一种纤维-铝合金复合材料零件成形方法与流程

本申请涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维-铝合金复合材料零件成形方法。

背景技术：

纤维增强树脂基复合材料由于具有高比强度、比刚度、耐腐蚀性好等优点，因此被广泛应用到航空航天以及汽车等交通领域。但树脂本身固有的缺陷，如：易老化、易蠕变、耐燃性差等缺点，这些缺陷限制了纤维增强树脂基复合材料的进一步应用。为了克服树脂基体的这些缺点，可以将铝合金与纤维复合材料结合起来，这样在克服耐湿热性差的弱点的同时，又可以发挥铝合金良好的塑性、抗冲击性和易加工性的特点，还能发挥纤维增强树脂基复合材料质轻、强度高、疲劳性好的优点。

目前纤维-铝合金复合材料的制造工艺大多局限于成形平板或小曲率结构的层合板零件，多采用如下步骤进行加工：(1)将纤维增强热塑性树脂铝合金层板放置于凹模与凸模之间；(2)铝合金层加热，加热纤维增强热塑性树脂铝合金层板中的铝合金层至纤维增强热塑性树脂熔化温度并保温一定时间；(3)合模保压，合模后保持一定的压力，并持续一定时间；(4)脱模冷却。

但上述方法仅用于解决在纤维增强热塑性树脂铝合金层板零件成形过程中铝合金层与纤维热塑性树脂层间的分层问题，而在实际生产过程中，由于纤维材料延伸率较差，在成形过程中纤维布可能发生破裂，因此较难实现复杂结构的纤维-铝合金复合材料零件的冲压成形。

技术实现要素：

本申请提供一种纤维-铝合金复合材料零件成形方法，克服了纤维材料在冲压成形过程中延伸率低的缺陷，且通过对铝合金固溶、时效处理，进一步提高了纤维-铝合金复合材料零件的强度。

本申请的技术方案是：

一种纤维-铝合金复合材料零件成形方法，包括以下步骤：

s1.根据零件形状分别对第一铝合金板、第二铝合金板以及纤维布进行裁剪；

s2.对所述第一铝合金板、所述第二铝合金板进行固溶处理，并将固溶后的所述第一铝合金板、所述第二铝合金板进行预压处理，使所述第一铝合金板、所述第二铝合金板与所述纤维布进行胶合的表面上都均匀分布网格形沟槽，将预压后的所述第一铝合金板、所述第二铝合金板进行淬火处理；

s3.对淬火后的所述第一铝合金板、所述第二铝合金板进行除油处理，并将所述纤维布在环氧树脂胶液中进行预浸处理；

s4.在所述第一铝合金板上铺设经预浸处理的所述纤维布，将所述第二铝合金板铺设到预浸后的所述纤维布上，得到纤维-铝合金夹芯板；利用模具对所述夹芯板进行预压处理，使所述夹芯板在冲压过程中产生的大变形区呈波浪形结构；

s5.将预压后的所述夹芯板置于冲压模具中，经合模、保温、固化工序后得到纤维-铝合金复合材料零件，将得到的所述纤维-铝合金复合材料零件置于室温下自然时效。

根据本申请的非限制性的实施例可知，通过将纤维-铝合金夹芯板预压出波浪形结构形变以实现蓄料，在后期冲压成形过程中，波浪形的纤维布在拉延力的作用下逐渐展开铺平，从而对纤维布延伸率较低的缺陷进行了补偿，避免了因纤维材料延伸率低而造成的零件缺陷；同时，通过对第一铝合金板、第二铝合金板预压出网格状沟槽，在成形过程中网格状沟槽起到导流作用，能够及时将多余的环氧树脂胶液挤出，从而保证了环氧树脂胶液的均匀分布，同时沟槽的存在增大了第一铝合金板、第二铝合金板与纤维布的胶合面积，提高了粘接强度；此外，本申请通过对铝合金板材进行固溶、时效处理，提高了复合材料零件的强度，最终得到高比强度、高比刚度，且疲劳性能和损伤容限性能优良的纤维-铝合金复合材料零件。

另外，根据本申请实施例的纤维-铝合金复合材料零件成形方法，还具有如下附加的技术特征：

作为本申请的一种技术方案，在步骤s1中，所述第一铝合金板、所述第二铝合金板的厚度均为1～4mm，所述纤维布的厚度为0.1～2mm，且所述纤维布包括碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。

