一种碳纤维复合材料车轮及其制造方法与流程

本发明涉及一种纤维增强复合材料机动车车轮的制造方法。

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。

以纤维增强复合材料制成的机动车车轮一般包括轮辐、中心轮盘和轮辋等部分。轮辋一般采用推荐的标准胎圈座和轮缘尺寸。轮胎装配于轮辋上。轮胎应选用可与轮辋相匹配的规格。由于轮胎弹性较大，具有不同的高宽比，一般每种轮辋可选配一种以上的轮胎。这种以纤维增强复合材料制成的机动车车轮一般采用预浸料铺放工艺或树脂传递模压工艺。预浸料铺放工艺将预浸料提前裁切，然后在模具中进行一层一层的铺放。树脂传递模压工艺一般采用干的纤维织物在不同的模具中制作若干个预成型体，然后在整体模具中将若干个预成型体合在一起。

这两种传统方法耗费工时较多，成型过程复杂，成本高，难以制成复杂形状。纤维增强复合材料价格较高。

技术实现要素：

为了克服以上的技术问题，本发明提供了一种纤维增强复合材料机动车车轮的制造方法。

在本发明的一个方面，提供了一种纤维增强复合材料机动车车轮的制造方法，所述的纤维增强复合材料机动车车轮由车轮内置金属件、碳纤维复合材料的轮辐和轮辋所组成，所述的方法包括步骤：(A)将车轮内置金属件放置在下模模具中定位好；(B)在模具组件内，将活动的圆台形模具块放置到下模模具中定位好；(C)在模具组件内，将用于形成车轮窗口部位的活动的三角模具块放置到下模模具中定位好；(D)在模具下模型腔中铺放预浸带纤维增强复合材料，将所有型腔铺满；(E)将圆台形模具块从下模中抽出；(F)将所述的三角模具块从模具下模抽出；(G)执行模压工艺，上下模具合模，硬化树脂形成纤维增强复合材料制品；(H)模压工艺执行完毕，上模抬起，顶出制品；(I)将第二个金属配件与车轮内置金属件伸出制品部分进行装配并粘接，形成车轮轮盘半成品；(J)通过机加工，在车轮轮盘半成品上加工出螺栓孔；(K)将机加工后的车轮轮盘半成品与轮辋部分连接，形成车轮；其中，预浸带纤维增强复合材料的长度为20-60mm，宽2-8mm，增强纤维以同一方向排列。

在本发明优选的方面，预浸带纤维增强复合材料的长度为40mm，宽5mm。

在本发明优选的方面，在步骤(C)中，用于形成车轮窗口部位的活动的三角模具块为5-7个。

在本发明优选的方面，在步骤(D)中，通过使用震动机械手装置铺放预浸带纤维增强复合材料；在铺放过程中，震动机械手在上方将预浸带纤维增强复合材料均匀撒入下模型腔。

在本发明进一步优选的方面，在步骤(D)中，在铺设过程中进行预合模动作，然后再次开模，撒入预浸带纤维增强复合材料。

在本发明更优选的方面，机械手的震动频率为50-100Hz。

在本发明优选的方面，在步骤(D)中，在铺料之前还包括对模具进行预热的步骤，预热温度在60℃至80℃之间。

在本发明进一步优选的方面，预热温度为70℃±2℃。

在本发明优选的方面，在步骤(G)中，上模合模压力为1750-3500Mpa之间。

在本发明进一步优选的方面，合模压力为2600Mpa。

在本发明优选的方面，在步骤(G)中，压机压力在2600Mpa保持10分钟，然后使模具升温至100℃至105℃后，压机继续加压至2900Mpa，同时使模具温度升至150℃至160℃，在此温度下保温25分钟至30分钟。

在本发明优选的方面，车轮内置金属件包含5个凸爪，每个凸爪设置1个盲孔；盲孔直径为8-20mm，下模包括5个与内置金属件凸爪盲孔配合的轴；车轮内置金属件包含1个中心孔，下模包括1个中心轴与内置金属件中心孔相配合。

