纤维增强塑料制品的成型方法及其模具

摘要

本发明提出了一种新的纤维增强塑料制品的成型方法及模具，尤其是大型复杂产品(例如：汽车车体)的成型方法及模具。它能克服现有成型方法中存在的问题，即：首先是能简化模具的结构，并能解决由此带来的密封、锁紧及定位等方面的问题；其次是能提高工作效率，提高机械化程度，使这种成型方法能够适应汽车工业高节奏、批量化生产的要求。

说明书

本发明涉及纤维增强塑料制品的快速注入分段加压成型方法及其模具，尤其是大型复杂产品(例如：汽车车体)的成型方法及其模具。

为了解决复合材料在制作汽车车体方面存在的两个主要问题(刚度不足易于变形以及成型工艺落后)，本发明人提出了专利号为88202023.4名称为《一种玻璃钢汽车车身》的专利、专利号为88106442.4名称为《一种新颖的玻璃钢汽车车身结构的加工工艺》的专利以及专利号为89102370.4名称为《制造玻璃钢制品的模塑成型方法》的专利。以上述专利为基础制作的汽车车体具有良好的强度和刚度，达到了轻量化的目的，一个长度为3.95米的两厢式车身的重量仅为120公斤。但在实施上述成型方法的过程中发现存在以下两个缺陷：

(1)模具结构复杂，特别是组合式刚性内模的结构比较复杂，既要适应载人舱的复杂造型，又要便于脱模取出，因而内模的分块很零碎，在空间定位、锁紧、密封等方面都遇到了很多困难，特别是在误差补偿方面很难于处理。

(2)生产效率不高。以手工模压的方法生产一个车身需要5小时。而以模塑成型方法生产需要3-3.5小时，与手工糊制方法相比，虽然提高了30-60％，但仍不能满足汽车工业高节奏批量化的要求，不能达到机械化流水线的生产水平。

本发明的目的是提出一种新的纤维增强塑料制品的成型方法及模具，尤其是大型复杂产品(例如：汽车车体)的成型方法及模具。它能克服现有成型方法中存在的问题，即：首先是能简化模具的结构，并能解决由此带来的密封、锁紧及定位等方面的问题；其次是能提高工作效率，提高机械化程度，使这种成型方法能够适应汽车工业高节奏、批量化生产的要求。

本发明的纤维增强塑料制品的快速注入分段加压成型方法，包含下列步骤：(1)组合两个相互配合形成模腔的模具部分及增强材料、泡沫内芯、预埋件等，形成一布置好内容物的模腔，不使模腔的形状和大小达到其形成最终制品时的状态，而使模腔初始形成时的容积大于形成最终制品时的模腔容积；(2)将定量的树脂注入所形成的较大的模腔，其中的树脂量应略大于形成最终产品所需的量，但少于模腔初始形成时的容积，因而树脂将部分充添模腔；(3)通过改变模腔中已充入树脂处的部分模腔的形状，缩小该部位两个相互配合形成模腔的模具部分成型表面之间的距离，使该部位的工件受压，迫使该处的部分树脂流向其它部位；(4)逐渐扩大模腔中工件受压的面积，最终使整个工件受压，并使模腔的形状和大小达到其形成最终制品时的状态，将多余的树脂排出到模腔之外；(5)保持对工件的压力，直至树脂全部固化。

在本发明的纤维增强塑料制品的快速注入分段加压成型方法中，在模腔初始形成时，将两个相互配合形成模腔的模具部分具成型表面间的距离控制到既便于所需量的树脂能快速注入模腔，又使尽可能多的模腔容积被树脂充满，以利于树脂浸润纤维增强材料。树脂注入后，在重力作用下沉积于模腔内的下部，首先从模腔的最底部开始，使模腔的一部分变形，使该部位的工件受压，然后将变形逐渐向上扩大到整个模腔。模腔每次变形压向工件的面积应利于变形处的树脂及其内的气泡流向其它部位，但又不需要过多次数的变形，以利于缩短操作时间。

