玻璃纖維板簧模壓制造批生產(chǎn)關(guān)鍵工藝研究

李玉平

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300）

從20 世紀(jì)80 年代開始如何做到汽車輕量化一直都在被專家學(xué)者們研究，研究表明采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在汽車制造中替代鋼/鋁等重金屬材料，能夠使汽車的重量減重高達(dá)60%[1]，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化中取代傳統(tǒng)重金屬材料的理想材料。

板簧是汽車懸架中重要的彈性部件，它主要負(fù)責(zé)承受、傳遞車身與車橋間的各種作用力，起緩沖、減震作用，確保汽車平穩(wěn)行駛。目前國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)使用的多為鋼制板簧，雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，但產(chǎn)品重、韌性差、能耗大。因此，輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料板簧的開發(fā)與應(yīng)用就顯得至關(guān)重要。針對(duì)這個(gè)問題，國(guó)內(nèi)外的許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的深入研究與探索[2-4]，研制出了“以塑代鋼”[5-7]的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料板簧。相比于鋼制板簧，復(fù)合材料板簧在質(zhì)量上減輕了60%～70%，同時(shí)具備強(qiáng)度高、韌性好、耐疲勞、耐沖擊等一系列的優(yōu)點(diǎn)，滿足未來(lái)汽車行業(yè)的使用需求。

綜合考慮玻璃纖維板簧的生產(chǎn)成本，目前大多選用環(huán)氧樹脂和E 玻璃纖維作為基體和增強(qiáng)材料，成型方法包括RTM、纏繞、拉擠和模壓等工藝，但不同樹脂的固化特性決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，成型工藝大大影響復(fù)合材料板簧的批量化生產(chǎn)。針對(duì)以上問題，本文對(duì)模壓成型的生產(chǎn)關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究，來(lái)滿足實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的需要。

1 試驗(yàn)部分

1.1 關(guān)鍵工藝試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)預(yù)浸料厚坯的覆膜機(jī)鋪貼-切割工藝一體化工藝；試驗(yàn)單根坯料放入轉(zhuǎn)移模腔的預(yù)壓實(shí)方式；試驗(yàn)板簧預(yù)成型體烘箱分段預(yù)熱制度；試驗(yàn)130 ℃壓機(jī)恒定溫度下板簧模壓固化制度；產(chǎn)品從合模到固化完成所需的時(shí)間。

1.2 原材料及設(shè)備

1.2.1 原材料

采用無(wú)堿單向玻璃纖維預(yù)浸料作為板簧模壓制造的原材料，其種類、供應(yīng)商、樹脂基體、單層厚度、面密度如表1 所示。

表1 板簧預(yù)浸料參數(shù)表

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

板簧試驗(yàn)件成型制備過程中所使用的設(shè)備如表2 所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

1.3 模壓成型生產(chǎn)工藝流程

本試驗(yàn)采用模壓成型工藝，生產(chǎn)流程如圖1 所示。

圖1 板簧生產(chǎn)流程圖

板簧生產(chǎn)流程中預(yù)浸料下料和鋪疊是制作工序的第一步，耗時(shí)、費(fèi)人工。

預(yù)浸料鋪疊完成后的預(yù)壓實(shí)通常采用真空壓實(shí)，耗材需要真空袋、封邊膩?zhàn)拥容o料，耗時(shí)、耗輔料。

預(yù)壓實(shí)的板簧坯料需要加壓、加溫固化，整個(gè)加溫過程一般要3～4 h，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。

