專利名稱：纖維增強塑料制品的成型方法及其模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維增強塑料制品的快速注入分段加壓成型方法及其模具，尤其是大型復(fù)雜產(chǎn)品(例如汽車車體)的成型方法及其模具。
為了解決復(fù)合材料在制作汽車車體方面存在的兩個主要問題(剛度不足易于變形以及成型工藝落后)，本發(fā)明人提出了專利號為88202023.4名稱為《一種玻璃鋼汽車車身》的專利、專利號為88106442.4名稱為《一種新穎的玻璃鋼汽車車身結(jié)構(gòu)的加工工藝》的專利以及專利號為89102370.4名稱為《制造玻璃鋼制品的模塑成型方法》的專利。以上述專利為基礎(chǔ)制作的汽車車體具有良好的強度和剛度，達到了輕量化的目的，一個長度為3.95米的兩廂式車身的重量僅為120公斤。但在實施上述成型方法的過程中發(fā)現(xiàn)存在以下兩個缺陷(1)模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是組合式剛性內(nèi)模的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，既要適應(yīng)載人艙的復(fù)雜造型，又要便于脫模取出，因而內(nèi)模的分塊很零碎，在空間定位、鎖緊、密封等方面都遇到了很多困難，特別是在誤差補償方面很難于處理。
(2)生產(chǎn)效率不高。以手工模壓的方法生產(chǎn)一個車身需要5小時。而以模塑成型方法生產(chǎn)需要3-3.5小時，與手工糊制方法相比，雖然提高了30-60％，但仍不能滿足汽車工業(yè)高節(jié)奏批量化的要求，不能達到機械化流水線的生產(chǎn)水平。
本發(fā)明的目的是提出一種新的纖維增強塑料制品的成型方法及模具，尤其是大型復(fù)雜產(chǎn)品(例如汽車車體)的成型方法及模具。它能克服現(xiàn)有成型方法中存在的問題，即首先是能簡化模具的結(jié)構(gòu)，并能解決由此帶來的密封、鎖緊及定位等方面的問題；其次是能提高工作效率，提高機械化程度，使這種成型方法能夠適應(yīng)汽車工業(yè)高節(jié)奏、批量化生產(chǎn)的要求。
本發(fā)明的纖維增強塑料制品的快速注入分段加壓成型方法，包含下列步驟(1)組合兩個相互配合形成模腔的模具部分及增強材料、泡沫內(nèi)芯、預(yù)埋件等，形成一布置好內(nèi)容物的模腔，不使模腔的形狀和大小達到其形成最終制品時的狀態(tài)，而使模腔初始形成時的容積大于形成最終制品時的模腔容積；(2)將定量的樹脂注入所形成的較大的模腔，其中的樹脂量應(yīng)略大于形成最終產(chǎn)品所需的量，但少于模腔初始形成時的容積，因而樹脂將部分充添模腔；(3)通過改變模腔中已充入樹脂處的部分模腔的形狀，縮小該部位兩個相互配合形成模腔的模具部分成型表面之間的距離，使該部位的工件受壓，迫使該處的部分樹脂流向其它部位；(4)逐漸擴大模腔中工件受壓的面積，最終使整個工件受壓，并使模腔的形狀和大小達到其形成最終制品時的狀態(tài)，將多余的樹脂排出到模腔之外；(5)保持對工件的壓力，直至樹脂全部固化。
在本發(fā)明的纖維增強塑料制品的快速注入分段加壓成型方法中，在模腔初始形成時，將兩個相互配合形成模腔的模具部分具成型表面間的距離控制到既便于所需量的樹脂能快速注入模腔，又使盡可能多的模腔容積被樹脂充滿，以利于樹脂浸潤纖維增強材料。樹脂注入后，在重力作用下沉積于模腔內(nèi)的下部，首先從模腔的最底部開始，使模腔的一部分變形，使該部位的工件受壓，然后將變形逐漸向上擴大到整個模腔。模腔每次變形壓向工件的面積應(yīng)利于變形處的樹脂及其內(nèi)的氣泡流向其它部位，但又不需要過多次數(shù)的變形，以利于縮短操作時間。
