厚壁复合材料一次成型技术和工艺研究

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  综观汽车冲压生产线现状,高端冲压线专用搬运机器 外模采用钢模,分为上下两哈弗。产品内部采用气囊 人得到广泛应用,为了进一步降低冲压线的能耗并提高效 加压。将碳纤维预浸料铺放在气囊上,铺层时环向纤维应 率,要求搬运机器人的主结构采用轻质高强的材料替代传 适当松弛,需分段对接,每层接缝错开,铺层结束后放入统的铝合金、钢等金属材料,如图1。[1] 外模。模具放置在压机上,合模后一边加热一边用空压机 对气囊充气,加压压力为,整个过程持续加压,
  直至产品固化结束。
  方法二、RTM成型工艺
  采用RTM成型工艺时为了将产品内部芯模脱出,需采用 低熔点合金芯模。将干的碳布铺放在模芯上,为了防止碳 布滑移,可以在碳布Z向进行碳纤维穿刺,铺层结束后放入 外模进行注胶。室温下静止24小时后脱模,内部芯模可升温熔化后从产品一端开口处倒出,反复利用。
  目前,国外先进机器人主结构均采用碳纤维复合材 方法三、内部硅橡胶加压工艺料,复合材料相比于金属材料具有以下优势[2] 利用硅橡胶受热膨胀的特性,设计硅橡胶加压模。采用(1)碳纤维复合材料密度较金属材料低,碳纤维密度 T700碳纤维预浸料铺层,同样铺层时环向纤维应适当松弛,仅为1.6g/cm3,密度为钢的1/5、铝合金的3/5。 需分段对接,每层接缝错开。铺层在硅橡胶上进行,铺层结(2)碳纤维复合材料性能好,比强度、比刚度高,碳 束后放入外模,合模后将模具放入烘房内升温固化。
  纤维复合材料及常用材料性能对比见表1。 上述三种工艺方法各有优缺点,具体如表3所示。
  (3)碳纤维复合材料具有较低的热膨胀系数,碳纤维 复合材料热膨胀系数可设计,一般主方向热膨胀系数低于×10-6/K,不到普通钢的一半,是常用铝合金的1/4,较低的热膨胀系数更有利于结构的稳定性。
  (4)碳纤维复合材料具有优秀的抗腐蚀性,相比于金 属材料,碳纤维复合材料不会生锈,老化速度也极慢,使 根据表3中三种工艺方法的对比结果,本产品采用内置用寿命可达10年以上。 气囊加压工艺最为合理。
  碳纤维复合材料相比于金属材料,优势明显,使用碳 二、材料选择纤维复合材料制造的机器人,可大大降低机器人自身结构 根据产品采用气囊成型工艺的特点以及铺层设计时规 的重量、提高结构的稳定性,从而提高机器人系统的精度 定的材料基本性能,碳纤维零件的增强材料选择兼具高强和运行效率。 度的T700级碳纤维,树脂基体选用尺寸稳定性好、性能优 研究碳纤维复合材料机械臂开发的技术和工艺符合产 异的双酚A型环氧树脂,成型前将树脂及碳纤维通过热熔法 业发展方向,而厚壁复合一次成型技术更是国内领先,国 浸胶工艺制成预浸料。考虑到产品的重量以及胶接强度,际先进。碳纤维复合材料机械臂开发有以下关键技术[3、机械臂中埋设的金属埋件选用轻质高强且与胶黏剂结合良 (1)适用于复合材料机械臂的低成本树脂体系的研 好的硬铝合金。胶接用的胶黏剂选用可以常温固化且胶接制,包括树脂配方的调试,固化体系的完善等; 强度高、韧性强的环氧胶。
  (2)厚壁(3mm以上)复合材料制件一次成型技术, 三、生产工艺主要突破厚壁复合材料内部易出现分层、疏松等缺陷、通 1.碳纤维零件过技术研究提高厚壁复合材料制件一次成型的合格率,包 碳纤维零件为中空式薄壁结构,采用气囊内加压成 括专用成型模具的优化设计、成型工艺方法的改进及无损 型,外模采用钢模,模具的大致结构如图2所示。
  探伤技术的提高。
  一、根据该产品的结构特点,以下工艺方法可供选择:
  方法一、内置气囊加压工艺
  气囊要选择规整性较好的材质,利于保证产品内腔的 尺寸精度,减少产品拐角等部位不易被压实,易产生分层、疏松等缺陷。根据产品的内腔尺寸设计气囊外形,除了外形以外,主要设计气囊的刚度和坍缩率。刚度设计主要目的在于整体成型碳纤维零件时,气囊对预浸料的铺放起到支撑和定位作用,坍缩率的设计主要为了满足装模和脱模的要求。坍缩率在一定范围内与刚度成反比,因此设计气囊结构时,要同时考虑气囊的刚度和坍缩率两者的关系,做到结构的优化设计。两者的协调主要通过气囊的壁厚进行调整,气囊的厚度越厚刚度越大。另外,气囊的充气金属接头一般根据产品的结构情况设计在气囊的开敞面上。金属接头与气囊基材的密封可以通过金属垫片上的密封槽实现。金属垫片的大小根据产品开敞面的大小进行合理设计,既保证气密性,又可保证坍缩率适宜,方便装模和脱模。
  气囊使用前一般先进行气密性检查,方法为利用空压 机打压0.15MPa,保压15min不漏气。确认密封后在气囊上 铺放碳纤维单向预浸料,铺放环向预浸料时需将纤维分 段,应适当松弛,接缝错开。在装模时为了进一步提高预 成型件的规整性,可以采用真空预压实处理。另外,气囊 的柔性使装模、脱模更为便捷。铺层结束后,将气囊放入 外模,合上模具后放置于热压机上,利用压机将模具合模 到位,加热的同时利用空压机对气囊充气,一定压力后保 压至产品固化。产品脱模后在铣床上加工缺口及孔。碳纤维零件生产工艺流程如图3所示。
  碳纤维零件气囊成型的过程是铺层后的预浸料在一定 的外部条件下经历黏流、凝胶、交联固化的过程。根据预 浸料树脂体系的黏流特性选择合适的升温、加压制度是保 证产品质量的关键。碳纤维复合材料制品一般的缺陷表现 为内部分层及孔洞,形成的原因主要是固化过程中预浸料 吸收的水份、自带的挥发份以及裹入的气泡在经历成核、 平衡、生长和迁移过程之后仍有一部分残留在预浸料内 部,随着树脂的交联硬化,气泡停止运动后形成分层、孔洞等缺陷。
  当产品温度在树脂凝胶点前,其粘度较低,预浸料铺 层过程中裹入的气泡随着胶液一起流动,当树脂的粘度低 于η0时气泡迁移的速度小于树脂流动速度,当树脂的粘度 大于等于η0时气泡迁移的速度等于树脂流动速度。树脂的 流动方向沿着压力降低的方向,可以沿着纤维移动,也可:渗透系数
  :过液断面
  :压力梯度
  为了使气泡能够迁移,树脂流动的动力必须大于阻碍 气泡迁移的阻力,即沿着树脂迁移方向的压力梯度必须大 于某个临界值。该临界值与树脂的粘度有关,粘度越低临 界值越小,树脂越容易流动。树脂流动方向的压力梯度与 气囊充气压力有关,压力越大,压力梯度越大,树脂流动 的动力越大。当树脂凝胶时粘度急剧增大,形成半固态, 此时临界值非常大,气囊充气压力对树脂流动性几乎无影响,树脂不再流动。
  根据上述原理可知,要想预浸料内部气泡最大程度的 排出,在树脂凝胶点之前需对气囊进行充气,但因控制充 气速率不可太快,否则树脂流出去了但气泡仍在,而且树 脂流动过快会使纤维产生滑移,不利于产品性能。应在树 脂凝胶点前尽可能长的保持一定的压力梯度,使气泡在较 长时间内持续排出。到达凝胶点时,为了使产品材质致 密,应将气囊压力快速提升至工艺允许的最大压力,保证预浸料层与层之间紧密贴合。
  产 品 固 化 结 束 后 脱 模 , 清 理 毛 边 及 残 胶 , 按进行超声波无损检测,标记超标缺陷,一般要求总缺 陷面积小于等于整个产品表面积的1.5%。所有指标均检测 合格后利用数控铣床进行机加工,加工内容主要为开槽及制孔。
  胶接装配
