CN112092414A - 一种碳纤维衬管的成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳纤维衬管的成型装置及方法。成型装置包括：上模组件、下模组件和顶出组件；上模组件包括上型芯，上模组件上下活动设置在下模组件上，下模组件包括成型块、设置在成型块内的下型芯和套设在成型块外的外模块；成型块内设置有成型腔，上型芯中间开设有与下型芯相适配的第一通孔，当成型装置上下合模时，下型芯插入第一通孔内，且衬管成品的形状由成型腔与上型芯的外轮廓共同限定出；成型块底部设置有用于将成型块从外模块内顶出的顶出组件。成型方法使用了上述成型装置。通过本发明压制碳纤维衬管具有壁厚均匀，同轴度好的特点。

Description

一种碳纤维衬管的成型装置及方法

技术领域

本发明涉及衬管成型技术领域，具体涉及一种碳纤维衬管的成型装置及方法。

背景技术

具有高长径比、薄壁的台阶型衬管类零件的加工不适合用布带缠绕热压成型，因此必须采用油压机模压成型。

现有技术中，这类的衬管主要利用单向油压机进行压制成型，主要方法为：工艺上先将零件的壁厚增厚且增加至同一厚度，消除壁厚不均引起的冷却收缩不均；然后将碳纤维材料置于型腔中，型芯从上而下穿过材料，将材料挤入型腔与型芯的空隙中热压成型；最后采用机械加工将其加工至例如图1中零件的形状。

然而，现有技术的成型方法中，由于型芯芯杆过长，采用上下压制方法，在压制过程中由于材料在型腔内分布不均且流动方向各异，极易导致芯杆发生弯曲变形，导致型芯上下不同轴，最终导致产品壁厚不均。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种碳纤维衬管的成型装置及方法，克服现有技术中对具有高长径比、薄壁的台阶型衬管类零件压制后出现弯曲变形、型芯上下不同轴，产品壁厚不均的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种碳纤维衬管的成型装置，包括：上模组件、下模组件和顶出组件；

所述上模组件包括上型芯，所述上模组件上下活动设置在所述下模组件上，所述下模组件包括成型块、设置在所述成型块内的下型芯和套设在所述成型块外的外模块；

所述成型块内设置有成型腔，所述上型芯中间开设有与所述下型芯相适配的第一通孔，当成型装置上下合模时，所述下型芯插入所述第一通孔内，且衬管成品的形状由所述成型腔与所述上型芯的外轮廓共同限定出；

所述顶出组件设置在所述成型块底部，用于将所述成型块从所述外模块内顶出。

在一种可选的实施例中，所述上模组件包括上模板和上固定板；所述上模板与上固定板之间设置有垫板，所述上固定板上设置有朝向下模组件的上型芯和导柱；所述上模板、上固定板以及垫板相互之间通过紧固件连接构成整体结构；

所述下型芯组件还包括调整垫和压圈、下固定板和下模板；所述压圈、调整垫、外模块、下固定板和下模板依次通过紧固件连接构成整体结构；所述压圈底部设置有与所述成型块顶部的凹槽相抵的环形凸台；所述下型芯安装在所述下固定板上，所述下型芯朝所述上模组件向上设置；

所述上型芯上部与所述成型块环形凸台的内孔间隙配合，所述环形凸台的外柱面与所述凹槽间隙配合；所述压圈和所述外模块上开设有相互连通的第二通孔，所述导柱上下活动安装在所述第二通孔内。

在一种可选的实施例中，所述下固定板上还固定设置有限位销，所述成型块底部设置有与所述导柱销相配合的限位孔。

在一种可选的实施例中，所述成型块的外壁上设置有便于其移动的手柄。

在一种可选的实施例中，所述顶出组件包括固定在下模板底部的支撑框，所述支撑框底部通过底板封口，所述支撑框内设置顶柱安装板，所述顶柱安装板底部螺纹连接有顶柱，所述顶柱底端可拆卸连接有连接杆；所述顶柱安装板上固定有顶杆固定板，所述顶杆固定板上安装有顶杆，所述顶杆顶端依次穿过所述下模板与所述下固定板与所述成型块底部相抵接。