在本發(fā)明的纖維增強塑料制品的快速注入分段加壓成型方法中，通過調(diào)整壓向工件的壓力，可調(diào)整最終制品中的樹脂含量。
傳統(tǒng)的纖維增強塑料制品的注射成型方法是在一包含玻璃纖維增強材料、泡沫內(nèi)芯、預(yù)埋件等內(nèi)容物的形狀不變的模腔中注射入不飽和聚酯樹脂。由于模腔中有玻璃纖維增強材料、泡沫內(nèi)芯、預(yù)埋件等內(nèi)容物，因此，模腔的流道截面較小，樹脂的流動阻力較大，流動速度也就較慢，注射所需的時間也就較長。如果工件的尺寸越大，則樹脂的流程越長，所需的注射時間就更長，此外，排氣的阻力也會增大，而使出現(xiàn)因氣泡滯留產(chǎn)生的白斑和缺肉等缺陷的可能性增大。本發(fā)明的纖維增強塑料制品的快速注入分段加壓成型方法，在注射階段由于加大了模腔空間，不使模腔兩成型面間的距離達到最終尺寸，而使流道截面增大，因而可以快速將樹脂注入。然后通過一部分又一部分地縮小模腔成型面間的距離，使樹脂在較小的阻力下被擠推到模腔各處，使增強材料得到充分浸潤、填滿模腔。再有，傳統(tǒng)的纖維增強塑料制品的注射成型方法，有時為了減少流道的阻力，將流道截面中填充物所占的面積減小，增加樹脂通過面積，這雖然縮短了注射時間，但是卻增加了最終制品中樹脂的含量，降低了制品的強度。而本發(fā)明的成型方法，通過注射后壓縮工件，增加了增強材料的含量，保證了制品的強度；并且還可通過調(diào)整加壓壓力控制最終制品中的樹脂含量。
對于整體式注壓方法，由于是通過一致地減少兩個相互配合形成模腔的模具部分成型面間的所有間距，因此所需的合模力要遠遠大于一部分一部分地減少間距所需的合模力，因而設(shè)備要龐大的多；并且由于各處模腔截面是同時減小，因此，多余樹脂的流動阻力和流程與注射方法相比差不多。與之相反，本發(fā)明方法的多余樹脂的流動阻力較小，因為樹脂流動時僅僅是變形模腔的這一部分截面變小了，而其它部位的模腔截面并未減小；并且在本發(fā)明的方法中不存在需要長時間才能完成的長流程、大流動阻力的樹脂流動情況，因此整個操作時間較短。
在本發(fā)明的方法中，為了縮小兩個相互配合形成模腔的模具部分成型表面之間的距離，既可改變兩個相互配合形成模腔的模具部分任意之一的成型表面，也可同時改變兩個相互配合形成模腔的模具部分的成型表面。
為實現(xiàn)本發(fā)明的方法，本發(fā)明的模具包含兩個相互配合形成模腔的模具部分，兩個相互配合形成模腔的模具部分閉合時形成一模腔，兩個相互配合形成模腔的模具部分中任意之一是剛性模具，而另一相互配合形成模腔的模具部分是柔性模具，剛性模具的成型表面具有與制品相應(yīng)表面一致的形狀，柔性模具的成型表面為相對可變的表面，該柔性外皮由多個伸縮機構(gòu)支撐，各個伸縮機構(gòu)的另一端支撐在柔性模具的承力架上，每個伸縮機構(gòu)可根據(jù)要求各自獨立伸縮，剛性模具與柔性模具的承力架聯(lián)接，以構(gòu)成一完整的力傳遞路徑。
在本發(fā)明的模具中，兩個相互配合形成模腔的模具部分可分別是外模具和內(nèi)模具，外模具是一組合式剛性模具，其內(nèi)表面的形狀基本上與制品的外形一致；內(nèi)模具是一柔性模具，包含一柔性外皮、一內(nèi)模承力芯及多個內(nèi)模形變施壓機構(gòu)；柔性外皮與外模具之間形成的空間為模腔，柔性外皮由內(nèi)模形變施壓機構(gòu)支撐，內(nèi)模形變施壓機構(gòu)既可單獨聯(lián)接在內(nèi)模承力芯或柔性外皮上，也可兩端分別聯(lián)接在內(nèi)模承力芯及柔性外皮上，每個內(nèi)模形變施壓機構(gòu)可根據(jù)要求獨立變形，以使相應(yīng)處的柔性外皮壓向外模具，內(nèi)模承力芯與外模聯(lián)接，以構(gòu)成一完整的力傳遞路徑。
