一种连续纤维增强热塑性复材非等温成形装置及工艺的制作方法

本发明属于连续纤维增强热塑性树脂基体复合材料的热冲压成形的技术领域，特别涉及一种连续纤维增强热塑性复材非等温成形装置及工艺。

背景技术：

在交通、航空航天等领域不断追求轻量化的今天，热塑性树脂基复合材料以其轻质高强、抗冲击、存储时间长及可回收等优点逐渐受到人们的重视。相较于短纤维及中长纤维等增强复合材料，连续纤维增强复合材料在制件中的某些方向维持了成形前的纤维完整性，极大提高了制件在该方向的力学性能。但对于材料连续纤维对于单件或小批量生产，采用大型设备会造成成本大幅上升，且对于不同复合材料，对预热方式的要求亦不相同。传统复合材料模压成形多采用将包括模具在内的设备和坯料置于恒热环境中进行成形的方法，对成形设备材质、体积等要求较高。另外，模具整体加热和整体冷却的方式，成型后需将模具整体降至常温再取出制件，因此不仅造成模具大部分部件因处在高低温循环环境下而影响模具寿命，也极大延长了加热和冷却时间，降低了工作效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述技术需求而提供一种连续纤维增强热塑性复材非等温成形装置及工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种连续纤维增强热塑性复材非等温成形装置，其特征在于：包括凸模组件、凹模组件、压边组件、支承与导向组件、脱模组件、温度控制组件；

所述凸模组件包括上模板、凸模垫板、凸模、凸模固定板，所述凸模固定于凸模固定板的顶部凹槽内，凸模固定板通过螺钉与上模板相连，所述凸模垫板设于上模板和凸模固定板之间；

所述凹模组件包括下模板、凹模垫板、隔热板、凹模座和凹模，所述凹模固定于凹模座顶部凹槽内，凹模座通过螺钉与下模板相连，下模板上铺设所述凹模垫板，所述隔热板设于凹模座与凹模垫板之间；

所述压边组件包括压边螺钉、压边弹簧、垫圈和压边圈，所述压边圈底面的凸缘与凹模顶面的凹槽配置卡合，压边圈上设有预留孔，凹模上与所述预留孔相对应的位置设有预留槽，压边螺钉依次穿过垫圈和压边弹簧后连接在凸模固定板上，所述预留孔和预留槽与压边螺钉的头部相配置；

所述支承与导向组件包括导套和导柱，所述导套固定于上模板底面上，所述导柱固定于下模板顶面上，导套与导柱相对应设置；

所述脱模组件包括顶杆和脱模弹簧，所述顶杆设于凹模座的中心通孔内，所述脱模弹簧设于顶杆与凹模垫板之间；

所述温度控制组件包括加热机构、冷却机构和测温机构，所述加热机构包括保温盒、凸模加热管组、凹模加热管组、加热镶块和连接螺杆，所述保温盒由左右盒体拼接组成，对称设于凹模座两侧，左右盒体均固定于下模板上，左右盒体内部空腔分别设有所述加热镶块，所述连接螺杆穿过左右盒体侧壁上的通孔与加热镶块相螺接，凹模左右两侧设有定位槽，所述定位槽与加热镶块相配置，所述凸模加热管组设于凸模内部，所述凹模加热管组设于加热镶块内部；所述冷却机构为设于凹模座内部的冷却液体管道；所述测温机构包括凸模热电偶组和凹模热电偶组，所述凸模、凹模热电偶组分别设于凸模及凹模座上。

按上述方案，所述隔热板和保温盒由石棉板制成。

按上述方案，所述凸模组件和凹模组件均为铝合金材质。

一种连续纤维增强热塑性复材非等温成形工艺，其特征在于：包括如下步骤：

s1)将复合材料坯料裁剪、清洁和干燥后叠层，放入压边圈与凹模间型槽内；

s2)在模外将坯料、压边圈、凹模共同预热、压实并在成形温度下保温；

s3)将模具用自带加热机构预热，同时为模具工作表面涂覆脱模剂；

s4)将坯料、压边圈、凹模组合放入模具中进行定位；

s5)模具闭合完成成形；

s6)保温保压；

s7)冷却液体循环快速冷却模具至室温后开模，取出制件。

按上述方案，所述复合材料坯料是同种或多层异种复合材料板。

按上述方案，所述步骤(s2)中压实预热温度高于复合材料树脂熔点60～70℃，成形温度高于树脂熔点20～30℃。

本发明的有益效果是：提供一种连续纤维增强热塑性复材非等温成形装置及工艺，成形装置结构简单，可以大幅降低设备成本，采用活动式凹模，凸模也便于拆卸和更换，提高了模具成形不同形状复合材料制件的灵活性，拓宽了加工范围；凹模座采用活块式的加热方式，即需要加热时调节加热镶块位置，使其与凹模座结合，需要冷却时，加热镶块与凹模座分离，加热镶块无需冷却便可开模，节省了冷却时间，节约了能源，提高了成形加工效率；加热镶块与其中的加热管组在工作过程中温度变化范围小，避免了高温与常温间的往复循环，提高了加热管的寿命；凹模与压边圈均可活动，对于复合材料的模外和模内两种预热方式，均有较好的适应性；温度控制组件包含热电偶组布置于凹模座与凸模中，实时反馈和调整加工温度，保证了加工参数的准确性，保证了加工质量；在较高温度用压边圈自重预压实，提高制品质量的同时简化了加工工艺。

