文／武健，米新征·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

本文對(duì)碳纖維復(fù)合材料HP-RTM 模壓成形工藝所需的裝備進(jìn)行介紹，詳細(xì)闡述了碳纖維復(fù)合材料模壓成形裝備的剪裁機(jī)、預(yù)成形裝備、模壓成形裝備和切割機(jī)等。HP-RTM 模壓成形工藝是復(fù)合材料生產(chǎn)中一種制造高纖維體積含量的大型復(fù)雜構(gòu)型的成形方法，它是由普通的塑料制品模壓成形演變而來的，是一種對(duì)熱固性樹脂和熱塑性樹脂都適用的碳纖維復(fù)合材料成形方法。模壓成形基本過程是：在模腔（模腔需要預(yù)先制作成特定尺寸）中鋪放按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)的增強(qiáng)材料預(yù)成形體，然后將預(yù)制體放入液壓機(jī)模腔內(nèi)，在壓力注入或外加真空輔助條件下，液態(tài)樹脂在閉合模具里流動(dòng)并排出氣體，同時(shí)浸潤干態(tài)纖維預(yù)成形體，加熱固化，得到制品。

碳纖維復(fù)合材料HP-RTM 是將傳統(tǒng)RTM 技術(shù)與模壓技術(shù)結(jié)合的新型技術(shù)，在能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)極大地縮短生產(chǎn)時(shí)間，從而降低生產(chǎn)成本。HP-RTM 模壓成形制件具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞性能好、破損安全性高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、高鐵、電子、軍工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性好、耐腐蝕、整體成形以及性能可設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)良特性，能夠取代傳統(tǒng)金屬成為新型輕量化材料，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，以期在減輕車身重量、提高燃油效率方面有所突破。

HP-RTM 工藝可一次性快速成形大型、復(fù)雜構(gòu)件，所得制品表面光潔，無需太多后續(xù)處理，簡化了工作流程，提高了工作質(zhì)量。并且如果用預(yù)成形體制備，則可做到尺寸控制，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化生產(chǎn)。

目前，隨著國內(nèi)HP-RTM 成形工藝的高速發(fā)展與推廣，已經(jīng)基本形成一套完善的生產(chǎn)裝備組成，其生產(chǎn)設(shè)備主要由四個(gè)部分組成，分別為裁切單元、預(yù)成形單元、模壓單元和切割加工單元等。其中裁切單元由多層上料裝置、裁切裝置、出料裝置等組成；預(yù)成形單元由預(yù)成形上料裝置、預(yù)熱處理爐、預(yù)成形壓機(jī)、預(yù)成形模具、下料裝置等組成；模壓成形單元由上料臺(tái)、上料機(jī)器人，大噸位液壓機(jī)、模壓模具、抽真空裝置、注膠機(jī)、下料機(jī)器人、出料平臺(tái)等組成；切割加工單元由五軸機(jī)切割系統(tǒng)、激光器、冷水機(jī)、雙工位滑臺(tái)、冷干機(jī)及其控制系統(tǒng)等組成。

裁切單元

利用裁切機(jī)可以將高強(qiáng)度的碳纖維編織物裁切成工件需要的外形尺寸，經(jīng)過單層裁切多層鋪料，或者采用多卷同時(shí)開卷裁切，實(shí)現(xiàn)多層碳纖維預(yù)制體的裁切，裁切臺(tái)如圖1 所示，具體工藝流程為：

圖1 裁切臺(tái)

⑴首先人工將碳纖維卷料安裝到放料架上；

⑵人工將碳纖維卷料的料頭放入壓料輥內(nèi)；

⑶開動(dòng)裁切機(jī)將料頭帶入裁切臺(tái)指定位置，并進(jìn)行初始位置定位裁切；

⑷裁切機(jī)按照輸入圖紙要求進(jìn)行裁切加工；

⑸裁切完成后，輸送到下料臺(tái)；

⑹人工或機(jī)器人將裁切好的料取出轉(zhuǎn)運(yùn)到下一工序。

預(yù)成形單元

通過預(yù)成形單元可以將裁切完成的碳纖維編織物多層預(yù)制體壓制成形，為后序的高壓注入樹脂提供前期準(zhǔn)備，有序的將多個(gè)單層碳纖維編織物經(jīng)過倒運(yùn)→加熱→壓制→出料工序，完成預(yù)制體的壓制。圖2 為天鍛公司預(yù)成形生產(chǎn)線，具體工藝流程為：

