专利名称：纤维增强复合轮的铸造方法
技术领域：
本发明涉及一种通用的纤维增强复合轮的铸造方法。虽然该发明特别适用于机 动车辆车轮的形成，但不能理解为该发明只限于上述应用。
背景技术：
以下关于本发明的背景说明是为了帮助理解本发明。因此，不应认为这些说明 是对其中涉及到的任何材料或部分公知常识于申请的优先权日这天公开或被认知的确认 或承认。
以强化纤维铸造而成的树脂机动车轮包括轮缘和盘部，且一体成型。轮缘包括 两个沿轴向分隔的轮圈或凸缘，车胎装于两轮圈或凸缘的中间。车轮盘部包括安装轮毂 和轮毂至肋骨过渡的部分。盘部可以有多种供客户选择的配置方案，以为车轮的末序处 理提供定制加工。
这种以强化纤维铸成的树脂轮子传统上通过压铸不同的装模料形成，这些装模 料对应于车轮轮缘和盘部，分别采用被称为树脂浸渍料或预浸料(片)的复合纤维-树脂 料。各部分的装模料通常包括带有强化纤维的预浸料(片)的多个预切部分，这些强化 纤维分布于预浸料(片)上。关于此工艺的实例在专利号为4,四4,639和4,636,344的美 国专利中有所公布。
该传统方法有赖于预浸料(片)的提供。然而，预浸料(片)有一些缺点，包 括需要于低温(接近冻结温度)装运和储存，成型后保存期有限，成本高，难以制成复杂 形状，和需在诸如使用高压容器的高压下铸造和硬化。
因此需要提供一种可替代的纤维增强复合轮的铸造方法以克服上述至少一个缺点ο发明内容
本发明提供了一种纤维增强复合轮的铸造方法，该铸造方法使用到一种模具组 件，该模具组件包括用于定义轮子上轮缘外表面的环状轮缘模具部分，和用于定义轮子 盘部前表面的盘部模具部分，该方法包括以下步骤
在模具组件内，沿轮缘模具部分设强化纤维织物的第一部分；
在模具组件内，在盘部模具部分上设强化纤维织物的第二部分；
用柔性模具元件封闭模具组件，以形成基本不漏流体的型腔，该柔性模具元件 包括用于定义轮子轮缘内表面和轮子盘部后表面的柔性聚合物部件；
通过对型腔抽气，并从入口导入树脂于型腔中，该入口设在模具组件的有利位 置上；以及
硬化树脂以形成整体的纤维增强复合轮。
根据本发明，由此形成的车轮使用的是以柔性聚合物元素成型的型腔而不是传 统上例如金属模具元件这种以刚性元素成型。这种模具更容易铸造凹陷区域和内腔，此凹陷区域和内腔是传统的刚性模具在物理上不能塞进去或拿出来的。再者，这种模具减 少了生产工具的加工成本，是因为生产柔性聚合物模具便宜，而且使其它的生产工具以 较大(较低精度)的公差制造。相比之下，加工相配合的刚性模具必须按小公差才能得 到与附近模具部分的适宜的匹配。
形成柔性模具元件的柔性聚合物可以由任何合适的柔性聚合物材料组成，包括 橡胶、乳胶等与树脂相容的材料。最佳地，该柔性模具元件由硅类聚合物组成。
柔性模具元件可以整个都是如硅类聚合物的柔性材料，或者部分是柔性材料。 在柔性模具元件部分柔性的情况下，柔性模具元件包括基本上刚性的部分和柔性部分。 柔性区域要在柔性模具元件中特定设计。柔性部分仍然由柔性聚合物形成，包括橡胶、 乳胶等与树脂相容的材料。最佳地，柔性模具元件由硅类聚合物组成。
柔性模具元件可以通过如下方式形成
在模具组件中置车轮模子；
在模子上不接近轮缘模具部分或盘部模具部分的地方涂可硬化聚合物材料；以 及
可硬化聚合物材料硬化，形成柔性聚合物部件，该部件具有与模子上的邻接部 分互补的形状和结构。
在柔性模具元件包括基本刚性部分和柔性部分的情况下，刚性部分可在为模子 涂上可硬化聚合物材料之前先设于模子上的合适位置上。
模子可以是车轮的样子，被加工成主模，而且作为(柔性模具元件的)一个组成 部件或类似部分。
