使用冲压模具制造纤维增强复合材料成型产品的方法与流程

技术领域

本发明涉及的是一种冲压成型领域的技术，具体是一种将预浸料冲压成型后制造纤维增强复合材料成型产品的方法、及此制造方法所使用的冲压用模具。

背景技术：

纤维增强复合材料成型产品一般采用环氧树脂等材料，因此可通过用环氧树脂浸渍纤维束、干燥后获得预浸料，再将其加热、加压使之固化的方法制造。

[国际公开第2013/081058号小册子]的段落[0022]中记载，此类制造方法通常包括了热压罐成型、真空袋成型、RTM法、冲压成型，其中以冲压成型的生产效率最高、生产出的纤维增强复合材料成型产品品质最好，因此被广泛利用。

现有技术如[国际公开第2013/081058号小册子]，然而现有技术中由于预浸料与金属材料不同，冲压成型时固化了的预浸料很容易附着于模具上，当需要将附着的已固化预浸料与模具(脱模)分离时，需先将模具冷却，而每次冷却所花费的时间都会使生产效率产生相应的低下。现有的模具冷却方法是采用较为费时的水冷或油冷，并且当在冷却后需要继续制作纤维增强复合材料成型品时，又必须将已冷却的模具加热到原有温度，所以在连续制作纤维增强复合材料成型品的整个过程耗时过长。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种使用冲压模具制造纤维增强复合材料成型产品的方法，具有耗时短、能源损耗少的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种纤维增强复合材料成型产品的制造方法，通过将预浸料设置于上模及下模之间一同进行加压与加热，然后将上述上模与下模相互分离，并向附着在上模和下模的冲压面上的已固化预浸料以及冲压面之间施加冷却气体，从而使已固化预浸料从模具脱模。

所述的冲压面的边缘设有倾斜部，以使上述冷却气体更易于深入已固化预浸料与冲压面之间，并且该倾斜部具有从冲压面的边缘往中心扩散状结构，从而将冷却气体从倾斜部向冲压面的中心导入。

本发明进一步涉及一种实现上述方法的模具，包括上述预浸料所附着的冲压面、及为使上述冷却气体更易于深入上述已固化预浸料与上述冲压面之间而设置在上述冲压面边缘的倾斜部的冲压用模具。

所述的冲压用模具为具有中空结构的模具。

技术效果

与现有技术相比，本发明的制造方法可在短时间内将附着于模具上的已固化预浸料脱模。并且因为无需将模具冷却达到与可脱模、已固化预浸料同样的温度，减少了温度的上下浮动，达到抑制能源损耗的作用。

附图说明

图1为实施例中预浸料配置于下模时的示意图；

图2为实施例中将上模往下降、将预浸料夹在上模和下模之间，同时加压、加热时的状态的示意图；

图3为实施例中将上模返回到原来位置时的示意图；

图中：预浸料附着于上模；

图4为上模的立体示意图A；

图5为上模的侧视图；

图6为上模的立体示意图B，即为图4翻转状态；

图7为上模的截面图；

图中：1冲压成型装置、2预浸料、21已固化预浸料(纤维增强复合材料成型产品)、3上模、31冲压面、32倾斜部、33把手部、34中空部、4下模、5冷却部、51冷却气体喷出部、52冷却导管、6上模加热部、7下模加热部。

具体实施方式

本实施例涉及一种纤维增强复合材料成型产品的制造方法，通过将碳纤维、玻璃纤维等纤维束用热塑性树脂或热固化性树脂浸润并干燥而得的预浸料，经冲压成型并得到纤维增强树脂复合材料成型产品，或将上述预浸料与铝、铁、钛等金属加压加热后接合而成的纤维增强树脂复合材料/金属一体成型产品。纤维增强复合材料成型产品根据用途、形状的不用，可使用于飞机、汽车等的零部件中。

本实施例的制造方法通过如图1所示的上模3、下模4的冲压成型装置1实现，该装置的上模3为上下可动，并且上模3和下模4之间实现压缩(冲压)物体。

所述的冲压成型装置1中进一步设置上模用加热部6及下模用加热部7，分别对上模3与下模4进行加热。

所述的冲压成型装置1中设有冷却部5。

本实施例针对纤维增强复合材料成型产品中的纤维增强树脂复合材料成型产品的制造过程具体如下：

1)首先将上模3与下模4加热到130℃～150℃左右。

2)其次，在下模4上方的中央部分附近配置含有碳纤维的环氧树脂预浸料2。此时，根据需要将预浸料2进行预备加热。这一状态如图1所示。

此外，在制造纤维增强复合材料/金属一体成型产品而非纤维增强树脂复合材料成型产品时，将预浸料配置于片状的铁、铝、钛等金属之上。

3)然后将上模3朝下方移动，将预浸料2夹在上模3与下模4之间并加压。此时压力约为1MPa～8MPa左右。冲压时间为30秒～180秒左右。这一状态如图2所示。

经过上述加压、加热工序，此时预浸料2成为已固化预浸料21(纤维增强复合材料成型产品)。

4)为了将已固化预浸料21取出，需将上模3往上升。此时已固化预浸料21附着于上模3的表面。由于已固化预浸料21及上模3都处于高温状态，因此无法立即将已固化预浸料21从上模3分离脱模。

5)为使已固化预浸料21脱模，需将从冷却气体导管52诱导出的冷却气体从冷却气体喷出部51朝已固化预浸料21的横面方向施加，以让冷却气体如同深入已固化预浸料21与上模3之间充分施加为最佳。