根据本申请的非限制性的实施例可知，实验结果表明，采用该种厚度尺寸的第一铝合金板、第二铝合金板以及纤维布进行加工，使得纤维-铝合金夹芯板更加容易成型，且成型效果好，二者之间的配合紧密，能够进一步地提高纤维-铝合金夹芯板的刚度和强度；并且，根据实际使用结果表明，该种尺寸加工而成的纤维-铝合金复合材料零件的刚度和强度相对提升130％；同时，由于整体结构的尺寸设计比较合理，因此，使得第一铝合金板、第二铝合金板在第一次预压的过程中形成的网格形沟槽的分布更加的均匀，从而沟槽将多余的环氧树脂胶液挤出的导流过程更加的顺畅，从而保证了环氧树脂胶液的均匀分布；此外，采用上述材质的纤维布，能够进一步地提高纤维-铝合金复合材料零件的刚度和强度。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s2中，所述沟槽的深度为所述第一铝合金板或所述第二铝合金板的厚度的5％～10％，宽度为所述第一铝合金板或所述第二铝合金板的厚度的5％～15％；相邻的所述沟槽间距为10～100mm。

根据本申请的非限制性的实施例可知，实验结果表明，沟槽设定该种深度范围和间距，能够减小沟槽的存在对板料的强度产生影响，从而进一步地提高纤维-铝合金复合材料零件的强度。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s3中，用质量浓度为5％的氢氧化钠溶液对所述第一铝合金板、所述第二铝合金板进行除油处理。

根据本申请的非限制性的实施例可知，实验结果表明，使用该种质量浓度的氢氧化钠溶液，能够提高除油效率，且除油的效果更好。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s4中，所述夹芯板的波浪形结构的轮廓切线与所述第一铝合金板或所述第二铝合金板的轴线方向之间的夹角为1°～45°。

根据本申请的非限制性的实施例可知，采用该种角度范围的波浪形结构，使得在合模的过程中便于波浪形结构的形变展开，防止产生褶皱。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s5中，所述夹芯板在合模之后开始升温，升温速率为1～5℃/min，保温过程中的保温温度为150～200℃，保温时间为10～40min。

根据本申请的非限制性的实施例可知，实际使用结果表明，采用该种数据范围进行合模、保温、固化工序，能够进一步地提高纤维-铝合金复合材料零件的刚度和强度，从而得到疲劳性能和损伤容限性能均优良的纤维-铝合金复合材料零件。

一种纤维-铝合金复合材料零件成形方法，包括以下步骤：

s1.根据零件形状分别对第一铝合金板、第二铝合金板以及纤维布进行裁剪；

s2.对所述第一铝合金板、所述第二铝合金板进行固溶处理，并将固溶后的所述第一铝合金板、所述第二铝合金板进行预压处理，使所述第一铝合金板、所述第二铝合金板与所述纤维布进行胶合的表面上都均匀分布网格形沟槽，将预压后的所述第一铝合金板、所述第二铝合金板进行淬火处理；

s3.对淬火后的所述第一铝合金板、所述第二铝合金板进行除油处理；

s4.在所述第一铝合金板上均匀铺设第一热塑性环氧树脂粉末层，并在所述第一铝合金板的大变形区的所述第一热塑性环氧树脂粉末层上铺置热塑性环氧树脂粉末块；在铺设有所述热塑性环氧树脂粉末块的所述第一环氧树脂粉末层上依次铺设所述纤维布、第二热塑性环氧树脂粉末层以及所述第二铝合金板，得到夹芯板；

s5.将所述夹芯板置于冲压模具中，采用力加载的方式用模具对所述夹芯板夹紧，使所述夹芯板中的相邻层之间充分接触；对所述夹芯板进行加热，当所述夹芯板达到所述热塑性环氧树脂粉末块的熔融温度后，对所述夹芯板进行合模，再经保温、固化工序后得到纤维-铝合金复合材料零件，将得到的所述纤维-铝合金复合材料零件置于室温下自然时效。