柔性模具元件中可包括强化部件来增强柔性模具元件的材料性质。在其中一个 实施例中，柔性模具元件包括强化纤维织物。一种合适的强化纤维织物是柔性尼龙织 布。在形成柔性模具元件时，添加强化纤维织物是要在涂层和硬化步骤之间，且包括以 下步骤
在至少一个初始涂有柔性聚合物材料的部分上设至少一个强化纤维织物部分； 以及
在这些不邻接轮缘模具部分或盘部模具部分的模子部分上再涂上一层柔性聚合 物材料。
初始涂层和后添加的涂层，与为了形成无加强盖模的涂层一样，可以由一层或 多层聚合物材料实现。
柔性模具元件可通过多种连接装置或技术固定于轮缘模具部分和/或盘部模具 部分。然而，柔性模具元件优选包括至少一个可拆卸的固定结构，该固定结构与轮缘 模具部分上的互补固定装置相配合，使柔性模具元件与轮缘模具部分可拆卸连接。优选 地，该柔性模具元件包括至少一个大致呈环形的肋骨，该肋骨与轮缘模具部分上的互补 环形沟槽干涉配合。
每个轮缘模具部分，盘部模具部分和柔性模具元件均可由任意一些部件组成。 在一些实施例中，轮缘模具部分包括至少两个可连接的部分。优选地，盘部模具部分包 括一个单独部分，柔性模具元件包括一个单独部分。
优选地，通过使用包括真空泵的抽真空系统对型腔抽气。使用时，真空泵通过从一流体经过的出口抽气来降低型腔内的压强，该出口设在模具组件的有利位置上。压 强减少迫使树脂由入口进入型腔。抽真空系统工作可致使树脂主动填充型腔。在填充过 程中，树脂渗透、吸收强化纤维织物并进入模具组件的各部分。至此，由真空泵抽气， 树脂能迫使空气从型腔中撤离。树脂引入型腔中直至型腔被填满，为了更好地达到这一 目的，模具组件上有一从型腔延伸出，与出口连接的冒口管，真空泵通过该管道抽气。
压力作用于型腔的外表面。优选地，压力腔在柔性模具元件上形成。为了形成 压力腔，模具组件在轮缘模具部分的背面上设有一压力盘，该压力盘与柔性模具元件之 间形成基本不漏流体的压力腔。压力腔中的压力最好在硬化过程中能维持住，以辅助形 成柔性模具元件。
优选地，压力腔内建立起的压力在IOpsi IOOpsi之间。更佳地，压力腔中建 立起的压力为45psi。
宜对模具组件和树脂预热，以防止冷模后树脂迅速冷却下来。在20°C至60°C之 间适宜的温度范围一般为30°C至50°C，优选为30°C至35°C。
模具组件可连接一加热系统。模具组件中的至少一个组成部分可由加热系统加 热。该加热系统包括与至少一个组成部分通过，例如搭接或嵌入的方式连接的加热元 件。这样，电子加热元件可以搭接于模具元件的至少一个组成部件上或嵌入于模具元件 的至少一个组成部件内。或者，加热系统可以包括与模具元件的至少一个组成部件热连 接的加热套。该加热套可以是一加热流体能经过的热能传递护套。优选地，加热系统的 温度由恒温调节系统控制。
由本发明制造的车轮在模具组件中至少要保持到树脂硬化到能使轮子脱模并且 可安全加工的时候。这样，树脂硬化才能继续进行直至完结，而且可以通过将轮子加热 到较高的温度来加快硬化进程。在第一阶段，硬化在40°C至60°C之间的平均温度下进 行。在第二阶段，当车轮从模具组件中脱模之后，硬化在90°C至150°C之间的平均温度 下进行。
车轮内含有强化纤维织物能增强硬化后树脂成分的力学性能和物理性能。强化 纤维织物可以由任何合适的纤维组成，包括(但不限于)碳纤维，编织石墨纤维，碳纳米 管(CNT)，凯夫拉尔纤维(Kevlar)，玻璃纤维，天然纤维等，或类似这样的纤维，或这 些纤维的组合。例如，CNT通常包含在其它强化纤维，如碳纤维或凯夫拉尔纤维内。任 意层数的强化纤维织物都能被使用。优选地，每一层都是其它纤维层的层压件，每一层 的纤维织物都通过黏合剂与邻近纤维层固定。
