一種纖維-金屬混雜復合材料零件疊層成型工藝方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種纖維-金屬混雜復合材料零件疊層成型工藝方法，主要涉及成型具有特殊結(jié)構(gòu)的纖維-金屬混雜復合材料蒙皮或角材。
【背景技術】
[0002]在纖維-金屬超混雜復合材料成型過程中，目前使用的工藝方法是在模具中手工鋪貼纖維預浸料層及鋁合金層，這種工藝在成型平板或小曲率結(jié)構(gòu)的層合板零件時具有較好的可操作性，但是成型復雜結(jié)構(gòu)的纖維-金屬混雜復合材料零件卻難以實現(xiàn)，主要表現(xiàn)為:1)厚度較厚的金屬層鋪覆復雜形狀時，因金屬較差的鋪貼性，金屬層貼模困難，使成型后的零件外形偏差較大；2)金屬層具有比較高的韌性及高溫膨脹特性，鋪貼后如無另加約束會迅速反彈，造成層板整體的鋪覆工藝困難；2)當鋪貼圓角結(jié)構(gòu)時，因R區(qū)在法向存在曲率半徑的漸變，需要對每一層金屬層單獨制作R區(qū)成型工具，即便如此也難以在R區(qū)形成良好的曲面過渡，容易形成層間缺陷；3)無法完全克服變曲率結(jié)構(gòu)零件的成型問題，雖然在熱壓罐等設備的高壓下成型，但變曲率區(qū)依然會存在輕微的金屬褶皺等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種用于成型復雜結(jié)構(gòu)纖維-金屬混雜復合材料零件的加工制造方法，該方法具有低成本、高效率、操作簡便、后期工藝簡易的特點，并且疊層沖壓后的金屬層預制體具有較高精度及較好的層間過渡匹配性。
[0004]本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案如下:該方法包括以下步驟:
[0005]a.依據(jù)零件外形裁剪金屬片沖壓模片；
[0006]b.將金屬片依次疊層，每層金屬片之間鋪放與纖維-金屬混雜復合材料零件中纖維復合材料層相同厚度的夾層材料得到疊層板材，夾層材料包括:塑料片或金屬片；
[0007]c.在沖壓模具邊緣涂抹潤滑劑，潤滑劑包括:潤滑油、石蠟或聚四氟乙烯；
[0008]d.將疊層后的疊層板材在50°C?150°C溫度范圍內(nèi)放入預沖壓模具內(nèi)預沖壓成型，預沖壓成型的壓力范圍為30MPa?50MPa，恒壓1min?20min ；
[0009]e.定位預沖壓后的疊層板材中每層金屬片與模具之間的相對位置，剝離預沖壓后的疊層板材，去除夾層材料；
[0010]f.在固化成型模具上設置與預沖壓模具相同的定位點，在固化成型模具中依次鋪貼預沖壓后的金屬片和纖維復合材料層，最外層為金屬層，將鋪貼完成后的金屬-纖維復合材料疊層固化成型為纖維-金屬混雜復合材料零件。
[0011]金屬片包括:鋁合金、鈦合金及不銹鋼，金屬片厚度為0.2mm?2mm，纖維復合材料層使用的預浸料包括:芳綸纖維、碳纖維或玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂基預浸料，預浸料單層厚度為0.25mm?0.6mm,金屬層與纖維復合材料層的層數(shù)比為:2:1或3:2，金屬層位于外層，每層的纖維復合材料層由單層或多層預浸料組成，金屬層與纖維復合材料層隔層鋪貼。
[0012]所述夾層材料包括:PP塑料片、PE塑料片或鋁合金片，50°C?80°C沖壓選擇塑料片，81°C?150 °C沖壓選擇鋁合金片。
[0013]在預沖壓模具中設置有疊層板材沖壓定位銷，同時在固化成型模具同位置上設置定位銷，定位銷高度低于5_。疊層結(jié)構(gòu)沖壓后在金屬層上保留定位銷沖壓痕跡，依據(jù)該定位銷沖壓痕跡在固化成型模具上鋪貼預沖壓后的金屬片及纖維復合材料層。
[0014]預沖壓疊層板材中的金屬片層與夾層材料層數(shù)量比例與纖維-金屬混雜復合材料零件中金屬層與纖維復合材料層層數(shù)比例相同。
[0015]纖維-金屬混雜復合材料零件固化成型方法包括:模壓成型或熱壓罐成型。
[0016]本發(fā)明的特點及優(yōu)點是，