  碳纤维零件及金属件制作完成后,在工装上进行定 位,并用J-133胶黏剂进行胶接装配。J-133胶黏剂为黑龙 江石油化工研究所专门为国家863项目研制的高强度高韧性 常温胶,对铝合金及碳纤维件有非常强的粘接力,其性能指标如表4所示。
  对碳纤维件及铝合金埋件胶接前必须对胶接面进行表 面处理,碳纤维面用2#砂纸打磨至表面发乌,并打出黑色 粉末后用丙酮洗净。铝合金胶接面首选采用AL/Et.A(P) 处理,时效为72小时。经过工艺试验对比,采用(P)处理的铝合金胶接强度比纯手工打磨要提高26.6%。 涂胶后埋件应用螺钉带紧或重物压实,接触压力不超 过0.1MPa,在常温下固化24小时或80℃下40min后可进行后 续的机加工操作,机加工结束后利用表面胶对机械臂外观 胶封、裱糊,获得较高的表面光洁度并增加产品耐湿热老化性能。
  工艺流程如下图3所示。
  四、质量保证方案
  严格控制机械臂复合材料结构件的研制过程,包括原 材料、生产过程及随炉试样的测试,编制质保大纲、表格化工艺及专用记录表。
  原材料质量控制
  图3 成型工艺流程
  表4 J-133胶黏剂性能
  剪切强度
  室温
  ≥
  剪切强度
  ℃
  ≥
  剪切强度
  ℃
  ≥
  °剥离强度
  板/板
  ≥
  非均匀扯离强度
  ≥
  社科文化
  观324 5所示。
  对产品上使用的原材料的供方应按程序文件《采购的控制程序》进行考察评价,合格的采购供方列入清单内。产品检测试验项目及实施方案 的原材料必须入公司复验,复验合格后才能投入使用。
  主要检验试验项目见表6。 2.外协及控制措施
  由于公司没有大型数控机械加工设备,因此研制中工 装模具的加工需要通过外协完成。所选择的外协点经过多型号卫星项目的考核,完全能够满足研制的需求。
  工装模具的外协制造由专人负责,及时掌握制造进展 情况。工装模具制造完毕后由检验员下厂验收,确保制造的质量与进度。
  过程质量控制措施
  在产品投产前由公司内部的专家组对工艺方案进行评 审,并由主任工艺师对工艺文件的工艺方法进行审查并签字确认。
  所有试片的检测项目均采用相应的国标或国军标进行 在产品研制生产过程中工艺现场指导并严格按工艺文 测试,测试过程严格按照公司内部相应的测试操作规范执 件的要求进行生产,保证产品成型、装配、测试、检验等行,确保测试结果的有效性及数据记录的规范性。 操作过程准确无误和记录完整、可追溯。
  在以上技术和工艺保证下,我们中试出来的产品,完 首件产品生产前需由质量师组织工艺人员对生产操作全达到预定指标,经用户试用,完全符合生产线要求。 人员和检验员进行技术交底,明确产品生产中的各项控制要求。
  参考文献: 铺层成型、胶接装配、检验测试、产品验收等按照工 [1]邢 立 英 .树 脂 基 复 合 材 料 制 造 技 术 进 展 .复 合 材 料 学 艺流程细化每一道工步并形成表格,表格栏目包括操作内报.2013,30(2):1-9. 容、操作要求、合格判据、实施结果、判读结果等,所有陈祥宝,张宝艳等.先进树脂基复合材料技术发展与应用现 项目经检验人员确认。操作人员严格依据表格的要求进行状.中国材料进展.2009(6):2-12. 相关操作。表格中有量化要求的必须填写实测数据,操作 [3]乌云其其格,益小苏.复合材料等成本成型用预成型体的制及检验人必须在表格上签字确认。 备.高科技纤维与应用工装配制原则及所需配制的工装 [4]张昭,李闵行等.激光超声技术在航空碳纤维复合材料无损 制作碳纤维复合材料结构件所需的主要工装模具如表 检测中的应用.航空工程进展
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