在本发明进一步优选的方面，盲孔直径为12mm。

在本发明的其他方面，还公开了以上方法的具体工艺条件。所述的方法包括步骤：(1)将模具预热至70℃；(2)铺放纤维增强复合材料预浸带；(3)将金属镶嵌块放置到底模上；(4)将窗口随形块和中心圆台块放置到底模上；(5)继续铺放纤维增强复合材料预浸带；(6)将中心圆台块和窗口随形块取出；(7)合模，压机压力在2600Mpa保持10分钟；(8)使顶模和底模升温至100℃至105℃；(9)压机继续加压至2900Mpa，同时使模具温度升至150℃至160℃，在此温度下保温25分钟至30分钟。热固化形成整体。

在本发明的其他方面，还公开了用于以上的方法的模具。所述的模具包括顶板、顶模、底模、下板、底板、动力装置、热流道、顶杆。具体地址，其包括上下盖板、用于将轮子顶出的顶杆机构和用于形成轮盘部分的型腔上下模具部分。根据本发明，由此形成的车轮使用的模具包括5-7个活动的窗口随形块和1个活动的圆台块。这些活动模具块可以由金属材料制成，也可以由工程塑料制成。最佳地，这些活动模具块由工程塑料制成，且内部为空心结构，上部包括1个把手。模具两侧各包括一对动力装置。动力装置通过螺栓连接到一块平板上，动力装置活动杆连接到模具底板上。优选地，动力装置为液压缸。平板上设置多个细顶杆，细顶杆穿过模具下模，细顶杆分为2组，中心一组与制件轮心部位接触，圆周一组与制件圆周台阶接触。优选地，中心一组包括5根细顶杆，圆周一组包括10根细顶杆。细顶杆直径为12mm。平板上设置4根粗顶杆，四角各1根。粗顶杆固定在下盖板上，穿过平板，合模时与上模接触。模具上模和下模都设置加热装置，加热装置可以是任何适合加热的形式，包括但不限于蒸汽加热、油加热、电磁加热或者在压机上加热，或者组合加热。模具上模和下模各设置对称的4个模具吊环，每侧2个。吊环可拆卸。模具下模4角设置4个导向销，模具上模4角设置4个导向销孔。模具使用震动机械手装置进行撒料。

根据本发明，由此形成的车轮使用的是纤维预浸带而不是连续纤维增强复合材料或热塑性纤维增强复合材料。这种纤维预浸带更容易实现自动化填料，同时材料整体力学性能较好。这是连续纤维增强复合材料和热塑性纤维增强复合材料所不能同时具备的。连续纤维增强复合材料成型过程中须一层层铺放，不易实现自动化，生产效率低。热塑性纤维增强复合材料的增强纤维一般为2-15mm，且以单根的形式存在，材料力学性能相对较低。相比之下，这种纤维预浸带具有效率和力学性能的组合优势。

根据本发明，制造出轮盘，此轮盘与另一部分轮辋连接起来形成整个车轮。这种轮盘结构使模具和制造过程更加简单，制件性能更加优良。相比之下，整个车轮一次成型的方案，模具需包括轮辋部分，且脱模方向多，工艺复杂。

按照本方法制备的车轮预浸带原材料利用率接近100％，而连续性纤维增强复合材料的材料利用率较低。按照本方法制备的车轮不必进行数控裁切，而而连续性纤维增强复合材料的材料需按一定形状裁切。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为根据本发明一实施例所涉及的方法使用的纤维增强复合材料预浸带示意图。