根据本申请的非限制性的实施例可知，通过在第一铝合金板在冲压过程中产生的大变形区域上，铺置多个热塑性环氧树脂粉末块；在后期冲压成形过程中，使得纤维布以与锯齿状结构相同或者相似的结构铺设在第一铝合金板上；因此，锯齿状结构的纤维布能够在拉延力的作用下逐渐展开铺平，从而对纤维布延伸率较低的缺陷进行了补偿，避免了因纤维材料延伸率低而造成的零件缺陷；同时，通过对第一铝合金板、第二铝合金板预压出网格状沟槽，在成形过程中网格状沟槽起到导流作用，能够及时将多余的环氧树脂胶液挤出，从而保证了环氧树脂胶液的均匀分布，同时沟槽的存在增大了第一铝合金板、第二铝合金板与纤维布的胶合面积，提高了粘接强度；此外，本申请通过对铝合金板材进行固溶、时效处理，提高了复合材料零件的强度，最终得到高比强度、高比刚度，且疲劳性能和损伤容限性能优良的纤维-铝合金复合材料零件。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s4中，所述第一热塑性环氧树脂粉末层和所述第二热塑性环氧树脂粉末层的厚度均为0.1～1mm。

根据本申请的非限制性的实施例可知，采用该种厚度的第一热塑性环氧树脂粉末层和第二热塑性环氧树脂粉末层进行夹芯板的制作，使得夹芯板更加容易成型，且成型效果好，相邻的层板之间的配合紧密，能够进一步地提高纤维-铝合金夹芯板的刚度和强度。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s4中，所述热塑性环氧树脂粉末块为热塑性环氧树脂粉末通过压制成形得到的横截面为等腰梯形的棱台形结构；其中所述等腰梯形的底面宽度为1～15mm，高度为5～10mm，两个底部夹角为20°～60°。

根据本申请的非限制性的实施例可知，采用该种形状结构的热塑性环氧树脂粉末块进行加工，使得纤维-铝合金夹芯板更加容易成型，且成型效果好，能够进一步地提高纤维-铝合金夹芯板的刚度和强度；并且，根据实际使用结果表明，该种尺寸加工而成的纤维-铝合金复合材料零件的刚度和强度相对提升110％；同时，由于整体结构的尺寸设计比较合理，因此，使得第一铝合金板、第二铝合金板在第一次预压的过程中形成的网格形沟槽的分布更加的均匀，从而沟槽将多余的环氧树脂胶液挤出的导流过程更加的顺畅，从而保证了环氧树脂胶液的均匀分布；此外，采用上述材质的纤维布，能够进一步地提高纤维-铝合金复合材料零件的刚度和强度。

作为本申请的一种技术方案，在步骤s5中，所述力加载的方式中的加载力为50～100n，对所述夹芯板的加热温度在150～200℃，对所述夹芯板的保温时间为10～40min。

根据本申请的非限制性的实施例可知，实际使用结果表明，采用该种数据范围进行合模、保温、固化工序，能够进一步地提高纤维-铝合金复合材料零件的刚度和强度，从而得到疲劳性能和损伤容限性能均优良的纤维-铝合金复合材料零件。

本申请的有益效果：

本申请通过将纤维-铝合金夹芯板预压出波浪形形变完成蓄料，在后期冲压成形过程中，波浪形纤维布在拉延力的作用下逐渐展开铺平，从而对纤维布延伸率较低的缺陷进行了补偿，避免了因纤维材料延伸率低而造成的零件缺陷；同时，通过对铝合金预压出网格状沟槽，在成形过程中沟槽起到导流作用及时将多余的环氧树脂胶液挤出，从而保证了环氧树脂胶液的均匀分布，同时沟槽的存在增大了铝合金板料与纤维布的胶合面积，提高了粘接强度；本发明通过对铝合金板材进行固溶、时效处理提高了复合材料零件的强度，最终得到高比强度和比刚度，疲劳性能和损伤容限性能优良的纤维-铝合金复合材料零件。

本申请还提供了另外一种纤维-铝合金复合材料零件成形方法，其通过将第一铝合金板上铺设第一热塑性环氧树脂粉末层，而后在第一铝合金板的在冲压过程中产生的变形较大的区域中的第一环氧树脂粉末层上，铺置热塑性环氧树脂粉末块，以使纤维布以锯齿状结构进行铺设而完成蓄料；由此，在后期冲压成形过程中，锯齿状结构的纤维布在拉延力的作用下逐渐展开铺平，从而对纤维布延伸率较低的缺陷进行了补偿，避免了因纤维材料延伸率低而造成的零件缺陷；同时，通过对铝合金预压出网格状沟槽，在成形过程中沟槽起到导流作用及时将多余的环氧树脂胶液挤出，从而保证了环氧树脂胶液的均匀分布，同时沟槽的存在增大了铝合金板料与纤维布的胶合面积，提高了粘接强度；本发明通过对铝合金板材进行固溶、时效处理提高了复合材料零件的强度，最终得到高比强度和比刚度，疲劳性能和损伤容限性能优良的纤维-铝合金复合材料零件。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请第一实施例提供的纤维-铝合金夹芯板第二次预压处理第一过程图；