强化纤维织物可以是纺织形成或无纺形成。在有至少两层织物的情况下，第一 部分的外层优选以纺织纤维织物形成。而且，对于强化纤维织物的第一、第二部分来说 最好有定向的纤维排列，以满足强化纤维织物所在车轮部分特殊的强化要求。
在铸造轮子的同时，可以在轮子的树脂中植入识别特征。这些特征包括品牌标 识(logo)、系列号、RFID芯片、全息图或者其它独特的可区分的保护特征以帮助识别产 品。这些特征既可以是可见识别，也可以是不可见的光谱识别、无线电波识别，或其它 检测形式识别。这些特征可以在轮子的任何表面上，如内表面或外表面，或者也可以设 在轮子内强化纤维织物层之间。
硬化过的车轮可进一步加工使车轮有更多的特性和/或对车轮外表面精加工。这样，本发明涉及的方法可以对硬化过的车轮进一步钻孔，比如钻螺孔或注气孔；以及 对轮毂表面加工。还可以对盘部的前表面进行磨光和/或抛光。
以下结合附图对本发明进行说明，这些附图示出的是本发明的优选实施例，其 中
图1为根据本发明一实施例所涉及的方法制造出的纤维增强复合机动车用车轮 的一种形式的主视示意图。
图2为图1中的机动车用车轮的侧视图。
图3为根据本发明一实施例涉及的机动车用车轮的制造方法所用到的模具组件 局部的俯视示意图。
图4为图3所示的模具组件对局部更为详细示意的俯视图。
图5为图3所示的模具组件的侧视图。
图6为图3所示的，并带有压力盘固定于其上的模具组件的局部俯视示意图。
图7为将树脂导入模具组件型腔中的第一组配置的示意原理图。
图8为将树脂导入模具组件型腔中的第二组配置的示意原理图。
图9提供了根据本发明实施例涉及的方法形成的车轮在硬化阶段的温度状况 图，在本实例中不含凝胶涂层材料。
图10提供了根据本发明实施例涉及的方法形成的车轮在硬化阶段的温度状况 图，在本实施例中含有凝胶涂层材料。
具体实施方式
首先参见图1和图2，图中示有根据本发明的一个实施例所涉及的方法制造出的 纤维增强复合机动车用车轮10的整体件。所示车轮10包括环形轮缘12和盘部14。轮 缘12包括环形凸缘20、21，该凸缘20、21是由轮缘12本体沿径向向外延伸，并且可以 安装轮胎(图中未示出)。虽然在图中未示出，凸缘20、21还可以设保护件。如，在轮 子表面最外边缘上设装夹式或固定式保护圈(未示出)，以避免工作时凸缘20、21受损。
盘部14包括中心轮毂22和辐射状的辐条对。盘部14上的辐条M和轮毂22可 以有非常不同的形状和构造，而且取决于用于形成车轮10的模具的形状和构造。模具可 以有多种不同形式的配置，以提供不同的机动车用车轮的定制加工。
再参见图3，图中示有制造如图1和图2所示的机动车用车轮10的模具组件30 的四个组成部分。模具组件30包括由两半部分33、34(见图幻组成的外轮缘模具部分 32，外盘部模具部分36和内柔性硅柔性模具元件38。这些模具部分32、36、38组装后 形成围绕容纳车轮10形状和构造的型腔40。组装后的模具组件30也是不漏流体的，使 型腔40能通过真空泵被抽空。
盘部模具部分36是金属或其它材料制成的平板，该平板的内表面可以加工出， 或者形成一个与车轮10的盘部14的前表面所需要的形状和构造对应的凹腔。因此，盘 部模具部分36具有车轮10盘部14的特征。盘部模具部分36还包括平面凸缘部42，该 凸缘部42由型腔40的外边缘沿径向外延伸约75mm。此凸缘部42用于连接盘部模具部分36和轮缘模具部分32。凸缘部42上可以设一条密封用环形槽(未示出)。在轮缘模 具部分32的凸缘49上抵设O型圈。