圖2 天鍛公司預(yù)成形生產(chǎn)線

⑴人工將原料放入上料臺(tái)中；

⑵機(jī)械手將多層料拾取到加熱臺(tái)中；

⑶加熱平臺(tái)合模進(jìn)行預(yù)成形體預(yù)熱；

⑷加熱完成，平臺(tái)開模，機(jī)械手進(jìn)入取件；

⑸機(jī)械手將預(yù)熱后的預(yù)制體送入預(yù)成形壓機(jī)中；

⑹預(yù)成形壓機(jī)下行，加壓壓制預(yù)成形體；

⑺預(yù)成形壓機(jī)開模，機(jī)械手取出壓制完成的預(yù)制體；

⑻機(jī)械手將成形后的預(yù)制體放入下料輥道上，壓制完成。

預(yù)成形上料臺(tái)及機(jī)械手

上料臺(tái)在預(yù)成形生產(chǎn)線中是用來放置裁切完成后的多層碳纖維預(yù)制料，其為可移動(dòng)的上料臺(tái)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)在地面上的地軌上進(jìn)行進(jìn)出移動(dòng)和往復(fù)上料，并在上料臺(tái)面上布置多個(gè)仿形定位裝置，方便人工放置預(yù)制料的定位。

上料臺(tái)上料位上方配備有上料機(jī)械手(圖3)，其通過多維度伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將預(yù)制料轉(zhuǎn)運(yùn)到預(yù)熱平臺(tái)中。機(jī)械手上布置有多組端拾器，用來拾取預(yù)制料，利用伺服電機(jī)的無極調(diào)速和穩(wěn)定特性，可實(shí)現(xiàn)把預(yù)制體快速轉(zhuǎn)運(yùn)至指定位置，設(shè)備沖擊小且運(yùn)行平穩(wěn)。

圖3 天鍛公司上料機(jī)械手

預(yù)熱平臺(tái)

預(yù)熱平臺(tái)(圖4)采用鋼結(jié)構(gòu)框架形式，可以對(duì)預(yù)制體碳纖維料進(jìn)行預(yù)成形壓制前的預(yù)熱，其作用是讓纖維織物表面的粘結(jié)劑達(dá)到熔融的溫度，可以有效地將多層碳纖維織物粘結(jié)在一起，對(duì)后續(xù)的高壓注膠成形質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。

圖4 天鍛公司預(yù)熱平臺(tái)

預(yù)熱平臺(tái)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過模溫機(jī)對(duì)其加熱臺(tái)面進(jìn)行加熱，升溫速度快，溫控精度高，可迅速將碳纖維預(yù)制體升溫到預(yù)定溫度，設(shè)備配備過溫、過壓、超程等安全保護(hù)措施。

預(yù)成形液壓機(jī)

在預(yù)成形生產(chǎn)線中主要設(shè)備當(dāng)屬預(yù)成形液壓機(jī)(圖5)，目前國內(nèi)其噸位一般多為200 ～500t，機(jī)身結(jié)構(gòu)多采用整體框架式，此種機(jī)身的抗偏載能力強(qiáng)，滑塊導(dǎo)向采用外X 型可調(diào)導(dǎo)軌導(dǎo)向，液控系統(tǒng)采用比例控制系統(tǒng)，帶數(shù)字顯示和數(shù)字控制。調(diào)控單元采用伺服電機(jī)節(jié)能方案，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，降噪效果好。電氣控制采用工控機(jī)顯示和操作終端，方便簡化操作，人機(jī)交互性強(qiáng)，并配備快速換模裝置。

圖5 天鍛公司預(yù)成形液壓機(jī)

預(yù)成形模具

預(yù)成形模具多采用上、下模結(jié)構(gòu)，通過液壓機(jī)配備的快速換模裝置進(jìn)行快速更換，為適應(yīng)液壓機(jī)的壓制，多會(huì)在上、下模上再增加一些過渡墊板，或者承壓模板，用以增加模具承壓面積。上、下模具采用T 形螺釘與壓機(jī)的滑塊和下梁進(jìn)行固定連接。

下料機(jī)械手及出料平臺(tái)

下料機(jī)械手采用三自由度框架結(jié)構(gòu)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，框架采用輕質(zhì)鋁合金結(jié)構(gòu)，既保證了剛度，又減輕了重量，框架上布置多組拾取端拾器，移載速度可達(dá)1m/s，重復(fù)定位精度達(dá)到±1mm。

出料平臺(tái)上布置有仿形托架，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以在產(chǎn)線護(hù)網(wǎng)與出料位進(jìn)行移動(dòng)，方便成品出料及人員操作安全。

