专利名称：一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置及方法
技术领域：
本发明属于复合材料成形技术领域，具体涉及一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置及方法。
背景技术：
纤维增强复合材料具有质轻、比强度高、比模量大、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳和良好阻尼性能等优异特性，作为结构件已经广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。但由于传统复合材料成形工艺复杂，设备造价昂贵，生产周期长，难以满足汽车制造等民用行业对复合材料结构件的大批量需求。特别是近些年国家对结构轻量化和节能减排的要求，如何能够高效、低成本的制造出复合材料件成为非常关键的问题。因此，针对纤维增强树脂基复合材料的热冲压技术就出现了，其原理利用热塑性树脂在一定温度下所产生的软化现象，随着模具的运动，树脂产生流动，进而成形出复合材料零件。现有热冲压成形方法是先将复合材料板材在一个外置恒温环境中加热至树脂软化，然后将加热的板材转移至模具间，在室温环境下进行冲压成形。该方法虽然利用了热冲压成形的优势，提高了成形效率，但由于模具温度较低，板材接触模具时产生的较大温降难以避免，从而影响成形质量。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置及方法，能够满足纤维增强树脂基复合材料板的热冲压成形，保证成形的效率和质量。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置，包括凹模组件、凸模组件、压边圈及支撑装置、热油加热系统、模具水喷淋冷却系统，凹模组件与压力机滑块连接，凸模组件安装在底座2-7上，凹模组件、凸模组件及底座2-7的中心线为同一中心线A-A，压边圈及支撑装置安装在底座2-7上，围绕凸模3-1均勻分布。所述的凹模组件包括凹模1-1，凹模1-1安装在凹模垫板1-7下面，凹模1-1和凹模垫板1-7的四周罩有凹模耐热玻璃罩1-4，凹模1-1上面安装有凹模热油支管道1-2，凹模热油支管道1-2通过凹模U形管道卡扣1-3固定在凹模1-1上，凹模支撑立柱1-9竖立，上下分别与凹模1-1和凹模垫板1-7连接，凹模冷却水喷管1-8安装在凹模垫板1-7中心，喷射方向正对着凹模1-1，凹模冷却水喷管1-8的进水端连接到置于凹模垫板1-7上面的凹模主冷却水管道1-5，凹模热油支管道1-2两端分别与置于凹模垫板1-7上面的凹模进油管道1-6和凹模出油管道1-11相连接，凹模进油管道1-6和凹模出油管道1-11均接入热油加热系统，凹模冷却水排水管1-10穿过凹模玻璃罩1-4底部，与凹模1-1上的排水槽连接。所述凸模组件包括凸模3-1，凸模3-1由凸模支撑立柱3-4支撑，凸模支撑立柱3-4竖立在凸模垫板3-8上，凸模3-1与凸模垫板3-8四周罩有凸模玻璃罩3_5，凸模3_1上安装着凸模热油支管道3-2，凸模热油支管道3-2通过凸模U形管道卡扣3-3固定到凸模3-1上，凸模冷却水喷管3-6安装在凸模垫板3-8中心，喷射方向向上正对着凸模3-1，凸模冷却水喷管3-6进水端连接到置于凸模垫板3-8下面的凸模主冷却水管3-9，凸模热油支管道3-2两端分别与置于凸模垫板3-8下面的凸模进油管道3-10和凸模出油管道3-11相连接，凸模进油管道3-10和凸模出油管道3-11均接入热油加热系统，凸模冷却水排水管3-7穿过凸模玻璃罩3-5，与凸模垫板3-8上的排水槽相连接，凸模垫板3-8安装在底座2-7上所述压边圈及支撑装置包括由压边圈上板2-1和压边圈下板2-3组成的对扣式压边圈，压边圈热油支管道2-2安装在对扣式压边圈内，压边圈热油支管道进油端接入压边圈进油管道2-8，出油端接入压边圈出油管道2-9，压边圈下板2-3下面安装有绝热板2-4，绝热板2-4下面与氮气缸2-5连接，氮气缸2-5下面固定在底座2-7上，氮气缸2_5与底座2-7之间垫有垫块2-6。