附图说明

图1为本发明一个实施例的工艺流程图。

图2为本发明一个实施例的成形装置的结构示意图。

图3为本发明一个实施例的成形装置的轴测图。

图4为本发明一个实施例的坯料放置的结构示意图。

图5为本发明一个实施例的开模状态加热镶块的位置示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明实施方式进行说明，本发明并不局限于下述实施例。

如图2所示，一种连续纤维增强热塑性复材非等温成形装置，包括凸模组件、凹模组件、压边组件、支承与导向组件、脱模组件、温度控制组件；

凸模组件包括上模板1-1、凸模垫板1-2、凸模1-3、凸模固定板1-4，凸模固定于凸模固定板的顶部凹槽内，凸模固定板通过螺钉与上模板相连，凸模垫板设于上模板和凸模固定板之间；

凹模组件包括下模板2-1、凹模垫板2-2、隔热板2-3、凹模座2-4和凹模2-5，凹模固定于凹模座顶部凹槽内，凹模座通过螺钉与下模板相连，下模板上铺设凹模垫板，隔热板设于凹模座与凹模垫板之间；

压边组件包括压边螺钉3-1、压边弹簧3-2、垫圈3-3和压边圈3-4，压边圈底面的凸缘与凹模顶面的凹槽配置卡合，压边圈上设有预留孔，凹模上与预留孔相对应的位置设有预留槽，压边螺钉依次穿过垫圈和压边弹簧后连接在凸模固定板上，预留孔和预留槽与压边螺钉的头部相配置；上模板下行的过程中，压边螺钉头部进入压边圈的预留孔内，垫圈接触压边圈后不再移动，此时压边螺钉随凸模固定板继续下行，压边弹簧逐渐被压缩，产生压力作用于压边圈上，进而产生压边力作用于坯料7上。

支承与导向组件包括导套4-1和导柱4-2，导套固定于上模板底面上，导柱固定于下模板顶面上，导套与导柱相对应设置，导套与导柱配合，起到导向和定位作用；

脱模组件包括顶杆5-1和脱模弹簧5-2，顶杆设于凹模座的中心通孔内，脱模弹簧设于顶杆与凹模垫板之间；冲压过程脱模弹簧被压缩，开模过程中，脱模弹簧恢复，产生向上的力作用在制件上进而辅助脱模。

温度控制组件包括加热机构、冷却机构和测温机构，加热机构包括保温盒6-1、凸模加热管组6-2、凹模加热管组6-3、加热镶块6-4和连接螺杆6-5，保温盒由左右盒体拼接组成，对称设于凹模座两侧，左右盒体均固定于下模板上，左右盒体内部空腔分别设有加热镶块，连接螺杆穿过左右盒体侧壁上的通孔与加热镶块相螺接，凹模左右两侧设有定位槽，定位槽与加热镶块相配置，连接螺杆用于操作控制加热镶块的位置，模具需要加热时，向凹模座方向推动连接螺杆，移动加热镶块与凹模座耦合，模具需要降温时，向两外侧拉动连接螺杆，使加热镶块与凹模座分离，凸模加热管组设于凸模内部，凹模加热管组设于加热镶块内部，加热管组为装置提供热量；冷却机构为设于凹模座内部的冷却液体管道6-6；测温机构包括凸模热电偶组6-7和凹模热电偶组6-8，凸模、凹模热电偶组分别设于凸模及凹模座靠近工作表面一侧上，用于测定模具温度。

隔热板和保温盒由石棉板制成，传热系数小。

凸模组件和凹模组件均为铝合金材质，质量大幅减轻的同时，热量传递效率大幅提高，使加热和冷却时间进一步缩短，多次加工间的时间间隔较短，加工效率高。

实施例一

以三层单向碳纤维织物增强尼龙热冲压成形为例(见图1)。

正确安装模具及各部分组件(见图3)，将单向预浸料裁剪为边长120mm的正方形，对预浸料表面用毛刷进行清理，之后在40℃烘箱内干燥5min，按照[0°/90°/0°]的方式叠层。为压边圈及凹模与坯料接触的表面均匀涂覆适量甲基硅油，再将坯料放入凹模凹槽内，同时与压边圈配合安装，按照从上往下依次为压边圈、坯料、凹模的顺序配合放置(见图4)。将压边圈、坯料、凹模组合一同在280℃烘箱中预热，使其在20kg负重下初步预压5min，然后在240℃炉中保温10min。坯料预热期间同时在凹模座与凹模接触表面以及型腔内表面均匀涂覆高温甲基硅油以改善脱模和模具部件间传热，用凸模加热管组、凹模加热管组将模具加热至240℃。取出在烘箱中预热好的压边圈、坯料、凹模组合，迅速放入模具凹模座凹槽内完成定位。凸模以100mm/min的速度下行，完成深度10mm冲压后停止下行，保压5min。向两外侧拖动连接螺杆(见图5)，使加热镶块与凹模座分离而进入保温盒，为凹模座上的冷却液体管道接入循环冷却水，水温为室温，流速为1m/s，待模具降温至30℃，凸模上行，开模取出制件。坯料冷却速度快，所需时间短，再次成形时，加热镶块仍能保持较高温度而无需从常温重新加热。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。