在本發(fā)明的模具中，各內(nèi)模形變施壓機構(gòu)可以是可充氣氣囊、機械式伸縮機構(gòu)、液壓式伸縮機構(gòu)、機械-液壓式伸縮結(jié)構(gòu)中的一種或多種，但優(yōu)選內(nèi)模形變施壓機構(gòu)是可充氣氣囊，因為可充氣氣囊結(jié)構(gòu)簡單，裝配容易。該氣囊充氣時將內(nèi)模外皮壓向外模。
在本發(fā)明的模具中，氣囊是條形的，平行于工件的縱軸線，粘貼于內(nèi)模外皮上。為了減少氣囊的體積，內(nèi)模承力芯應(yīng)大致具有與外模內(nèi)表面相應(yīng)的形狀。內(nèi)模承力芯可以是外形可變的可折疊結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的模具中，柔性內(nèi)模外皮是由聚合物(例如橡膠、熱塑性彈性體等)制成。該外皮具有較高的彈性變形能力。
采用柔性內(nèi)模，可大大簡化內(nèi)模結(jié)構(gòu)，避免了剛性內(nèi)模的分塊多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封位置多、裝配空間小、裝配困難等缺點。而含有多個獨立式氣囊和有定位作用的內(nèi)模承力芯的柔性內(nèi)模，又克服了整體式柔性內(nèi)模外皮整體偏移造成制品壁厚不均勻的缺點。
下面結(jié)合具體實施例及其附圖進行說明。
附

圖1、2為制造汽車車身模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
車身成型時，車頂向下，車底向上；車頂模具最低，車底模具最高；樹脂注入口設(shè)置在車頂模具的最低處，排氣口設(shè)置在車底模具的最高處。車身的外模具是用復(fù)合材料制作的組合式剛性模具，一般是由6～9塊組合而成，模塊之間設(shè)置有密封裝置以防止?jié)B漏，此外還設(shè)有定位、鎖緊、頂出裝置等。當所有外模組合在一起時，所形成的內(nèi)腔即為一個完整的車身外形。車身內(nèi)模外皮是由柔性材料制作的，當其內(nèi)的氣囊完全充滿氣時，其外形即為車身的載人艙。氣囊后端設(shè)接合口與后門口的外模相接，車身成型后，柔性內(nèi)?？捎珊箝T口取出。在內(nèi)模外皮內(nèi)腔還設(shè)置有縱置的氣囊，貼附于內(nèi)模外皮內(nèi)側(cè)上，這些氣囊是密閉的，可分別充氣。柔性內(nèi)模與外模在后門口處相連接，設(shè)置有密封、定位及鎖緊裝置，在連接口還設(shè)有后蓋，用以封閉內(nèi)模外皮的內(nèi)腔。在內(nèi)模外皮內(nèi)腔中設(shè)置有內(nèi)模承力芯，此內(nèi)模承力芯的周圍有10～16個可伸縮的定位桿，與外模上設(shè)置的定位孔(盲孔)相對應(yīng)，并將內(nèi)模相應(yīng)位置的凸塊嵌于定位桿與定位塊之間。此內(nèi)模承力芯在內(nèi)模氣囊充氣時能將反作用力傳遞至外模上。
如圖所示，1為車底模，2為車頂模，3為前圍模，4為后圍模，5為后門口模，再加上兩側(cè)的側(cè)模具10、11，即可組合成剛性外模。6為柔性內(nèi)模外皮，7為發(fā)動機艙上模，8為發(fā)動機艙下模，9為內(nèi)模承力芯， 12為縱置式氣囊，13為車身。