所述热油加热系统包括伺服电机5-1驱动的热油泵5-2，热油泵5-2出油端接入热油输入管5-4，热油输入管5-4出油端分别与凹模组件中的凹模进油管道1-6、凸模组件中的凸模进油管道3-10、压边圈及支撑装置中的压边圈进油管道2-8连接，凹模组件中的凹模出油管道1-11、凸模组件中的凸模出油管道3-11、压边圈及支撑装置中的压边圈出油管道2-9分别与热油加热系统中的热油输出管5-6输入端相连接，热油输出管5-6输出端接入热油加热箱5-5进油端，热油加热箱5-5出油端接入热油保温箱5-3进油端，热油保温箱5-3出油端与热油泵5-2进油端连接。所述模具水喷淋系统包括水泵，水泵进水端接通水源，水泵出水端与凹模主冷却水管道1-5和凸模主冷却水管道3-9连通。所述一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置的成形方法为首先，安放板料4于压边圈上，压力机滑块带动凹模组件下行与板料4接触，压力机停止运行；其次，开启热油加热系统，加热板料4，使复合材料温度基体树脂软化温度；再次开启压力机，以小于lOmm/min的速度冲压成形板料，并保压30-3 ；最后，关闭热油加热系统，开启模具水喷淋系统，冷却板料至室温，并保压使复合材料完全固化后开模取件。本发明具有以下优势1.本发明所述的热冲压成形装置可以大幅提高复合材料件的成形效率，降低复杂壳体结构复合材料件的制造成本。2.本发明基于纤维增强复合材料热冲压成形成形力小的特点，采用壳体铝合金模具，既可以满足纤维增强复合材料热冲压成形需求，节约材料，减轻模具质量。同时，利用了铝材导热性能良好的特点，加热及冷却效率高，节约了模具加热所需能耗，降低了模具加热冷却时间。3.本发明提出利用机加工在壳体铝合金模具型腔表面制造出了与模具表面等距的模具加热槽。同时，可以根据模具形状，制造出复杂的随形三维模具加热槽满足模具表面均勻加热及局部加热的需求。4.根据模具加热槽形状，通过折弯、剪切、焊接等方法制造出与模具加热槽相匹配的三维随形热油支管道。将热油支管道铺入对应模具加热槽并固定，可以保证热油管道与模具表面距离均勻，实现模具表面均勻加热。利用本发明可以解决传统模具加热管路只能钻削成直孔，且加热管路距离模具表面厚度不均勻，加热效果不理想的难题。
5.本发明采用高压水喷淋冷却，冷却水直接经由喷管射到模具表面，冷却面积大，从而使得冷却更加均勻，效率更高。模具水冷过程中，冷却水在重力作用下通过模具底部的排水管流出模具，保证模具加热阶段模具内没有冷却水停留。6.本发明所述装置中模具为铝合金壳体结构，模具四周由耐高温玻璃包围，防止冷却水溅出。同时，该结构可以减轻装置质量，且透过玻璃便于观察模具内部加热冷却系统工作状况。7.本发明所述装置中，模具加热系统为节能系统，热油加热箱流出的液压油达到设定温度时，停止热油加热。热油进入一个较大的恒功率保温油箱，保证温度精度为1_3°C。保温油箱的热油再经热油泵流入模具热流管道，加热模具。
图1为本发明结构示意图。图2为本发明热油加热系统示意图。图3为本发明凹模制造过程示意图。图4为本发明成形方法示意图，其中图4(a)是冲压前板料放置示意图，4(b)是板料法兰部位加热示意图，4(c)是板料成形及固化示意图，4(d)是开模取件示意图。
具体实施例方式下面结合附图进一步对本发明做详细描述。参照图1，一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置，包括凹模组件、凸模组件、压边圈及支撑装置、热油加热系统、模具水喷淋冷却系统，为了便于冷却水在重力作用下从模具中流出，本发明中模具采用倒装形式，凹模组件与压力机滑块连接，由压力机驱动凹模组件向下运动实现冲压行为，凸模组件安装在底座2-7上，固定不动，凹模组件、凸模组件及底座2-7的中心线为同一中心线A-A，压边圈及支撑装置安装在底座2-7上，围绕凸模3-1均勻分布。