模壓成形單元

在經(jīng)過預(yù)成形單元預(yù)壓制成形后的預(yù)制體，被轉(zhuǎn)運(yùn)人工補(bǔ)強(qiáng)后，運(yùn)送到模壓成形生產(chǎn)線的上料臺(tái)，機(jī)器人搬運(yùn)(或者人工)送到壓機(jī)中，然后合模→抽真空→注膠→加壓→保壓→脫模等工序，再經(jīng)由機(jī)器人(或者人工)將成形制件拾取放入出料平臺(tái)。模壓成形生產(chǎn)線見圖6，具體工藝流程為：

圖6 模壓成形生產(chǎn)線

⑴人工將預(yù)制體放在上料臺(tái)上；

⑵機(jī)器人將預(yù)制體拾取放入壓機(jī)中；

⑶壓機(jī)進(jìn)行合模、抽真空、注膠、壓制、保壓、脫模、回程動(dòng)作完成壓制；

⑷機(jī)器人將壓制完成的制件拾取出模腔；

⑸機(jī)器人將制件放在下料平臺(tái)上，壓制完成。

上料平臺(tái)

上料平臺(tái)由安全棚、卷簾門、上料小車組成。配備雙組3 層上料小車，可交替使用上料，加快生產(chǎn)效率。小車采用鋁合金型材拼接完成，重量輕、強(qiáng)度高，人工操作方便，小車進(jìn)出工位都有相應(yīng)傳感器，可檢測(cè)其工作位置是否到位。

上下料機(jī)器人

上下料機(jī)器人(圖7)采用六軸機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)拾取上料平臺(tái)上的預(yù)制體制件，將其放入壓機(jī)的模腔內(nèi)，待壓機(jī)壓制完成后，將成品制件拾取放在下料平臺(tái)上。

圖7 上下料機(jī)器人

機(jī)器人的大扭矩關(guān)節(jié)適合傳送大型和重型工件，且每個(gè)機(jī)器人裝配有以下部件：機(jī)器人本體、機(jī)器人附件及真空系統(tǒng)、機(jī)器人控制器、示教編程器、機(jī)器人與控制器之間的電纜。通用端拾器采用鋁合金主桿，手動(dòng)快換系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，支桿為鋁合金材質(zhì)加真空吸盤。

模壓成形液壓機(jī)

目前，國內(nèi)模壓成形液壓機(jī)的噸位一般多為2000 ～3000t，如圖8 所示，機(jī)身結(jié)構(gòu)多采用組合拉桿框架式，此種機(jī)身的抗偏載性強(qiáng)，滑塊采用外X型可調(diào)導(dǎo)軌導(dǎo)向，液控系統(tǒng)采用泵控系統(tǒng)，為數(shù)字顯示和數(shù)字控制。調(diào)控單元采用伺服電機(jī)節(jié)能方案，系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)沖擊小，節(jié)能性高、噪聲低、系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，長期運(yùn)營成本低。電氣控制采用工控機(jī)顯示和操作終端，方便簡化操作，人機(jī)交互性強(qiáng)。配備快速換模裝置，隨機(jī)配備輔助油路，輔助氣路。

圖8 天鍛公司2500 噸模壓成形液壓機(jī)

根據(jù)工藝需求配備四角調(diào)平功能，此系統(tǒng)為單獨(dú)的閉環(huán)系統(tǒng)，平行度控制系統(tǒng)參數(shù)為自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)控制精度±0.1mm，當(dāng)液壓機(jī)在承受較大偏心負(fù)載時(shí)，通過調(diào)平系統(tǒng)迅速作出反應(yīng)，使壓機(jī)平行度得以精確保持。

抽真空系統(tǒng)

抽真空裝置是HP-RTM 工藝中必不可少的設(shè)備，它主要用于對(duì)合模后的模腔進(jìn)行抽真空作業(yè)，使模腔內(nèi)產(chǎn)生真空的狀態(tài)，達(dá)到快速將模腔抽真空的效果。一般在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，模腔真空度可達(dá)到-0.098MPa。

注膠機(jī)

注膠機(jī)可以將樹脂原料按照一定計(jì)量混合后，通過模具預(yù)留注膠口注入模腔內(nèi)進(jìn)行熱塑或者熱固成形。注膠機(jī)采用特殊的設(shè)計(jì)，原料會(huì)以要求的溫度在管路內(nèi)流動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿摎猓缓笠跃_的流量和比例進(jìn)行計(jì)量。這套設(shè)備還帶有夾套料罐，通過導(dǎo)熱油模溫機(jī)和熱交換器，將原料溫度加熱到100℃。

