CN109353034A - 热塑性自冲裁热压模具及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热塑性自冲裁热压模具，包括上模和下模，所述上模内设置上模腔，所述下模内设置下模腔，所述上模和所述下模对接形成模腔，所述上模和所述下模的侧壁内设置温度调节机构，所述下模腔的内部设有与所述下模腔侧壁贴合的切刀。该热塑性自冲裁热压模具可以利用热塑性连续纤维预浸料制造汽车横梁，提高汽车横梁的生产效率。同时本发明还提供了该热塑性自冲裁热压模具的使用方法，该方法简单易操作，适于工业应用。
Description
技术领域
本发明涉及成型模具领域，具体涉及一种热塑性自冲裁热压模具及其使用方法。
背景技术
传统的汽车横梁为金属板材冲压成形，由于横梁两端形状变化较大，不能一次冲压完成，目前采取的是两端和中间分别冲压，然后焊接而成。传统成形方式的弊端是，冲压模具造价高、后期焊接工艺流程多。而热固性聚合物在材料刚度和阻燃性能等方面的诸多优势，使其在航空、航天及军工等领域得到广泛应用。
但是，热固性聚合物具有难以回收利用的缺点，尽管这一缺点在其复合材料的高端应用领域并不明显，但在用量庞大的汽车领域就成为了巨大的挑战问题，尤其是在越来越强调环保节能的今天。并且，热固性复合材料的成型过程是一个化学过程，过长的固化过程直接影响到产品的生产效率和生产成本，因此，生产效率也是困扰热固性复合材料在汽车行业应用的一个关键瓶颈。
热塑性碳纤维复合材料制备和成型过程是一个物理过程，与热固性碳纤维复合材料相比，第一个优点是可重复利用、再成型；第二个优点是增加了复合材料的冲击韧性，在某些情况下，热塑性复合材料的冲击韧性是热固性复合材料的10倍；第三个优点是成型效率高。
目前，热塑性纤维增强制品主要是非连续纤维的注射或模压成型，这类产品中增强体纤维是非连续分布的，其强度和刚度远小于连续纤维复合材料，无法应用于汽车横梁这类结构件中。由于热塑性与热固性树脂流变性能的巨大差异，使得传统的热固性连续纤维复合材料成型工艺无法应用到热塑性成型工艺中。
因此，研究一种热塑性连续纤维自冲裁热压模具，实现热塑性连续纤维复合材料的一次近净高效率成型，使其用于汽车行业，对于汽车行业的生产效率和环保节能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种热塑性自冲裁热压模具及其使用方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种热塑性自冲裁热压模具，包括上模和下模，所述上模内设置上模腔，所述下模内设置下模腔，所述上模和所述下模对接形成模腔，所述上模和所述下模的侧壁内部设置温度调节机构，所述下模腔的内部设置有与所述下模腔侧壁贴合的切刀。
基于上述，所述温度调节机构包括均匀排布于所述上模和所述下模侧壁内部的若干X向管道、若干Y向管道和若干Z向管道，所述X向管道、所述Y向管道和所述Z向管道相互垂直且相互连通，各所述X向管道和模腔表面的距离相等。
基于上述，各所述X向管道、所述Y向管道和所述Z向管道的其中一端部开口于所述上模和所述下模外壁上，所述X向管道、所述Y向管道和所述Z向管道的开口处安装有阀门。
基于上述，所述切刀为镶块式切刀。
基于上述热塑性自冲裁热压模具，它还包括导向机构，所述导向机构包括设置于所述下模的若干竖向导柱和自润滑面，所述上模对应所述竖向导柱设置竖向导轨，所述上模和所述下模对接时，所述竖向导柱伸入所述竖向导轨中，所述自润滑面与所述上模的内壁相贴。
基于上述热塑性自冲裁热压模具，还包括设置于所述下模底部的若干顶料孔以及对应所述顶料孔的顶料芯。
基于上述热塑性自冲裁热压模具，还包括承压上模盖板与底座。
一种所述热塑性自冲裁热压模具的使用方法，包括以下步骤：