所述的凹模组件包括凹模1-1，凹模1-1安装在凹模垫板1-7下面，凹模1-1和凹模垫板1-7的四周罩有凹模耐热玻璃罩1-4，凹模1-1上面安装有凹模热油支管道1-2，凹模热油支管道1-2通过凹模U形管道卡扣1-3固定在凹模1-1上，凹模支撑立柱1-9竖立，上下分别与凹模1-1和凹模垫板1-7连接，支撑凹模1-1并提高壳体凹模1-1的承力能力，凹模冷却水喷管1-8安装在凹模垫板1-7中心，喷射方向向下正对着凹模1-1，喷射范围覆盖整个凹模表面，保证了模具均勻高效冷却，凹模冷却水喷管1-8的进水端连接到置于凹模垫板1-7上面的凹模主冷却水管道1-5，凹模热油支管道1-2两端分别与置于凹模垫板1-7上面的凹模进油管道1-6和凹模出油管道1-11相连接，凹模进油管道1-6和凹模出油管道1-11均接入热油加热系统，凹模冷却水排水管1-10穿过凹模玻璃罩1-4底部，与凹模1-1上的排水槽连接，喷洒在模具表面的冷却水在重力作用下经凹模1-1上的排水槽从凹模冷却水排水管1-10排出。所述凸模组件包括凸模3-1，凸模3-1由凸模支撑立柱3-4支撑，凸模支撑立柱3-4竖立在凸模垫板3-8上，支撑凸模3-1，并提高凸模3-1的承力能力，凸模3_1与凸模垫板3-8四周罩有凸模玻璃罩3-5，凸模3-1上安装着凸模热油支管道3-2，凸模热油支管道3-2通过凸模U形管道卡扣3-3固定到凸模3-1上，凸模冷却水喷管3-6安装在凸模垫板3-8中心，喷射方向向上正对着凸模3-1，高压冷却水喷射到凹模3-1表面，冷却面积大，效率高，凸模冷却水喷管3-6进水端连接到置于凸模垫板3-8下面的凸模主冷却水管3-9，凸模热油支管道3-2两端分别与置于凸模垫板3-8下面的凸模进油管道3-10和凸模出油管道3-11相连接，凸模进油管道3-10和凸模出油管道3-11均接入热油加热系统，凸模冷却水排水管3-7穿过凸模玻璃罩3-5，与凸模垫板3-8上的排水槽相连接，凸模垫板3-8安装在底座2-7上面。所述压边圈及支撑装置包括由压边圈上板2-1和压边圈下板2-3组成的对扣式压边圈，压边圈热油支管道2-2安装在对扣式压边圈内，压边圈热油支管道进油端接通压边圈进油管道2-8，出油端接入压边圈出油管道2-9，压边圈下板2-3下面安装着绝热板2-4，用以降低压边圈和氮气缸2-5之间的热传导，绝热板2-4下面与氮气缸2-5连接，氮气缸2-5均勻的固定在底座2-7上，支撑压边圈，根据不同的成形工艺需求，氮气缸2-5的数量可以改变，通过调整氮气缸的布置数目和压力，改变压边圈表面的压边力分布，氮气缸2-5与底座2-7之间垫着垫块2-6。参照图2，所述热油加热系统包括伺服电机5-1驱动的热油泵5-2，热油泵5_2出油端接入热油输入管5-4，热油输入管5-4出油端分别与凹模组件中的凹模进油管道1-6、凸模组件中的凸模进油管道3-10、压边圈及支撑装置中的压边圈进油管道2-8连接，凹模组件中的凹模出油管道1-11、凸模组件中的凸模出油管道3-11、压边圈及支撑装置中的压边圈出油管道2-9分别与热油加热系统中的热油输出管5-6输入端连接，热油输出管5-6输出端接入热油加热箱5-5进油端，热油加热箱5-5出油端接入热油保温箱5-3进油端，热油保温箱5-3出油端与热油泵5-2进油端连接，伺服电机5-1驱动热油泵5-2为热油加热系统提供液动力，通过调节伺服电机5-1转速可以改变加热系统热油流速，模具开始加热时伺服电机5-1转速很慢，从模具出油管道流出的液压油进入热油加热箱5-5加热，热油加热箱5-5为电阻加热的管式结构，容积约为模具热油管道容积的1. 5 2倍，液压油经加热后流入热油保温箱5-3，热油保温箱5-3为带电阻加热的恒功率保温箱，能够保证保温箱内的热油温度基本恒定，热油加热箱5-5的出油端装有热电偶，检测流出的液压油的实时温度，当流出的热油温度达到设定数值，热油加热箱5-5便停止加热，同时，伺服电机5-1转速增大，带动热油迅速的在模具加热系统内循环，迅速将模具加热，采用该系统形式既能够保证板材成形所需的温度精度在1_3°C内，同时由于设有恒功率热油保温箱5-3，可以防止温降，节约能源。