在本发明的纤维增强塑料制品的快速注入分段加压成型方法中，通过调整压向工件的压力，可调整最终制品中的树脂含量。

传统的纤维增强塑料制品的注射成型方法是在一包含玻璃纤维增强材料、泡沫内芯、预埋件等内容物的形状不变的模腔中注射入不饱和聚酯树脂。由于模腔中有玻璃纤维增强材料、泡沫内芯、预埋件等内容物，因此，模腔的流道截面较小，树脂的流动阻力较大，流动速度也就较慢，注射所需的时间也就较长。如果工件的尺寸越大，则树脂的流程越长，所需的注射时间就更长，此外，排气的阻力也会增大，而使出现因气泡滞留产生的白斑和缺肉等缺陷的可能性增大。本发明的纤维增强塑料制品的快速注入分段加压成型方法，在注射阶段由于加大了模腔空间，不使模腔两成型面间的距离达到最终尺寸，而使流道截面增大，因而可以快速将树脂注入。然后通过一部分又一部分地缩小模腔成型面间的距离，使树脂在较小的阻力下被挤推到模腔各处，使增强材料得到充分浸润、填满模腔。再有，传统的纤维增强塑料制品的注射成型方法，有时为了减少流道的阻力，将流道截面中填充物所占的面积减小，增加树脂通过面积，这虽然缩短了注射时间，但是却增加了最终制品中树脂的含量，降低了制品的强度。而本发明的成型方法，通过注射后压缩工件，增加了增强材料的含量，保证了制品的强度；并且还可通过调整加压压力控制最终制品中的树脂含量。

对于整体式注压方法，由于是通过一致地减少两个相互配合形成模腔的模具部分成型面间的所有间距，因此所需的合模力要远远大于一部分一部分地减少间距所需的合模力，因而设备要庞大的多；并且由于各处模腔截面是同时减小，因此，多余树脂的流动阻力和流程与注射方法相比差不多。与之相反，本发明方法的多余树脂的流动阻力较小，因为树脂流动时仅仅是变形模腔的这一部分截面变小了，而其它部位的模腔截面并未减小；并且在本发明的方法中不存在需要长时间才能完成的长流程、大流动阻力的树脂流动情况，因此整个操作时间较短。

在本发明的方法中，为了缩小两个相互配合形成模腔的模具部分成型表面之间的距离，既可改变两个相互配合形成模腔的模具部分任意之一的成型表面，也可同时改变两个相互配合形成模腔的模具部分的成型表面。

为实现本发明的方法，本发明的模具包含两个相互配合形成模腔的模具部分，两个相互配合形成模腔的模具部分闭合时形成一模腔，两个相互配合形成模腔的模具部分中任意之一是刚性模具，而另一相互配合形成模腔的模具部分是柔性模具，刚性模具的成型表面具有与制品相应表面一致的形状，柔性模具的成型表面为相对可变的表面，该柔性外皮由多个伸缩机构支撑，各个伸缩机构的另一端支撑在柔性模具的承力架上，每个伸缩机构可根据要求各自独立伸缩，刚性模具与柔性模具的承力架联接，以构成一完整的力传递路径。

在本发明的模具中，两个相互配合形成模腔的模具部分可分别是外模具和内模具，外模具是一组合式刚性模具，其内表面的形状基本上与制品的外形一致；内模具是一柔性模具，包含：一柔性外皮、一内模承力芯及多个内模形变施压机构；柔性外皮与外模具之间形成的空间为模腔，柔性外皮由内模形变施压机构支撑，内模形变施压机构既可单独联接在内模承力芯或柔性外皮上，也可两端分别联接在内模承力芯及柔性外皮上，每个内模形变施压机构可根据要求独立变形，以使相应处的柔性外皮压向外模具，内模承力芯与外模联接，以构成一完整的力传递路径。

在本发明的模具中，各内模形变施压机构可以是可充气气囊、机械式伸缩机构、液压式伸缩机构、机械-液压式伸缩结构中的一种或多种，但优选内模形变施压机构是可充气气囊，因为可充气气囊结构简单，装配容易。该气囊充气时将内模外皮压向外模。

在本发明的模具中，气囊是条形的，平行于工件的纵轴线，粘贴于内模外皮上。为了减少气囊的体积，内模承力芯应大致具有与外模内表面相应的形状。内模承力芯可以是外形可变的可折叠结构。

在本发明的模具中，柔性内模外皮是由聚合物(例如：橡胶、热塑性弹性体等)制成。该外皮具有较高的弹性变形能力。

采用柔性内模，可大大简化内模结构，避免了刚性内模的分块多、结构复杂、密封位置多、装配空间小、装配困难等缺点。而含有多个独立式气囊和有定位作用的内模承力芯的柔性内模，又克服了整体式柔性内模外皮整体偏移造成制品壁厚不均匀的缺点。

