专利名称：一种内置纤维预制件的金属件制造方法
技术领域：
本发明涉及一种内置纤维预制件的金属件制造方法，属于金属基复合材料成形领域。
背景技术：
现代科学技术对现代新型材料的强韧性，导电、导热性、耐高温性、耐磨性等性能都提出了越来越高的要求。例如，在航空航天工业和汽车工业中，动力结构与机械结构的主要构件除要保证有优良的物理和力学性能外，还要求重量轻。为了保证构件具有一定的强度与刚度，同时减轻重量，就要求材料具有更高的比强度和比模量。纤维增强聚合物基复合材料具有比强度、比模量高等优良性能，但由于聚合物本身的性质多决定，它们不能在 3000C以上温度下工作，且耐磨性差，不导电，不导热，在使用期间逐渐老化，变质，尺寸不够稳定。而金属基复合材料则不存在这些缺点。金属基复合材料是以金属及其合金为基体， 与一种或几种金属或非金属增强相人工结合而成的复合材料，作为结构材料不但具有一系列与其基体金属或合金相似的特点，而且在比强度、比模量及高温性能方面甚至超过其基体金属及合金。
金属基复合材料按增强体分为连续纤维增强金属基复合材料和非连续增强金属基复合材料。非连续增强金属基复合材料是由短纤维、晶须、颗粒为增强体与金属基体组成的复合材料。在此类复合材料中金属基体仍起着主导作用，这类复合材料中增强材料的承载能力尽管不如连续纤维，但复合材料的强度、刚度、高温性能往往超过了基体金属。这类复合材料可以通过二次加工，即采用传统金属加工方式，如挤压、热轧甚至锻造加工，以进一步提高其性能。
与非连续增强金属基复合材料相比，连续纤维增强金属基复合材料由于纤维是主要承受载荷的组元，基体金属主要起固定纤维、传递载荷、部分承载的作用，因此具有很高的比强度与比模量，在高温时还能保持较高的强度，尺寸稳定性好等一系列的优点。连续纤维增强金属基复合材料可以通过在不同方向上的纤维排布来控制复合材料构件的性能。但是传统的连续纤维编织方法自动化程度低，且不能成形满足复杂结构要求的预制件。发明内容
针对连续纤维增强金属基复合材料存在的难于进行复杂结构件成形的问题，本发明提供了一种内置纤维预制件的金属件制造方法，该方法采用柔性导向多维织造技术进行长纤维预制件的织造成形，自动化程度高，且不受零件复杂程度的限制，并结合铸造技术进行预制件金属浇注成形。本发明旨在实现含有连续纤维预制件的金属基复杂结构件制造。
本发明所解决其技术问题所采用的技术方案是一种内置纤维预制件的金属件制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤a)根据零件的几何形状，采用柔性导向多维织造技术将纤维制成连续纤维预制件；b)根据零件的外形尺寸，进行金属件成形模具的制造；c)将制好的连续纤维预制件放入成形模具中，并固定好；d)用熔化好的金属进行浇注，得到含有连续纤维的金属件。
所述连续纤维包括碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维；所述柔性导向多维织造技术是基于数字化导向模板的纤维分层织造技术，能够实现复杂结构预制件的成形，具体包括如下步骤a)根据零件的几何形状，将导向柱布置在可控数字化编排模板上；b)将表面有坎合结构、微孔结构的导向套套在导向柱上，并固定在编织平板上；c)建立零件三维CAD模型并进行分层，对每层进行编织路径设计；d)根据零件的性能要求选择相应材料的长纤维进行编制，根据该层设计好的路径， 纤维以导向柱为支点进行二维编织；e)编织完一层后进行层与层之间互锁编织；f)编织针带着编织纤维上升一个层厚开始新一层的编织；g)如此类推，层层编织形成三维结构，层与层之间通过导向套表面的坎合结构以及层间互锁编织紧密连接；h)将编织好的结构退出导向柱，得到预制件。
所述成形模具包括金属模和砂模；所述金属包括黑色金属和铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金、镍及镍合金以及铋锡I=I 巫 O
所述金属浇注方法包括压铸成型法和真空吸铸法。
本发明与现有技术相比具有以下优点(1)可以进行复杂金属基复合材料零件的成形；(2)自动化程度高。
具体实施方式
下面通过如下实施例对本方面进行说明，但不作为对本发明的限定。
利用本发明制造一个I>b*h为100*25*14mm的立方体零件。具体步骤如下a)根据零件的几何形状，将导向柱按5mm的间距密集排列在模板上，以组成100X25mm 的可控数字化编排模板；b)将表面有坎合结构的导向套套在导向柱上，并固定在编织平板上，编织平板相对数字化编排模版可移动；c)建立零件的三维CAD模型，并进行分层处理，即将长方体模型分成厚底为Imm的层状模型，共14层，每层的形状都是100X25mm的长方形；并对所分的层片进行编织路径设计；d)选择型号为T1000的碳纤维丝，根据该层设计好的路径，以导向柱为支点开始第一层的编织；e)进行第一层与第二层间的层间互锁编织；f)编织针带着编织纤维上升一个层厚；准备第二层的编织。
g)重复步骤e) f)，直到所有层编织完成，最后得到近似100X25X14mm的预制件；h)制造模具，其内腔为100X25X14mm的长方体；将预制件放在模具中，并固定好。
i)将铋锡合金熔化，采用真空吸铸法进行浇注；得到碳纤维预制件增强铋锡合金复合材料；以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，进行其他实施例，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种内置纤维预制件的金属件制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤a)根据零件的几何形状，采用柔性导向多维织造技术将纤维制成连续纤维预制件；b)根据零件的外形尺寸，进行金属件成形模具的制造；c)将制好的连续纤维预制件放入成形模具中，并固定好；d)用熔化好的金属进行浇注，得到含有连续纤维的金属件。
2.根据权利要求1所述的一种内置纤维预制件的金属件制造方法，其特征在于，所述连续纤维包括碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维。
3.根据权利要求1所述的一种内置纤维预制件的金属件制造方法，其特征在于，所述柔性导向多维织造技术是基于数字化导向模板的纤维分层织造技术，能够实现复杂结构预制件的成形。
4.根据权利要求1所述的一种内置纤维预制件的金属件制造方法，其特征在于，所述成形模具包括金属模和砂模。
5.根据权利要求1所述的一种内置纤维预制件的金属件制造方法，其特征在于，所述金属包括黑色金属和铝及铝合金、镁及镁合金、钛及钛合金、镍及镍合金以及铋锡合金。
6.根据权利要求1所述的一种内置纤维预制件的金属件制造方法，其特征在于，所述金属浇注方法包括压铸成型法和真空吸铸法。
全文摘要
本发明提供了一种内置纤维预制件的金属件制造方法，包括如下步骤①根据零件的几何形状，采用柔性导向多维织造技术将纤维制成连续纤维预制件；②根据零件的外形尺寸，进行金属件成形模具的制造；③将制好的连续纤维预制件放入成形模具中，并固定好；④用熔化好的金属进行浇注，得到含有连续纤维的金属件。本发明方法结合了复合材料三维织造与金属铸造的优点，可实现复杂结构金属件的制造，并可根据使用要求设计具有连续纤维预制件的金属基零部件，以提高其机械性能。
文档编号C22C47/08GK102492898SQ20111045834
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者乔娟娟, 刘丰, 单忠德, 杜伟肖 申请人:机械科学研究总院先进制造技术研究中心