先将热塑性连续纤维预浸料进行铺层，然后预热至温度高于所述热塑性连续纤维预浸料的熔融温度；将预热后的所述热塑性连续纤维预浸料置于所述下模腔中，将所述上模和所述下模在加热加压条件下进行合模，合模后进行保温保压1min；然后保压冷却3-4min至模腔中温度低于所述热塑性连续纤维预浸料的玻璃化转变温度，进行脱模。
其中，所述热塑性连续纤维预浸料是指用热塑性树脂对连续纤维进行浸渍，制成的热塑性树脂与连续纤维组合物。
基于上述，所述合模的步骤中，合模初期的合模速度最大，随着合模速度减小，合模压力逐渐增大。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体地说，本发明具有以下优点：
本发明提供一种热塑性自冲裁热压模具，该模具可以利用热塑性连续纤维预浸料制造汽车横梁，热塑性连续纤维预浸料制得的汽车横梁比金属横梁减重46％，实现了汽车横梁制品轻量化，同时，汽车横梁的整个成型过程历时5分钟左右，充分体现了热塑性复合材料成型周期短、适合规模化生产的优势，有效提高汽车横梁的制造效率。
具体的，模具中设置温度调节机构和切刀，通过温度调节机构对模腔进行加热和冷却，进行加热可以保证热塑性连续纤维预浸料能局部流动，便于所述切刀完成对制品轮廓的裁切，也使制品成型更饱满、制品表面光洁平整，进行冷却可以使成型制品迅速降温，缩短制造周期。
另外，所述温度调节机构包括若干相互连通的X向管道、Y向管道和Z向管道，形成X、Y、Z三个方向的立体加热，实现模腔内部的急冷急热，既能缩短成型周期，又能降低制品出模后的翘曲变形；而各所述X向管道与模腔表面的距离相等，则有利于对模腔进行均匀加热或均匀冷却；进一步，各X向管道、Y向管道和Z向管道的其中一端部开口于所述上模和所述下模的外壁上，各X向管道、Y向管道和Z向管道的开口处安装有阀门，通过调节各阀门的开关也可以对模腔的不同位置进行温度调节，使对模腔的温度控制更加精细化。
进一步，为了方便切刀的维修和更换，切刀采用镶块式设计；为了避免由于制品成型压力大和制品各部位结构的不一致性，导致模具各部位压力不同，使得合模过程中出现偏移，采用自润滑面和导柱双导向结构来实现导向，充分保障合模过程的稳定性。
同时，本发明还提供该热塑性自冲裁热压模具的使用方法，该方法简单，易操作，适于工业应用，而且，在使用该热塑性自冲裁热压模具制造汽车横梁过程中，合模过程速度先快后慢，前期快能保证热塑性连续纤维预浸料温度损失小，后期慢则可以保证模具接触热塑性连续纤维预浸料后，热塑性连续纤维预浸料随着模腔形状发生X、Y、Z三个方向的曲率变化，避免连续纤维发生损伤、拉断。
附图说明
图1是本发明实施例中热塑性自冲裁热压模具的结构示意图。
图2是图1中所述上模的结构示意图。
图3是图2中所述X向管道的分布示意图。
图4是图2的剖面示意图。
图5是图1中所述下模的结构示意图。
图6是图5的剖面示意图。
图7是图1的截面示意图。
图8是图5的内部管道示意图。
图9是热塑性自冲裁热压模具使用过程合模速度与压力变化的曲线图。
图10是热塑性自冲裁热压模具使用过程模腔中温度和压力参数随时间变化的折线图。
图11是热塑性单向带CFR-TP PA6的铺层示意图。
图中：1.下模；2.上模；3.底座；4.承压上模盖板；5.切刀；6.顶料芯；7.上模腔；8.自润滑面；9.下模腔；10.竖向导柱；11.竖向导轨；12.X向管道；13.Y向管道；14.切刀镶块；15.制品；16.Z向管道。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1-8所示，一种热塑性自冲裁热压模具，包括上模2和下模1，所述上模2内设置上模腔7，所述下模1内设置下模腔9，所述上模2和所述下模1对接形成模腔，所述上模2和所述下模1的侧壁内设置温度调节机构，所述下模腔9内设置有与所述下模腔9侧壁贴合的切刀5。在模具使用过程中，所述温度调节机构用于对模腔进行加热或冷却，调节温度；通过温度调节机构对模腔进行加热保证基体塑料局部流动，便于所述切刀5完成对制品轮廓的裁切，也使制品成型更饱满、制品表面光洁平整。