所述模具水喷淋系统包括水泵，水泵进水端接通水源，水泵出水端与凹模主冷却水管道1-5和凸模主冷却水管道3-9连通，冷却水经水泵流入凹模主冷却水管道1-5和凸模主冷却水管道3-9，再经凹模冷却水喷射管1-8和凸模冷却水喷射管3-6喷射到凹模1-1和凸模3-1表面，最后从凹模冷却水排水管1-10和凸模冷却水排水管3-7排出。由于凹模1-1、凸模3-1和压边圈均带有热油管道，且制造方法相同，参照图3，以凹模1-1的制造过程为例说明装置中的模具加工方法，首先制造出凹模毛坯料，然后根据凹模型腔外表面形状，在壳体模具表面加工出随形三维模具加热槽，制成凹模1-1 ；再根据凹模1-1模具加热槽的布置形状，采用剪切、折弯、焊接等方法加工出与模具加热槽相匹配的凹模热油支管道1-2，随后在模具加热槽内壁涂上耐高温导热填充料，再将加工好的热油支管路1-2铺入对应的模具加热槽中，在二者的配合间隙注入耐高温密封胶；最后，通过分段在模具表面加热槽两侧钻出螺钉孔，用螺钉将U形管道卡扣1-3与凹模1-1固定起来，再将热油支管道1-2与凹模1-1焊接在一起，从而实现热油支管道的固定。
参照图4，一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置的成形方法为首先，氮气缸2-5上行，抬起压边圈，使压边圈上板2-1的上表面高过凸模3-1，将板料4置于压边圈上表面；然后，开启热油加热系统加热凹模、凸模及压边圈到设定温度；开启压力机，带动凹模1-1靠近并接触板料4，暂停运行；其次，开启热油加热系统，凹模、凸模及压边圈通过接触传热加热板料到其树脂基体软化温度；再次开启压力机，以小于lOmm/min的速度冲压成形板料，板料4逐渐被成形，并保压30-3 ；最后关闭压力机，关闭加热系统，开启模具水喷淋冷却系统，使板料冷却至室温，并保压一段时间使复合材料完全固化后开模取件，开启压力机，提升凹模1-1，氮气缸2-5上行，成形试件被顶出，经试验验证，试件强度高、表面光洁。
权利要求
1.一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置，包括凹模组件、凸模组件、压边圈及支撑装置、热油加热系统、模具水喷淋冷却系统，其特征在于凹模组件与压力机滑块连接，凸模组件安装在底座(2-7)上，凹模组件、凸模组件及底座0-7)的中心线为同一中心线(A-A)，压边圈及支撑装置安装在底座(2-7)上，围绕凸模(3-1)均勻分布。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置，其特征在于所述的凹模组件包括凹模(1-1)，凹模(1-1)安装在凹模垫板(1-7)下面，凹模(1-1)和凹模垫板(1-7)的四周罩有凹模耐热玻璃罩(1-4)，凹模(1-1)上面安装有凹模热油支管道(1-2)，凹模热油支管道(1-2)通过凹模U形管道卡扣(1-3)固定在凹模(1-1)上，凹模支撑立柱(1-9)竖立，上下分别与凹模(1-1)和凹模垫板(1-7)连接，凹模冷却水喷管(1-8)安装在凹模垫板(1-7)中心，喷射方向正对着凹模(1-1)，凹模冷却水喷管(1-8)的进水端连接到置于凹模垫板(1-7)上面的凹模主冷却水管道(1-5)，凹模热油支管道(1-2)两端分别与置于凹模垫板(1-7)上面的凹模进油管道(1-6)和凹模出油管道(1-11)相连接，凹模进油管道(1-6)和凹模出油管道(1-11)均接入热油加热系统，凹模冷却水排水管(1-10)穿过凹模玻璃罩(1-4)底部，与凹模(1-1)上的排水槽连接。