車身成型工藝包括1)在專用的車身發(fā)泡模中制作車體的發(fā)泡聚氨脂芯塊，進行修整后除油；2)根據(jù)鋪層設(shè)計，在坯布成型模中將外表層及內(nèi)表層坯布預(yù)成型。選用的增強材料必須依照工藝要求確定其鋪設(shè)方向、層數(shù)，在噴灑定型膠后，加熱加壓定型；3)在清理好的外模具內(nèi)涂刷脫模劑，涂刷膠衣；4)將已經(jīng)預(yù)成型的外表層坯布、發(fā)泡聚氨脂芯塊及內(nèi)表層坯布順次放置到車頂模、側(cè)模及前后圍模具中；5)在設(shè)置芯塊時，要將予埋鐵件設(shè)置在模具的定位點上，并與芯塊上相應(yīng)的定位對應(yīng)，插上定位銷。予埋鐵件必須經(jīng)除銹、除油、磷化處理，并作表面鍍鋅；6)將兩側(cè)外模及前后圍模具固定到車頂模上，合模時一定要注意定位、密封，再預(yù)鎖緊。
7)將內(nèi)模外皮嵌入到組合外模中，并與后門模具連接；8)將內(nèi)模承力芯由后門口送入內(nèi)模外皮內(nèi)，并將內(nèi)模承力芯的定位桿連同內(nèi)模上的環(huán)套一并插入到外模上的定位孔中，并將定位桿鎖定；9)將車底模內(nèi)外殼表層坯布及芯層一并置于內(nèi)模上，并將連接部位的布層理順，搭接好；10)合車底模，封后門蓋；11)連接成型機與模具的管線；12)按照確定程序及注入量、注入速度、氣壓及溫度限值等有關(guān)工作數(shù)據(jù)輸入到計算機中，給成型機加料；13)啟動成型機，將樹脂快速送入模具型腔；14)注入過程完成后，自動轉(zhuǎn)入氣囊加壓過程，根據(jù)程序從車頂模中心的條狀氣囊開始加壓，由于內(nèi)模的膨脹，模間間隙減小，多余的樹脂從車頂中心被擠推向車頂兩側(cè)。然后車頂兩側(cè)位置的氣囊按順序加壓，樹脂則被推擠至車身兩側(cè)上部靠近車頂處(即車側(cè)模的下部)，接著側(cè)模位置處的各氣囊按順序加壓由下向上將樹脂順序擠推至車底模腔內(nèi)，同時將前后圍模具完全充滿，車頂模位置處的各氣囊按順序加壓，將車頂模充滿；15)進一步給所有氣囊加壓，將多余樹脂由底模上設(shè)置的排氣溢流孔排出，并排盡模內(nèi)的空氣；16)充填過程完成后，隨即轉(zhuǎn)入加熱過程，啟動模具中的加熱裝置，使模溫升高，促使樹脂快速固化；17)切斷模具與成型機間的管線；18)脫模，取出內(nèi)模承力芯及內(nèi)模外皮，進行清理備用；19)取出工件進行清理，修整；20)整理模具及設(shè)備，準備再次使用。
權(quán)利要求
1.一種纖維增強塑料制品的快速注入分段加壓成型方法，包含下列步驟(1)組合兩個相互配合形成模腔的模具部分及增強材料、泡沫內(nèi)芯、預(yù)埋件形成一布置好內(nèi)容物的模腔，模腔初始形成時，不使模腔的形狀和大小達到其形成最終制品時的狀態(tài)，因而使模腔初始形成時的模腔容積大于形成最終制品時的模腔容積；(2)將定量的樹脂注入所形成的較大的模腔，其中樹脂的量略大于形成產(chǎn)品所需的量，但少于或等于模腔初始形成時的模腔容積，因而樹脂部分或全部充滿了模腔；(3)通過改變模腔中已充入樹脂處的部分模腔的形狀，縮小該部位兩個相互配合形成模腔的模具部分成型表面之間的距離，使該部位的工件受壓，迫使該處的部分樹脂流向其它部位；(4)逐漸擴大模腔中工件受壓的面積，最終使整個工件受壓，并使模腔的形狀和大小達到其形成最終制品時的狀態(tài)，將多余的樹脂排出到模腔之外；(5)保持對工件的壓力，固化樹脂。