所述温度调节机构包括均匀排布于所述上模2和所述下模1的侧壁内的若干管道。需要加热时，管道连通热蒸汽进行加热，需要冷却时，管道连通冷却水进行冷却。具体的，如图8所示，本实施例中所述温度调节机构包括均匀排布于所述上模2和所述下模1侧壁内部的若干X向管道12、若干Y向管道13和若干Z向管道16，所述X向管道12、所述Y向管道13和所述Z向管道16相互垂直且相互连通，形成X、Y、Z三个方向的立体加热，实现模腔内部的急冷急热，既能缩短成型周期，又能保证制品出模后不发生翘曲变形。各所述X向管道12和模腔表面的距离相等，有利于对模腔进行均匀加热或均匀冷却。
另外，所述X向管道12、所述Y向管道13和所述Z向管道16的其中一端部开口于所述上模2和所述下模1外壁上，所述X向管道12、所述Y向管道13和所述Z向管道16的开口处安装有阀门。当不需要对某一区域进行加热或冷却时，直接断开该区域的管道即可，极大的提升了温度调节过程的可控性。优选的，管道的设置可以直接在所述上模、所述下模的侧壁开孔形成管道，当不需要对某一区域进行加热或冷却时，直接堵塞该区域的管道即可。
进一步为了方便切刀5的维修和更换，所述切刀5为镶块式切刀，镶块式切刀的具体结构参考图7。
由于制品成型需要加压和制品15各部位结构的不一致性，导致模具各部位压力不同，因此，为了保障合模过程的稳定性，该热塑性自冲裁热压模具还包括导向机构，所述导向机构包括设置于所述下模的若干竖向导柱10和自润滑面8，所述上模对应所述竖向导柱设置竖向导轨11，所述上模和所述下模对接时，所述竖向导柱伸入所述竖向导轨中，所述自润滑面与所述上模的内壁相贴。本实施例中，所述自润滑面8采用铍铜材质，在其他的实施例中可采用具有自润滑性能的其他材质。
进一步为了脱模方便，该热塑性自冲裁热压模具还包括设置于所述下模的底部的若干顶料孔以及对应所述顶料孔的顶料芯6。
进一步为了合模和加压方便，该热塑性自冲裁热压模具还包括承压上模盖板与底座。
本实施例还提供该热塑性自冲裁热压模具的使用方法，其包括以下步骤：
先将热塑性连续纤维预浸料进行铺层，然后预热至温度高于所述热塑性连续纤维预浸料的熔融温度；将预热后的所述热塑性连续纤维预浸料置于所述下模腔中，将所述上模和所述下模在加热加压条件下进行合模，合模时间小于0.5min，优选为15s，合模后进行保温保压1min；然后保压冷却3-4min至模腔中温度低于所述热塑性连续纤维预浸料的玻璃化转变温度，进行脱模。
其中，所述热塑性连续纤维预浸料是指用热塑性树脂对连续纤维进行浸渍，制成的热塑性树脂与连续纤维组合物。
优选的，所述合模的步骤中，合模初期的合模速度最大，随着合模速度减小，合模压力逐渐增大。合模过程先快后慢，前期快能保证热塑性连续纤维预浸料热量损失小，后期慢则可以保证模具接触热塑性连续纤维预浸料后，热塑性连续纤维预浸料随着模具形状发生X、Y、Z三个方向的曲率变化，避免连续纤维发生损伤、拉断。
具体的，本实施例采用的热塑性连续纤维预浸料为碳纤维增强尼龙6单向带(CFR-TP PA6)，通过该热塑性自冲裁热压模具制造汽车横梁，CFR-TP PA6的性能参数参见表1。采用CFR-TP PA6作为原料制造汽车横梁时，合模速度和压力变化关系参见图9，模腔中温度、压力随时间变化参见图10，由图9和图10可知，CFR-TP PA6在模腔中经历热压、保温保压、保压冷却三个过程，预热温度为260℃，最高加压压力为26MPa，模内热压时间为15s，保温保压1min，保压冷却时间为3-4min，需要说明的是该热压、保温保压、保压冷却的具体温度、压力和时间参数仅针对本实施例中的CFR-TP PA6，在其他的实施例中，根据采用热塑性连续纤维预浸料的不同，具体的温度、压力和时间参数可进行相应的调整。
