CN103801676A - Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形装置及方法,用于解决现有纤维增强金属间化合物复合构件制备装置难以成型内壁结构复杂的预制体的技术问题。技术方案是采用分体式镶块结构代替整体式芯模对预制体定型,相比整体式芯模,镶块组内侧为中空结构,凸模尺寸小,可以缩减成形装置的整体重量;利用镶块受力所产生的径向运动,促使镁合金液均匀渗入预制体中;镶块表面与预制体内壁紧密贴合,定型效果显著,通过更改镶块的截面形状,可以实现不同形状的Cf/Mg复合材料薄壁异型件的近净成形;挤压完成后分离镶块实现脱模,有效的避免内壁结构复杂的预制体定型难度大以及难脱模等技术问题,实现了复合材料薄壁异型件的成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种Cf/Mg复合材料薄壁异型件成形装置,特别涉及一种Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形装置。还涉及采用该装置的Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形方法。
背景技术
Cf/Mg复合材料具有密度低(小于2.0g/cm3)、比强度高、比刚度高、热膨胀系数低、尺寸稳定性好等优点,被广泛应用于发动机活塞环、飞行器筒形支架件、变速箱外壳、航空涡扇发动机机匣等薄壁异型件的制造。目前复合材料薄壁异型件的成形基本采取两种方式:一种是分体成型,依次成形各个部位,然后采用铆接、螺接等工艺连接成整体,该方式可以显著降低复合材料构件的成型难度,但连接部位的孔洞会破坏纤维连续性,造成结构性损伤破坏,影响其性能。另一种是整体成型,该技术制备的复合材料构件可以均匀传递载荷,承载效率高,但型面复杂时成型难度大,已成为制约该技术应用的关键因素。
参照图6。文献“专利公开号是CN101003885A的中国发明专利”公开了一种纤维增强金属间化合物复合构件制备装置及其制备方法。制备装置包括芯模1、外模2、模具4、上压板6、下压板7和压头8六部分。预浸纤维缠绕在芯模1上,当缠绕到零件厚度后安装外模2,整体放入模腔。通过压头8施加压力,使合金液浸渗到预制体的纤维内部。该装置采用的整体式芯模不能有效的对内壁结构复杂的预制体定型,挤压浸渗过程中易造成预制体变形。
发明内容
为了克服现有纤维增强金属间化合物复合构件制备装置难以成形内壁结构复杂的预制体的不足,本发明提供一种Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形装置。该装置采用分体式镶块结构代替整体式芯模对预制体定型,相比整体式芯模,镶块组内侧为中空结构,且凸模尺寸较小,可以缩减成形装置的整体重量;利用镶块受力所产生的径向运动,促使镁合金液均匀渗入预制体中;镶块表面与预制体内壁紧密贴合,定型效果显著,通过更改镶块的截面形状,可以实现不同形状的Cf/Mg复合材料薄壁异型件的近净成形;挤压完成后分离镶块实现脱模,有效的避免内壁结构复杂的预制体定型难度大,受压变形,异型件无法脱模等技术问题,实现复合材料薄壁异型件的成形。
本发明还提供采用该装置的Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案:一种Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形装置,其特点是:包括内垫块1、挤压筒2、石墨模3、镶块组4、固定环5、凸模6、真空管8和合金管9;所述挤压筒2安装在压机工作平台上,挤压筒2靠近上沿的两侧分别设置有真空孔和合金孔,真空孔和合金孔分别与真空管8和合金管9自密封螺纹连接;内垫块1位于挤压筒2底部,并完全嵌入挤压筒2,与挤压筒2内壁紧密配合,内垫块1对石墨模3、镶块组4及预制体7起支撑作用,内垫块1的上表面有八根定位柱,分别对应于镶块组4下底面的八条定位滑道,用以保证镶块组4运动过程中的轨迹,以及与挤压筒2内壁的同心度,定位滑道与定位柱配合紧密;石墨模3安装在挤压筒2内部;镶块组4由八部分组成,分别为四个支撑镶块,四个挤压镶块,对应镶块组4下底面的八条定位滑道,各镶块上部加工有槽,便于工具夹持脱模;支撑镶块内侧为一锥面,四个支撑镶块内侧锥面配合形成不完整锥体,八个镶块外侧配合形成筒体;镶块组4安装在挤压筒2内腔,保证镶块组4底侧的定位滑道与内垫块1上侧的定位柱间的配合,相邻镶块在沿径向运动的过程中接触面积逐渐减小,但依然保持闭合;固定环5被螺栓固定在挤压筒2的顶部;凸模6为锥状结构,用以保证挤压过程中与支撑镶块内侧锥面的充分接触,安装时凸模6的中心线与四柱液压机滑块平面垂直。