[0017]本發(fā)明采用多層金屬層疊加并在層間預置與預浸料層等量的夾層物后，一次沖壓成型，得到具有外形逐漸過渡變化的金屬層預制體，而后將金屬層預制體及預浸料逐層鋪貝占，在熱壓罐或熱壓機中成型零件。本方法可成型的纖維-金屬混雜結(jié)構(gòu)包括槽形、U型、角材及飛機機頭蒙皮不可展開的部位。疊層沖壓工藝過程包括金屬層裁剪、金屬層與夾層物疊層、模具準備、沖壓預成型、剝離夾層物、鋪貼并成型纖維-金屬混雜結(jié)構(gòu)零件等工序。采用該方法的纖維-金屬混雜材料零件，外形尺寸匹配性好、成型效率高、操作簡便，形成的金屬層預制體具有良好的可操作性；并且，當成型復雜結(jié)構(gòu)的纖維-鋁合金夾層零件時，省去了制造成型輔助工裝的費用，使零件成型更快捷、成本更低。
【附圖說明】
[0018]圖1為槽形鋁合金疊層沖壓模具示意圖。
[0019]圖2為槽形結(jié)構(gòu)鋁合金疊層示意圖。
[0020]圖3為沖壓后的槽形鋁合金疊層零件示意圖。
【具體實施方式】
[0021]a.依據(jù)零件外形裁剪金屬片沖壓模片；
[0022]b.將金屬片依次疊層，每層金屬片之間鋪放與纖維-金屬混雜復合材料零件中纖維復合材料層相同厚度的夾層材料得到疊層板材，夾層材料包括:塑料片或金屬片；
[0023]c.在沖壓模具邊緣涂抹潤滑劑，潤滑劑包括:潤滑油、石蠟或聚四氟乙烯；
[0024]d.將疊層后的疊層板材在50°C?150°C溫度范圍內(nèi)放入預沖壓模具內(nèi)預沖壓成型，預沖壓成型的壓力范圍為30MPa?50MPa，恒壓1min?20min ；
[0025]e.定位預沖壓后的疊層板材中每層金屬片與模具之間的相對位置，剝離預沖壓后的疊層板材，去除夾層材料；
[0026]f.在固化成型模具上設置與預沖壓模具相同的定位點，在固化成型模具中依次鋪貼預沖壓后的金屬片和纖維復合材料層，最外層為金屬層，將鋪貼完成后的金屬-纖維復合材料疊層固化成型為纖維-金屬混雜復合材料零件。
[0027]所述金屬層裁剪是根據(jù)產(chǎn)品外形模具要求準備相應規(guī)格、尺寸的金屬片，金屬片在零件過渡區(qū)做剪口或切口處理，防止沖壓時鋁合金板開裂或起褶，并將金屬層所有尖角區(qū)裁剪為半徑不小于20mm的圓角區(qū)，完成后采用化學溶劑清理鋁合金板表面，去除表面雜物，以獲得沖壓后光潔的表面。
[0028]鋁合金板疊層是將裁剪后的鋁合金板與塑料片、鋁片等夾層物通過交叉鋪覆的形式疊放在一起，夾層物厚度根據(jù)所需要的層間梯度變化而不同，夾層物厚度應與實際零件中預浸料層的理論厚度相同，保證金屬層預制體與預浸料層在后期成型的匹配性。在沖壓時，塑料夾層物會被壓縮，如夾層物選擇鋁片，則壓縮量可忽略，根據(jù)精度要求及配合關系的不同，應合理選擇夾層物材料。夾層物材料可為PP等塑料片或鋁片，夾層物硬度應低于所選用的金屬硬度。根據(jù)所選夾層材料的不同，可在夾層物與鋁合金板之間涂覆少量潤滑油，防止兩者在高溫沖壓后相互粘接，從而使夾層物可以二次使用，降低成本。
[0029]金屬層疊層完成后，轉(zhuǎn)入模具準備階段。鋁合金板疊層后具有一定的剛度，不易產(chǎn)生變形，在沖壓時會與模具相互摩擦，可能損傷鋁合金板表面，因此，可將沖壓模具入口倒成圓角，并在模具邊緣涂抹潤滑劑，協(xié)助鋁合金板下滑，減小模具與鋁板之間的摩擦系數(shù)。潤滑劑可以是潤滑油、固體石蠟或液體石蠟等。同時，將金屬-夾層物疊層整體加熱后放入凹模，加熱溫度隨金屬層材料的不同而變化，加熱可以增加鋁合金塑性，增大鋁板延展變形能力，防止在高沖壓力及高速沖壓下產(chǎn)生裂紋，加熱溫度一般在80°C?150°C之間，加熱方法可以是烘房或加熱臺。根據(jù)不同的加熱溫度，選取的夾層物亦有不同，保證夾層物在該溫度下不發(fā)生流動或分解。
[0030]沖壓預成型時的沖壓速度可控制在50mm/s?200mm/s之間，沖壓力在30MPa?50MPa，沖壓力和沖壓速度過大易導致鋁板開裂，凹模與凸模間隙應大于零件及夾層物疊層后的理論厚度，理論間隙控制在0.5mm?2.0mm，沖壓時應保證所有料片覆蓋定位銷位置。
[0031]沖壓后的疊層分離是逐層分離疊層的金屬層和夾層物，使每層金屬層成為單獨的預制品。剝離塑料片夾層物時溫度控制在50°C以下，剝離鋁片夾層物時溫度控制在80°