为使冷却气体朝已固化预浸料21的侧面开始均匀地扩散施加，以扁平状而非圆形的冷却喷出口为最佳。

6)施加冷却气体后，已固化预浸料21与上模3的冲压面31(表面)瞬间冷却，此时已固化预浸料21即可脱模。

所述的冷却气体只需是可让已固化预浸料21和冲压面31瞬间冷却的气体即可，进一步优选为‐20℃左右的空气。所述的‐20℃左右的冷却气体优选采用日本精器株式会社制造的冷空气产生器生成。

此时通过施加冷却气体而冷却的已固化预浸料21已从上模3脱模。脱模所需的时间为从施加冷却气体开始大约需要5秒～60秒左右极短的时间。并且当已固化预浸料21脱模后的模具的温度为120～140℃左右。换言之，使用冷却气体脱模的情况下，模具的温度仅下降了‐5℃～‐10℃左右。

综上所述，本方法通过朝附着于模具上的预浸料与冲压面之间施加冷却气体，使模具与已固化预浸料的附着部分迅速冷却、从而顺利脱模。

上述方法采用了使上述冷却气体更易于深入附着的已固化预浸料21与冲压面31之间结构的模具实现，具体来说：

如图4所示，所述的上模3上设有使冷却气体更易于深入冲压面31的中央部分的倾斜部32。

优选地，为使从喷出部51施加出的冷却气体更易于深入附着的已固化预浸料21与冲压面31之间，所述倾斜部32设置于所述冷却气体喷出部51附近。

进一步优选地，所述的倾斜部32的形状能够使冷却气体可均匀施加于冲压面31整体，具体来说，倾斜部32形状以从上模3的边缘往其中心部分扩散状为最佳，例如图4实施例所示的梯形形状。

所述的倾斜部32的倾斜角度并无限制，优选为以相对上模的设置面10～45°左右。

如图5(侧面图)、图6(立体图B)、图7(断面图)所示，所述的上模3优选在其冲压面31的相对侧设有挖空的中空部34，该中空部具体是指预浸料与上模或下模接触的相对一侧(参考图6等)。

所述的中空部34的形状采用但不限于如图6所示的长方体，其尺寸并无限制，但以模具整体体积的50％～80％之间的比例为最佳。

所述的中空部34除直接挖空金属铸锭制作外，亦可采用板状金属组合拼接的方式实现。此类将板材组合制作模具的方法亦在本发明的范围内。用这种方法制造可抑制废弃物的产生，同时可设置大空间的中空部。

本实施例由于不对模具进行水冷处理、无需在模具内配置水冷管，因此可在模具中设置中空部，设有中空部34的模具与没有设置中空部的铸锭形状模具相比重量约轻2/3～1/2，更便于更换模具，加热时温度提升更快。

如图1～图7所示，所述的模具进一步设有把手部33，必要时可更换成所需形状的模具。

本发明的纤维增强复合材料成型产品并不仅限于片状，亦可制作成其他形状。

本实施例技术效果包括：

1)采用预浸料2冲压成型后制造纤维增强复合材料成型产品的方法，即包括将上述预浸料2夹在上模3及下模4之间的工序、将夹在中间的预浸料2同时进行加压与加热的工序、将上述上模3与下模4相互分离的工序、往附着在上述上模3及上述下模4的其中一方的冲压面31上的已固化预浸料21、及其所附着的上述冲压面31之间施加冷却气体，从而使上述已固化预浸料21从模具脱模的工序的方法。该方法可使附着于模具上的已固化预浸料在短时间内脱模，温度的上下幅度减少，同时降低了能源损耗。

具体来说，通过将冷却气体施加到已固化预浸料21与上述冲压面31之间，使附着的部分急速冷却，从而使已固化预浸料21在短时间内即可脱模。同时减少了提升温度(130～150℃)以便进行下一次制造所需耗费的时间。

由于无需降低模具整体温度，模具温度不会过低(一般只降低‐5℃～‐10℃左右)，更便于加热到所需温度。而现有的水冷技术由于需要将模具温度下降到100℃以下，当再次加热时既耗时又损耗能源。因此本发明在节省时间的同时，抑制了加热所耗费的能源。

同时冷却气体可让模具和预浸料急速冷却并脱模，从而防止纤维束在树脂内发生变形、移位。

2)为使上述冷却气体更易于深入上述已固化预浸料21与上述冲压面31之间，在上述冲压面31的边缘设置倾斜部32。上述冷却气体从上述倾斜部32往上述冲压面的中心导入，使更多的冷却气体更易于深入已固化预浸料21与冲压面之间，从而使冲压面的冷却速度变得极快。

3)上述倾斜部32具有从上述冲压面31的边缘往上述冲压面31的中心扩散一般的形状，因此由倾斜部32导入的气体便于向附着的已固化预浸料21与冲压面31之间扩散，即可在其他时间将已固化预浸料21脱模。

4)上述上模3及下模4中至少一个为中空模具，使得当已冷却、已固化预浸料21脱模后则能更快速地加热到所需温度，节省了制造工序的时间，从而使已固化预浸料21的生产量提升了单位时间所对应的量。同时中空模具更为轻巧、便于替换，在各方面达到了水冷模具所无法企及的效果。

5)为将预浸料2冲压成型后制造纤维增强复合材料成型产品而使用到的模具，即包括上述预浸料2所附着的冲压面31、及为使上述冷却气体更易于深入上述已固化预浸料21与上述冲压面31之间而设置在上述冲压面31边缘的倾斜部32的冲压用模具。此冲压模具对于将预浸料2冲压成型后制造纤维增强复合材料成型产品的过程及其重要，通过施加冷却气体，使得附着于冲压面31的已固化预浸料2更易于从冲压面31脱模。

6)上述模具为中空，即可实现上述快速加热、冷却，从而减少制造时间，并且由于体积轻巧、便于更换，亦减轻了操作人员的负担。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。