一种采用上述装置的Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形方法,其特点是包括以下步骤:
步骤一:将连续纤维制成筒形件并进行厚度方向的缝合;制作好的纤维预制体放置在化学气相沉积炉内进行化学气相沉积,固化预制体并在表面沉积热解碳涂层;
步骤二:将凸模6固定在四柱液压机滑块上,保证其中心线与滑块平面垂直;将内垫块1完全嵌入挤压筒2,与挤压筒2内壁紧密配合;根据预制体7外壁尺寸将加工好的石墨模3安装在内垫块1上表面;预制体7放入挤压筒2,与石墨模3内侧贴合;镶块组4装入挤压筒2过程中,其下底面的八条定位滑道与内垫块1上部的八根定位柱紧密配合,以保证镶块组4运动过程中的轨迹,以及与挤压筒2内壁的同心度;固定环5被螺栓固定在挤压筒2顶部;校正挤压筒2内壁与凸模6的同心度后,将挤压筒2紧密固定在压机工作平台上;分别安装真空管8和合金管9;
步骤三:利用真空泵对成形型腔抽真空,真空度为10-3~10-2Pa;将基体合金加热至760℃并保温0.5~1h,模具加热至575~650℃;向合金熔炼装置内通入氩气,装置内部压力达到0.1~0.3MPa,将合金液压入由内垫块1、挤压筒2、石墨模3、镶块组4、固定环5、真空管8和合金管9形成的密闭空间中;关闭真空管8和合金管9,启动四柱液压机,滑块以0.2~0.5mm/s的速度带动凸模6垂直下行,通过凸模6、镶块组4机构将沿凸模6方向的轴向力转化为径向力,在沿径向运动的过程中,相邻镶块接触面积逐渐减小,但依然保持闭合;此时,挤压镶块对合金液表面施压20~50MPa,合金液在由内垫块1、挤压筒2、石墨模3、镶块组4、固定环5、真空管8和合金管9形成的密闭筒形空间中保压20~80min,液态镁合金在连续纤维筒形预制体中浸渗完成,得到Cf/Mg复合材料薄壁异型件;待浸渗过程彻底完成,退出凸模6;
步骤四:挤压完成后,待纤维复合材料冷却至室温,拆除固定环5;将挤压筒2倒立放置,加热至400℃,筒体膨胀,粘模阻力减小;启动四柱液压机使滑块带动凸模6下行,直至顶出石墨模3、镶块组4和复合材料;从外侧固定石墨模3,工具夹持镶块向内同时收缩,完成Cf/Mg复合材料薄壁异型件的脱模;
步骤五:待筒形件冷却后,采用机械加工成形出需要的筒形件,然后进行热处理和精整加工。
本发明的有益效果是:该装置采用分体式镶块结构代替整体式芯模对预制体定型,相比整体式芯模,镶块组内侧为中空结构,且凸模尺寸较小,可以缩减成形装置的整体重量;利用镶块受力所产生的径向运动,促使镁合金液均匀渗入预制体中;镶块表面与预制体内壁紧密贴合,定型效果显著,通过更改镶块的截面形状,可以实现不同形状的Cf/Mg复合材料薄壁异型件的近净成形;挤压完成后分离镶块实现脱模,有效的避免内壁结构复杂的预制体定型难度大,受压变形,异型件无法脱模等技术问题,实现复合材料薄壁异型件的成形。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形装置的结构示意图。
图2是图1中的镶块组径向运动(运动前)示意图。
图3是图1中的镶块组径向运动(运动后)示意图。
图4是图1中的凸模的示意图。
图5是本发明方法实施例2带内外法兰的Cf/Mg复合材料薄壁异型件的镶块组示意图。
图中,1-内垫块,2-挤压筒,3-石墨模,4-镶块组,5-固定环,6-凸模,7-预制体,8-真空管,9-合金管。
图6是背景技术纤维增强金属间化合物复合构件制备装置的结构示意图。
图中,1-芯模,2-外模,4-模具,6-上压板,7-下压板,8-压头。
具体实施方式
以下实施例参照图1-5。