图2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正面轮盘的一种形式的示意图。

图3为图2中的轮盘的剖面示意图。

图4为图2中的轮盘和轮辋装配到一起后的示意图。

图5为根据本发明一实施例涉及的纤维增强复合机动车用车轮正面轮盘的制造方法所用到的模具组件。

图6为图5所示的模具组件的剖面示意图。

图7为图模具内部局部示意图。

图8为模具温度曲线。

图9为压机压力曲线。

1-轮辐；2-中心螺栓孔；3-圆周中心孔；4-窗口；5-中心孔；6-车轮内置金属件，7-安装面垫块；8-本发明所涉及的方法制造出的纤维增强复合材料车轮轮盘；9为复合材料轮辋10-顶板；11-顶模吊环；12-顶模；13-底模吊环；14-液压缸；15-底板；16-顶模热流道；17-底模热流道；18-底模；19-下板；20-窗口随形块；21-顶杆；22-中心圆台；23为车轮内置金属件的孔，24为底模上的凸起。

具体实施方式

以机动车车轮进行本发明的描述只是一个典型的应用案例，不能理解为本发明只限于上述应用。

实施例1

如图1所示为纤维增强复合材料预浸带，纤维为单向排列。

如图2所示为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材料车轮轮盘，碳纤维复合材料车轮包括1-轮辐；2-中心螺栓孔；3-圆周中心孔；4-窗口；5-中心孔。

图3所示为图2中纤维增强复合材料车轮的剖面图。其中6为镶嵌到车轮内部的金属配件，7为安装面垫块，通过粘接与纤维增强复合材料部分连接到一起，7上的孔同时与6上凸起相配合。

图4所示为纤维增强复合材料车轮组合示意图。其中8为本发明所涉及的方法制造出的纤维增强复合材料车轮轮盘，9为复合材料轮辋。

图5所示为根据本发明一实施例涉及的纤维增强复合机动车用车轮正面轮盘的制造方法所用到的模具组件。

顶板10和底板15用来连接到压机上。顶模吊环11共有4个，每侧2个对称布置。底模吊环13共有4个，每侧两个对称布置。液压缸14共有4个，每侧2个对称布置，液压缸14与下板19固定在一起，用来将下板19升起和降下，从而带动顶杆升降。热流道16和17为导热介质通道，用来使模具升温降温。

图6为图5所示模具组件的剖面示意图。20-窗口随形块；21-顶杆；22-中心圆台块。制造车轮时，首先铺放部分纤维增强复合材料预浸带，然后将金属嵌块6放置到底模18上，再将中心圆台块22和窗口随形块20放置到底模上。顶杆21与下板19固定在一起，开模时用来将复合材料制件顶出。

图7为图模具内部局部示意图。其中23为铝合金镶嵌件6的孔，24为底模18上的凸起，通过孔23与凸起24的配合，使铝合金镶嵌件在模具18中定位。

通过加热装置将热介质通入热流道16和17，使顶模12和底模18预热至70℃。纤维增强复合材料预浸带铺放完成后，将中心圆台块22和窗口随形块20取出。合模后，压机压力在2600Mpa保持10分钟，然后使顶模12和底模18升温至100℃至105℃后，压机继续加压至2900Mpa，同时使模具温度升至150℃至160℃，在此温度下保温25分钟至30分钟。

最后，压机将上模12升起，动力装置14通过顶杆21将制件顶出。

以上仅就本发明较佳的实施例做了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，蜂窝结构可以是打印成型。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

本发明的发明人将按照该方法制备的车轮与传统方法制备的车轮性能进行了比较：

与同等规格的铝合金车轮相比，按照本方法制备的车轮轻量化30％-40％。

按照本方法制备的车轮轮辐样块的抗拉强度为346Mpa。铝合金车轮轮辐样块的抗拉强度为230-250Mpa。

按照本方法制备的车轮比连续纤维增强复合材料车轮铺放效率提高50％以上。

按照本方法制备的车轮预浸带原材料利用率接近100％，而连续性纤维增强复合材料的材料利用率较低。按照本方法制备的车轮不必进行数控裁切，而而连续性纤维增强复合材料的材料需按一定形状裁切。