图2为本申请第一实施例提供的纤维-铝合金夹芯板第二次预压处理第二过程图；

图3为本申请第一实施例提供的第二次预压处理后的纤维-铝合金夹芯板坯料；

图4为本申请第一实施例提供的纤维-铝合金复合材料零件成形第一过程示意图；

图5为本申请第一实施例提供的纤维-铝合金复合材料零件成形第二过程示意图；

图6为本申请第二实施例提供的第二次预压处理后的纤维-铝合金夹芯板坯料。

图标：1-第一铝合金板；2-纤维布；3-第二铝合金板；4-凸模；5-压边圈；6-夹芯板；7-加热管；8-凹模。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

第一实施例：

请参照图1，配合参照图2和图5，本申请实施例提供一种纤维-铝合金复合材料零件成形的工艺方法，其能够克服纤维材料在冲压成形过程中延伸率低的缺陷，且能够提高纤维-铝合金复合材料零件的强度。

该纤维-铝合金复合材料零件成形的工艺方法的实施步骤如下：

s1，根据零件的形状对铝合金板材(本实施例中包括第一铝合金板1和第二铝合金板3)以及纤维布2进行裁剪，分别得到400mm×250mm的坯料；

s2，对第一铝合金板1和第二铝合金板3在535℃下进行固溶处理30min，并立即将固溶后的第一铝合金板1、第二铝合金板3进行第一次预压处理，即将第一铝合金板1、第二铝合金板3置于网格型沟槽预压模具中，使第一铝合金板1、第二铝合金板3与纤维布2胶合的表面都均匀分布网格形沟槽，并将预压后的第一铝合金板1、第二铝合金板3立即进行淬火处理；其中，本申请实施例中的沟槽深度为0.1mm，宽度为0.2mm，沿着第一铝合金板1、第二铝合金板3长度方向的相邻的沟槽之间的间距为20mm，沿着第一铝合金板1、第二铝合金板3宽度方向的相邻的沟槽之间的间距为12.5mm；在其他的实施例中，沟槽深度可以采用0.05～0.4mm之间的深度范围，并不仅仅局限于本实施例中的深度；

s3，淬火完成后，用质量浓度为5％的氢氧化钠溶液对第一铝合金板1、第二铝合金板3进行除油处理，并将纤维布2在环氧树脂胶液中进行预浸处理；

s4，在第一铝合金板1上铺设纤维布2预浸料，然后完成第二铝合金板3的铺设，得到夹芯板6；对夹芯板6进行第二次预压处理，在夹芯板6冲压过程中的产生的形变大的区域施加波浪形形变，即将得到的夹芯板6放置到波浪形形变预压模具中进行预压，使夹芯板6在冲压过程中产生的大变形区呈波浪形结构；需要说明的是，在本实施例中，波浪形结构的轮廓切线与水平方向夹角为1°～20°；

s5，将得到的夹芯板6置于冲压模具上，该冲压模具具有支架，凹模8安装在支架上，同时，支架的两侧上均安装有用于对夹芯板6进行压紧的压边圈5，凸模4则安装在支架的上方，并处于凹模8的正上方，凹模8和凸模4的周边上均安装有间隔分布的多个加热管7，该加热管7与电源连接，通过通电，能够使得该加热管7升温并对夹芯板6进行加热升温；将得到的夹芯板6置于带有冲压模具的凹模8上，并处于凹模8和凸模4之间，向下移动两个压边圈5和凸模4，同时利用支架将夹芯板6托起，使得两个压边圈5和凸模4分别接触夹芯板6，从而实现合模；接通电源，通过多个加热管7对模具和夹芯板6进行加热，即加热夹芯板6、凹模8、凸模4以及两个压边圈5，使其以5℃/min的速度升温至180℃，保温30min，最终固化得到纤维-铝合金复合材料零件，将得到的复合材料零件置于室温下自然时效。