装置实施例:本发明Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形装置,包括包括内垫块1、挤压筒2、石墨模3、镶块组4、固定环5、凸模6、真空管8和合金管9。所述挤压筒2安装在压机工作平台上,挤压筒2靠近上沿的两侧分别设置有真空孔和合金孔,真空孔和合金孔分别与真空管8和合金管9自密封螺纹连接;内垫块1位于挤压筒2底部,并完全嵌入挤压筒2,与挤压筒2内壁紧密配合,内垫块1对石墨模3、镶块组4及预制体7起支撑作用,内垫块1的上表面有八根定位柱,分别对应于镶块组4下底面的八条定位滑道,用以保证镶块组4运动过程中的轨迹,以及与挤压筒2内壁的同心度,定位滑道与定位柱配合紧密;石墨模3安装在挤压筒2内部;镶块组4由八部分组成,分别为四个支撑镶块,四个挤压镶块,对应镶块组4下底面的八条定位滑道,各镶块上部加工有槽,便于工具夹持脱模。支撑镶块内侧为一锥面,四个支撑镶块内侧锥面配合形成不完整锥体,八个镶块外侧配合形成筒体;镶块组4安装在挤压筒2内腔,保证镶块组4底侧的定位滑道与内垫块1上侧的定位柱间的配合,相邻镶块在沿径向运动的过程中接触面积逐渐减小,但依然保持闭合;固定环5被螺栓固定在挤压筒2的顶部;凸模6为锥状结构,用以保证挤压过程中与支撑镶块内侧锥面的充分接触,安装时凸模6的中心线与四柱液压机滑块平面垂直。真空管8、合金管9与挤压筒2采用自密封管螺纹连接,管体上分别装有阀,挤压浸渗前,关闭真空管8、合金管9,使其与挤压筒2、石墨模3、镶块组4、内垫块1形成密闭空间;挤压过程中凸模6的轴向力转变为镶块组4的径向力,将液态合金浸渗至预制体中。
方法实施例1:一种Cf/Mg复合材料薄壁异型件制造方法,选用AZ91D镁合金,台丽T36碳纤维预制体。
步骤一:薄壁异型件预制体的制备。将12K单向碳纤维0°/90°缠绕成异型件并进行厚度方向的缝合。制作好的预制体放置在化学气相沉积炉内进行化学气相沉积,固化预制体并在纤维表面沉积热解碳涂层。
步骤二:成形装置的安装。将凸模6固定在四柱液压机滑块上,保证其中心线与滑块平面垂直;将内垫块1完全嵌入挤压筒2,与挤压筒2内壁紧密配合;根据预制体外壁尺寸要求加工的石墨模3安装在内垫块1上部;连续纤维筒形预制体放入挤压筒2,与石墨模3内侧贴合;镶块组4装入挤压筒2过程中,其下底面的八条定位滑道与内垫块1上部的八根定位柱紧密配合,用以保证镶块组4运动过程中的轨迹,以及与挤压筒2内壁的同心度;固定环5被螺栓固定在挤压筒2顶部;校正挤压筒2内壁与凸模6的同心度后,将挤压筒2紧密固定在压机工作平台上;分别安装真空管8、合金管9。
步骤三:Cf/Mg复合材料薄壁异型件的制备。利用真空泵对成形型腔抽真空,真空度为10-3~10-2Pa;将基体合金加热至760℃并保温0.5~1h,模具加热至575~650℃;向合金熔炼装置内通入氩气,装置内部压力达到0.1~0.3MPa,将合金液压入由内垫块1、挤压筒2、石墨模3、镶块组4、固定环5、真空管8和合金管9形成的密闭空间中;关闭真空管8、合金管9,启动四柱液压机,滑块以0.2~0.5mm/s的速度带动凸模6垂直下行,通过凸模6-镶块组4机构将沿凸模6方向的轴向力转化为径向力,在沿径向运动的过程中,相邻镶块接触面积逐渐减小,但依然保持闭合。此时,挤压镶块对合金液表面施压20~50MPa,合金液在由内垫块1、挤压筒2、石墨模3、镶块组4、固定环5、真空管8和合金管9形成的密闭筒形空间中保压20~80min,液态镁合金在连续纤维筒形预制体中浸渗完成,得到Cf/Mg复合材料薄壁异型件;待浸渗过程彻底完成,退出凸模6。
步骤四:Cf/Mg复合材料薄壁异型件的脱模。挤压完成后,待纤维复合材料冷却至室温,拆除固定环5;将挤压筒2倒立放置,加热至400℃,筒体膨胀,粘模阻力减小;启动四柱液压机使滑块带动凸模6下行,直至顶出石墨模3、镶块组4和复合材料;从外侧固定石墨模3,工具夹持镶块向内同时收缩,即完成连Cf/Mg复合材料薄壁异型件的脱模。
步骤五:机械加工成形。待筒形件冷却后,采用机械加工成形出需要的异型件,然后进行热处理和精整加工。
方法实施例2:一种带内外法兰的Cf/Mg复合材料薄壁异型件的制造方法,选用AZ91D镁合金,东丽T700碳纤维预制体。
本实施例与实施例1的不同之处在于所述镶块组4成形部分的截面形状以及碳纤维预制体形状,即本发明可以用于实现不同截面形状的Cf/Mg复合材料薄壁异型件的制备。其他装置构件、连接关系和实施步骤与实施例1相同。利用机械加工成形出带内外法兰的Cf/Mg复合材料薄壁异型件,然后进行热处理和精整加工。