料罐還帶有專門的真空脫氣系統(tǒng)，可去除樹脂原料中殘留的氣泡，避免最后固化的復(fù)合材料部件中出現(xiàn)氣孔。

HP-RTM 工藝注膠機(jī)中最關(guān)鍵的設(shè)備是混合頭，液態(tài)的原料通過計(jì)量泵在混合頭內(nèi)達(dá)到一定的壓力，然后通過專門的噴嘴將這種壓力轉(zhuǎn)化成噴射混合的動(dòng)能。兩種或多種原料會(huì)通過這些噴嘴在混合腔內(nèi)充分高壓對(duì)撞混合，這種高壓對(duì)撞會(huì)產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的湍流，以實(shí)現(xiàn)最佳的混合效果。

HP-RTM 模壓成形模具

HP-RTM 模壓模具為上、下模結(jié)構(gòu)，垂直壓制工藝。上模由上墊板、上模板、上模墊塊、頂出缸、抽真空控制缸及導(dǎo)向柱等組成。下模由下墊板、下模板、下模墊塊、頂出缸、抽真空控制缸及導(dǎo)向柱等組成。

上模由T 形螺栓與壓機(jī)上滑塊固定連接，下模由T 形螺栓與壓機(jī)下橫梁固定連接。

在模具型腔和型芯側(cè)各布置有6 個(gè)吹氣頂出油缸，抽真空開關(guān)油缸，包括2 個(gè)壓力傳感器和4 個(gè)PT100 溫度傳感器。

模具的型腔和型芯鋼材采用國產(chǎn)P20(3Cr2Mo)，P20 鋼材適用于制作塑料模和壓鑄低熔點(diǎn)金屬的模具材料。此材料具有良好的可切削性及鏡面研磨性能。

在模具試模完成后，對(duì)模具進(jìn)行電鍍處理。

下料平臺(tái)

如圖9 所示，下料平臺(tái)采用皮帶循環(huán)輸送機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)器人將成品件放置到下料臺(tái)一端時(shí)，皮帶機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將制件傳送到另一端，到位置后停止，人工將制件取下。

下料平臺(tái)具有防跑偏功能和跑偏調(diào)整功能、張緊皮帶機(jī)構(gòu)，皮帶表面帶有耐切割層，耐沖壓件切割、不易老化。

切割加工單元

目前，主流加工設(shè)備主要為激光切割機(jī)(圖10)、水刀切割機(jī)、數(shù)控高速機(jī)床等，在上述設(shè)備中，近些年常用的為激光切割機(jī)，切割加工單元由五軸機(jī)切割系統(tǒng)、激光器、冷水機(jī)、雙工位滑臺(tái)、冷干機(jī)及其控制系統(tǒng)等組成。切割速度：直線切割速度可達(dá)2.4m/min；切割精度≤±0.1mm/m；碳化層：厚度0.03 ～0.15mm；重復(fù)加工(定位)精 度：±0.05mm；加 工 幅 面( 長× 寬× 高)：3000mm×1800mm×550mm。

圖10 激光切割機(jī)

總結(jié)

國內(nèi)設(shè)備發(fā)展起步晚，高端產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口設(shè)備。國內(nèi)設(shè)備主要針對(duì)低端產(chǎn)品，工藝落后，智能化程度低，精度及產(chǎn)品穩(wěn)定性較差，缺乏競(jìng)爭力。

碳纖維復(fù)合材料輕量化HP-RTM 模壓成形裝備是傳統(tǒng)沖壓成形工藝的技術(shù)升級(jí)，是集輕量化零部件的模壓成形、機(jī)械制造、液壓、檢測(cè)與控制等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)為一體的成套工藝裝備。該技術(shù)未來將在國內(nèi)航空航天、汽車、高鐵等領(lǐng)域被廣泛采用，采用HPRTM 模壓成形這種先進(jìn)的成形工藝技術(shù)，同時(shí)匹配了相應(yīng)的機(jī)械手、輸送系統(tǒng)、溫控設(shè)備和真空設(shè)備，成功解決了新型碳纖維復(fù)合材料制件效率低、穩(wěn)定性差、精度低等棘手問題。綜上所述，碳纖維復(fù)合材料輕量化HP-RTM 智能化成套裝備將會(huì)具有較明顯優(yōu)勢(shì)，競(jìng)爭力十分突出。