需要说明的是，本实施例中，纤维布2采用的是0.2mm厚的碳纤维布2，第一铝合金板1、第二铝合金板3采用的是1.5mm厚的6061铝合金；在其他的实施例中，三者也可以采用其他厚度和材质的结构，如第一铝合金板1和第二铝合金板3可以采用1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.6mm、1.7mm、2mm、3mm、3.7mm等厚度的板材，纤维布2可以采用0.1mm、0.3mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm等厚度的板材，且纤维布2也可以采用玻璃纤维或芳纶纤维的材质，并不仅仅局限于本实施例中的材质和尺寸结构。

第二实施例：

请参照图6，配合参照第一实施例中的图1、图2、图4以及图5，本申请实施例提供另外一种纤维-铝合金复合材料零件成形的工艺方法，其能够克服纤维材料在冲压成形过程中延伸率低的缺陷，且能够提高纤维-铝合金复合材料零件的强度。

该纤维-铝合金复合材料零件成形的工艺方法的实施步骤如下：

s1，根据零件的形状对铝合金板材(本实施例中包括第一铝合金板1和第二铝合金板3)以及纤维布2进行裁剪，分别得到1000mm×500mm的坯料；

s2，对第一铝合金板1和第二铝合金板3在535℃下进行固溶处理30min，并立即将固溶后的第一铝合金板1和第二铝合金板3进行第一次预压处理，即将第一铝合金板1、第二铝合金板3置于网格型沟槽预压模具中，使二者与纤维布2胶合的表面上均匀分布网格形沟槽，并将预压后的铝合金板材(即第一铝合金板1、第二铝合金板3)立即进行淬火处理；需要说明的是，在本实施例中，沟槽的深度为0.05mm，宽度为0.1mm，沿着第一铝合金板1和第二铝合金板3长度方向的相邻的沟槽之间的间距为25mm，沿着第一铝合金板1和第二铝合金板3的宽度方向的相邻的沟槽之间的间距为12.5mm；在其他的实施例中，沟槽深度可以采用0.05～0.4mm之间的深度范围，并不仅仅局限于本实施例中的深度；

s3，淬火完成后，用质量浓度为5％的氢氧化钠溶液对第一铝合金板1和第二铝合金板3进行除油处理；

s4，在第一铝合金板1上均匀铺设第一热塑性环氧树脂粉末层，并在第一铝合金板1的在冲压过程中产生的变形较大的区域中的第一环氧树脂粉末层上，铺置六条热塑性环氧树脂粉末块。该热塑性环氧树脂粉末块的呈横截面为等腰梯形状的棱台状结构，该等腰梯形的底面宽度为10mm，高度为10mm，两个底角为30°；然后依次完成纤维布、第二环氧树脂粉末层、第二铝合金板3的铺设；其中，由于在第一铝合金板1的在冲压过程中产生的变形较大的区域中的第一环氧树脂粉末层上，铺置了六条热塑性环氧树脂粉末块，因此，纤维布由于热塑性环氧树脂粉末块的存在，而采用与锯齿状结构相同或者相似的结构铺设在第一铝合金板1上；同时，在本实施例中，第一环氧树脂粉末层的厚度为0.2mm，第二环氧树脂粉末层的厚度为0.4mm，在其他的实施例中，二者还可以采用其他的厚度；

s5，将得到的夹芯板6置于带有加热管7和导流槽的冲压模具中，首先采用力加载的方式，冲压模具以50n的加载力对夹芯板6进行夹紧，使夹芯板6的各层之间良好接触；再对夹芯板6进行加热，以10℃/min的速率将温度由室温加热至180℃，当达到热塑性环氧树脂粉末熔融温度后，将夹芯板6进行合模；最后经30min保温后得到纤维-铝合金复合材料零件，将得到的复合材料零件置于室温下自然时效。

需要说明的是，本实施例中，纤维布2采用的是0.5mm厚的碳纤维布2，第一铝合金板1和第二铝合金板3采用的是1.5mm厚的6061铝合金；在其他的实施例中，三者也可以采用其他厚度和材质的结构，如第一铝合金板1和第二铝合金板3可以采用1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.6mm、1.7mm、2mm、3mm、3.7mm等厚度的板材，纤维布2可以采用0.1mm、0.3mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm等厚度的板材，且纤维布2也可以采用玻璃纤维或芳纶纤维的材质，并不仅仅局限于本实施例中的材质和尺寸结构。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，应包含在本申请的保护范围之内。