其中所述金属外皮由低碳微合金高强度钢制成。
14.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，其中所述金属板从包括冷轧钢、镀锌钢、镀锡钢和不锈钢的组中选出。
15.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，其中所述纸层可粘结地结合到所述金属板外皮上。
16.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，其中每一个所述外皮的厚度为从约0.005英寸到约0.030英寸。
17.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，其中所述纸层的厚度至少为约0.01英寸。
18.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，其中所述纸层的厚度为从约0.01英寸到0.05英寸。
19.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，还包括设置在所述纸层与每个所述外皮之间的粘结层。
20.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，其中所述金属板外皮为镀锌钢，它通过将锌施加在其表面上冷轧形成。
21.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，其中所述金属外皮由低碳微合金高强度钢制成。
22.如权利要求2所述的用于形成复合零件的方法，其中所述纸层是多层的。
全文摘要
一种在一次操作中层压、并用具有居间纸层的一对金属外皮形成非平面复合零件的方法，这种方法使冲模表面之间保持均匀的压力。该纸层可在层压/成型过程之前脱气。
文档编号B32B15/12GK1527764SQ02808503
公开日2004年9月8日 申请日期2002年4月19日 优先权日2001年4月20日
发明者戴维·达西·克利福德, 戴维 达西 克利福德 申请人:多法斯科公司