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置，其特征在于所述凸模组件包括凸模(3-1)，凸模(3-1)由凸模支撑立柱(3-4)支撑，凸模支撑立柱(3-4)竖立在凸模垫板(3-8)上，凸模(3-1)与凸模垫板(3-8)四周罩有凸模玻璃罩(3_5)，凸模(3-1)上安装着凸模热油支管道(3-2)，凸模热油支管道(3- 通过凸模U形管道卡扣(3-3)固定到凸模(3-1)上，凸模冷却水喷管(3-6)安装在凸模垫板(3-8)中心，喷射方向向上正对着凸模(3-1)，凸模冷却水喷管(3-6)进水端连接到置于凸模垫板(3-8)下面的凸模主冷却水管(3-9)，凸模热油支管道(3- 两端分别与置于凸模垫板(3-8)下面的凸模进油管道(3-10)和凸模出油管道(3-11)相连接，凸模进油管道(3-10)和凸模出油管道(3-11)均接入热油加热系统，凸模冷却水排水管(3-7)穿过凸模玻璃罩(3-5)，与凸模垫板(3-8)上的排水槽相连接，凸模垫板(3-8)安装在底座(2-7)上面。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置，其特征在于所述压边圈及支撑装置包括由压边圈上板(2-1)和压边圈下板(2- 组成的对扣式压边圈，压边圈热油支管道(2- 安装在对扣式压边圈内，压边圈热油支管道进油端接入压边圈进油管道0-8)，出油端接入压边圈出油管道0-9)，压边圈下板(2- 下面安装有绝热板0-4)，绝热板(2-4)下面与氮气缸(2- 连接，氮气缸(2- 下面固定在底座(2-7)上，氮气缸(2- 与底座(2-7)之间垫有垫块(2-6)。
5.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置，其特征在于所述热油加热系统包括伺服电机(5-1)驱动的热油泵(5-2)，热油泵(5-2)出油端接入热油输入管(5-4)，热油输入管(5-4)出油端分别与凹模组件中的凹模进油管道(1-6)、凸模组件中的凸模进油管道(3-10)、压边圈及支撑装置中的压边圈进油管道(2-8)连接，凹模组件中的凹模出油管道(1-11)、凸模组件中的凸模出油管道(3-11)、压边圈及支撑装置中的压边圈出油管道(2-9)分别与热油加热系统中的热油输出管(5-6)输入端相连接，热油输出管(5-6)输出端接入热油加热箱(5-5)进油端，热油加热箱(5-5)出油端接入热油保温箱(5- 进油端，热油保温箱(5-3)出油端与热油泵(5- 进油端连接。
6.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置，其特征在于所述模具水喷淋系统包括水泵，水泵进水端接通水源，水泵出水端与凹模主冷却水管道(1-5)和凸模主冷却水管道(3-9)连通。
7.根据权利要求1所述的一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置，其特征在于，所述装置的成形方法为首先，安放板料(4)于压边圈上，压力机滑块带动凹模组件下行与板料(4)接触，压力机停止运行；其次，开启热油加热系统，加热板料G)，使复合材料温度达到其基体树脂软化温度；再次开启压力机，以小于lOmm/min的速度冲压成形板料，并保压30-3 ；最后，关闭热油加热系统，开启模具水喷淋系统，冷却板料至室温，并保压使复合材料完全固化后开模取件。
全文摘要
一种纤维增强树脂基复合材料板热冲压成形装置及方法，装置包括凹模组件、凸模组件、压边圈及支撑装置、热油加热系统、模具水喷淋冷却系统，凹模组件与压力机滑块连接，凸模组件安装在底座上，压边圈及支撑装置安装在底座上，成形方法是将板料置于压边圈上表面，开启热油加热系统加热凹模、凸模及压边圈到设定温度，开启压力机，带动凹模靠近并接触板料，暂停运行，凹模、凸模及压边圈通过接触传热加热板料到其树脂基体软化温度，压力机继续运行，氮气缸下行，通过调节氮气缸获得合适压边力，板料逐渐被成形，本发明能够满足纤维增强树脂基复合材料板的热冲压成形，保证成形的效率和质量。
文档编号B29C43/36GK102555131SQ20121004427
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月24日 优先权日2012年2月24日
发明者张帅, 张琦, 蔡进, 赵升吨, 高强 申请人:西安交通大学