轮缘模具部分32是环形的，并且由两个可连接部分33、34组成(还是见图5)。 各部分33、34包括设于末端的径向凸缘46、47，这些径向凸缘46、47上设有固定孔， 在树脂导入型腔40前，部分33、34先通过该固定孔螺接在一起。相邻的凸缘46、47 之间可以设垫圈。各部分33、34在沿轴向的另一端上同样设有凸缘48、49。这些凸缘 48、49分别用于连接轮缘模具部分32和盘部模具部分36，以及轮缘模具部分32和柔性 模具元件38。各凸缘48、49设槽(未示出)，以嵌入密封用O型圈(如图4中的O型 圈 50)。
柔性模具元件38是与车轮10的轮缘12和盘部14的内表面形状互补的柔性硅 件。如前所述，柔性模具元件38可以通过一个与所需浇铸的车轮的形状和构造相同的模 子形成。其表面有3至4毫米的厚度。
再参见图4，图中示有模具组件30更详细的局部视图。该图所示为柔性模具元 件38和轮缘模具元件32之间的定位和连接系统。其中，柔性模具元件38设有一沿凸缘 48延伸的环状凸缘51。该凸缘51设有一整环的肋圈M，可以柔性嵌入与之配合的各凸 缘48上的槽56内。这种键槽式的肋圈和槽的连接装置使柔性模具元件38与轮缘模具部 分32可拆卸地连接。当肋圈M被压进轮缘模具部分32的槽56中，肋圈M保证了柔性 模具元件38和轮缘模具部分32间的气密性，而且无需其它的紧固件。
图5所示为模具组件30上与柔性模具元件38相对固定并密封的压力盘60。所 示压力盘60为一平面的、圆形的金属盘，通过夹紧圈或类似物(未示出)与模具组件30 连接，在硅柔性模具元件38和压力盘60间密封流体。压力盘60包括输入端口 62A，例 如氮气的受压流体可以通过输入端口 62A被打入密封于柔性模具元件38和压力盘60之间 的内腔64中，使内腔64中的压强达到三个大气压或45psi。施压的目的在于减小腔内气 泡。
图7所示为本发明涉及的复合轮的制造装置的示意图。模具组件30在图中已组 装好并准备生产轮子。强化纤维织物的第一部分和第二部分(未示出，通常为以图3至 图6中的点划线40表示的轮子的相应部分)分别沿轮缘模具部分32加入，并置于盘部模 具部分36上。强化纤维织物的第一、第二部分可以由各种合适的纤维组成，包括(但不 限于)碳纤维，编织石墨纤维，碳纳米管(CNT)，凯夫拉尔纤维(Kevlar)，玻璃纤维，天 然纤维等，或类似这样的纤维。这些纤维可以是纺织加工和/或经过层处理，这些将在 下文说明中更详细地描述。
真空管路70 (见图7)和/或71 (见图8)连于模具组件30，形成抽真空系统74与 型腔40的连接。所示抽真空系统74包括真空腔76和真空泵78。树脂输入管路80 (见 图7)，81 (见图8)连于组装的模具组件30，形成树脂储存器82和型腔40的连接。通常 在输入端口(如84)需要一定的树脂以有效对型腔40充树脂。为此，在一些实施例中， 可以将树脂储存器(未示出)设于轮毂22内。
压力盘60 (见图6)可以附于柔性模具元件38之上。
通过运用抽真空系统74对型腔40抽气，使型腔中的压力从40千帕减少到_100 千帕。模具组件30和树脂还要被预热到35°C。如上所述，可通过诸如加热元件或水加热护套来进行加热。
一旦模具组件30和树脂有35°C，液体树脂被注入型腔40填充并封住强化纤维织 物。可以是任何种类的树脂，如，聚酯纤维，乙烯基酯纤维或环氧纤维。可以有两种将 树脂注入型腔40的方法和设置。其一，图7所示为装置连接和树脂流动方向(箭头F)， 树脂由轮毂区域86至轮缘区域87进入型腔40。或者，图8所示为装置连接和树脂流动 方向(箭头G)，树脂由轮缘区域87至轮毂区域86进入型腔40。