在一种可选的实施例中，所述上模板和下模板上均设置了加热孔及测温孔。

本发明还提供一种碳纤维衬管的成型方法，使用上述的碳纤维衬管的成型装置，包括以下步骤：

将所述上模组件顶部安装在油压机的上活动工作台上，所述顶出组件安装在油压机的下固定工作台上，且所述顶出组件上设置的连接杆与油压机的下油缸连接；

启动油压机使成型装置上下合模，并对所述上模组件和所述下模组件进行加热，加热完成后打开成型装置，在成型腔和上型芯的工作表面涂脱模剂；

压制前，先将浸胶的碳纤维材料进行预热，预热至设定时间后，再将碳纤维材料置于成型腔中；

启动油压机进行压制，压制到位后，对油压机的进行升压并保压，使直至产品固化；

将油压机压力卸载，并将上模组件脱出，然后将下型芯组件上设置的压圈卸下，再通过油压机下油缸将成型块顶出，再将衬管成品从成型腔中取出。

在一种可选的实施例中，所述对所述外模块内进行加热，包括：加热使成型腔内温度达到140℃～190℃。

在一种可选的实施例中，所述将碳纤维材料进行加热，包括：对碳纤维材料加热至温度达到80℃至100℃，保持该温度时间在8～20分钟。

在一种可选的实施例中，所述对油压机的进行升压并保压，包括：将油压机的压力升至12MPa～20MPa并保压15分钟～30分钟。

本发明实施例提供的碳纤维衬管的成型装置，主要针对高长径比、薄壁的台阶型衬管类零件模压成型，通过上型芯和下型芯的配合，实现压制成型的零件的中心孔位置确定，通过使下型芯伸入上型芯内，为压制零件提供必要的刚度，防止弯曲。通过顶出组件实现压制零件的快速出模。

本发明实施例提供的碳纤维衬管的成型方法，通过使用设定的温度条件和压力条件并使用上述的成型装置成型，可使得碳纤维衬管具有壁厚均匀，同轴度好，具有纤维连续性好、密度高、抗压性和抗剪性好、耐高温冲刷等特点，同时，采用这种设计方式，模具的清理难度大大降低。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的加工零件成品衬管图；

图2为本发明一实施例提供的成型装置剖视图；

图3为本发明一实施例提供的成型装置立体结构四分之一剖视图；

图4为本发明一实施例提供的外模块结构图；

图5为本发明一实施例提供的成型块结构图；

图6为本发明一实施例提供的连接杆与顶柱连接关系图；

图7为本发明一实施例提供的成型块退模示意图。

附图标记说明：

100-衬管成品；210-上模组件；211-上模板；212-垫板；213-上固定板；214-导柱；215-上型芯；220-下模组件；221-调整垫；222-压圈；223-外模块；224-成型块；225-下固定板；226-下模板；227-下型芯；228-限位销；229-手柄；230-顶出组件；231-支撑框；232-顶杆；233-顶杆固定板；234-顶柱安装板；235-顶柱；236-连接杆；237-底板；240-测温孔；250-加热孔；260-出气孔；331-卸模套；332-卸模柱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

普通的衬管类零件，通常采用油压机模压成型，这类零件采用模压成型的原理是将加热的碳纤维材料置于模腔中，通过型芯从上而下穿过材料，将材料挤入型腔与型芯的空隙中热压成型，成型之后进行冷却脱模。然而高长径比、薄壁的台阶型衬管类零件，在模压成型的过程中容易导致芯杆发生弯曲变形，型芯上下不同轴，产品壁厚不均的问题，对于这类零部件通用的做法是将零件的壁厚增厚且增加至同一厚度，消除壁厚不均引起的冷却收缩不均，再通过机械加工的方式对其进行二次加工，使其满足设计要求，但是采用机械加工的方法，又会破坏零件表明致密层，使得衬管的隔热、抗冲刷能力大大减弱。

为了能通过模压成型的方式一次压制出符合设计要求的上述衬管类零件，本发明提供一种碳纤维衬管的成型装置，通过特别的成型方法配合专用的成型装置可使上述衬管类零件满足要求。具体内容可参考以下一些实施例。

参考图1-图6，本发明提供一种碳纤维衬管的成型装置，包括上模组件210和下模组件220。

其中，上模组件210包括上型芯215，上模组件210上下活动设置在下模组件220上。

具体而言，上模组件210作为成型装置的压模部分，其顶部固定连接在油压机上，可选地的，顶部固定在油压机的上活动工作台的底部，该活动工作台随着油压机的上油缸下上下移动，也就是说，当启动油压机时，该上活动工作台可带动上模组件210上下移动，从而实现成型装置的脱模和压模。

在上模组件210上设置有上型芯215，该上型芯215构成零件压制成型的关键部分，即衬管零件的内孔部分，通过上模组件210挤压碳纤维至上型芯215四周的成型腔内，从而实现上型芯215的内孔和外轮廓的同时成型。