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的注壓成型方法，其特征在于在模腔初始形成時，將兩個相互配合形成模腔的模具部分具成型表面間的距離控制到既便于所需量的樹脂能快速注入模腔，又使盡可能多的模腔容積被樹脂充滿，以利于樹脂浸潤纖維材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的注壓成型方法，其特征在于樹脂注入后，在重力作用下沉積于模腔內(nèi)的下部，首先從模腔的最底部開始使模腔的一部分變形，使該部位的工件受壓，然后將變形逐漸向上擴大到整個模腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的注壓成型方法，其特征在于模腔每次變形壓向工件的面積應(yīng)小到利于變形處的樹脂及其內(nèi)的氣泡流向其它部位，但又不需要過多次數(shù)的變形，以利于縮短操作時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的注壓成型方法，其特征在于通過調(diào)整壓向工件的壓力，調(diào)整最終制品中的樹脂含量。
6.實現(xiàn)權(quán)利要求1-5方法的模具，包含兩個相互配合形成模腔的模具部分，兩個相互配合形成模腔的模具部分閉合時形成一模腔，兩個相互配合形成模腔的模具部分中任意之一是剛性模具，而另一個是柔性模具，剛性模具的成型表面具有與制品相應(yīng)表面一致的形狀，柔性模具的成型表面是一柔性外皮，該柔性外皮由多個伸縮機構(gòu)支撐，各個伸縮機構(gòu)的另一端支撐在柔性模具的承力架上，每個伸縮機構(gòu)可根據(jù)要求各自獨立伸縮，剛性模具與柔性模具的承力架聯(lián)接，以構(gòu)成一完整的力傳遞路徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的模具，其特征在于模具由外模和內(nèi)模組成，外模具是一組合式剛性模具，其內(nèi)表面的形狀基本上與制品的外形一致；內(nèi)模具是一柔性模具，包含一柔性外皮、一內(nèi)模承力芯及多個內(nèi)模形變施壓機構(gòu)；柔性外皮與外模具之間形成的空間為模腔，柔性外皮由內(nèi)模形變施壓機構(gòu)支撐，內(nèi)模形變施壓機構(gòu)既可單獨聯(lián)接在內(nèi)模承力芯或柔性外皮上，也可兩端分別聯(lián)接在內(nèi)模承力芯及柔性外皮上，每個內(nèi)模形變施壓機構(gòu)可根據(jù)要求獨立變形，以使相應(yīng)處的柔性外皮壓向外模具，內(nèi)模承力芯與外模聯(lián)接，以構(gòu)成一完整的力傳遞路徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的模具，其特征在于內(nèi)模形變施壓機構(gòu)是可充氣氣囊，氣囊充氣時將內(nèi)模外皮壓向外模。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新的纖維增強塑料制品的成型方法及模具，尤其是大型復(fù)雜產(chǎn)品(例如汽車車體)的成型方法及模具。它能克服現(xiàn)有成型方法中存在的問題，即首先是能簡化模具的結(jié)構(gòu)，并能解決由此帶來的密封、鎖緊及定位等方面的問題；其次是能提高工作效率，提高機械化程度，使這種成型方法能夠適應(yīng)汽車工業(yè)高節(jié)奏、批量化生產(chǎn)的要求。
文檔編號B29C43/10GK1163183SQ9610288
公開日1997年10月29日 申請日期1996年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月23日
發(fā)明者于賓 申請人:于賓