根据需要利用泵对压力腔62内施压至45psi。
然后，模具组件30被加热到50°C并保持一个小时以硬化树脂。一旦轮子达到初 始硬化状态，即轮子硬到在轮子尺寸不受影响的情况下，可以从型腔40中拿出，模具组 件解体，成型轮子脱模。然后轮子进行后硬化处理阶段，轮子被置于传统固化炉的自由 位置加热，硬化温度缓慢升至理想硬化温度。图9和图10示出以上述形成工艺形成的轮 子在前期硬化和后期硬化的温度状况。图9的例子为不包含凝胶涂层的轮子。图10的 例子为包含凝胶涂层的轮子，在此情况下，轮子温度无法在图中所示的推荐工作温度之 上有所提升。
一旦轮子被完全硬化，轮子上可打螺孔和注气孔，并对轮毂表面进行加工。
轮子还可以有一中罩(未示出)以使轮子更可以定制加工，而且覆盖轮上的螺母 和附属连接装置。中罩可由碳纤维，或其他合适的材料制成，而且以形成轮子的相同工 艺来铸造。中罩可与其它紧固件连接，或者通过中罩与轮缘尺寸间的过盈配合连接，和 /或通过轮缘附属连接装置，如螺母、螺孔或垫圈连接。
车轮10中以某一纤维晶面堆积顺序排列，设并有多层强化纤维织物，该顺序能 优化车轮10中相应部分的强度特性。各层之间都通过另增喷雾式黏着剂来嵌入纤维。以 下堆积顺序是车轮10中多层强化纤维织物的各层堆积取向的实例。该取向可参照图1和 图2所示车轮10的各车缘12和盘部14上描述的角度。这些角度示出纤维强化在各铸造 的复合部分中应遵循的理想方向。
轮毂堆积顺序车轮10的盘部14上的轮毂22的堆积顺序优选准各向同性。完 整的强化纤维织物堆积大约有IOmm厚并包括半个平方米的纤维。以下表格是设置50层 纤维堆积的一个实例。
表1-轮毂堆积顺序
层数取向层数取向层数取向层数取向层数取向1纺织层11+/-4521+/-45310/90410/9020/90120/90220/9032+/-4542+/-453+/-4513+/-4523+/-45330/90430/9040/90140/90240/9034+/-4544+/-459
权利要求
1.一种使用模具组件铸造纤维增强复合轮的方法，所述模具组件包括用于定义轮子 上轮缘外表面的环状轮缘模具部分，和用于定义轮子盘部前表面的盘部模具部分，所述 方法包括以下步骤在模具组件内，沿轮缘模具部分设强化纤维织物的第一部分； 在模具组件内，在盘部模具部分上设强化纤维织物的第二部分； 用柔性模具元件封闭模具组件，以形成基本不漏流体的型腔，该柔性模具元件包括 用于定义轮子轮缘内表面和轮子盘部后表面的柔性聚合物部件；通过对型腔抽气，并从入口导入树脂于型腔中，该入口设在模具组件的有利位置 上；以及硬化树脂以形成整体的纤维增强复合轮。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是柔性聚合物部件包含硅类聚合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是柔性聚合物部件包括基本上刚性的部分 和柔性部分。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是柔性部分包含硅类聚合物。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征是柔性模具元件可以这样形成 在模具组件中置车轮模子；在模子上不接近轮缘模具部分或盘部模具部分的地方涂可硬化聚合物材料；以及 可硬化聚合物材料硬化，形成柔性聚合物部件，该部件在形状和结构上对模子上的 邻接部分补足。