本文研究的工藝過程為以上3 個(gè)最耗時(shí)的工藝過程：制作/切割坯料、預(yù)壓實(shí)、加熱固化。

2 試驗(yàn)過程

2.1 制作/切割坯料

預(yù)浸料下料完成后，采用覆膜機(jī)在平面操作臺(tái)上對(duì)預(yù)浸料逐層進(jìn)行鋪貼、切割。板簧模具設(shè)計(jì)為“一模三腔”且模腔為可更換的。故在覆膜機(jī)壓輥前增設(shè)4 個(gè)下料機(jī)刀頭，刀頭間距為單根板簧預(yù)浸料寬度74 mm，將單層大塊預(yù)浸料（寬為250 mm）在鋪貼的同時(shí)切割成3 根單層坯料，如圖2 所示。此工藝可以一次成型3 根坯料。

圖2 預(yù)浸料厚坯覆膜機(jī)鋪貼、切割工藝

2.2 預(yù)壓實(shí)

將大塊預(yù)浸料裁切成單根坯料后，依次放入轉(zhuǎn)移模腔。對(duì)于復(fù)合材料板簧，鋪貼過程中預(yù)浸料內(nèi)部氣體存在的區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)品缺陷區(qū)，容易發(fā)生破壞，所以必須盡可能多地排出預(yù)浸料內(nèi)部氣體。為提高批生產(chǎn)效率，驗(yàn)證產(chǎn)品鋪疊過程中取消傳統(tǒng)的抽真空過程的可行性，使用壓機(jī)進(jìn)行預(yù)壓實(shí)。

將轉(zhuǎn)移模腔置于預(yù)成型模具，然后將裁切好的單根坯料按照分組逐一放入預(yù)成型模腔，預(yù)壓實(shí)時(shí)在預(yù)浸料表面鋪設(shè)隔離層。預(yù)壓實(shí)時(shí)壓機(jī)壓力為2 MPa，預(yù)壓后預(yù)浸料表面無(wú)褶皺、變形，無(wú)明顯氣泡。

預(yù)成型模頂出如圖3 所示。壓機(jī)預(yù)壓實(shí)如圖4 所示。

圖3 預(yù)成型模頂出示意圖

圖4 壓機(jī)預(yù)壓實(shí)

2.3 烘箱分段保溫

將鋪疊完成的坯料分組放入模腔，將模腔放入烘箱預(yù)加溫。設(shè)定2 個(gè)保溫臺(tái)階，分別為70 ℃和80 ℃，記錄升溫時(shí)間和保溫時(shí)間。

復(fù)合材料板簧預(yù)成型體的烘箱分段預(yù)熱制度為：使用20～30 min 由室溫升到70 ℃，然后保溫120 min，接著使用10 min 由70 ℃升到80 ℃，然后保溫70 min。烘箱分段保溫如圖5 所示。

圖5 烘箱分段保溫

2.4 模壓固化（直接進(jìn)入130 ℃熱壓機(jī)）

預(yù)成型體從80 ℃烘箱轉(zhuǎn)移至130 ℃熱壓機(jī)。固化制度為：合模后立即加壓6 MPa，5 min 時(shí)加壓10 MPa，10 min時(shí)加壓12 MPa，到達(dá)125 ℃后繼續(xù)保溫保壓20 min 后脫模。成型后的板簧如圖6 所示。

圖6 成型后的板簧

3 結(jié)論

本文采用環(huán)氧樹脂預(yù)浸料通過模壓法制造復(fù)合材料板簧，通過試驗(yàn)關(guān)鍵工藝流程，結(jié)果表明：①通過覆膜機(jī)鋪貼-切割一體化工藝可以縮短人工鋪疊的時(shí)間；②板簧生產(chǎn)線生產(chǎn)流程中更換模腔，可以提高壓機(jī)利用率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線流水作業(yè)；③預(yù)壓后預(yù)浸料表面無(wú)褶皺、變形，無(wú)明顯氣泡，省去了抽真空的環(huán)節(jié)；④復(fù)合材料板簧預(yù)成型體的烘箱分段預(yù)熱，提高了生產(chǎn)效率；⑤壓機(jī)占用時(shí)間縮短至30 min，壓機(jī)內(nèi)加壓平均生產(chǎn)一根板簧耗時(shí)為10 min。