下面结合具体实施例及其附图进行说明。

附图1、2为制造汽车车身模具的结构示意图。

车身成型时，车顶向下，车底向上；车顶模具最低，车底模具最高；树脂注入口设置在车顶模具的最低处，排气口设置在车底模具的最高处。车身的外模具是用复合材料制作的组合式刚性模具，一般是由6～9块组合而成，模块之间设置有密封装置以防止渗漏，此外还设有定位、锁紧、顶出装置等。当所有外模组合在一起时，所形成的内腔即为一个完整的车身外形。车身内模外皮是由柔性材料制作的，当其内的气囊完全充满气时，其外形即为车身的载人舱。气囊后端设接合口与后门口的外模相接，车身成型后，柔性内模可由后门口取出。在内模外皮内腔还设置有纵置的气囊，贴附于内模外皮内侧上，这些气囊是密闭的，可分别充气。柔性内模与外模在后门口处相连接，设置有密封、定位及锁紧装置，在连接口还设有后盖，用以封闭内模外皮的内腔。在内模外皮内腔中设置有内模承力芯，此内模承力芯的周围有10～16个可伸缩的定位杆，与外模上设置的定位孔(盲孔)相对应，并将内模相应位置的凸块嵌于定位杆与定位块之间。此内模承力芯在内模气囊充气时能将反作用力传递至外模上。

如图所示，1为车底模，2为车顶模，3为前围模，4为后围模，5为后门口模，再加上两侧的侧模具10、11，即可组合成刚性外模。6为柔性内模外皮，7为发动机舱上模，8为发动机舱下模，9为内模承力芯，  12为纵置式气囊，13为车身。

车身成型工艺包括：

1)在专用的车身发泡模中制作车体的发泡聚氨脂芯块，进行修整后除油；

2)根据铺层设计，在坯布成型模中将外表层及内表层坯布预成型。选用的增强材料必须依照工艺要求确定其铺设方向、层数，在喷洒定型胶后，加热加压定型；

3)在清理好的外模具内涂刷脱模剂，涂刷胶衣；

4)将已经预成型的外表层坯布、发泡聚氨脂芯块及内表层坯布顺次放置到车顶模、侧模及前后围模具中；

5)在设置芯块时，要将予埋铁件设置在模具的定位点上，并与芯块上相应的定位对应，插上定位销。予埋铁件必须经除锈、除油、磷化处理，并作表面镀锌；

6)将两侧外模及前后围模具固定到车顶模上，合模时一定要注意定位、密封，再预锁紧。

7)将内模外皮嵌入到组合外模中，并与后门模具连接；

8)将内模承力芯由后门口送入内模外皮内，并将内模承力芯的定位杆连同内模上的环套一并插入到外模上的定位孔中，并将定位杆锁定；

9)将车底模内外壳表层坯布及芯层一并置于内模上，并将连接部位的布层理顺，搭接好；

10)合车底模，封后门盖；

11)连接成型机与模具的管线；

12)按照确定程序及注入量、注入速度、气压及温度限值等有关工作数据输入到计算机中，给成型机加料；

13)启动成型机，将树脂快速送入模具型腔；

14)注入过程完成后，自动转入气囊加压过程，根据程序从车顶模中心的条状气囊开始加压，由于内模的膨胀，模间间隙减小，多余的树脂从车顶中心被挤推向车顶两侧。然后车顶两侧位置的气囊按顺序加压，树脂则被推挤至车身两侧上部靠近车顶处(即：车侧模的下部)，接着侧模位置处的各气囊按顺序加压由下向上将树脂顺序挤推至车底模腔内，同时将前后围模具完全充满，车顶模位置处的各气囊按顺序加压，将车顶模充满；

15)进一步给所有气囊加压，将多余树脂由底模上设置的排气溢流孔排出，并排尽模内的空气；

16)充填过程完成后，随即转入加热过程，启动模具中的加热装置，使模温升高，促使树脂快速固化；

17)切断模具与成型机间的管线；

18)脱模，取出内模承力芯及内模外皮，进行清理备用；

19)取出工件进行清理，修整；

20)整理模具及设备，准备再次使用。