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是在涂层和硬化步骤之间进一步包括以下步骤至少在一个初始涂有柔性聚合物材料的部分上设至少一个强化纤维织物部分；以及 在这些不邻接轮缘模具部分或盘部模具部分的模子部分上再涂上一层柔性聚合物材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是强化纤维织物包含一部分柔性尼龙织布。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征是柔性模具元件包括至少一个基 本呈环形的肋骨，该肋骨与轮缘模具部分上相应的环形沟槽干涉配合。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征是进一步包括以下步骤在轮缘模具部分的后方上设有一压力盘，该压力盘与柔性模具元件之间形成基本不 漏流体的压力腔；在硬化步骤中对压力腔施压。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是压力腔内建立起的压力在IOpsi IOOpsi 之间。
11.根据权利要求1-10任一项所述的方法其特征是进一步包括以下步骤预热模 具组件和树脂至20°C -60°C之间。
12.根据权利要求1-11任一项所述的方法，其特征是模具组件中的至少一个组成 部分由加热系统加热。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征是加热系统包括至少一个加热元件或一个加热套。
14.根据权利要求1-13任一项所述的方法，其特征是模具组件进一步包括在车轮 轮毂上或邻近轮毂的树脂储存器，树脂由树脂储存器注入型腔。
15.根据权利要求1-14任一项所述的方法，其特征是至少是强化纤维织物的第一 部分或第二部分包含至少两层纤维层。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征是所述纤维层以层压形成，每一层通过 黏着剂与相邻纤维层固定。
17.根据权利要求1-16任一项所述的方法，其特征是硬化步骤分两阶段进行，包括 在第一阶段，硬化在40°C至60°C之间的平均温度下进行；以及在第二阶段，硬化在90°C至150°C之间的平均温度下进行。
18.根据权利要求1-17任一项所述的方法，其特征是铸造轮子的同时在树脂中植 入识别特征。
19.一种纤维增强复合轮，其特征是所述纤维增强复合轮按权利要求1-18任一项所述 的方法制造。
全文摘要
一种使用模具组件铸造纤维增强复合轮的方法，所述模具组件包括用于定义轮子上轮缘外表面的环状轮缘模具部分，和用于定义轮子盘部前表面的盘部模具部分，所述方法包括以下步骤在模具组件内，沿轮缘模具部分设强化纤维织物的第一部分；在模具组件内，在盘部模具部分上设强化纤维织物的第二部分；用柔性模具元件封闭模具组件，以形成基本不漏流体的型腔，该柔性模具元件包括用于定义轮子轮缘内表面和轮子盘部后表面的柔性聚合物部件；通过对型腔抽气，并从入口导入树脂于型腔中，该入口设在模具组件的有利位置上；以及硬化树脂以形成整体的纤维增强复合轮。
文档编号B29C70/36GK102026823SQ200980115729
公开日2011年4月20日 申请日期2009年8月31日 优先权日2008年9月3日
发明者唐纳德·布雷特·盖斯, 大卫·德奥斯, 阿什利·丹米德, 马修·丁戈尔 申请人:喜福盛私人有限公司