关于CFR-TP PA6单向带的铺层设计，在遵循铺层均衡对称、依载荷方向确定纤维取向和交叉铺设原则基础上，优选铺设10层和12层两种方案，通过CAE分析来优化单向带铺层数量和角度，最终结果显示，铺设10层时，制得的汽车横梁在特定工况下的变形为0.14mm，而金属横梁的变形为0.38mm，表明在单向带铺设10层情况下安装点刚度即超过原金属冲压件，即通过本发明提供的热塑性自冲裁热压模具，利用碳纤维增强尼龙6单向带制造的汽车横梁完全可以取代目前通过金属板材冲压成形的汽车横梁。
表1 CFR-TP PA6的性能参数(纤维取向方向)
为了进一步证明通过本发明提供的热塑性自冲裁热压模具，利用热塑性材料制造的汽车横梁的性能，采用热塑性单向带CFR-TP PA6按纤维取向角为0°/90°/+45°/0°/-45°/-45°/0°/+45°/90°/0°的方式进行铺层，其铺层示意图参见图11，然后利用本发明提供的热塑性自冲裁热压模具制造汽车横梁，经对本发明制造的汽车横梁制件在不同部位取样，进行力学性能测试，测试结果参见表2，其拉伸模量和拉伸强度分别达到54Gpa和865MPa。作为对比，表2同时给出了相同铺层方式和碳纤含量下树脂传递成型的热固性环氧/碳纤维复合材料的性能测试结果，以及原冲压成形横梁的金属板材性能。由表2对比可知，本发明制造的热塑性复合材料汽车横梁，其性能与相同铺层结构和碳纤含量的热固性环氧体系碳纤维复合材料基本相当，而比刚度和比模量则远高于原冲压成形横梁的金属板材。
表2 不同材料体系力学性能典型值
①②注：二者铺层方式和碳纤维体积含量相同
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种热塑性自冲裁热压模具，包括上模和下模，所述上模内设置上模腔，所述下模内设置下模腔，所述上模和所述下模对接形成模腔，其特征在于：所述上模和所述下模的侧壁内设置温度调节机构，所述下模腔的内部设置有与所述下模腔侧壁贴合的切刀。
2.根据权利要求1所述的热塑性自冲裁热压模具，其特征在于：所述温度调节机构包括均匀排布于所述上模和所述下模侧壁内部的若干X向管道、若干Y向管道和若干Z向管道，所述X向管道、所述Y向管道和所述Z向管道相互垂直且相互连通，各所述X向管道和模腔表面的距离相等。
3.根据权利要求2所述的热塑性自冲裁热压模具，其特征在于：各所述X向管道、所述Y向管道和所述Z向管道的其中一端部开口于所述上模和所述下模外壁上，所述X向管道、所述Y向管道和所述Z向管道的开口处安装有阀门。
4.根据权利要求1-3任一项所述的热塑性自冲裁热压模具，其特征在于：所述切刀为镶块式切刀。
5.根据权利要求4所述的热塑性自冲裁热压模具，其特征在于：还包括导向机构，所述导向机构包括设置于所述下模的若干竖向导柱和自润滑面，所述上模对应所述竖向导柱设置竖向导轨，所述上模和所述下模对接时，所述竖向导柱伸入所述竖向导轨中，所述自润滑面与所述上模的内壁相贴。
6.根据权利要求5所述的热塑性自冲裁热压模具，其特征在于：还包括设置于所述下模底部的若干顶料孔以及对应所述顶料孔的顶料芯。
7.根据权利要求5或6所述的热塑性自冲裁热压模具，其特征在于：还包括承压上模盖板与底座。
8.一种权利要求1-7任一项所述的热塑性自冲裁热压模具的使用方法，其包括以下步骤：
先将热塑性连续纤维预浸料进行铺层，然后预热至温度高于所述热塑性连续纤维预浸料的熔融温度；将预热后的所述热塑性连续纤维预浸料置于所述下模腔中，将所述上模和所述下模在加热加压条件下进行合模，合模后进行保温保压1 min；然后保压冷却3-4 min至模腔中温度低于所述热塑性连续纤维预浸料的玻璃化转变温度，进行脱模。
9.根据权利要求8所述的热塑性自冲裁热压模具的使用方法，所述合模的步骤中，合模初期的合模速度最大，随着合模速度减小合模压力逐渐增大。
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