Claims (2)
1.一种Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形装置,其特征在于:包括内垫块(1)、挤压筒(2)、石墨模(3)、镶块组(4)、固定环(5)、凸模(6)、真空管(8)和合金管(9);所述挤压筒(2)安装在压机工作平台上,挤压筒(2)靠近上沿的两侧分别设置有真空孔和合金孔,真空孔和合金孔分别与真空管(8)和合金管(9)自密封螺纹连接;内垫块(1)位于挤压筒(2)底部,并完全嵌入挤压筒(2),与挤压筒(2)内壁紧密配合,内垫块(1)对石墨模(3)、镶块组(4)及预制体(7)起支撑作用,内垫块(1)的上表面有八根定位柱,分别对应于镶块组(4)下底面的八条定位滑道,用以保证镶块组(4)运动过程中的轨迹,以及与挤压筒(2)内壁的同心度,定位滑道与定位柱配合紧密;石墨模(3)安装在挤压筒(2)内部;镶块组(4)由八部分组成,分别为四个支撑镶块,四个挤压镶块,对应镶块组(4)下底面的八条定位滑道,各镶块上部加工有槽,便于工具夹持脱模;支撑镶块内侧为一锥面,四个支撑镶块内侧锥面配合形成不完整锥体,八个镶块外侧配合形成筒体;镶块组(4)安装在挤压筒(2)内腔,保证镶块组(4)底侧的定位滑道与内垫块(1)上侧的定位柱间的配合,相邻镶块在沿径向运动的过程中接触面积逐渐减小,但依然保持闭合;固定环(5)被螺栓固定在挤压筒(2)的顶部;凸模(6)为锥状结构,用以保证挤压过程中与支撑镶块内侧锥面的充分接触,安装时凸模(6)的中心线与四柱液压机滑块平面垂直。
2.一种采用权利要求1所述装置的Cf/Mg复合材料薄壁异型件液-固压力成形方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一:将连续纤维制成筒形件并进行厚度方向的缝合;制作好的纤维预制体放置在化学气相沉积炉内进行化学气相沉积,固化预制体并在表面沉积热解碳涂层;
步骤二:将凸模(6)固定在四柱液压机滑块上,保证其中心线与滑块平面垂直;将内垫块(1)完全嵌入挤压筒(2),与挤压筒(2)内壁紧密配合;根据预制体(7)外壁尺寸将加工好的石墨模(3)安装在内垫块(1)上表面;预制体(7)放入挤压筒(2),与石墨模(3)内侧贴合;镶块组(4)装入挤压筒(2)过程中,其下底面的八条定位滑道与内垫块(1)上部的八根定位柱紧密配合,以保证镶块组(4)运动过程中的轨迹,以及与挤压筒(2)内壁的同心度;固定环(5)被螺栓固定在挤压筒(2)顶部;校正挤压筒(2)内壁与凸模(6)的同心度后,将挤压筒(2)紧密固定在压机工作平台上;分别安装真空管(8)和合金管(9);
步骤三:利用真空泵对成形型腔抽真空,真空度为10-3~10-2Pa;将基体合金加热至760℃并保温0.5~1h,模具加热至575~650℃;向合金熔炼装置内通入氩气,装置内部压力达到0.1~0.3MPa,将合金液压入由内垫块(1)、挤压筒(2)、石墨模(3)、镶块组(4)、固定环(5)、真空管(8)和合金管(9)形成的密闭空间中;关闭真空管(8)和合金管(9),启动四柱液压机,滑块以0.2~0.5mm/s的速度带动凸模(6)垂直下行,通过凸模(6)、镶块组(4)机构将沿凸模(6)方向的轴向力转化为径向力,在沿径向运动的过程中,相邻镶块接触面积逐渐减小,但依然保持闭合;此时,挤压镶块对合金液表面施压20~50MPa,合金液在由内垫块(1)、挤压筒(2)、石墨模(3)、镶块组(4)、固定环(5)、真空管(8)和合金管(9)形成的密闭筒形空间中保压20~80min,液态镁合金在连续纤维筒形预制体中浸渗完成,得到Cf/Mg复合材料薄壁异型件;待浸渗过程彻底完成,退出凸模(6);
步骤四:挤压完成后,待纤维复合材料冷却至室温,拆除固定环(5);将挤压筒(2)倒立放置,加热至400℃,筒体膨胀,粘模阻力减小;启动四柱液压机使滑块带动凸模(6)下行,直至顶出石墨模(3)、镶块组(4)和复合材料;从外侧固定石墨模(3),工具夹持镶块向内同时收缩,完成Cf/Mg复合材料薄壁异型件的脱模;
步骤五:待筒形件冷却后,采用机械加工成形出需要的筒形件,然后进行热处理和精整加工。
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