在一种可能的实现方式中，下模组件220包括成型块224、设置在成型块224内的下型芯227和套设在成型块224外的外模块223。

具体而言，下模组件220作为成型装置的固定模部分，用于配合上模组件210一起完成零件的压制成型，在下模组件220上设置有外模块223，该外模块223内设置容纳成型块224的容纳腔，零件通过在该外模块223内进行热压成型，也就是说，外模块223用于为零件压制提供良好环境；在成型块224内还设置有下型芯227，该下型芯227用于与上型芯215配合，限定上型芯215的位置，使得上型芯215保持在固定的位置处，以确保压制零部件的壁厚均匀，同时在长度上不存在弯曲的问题。

可选地，成型块224内设置有成型腔，上型芯215中间开设有与下型芯227相适配的第一通孔，当成型装置上下合模时，下型芯227插入第一通孔内，且压制成品的形状由成型腔与上型芯215的外轮廓共同限定出。

也就是说，成型块224内的成型腔的轮廓构成衬管成品100的外轮廓，而设置在该成型腔内的上型芯215的外轮廓构成衬管成品100的内孔部分，衬管成品100设置在上型芯215与成型腔之间的空间内。上型芯215中间开设的通孔与下型芯227相适配，可选地的，下型芯227可以设置为圆柱状的结构，相应的上型芯215的第一通孔就设置为圆柱孔，当成型装置上下合模时，下型芯227的下端与成型腔的底部相接触，且下型芯227设置在上型芯215的第一通孔内。

需要注意的是，下型芯227的长度要与压圈222和成型块224的装配总高度相当，以便于合模时下型芯227提前导入上型芯215，防止其在压制过程中产生弯曲变形，同时也防止材料被挤入上型芯215的第一通孔内而影响模具的清理。所述上型芯215与下型芯227共中心轴线相配合设置，确保成品衬管的壁厚均匀。

为了使得成型后的成品零件能够便于取出，在成型块224底部设置有用于将成型块224从外模块223内顶出的顶出组件230。也就是说，在成型装置上下脱模后，通过该顶出组件230将成型块224顶出外模块223，具体而言，顶出组件230底部与油压机的下油缸连接，通过下油缸的伸缩实现成型块224的顶出和复位。

本实施例提供一套专用于改为：高长径比、薄壁的台阶型衬管类零件模压成型的装置，通过上型芯215和下型芯227的配合，实现压制成型的零件的中心孔位置确定，通过使下型芯227伸入上型芯215内，为压制零件提供必要的刚度，防止弯曲。通过顶出组件230实现压制零件的快速出模。

在一种可能的实现方式中，上模组件210包括上模板211和上固定板213，上模板211与上固定板213之间设置有垫板212，上固定板213安装有朝向下模组件220的上型芯215和导柱214，上模板211、上固定板213以及垫板212相互之间通过紧固件连接构成整体结构。

具体而言，上模组件210的上模板211用于与油压机的上活动工作台连接，上模板211的下部通过紧固件连接有垫板212，垫板212可以使上型芯215在模压过程中得到更好的承压能力，垫板212通过紧固件连接有上固定板213，可选地，该紧固件可以为插销或者螺栓，通过紧固件相互连接使得上模板211、垫板212和下固定板225构成为一个整体结构。可选地，在上固定板213上设置有多个沉头孔，上型芯215和导柱214的上端设置有台阶，上型芯215和导柱214设置在沉头孔内并使得其上的台阶埋设在对应的沉孔内。

可选地，上型芯215设置在上固定板213的中心位置，导柱214设置多个分别在上型芯215的四周。

在一种可能的实现方式中， 还包括调整垫221和压圈222、下固定板225和下模板226；压圈222、调整垫221、外模块223、下固定板225和下模板226依次通过紧固件连接构成整体结构；压圈222底部设置有与成型块224顶部的凹槽相抵的环形凸台；下型芯227安装在下固定板225上。上型芯215上部与环形凸台内孔间隙配合，环形凸台的外柱面与凹槽间隙配合；压圈222和外模块223上设置有相互连通的第二通孔，第二通孔用于导柱214在其内上下活动。

具体而言，为了防止压制的过程中，上型芯215与下固定板225发生碰撞挤压，导致模具损伤，在压圈222上固定设置有调整垫221，用于调节合模时上型芯215下平面与下固定板225上平面的间隙。

可选地，压圈222底部中心设置的环形凸台与对应的成型块224的顶部设置的凹槽配合，实质上增加了成型腔的体积，更方便衬管碳纤维材料的放入；同时，压圈222通过紧固件固定在外模块223的顶部，在卸模过程中，当产品由于收缩而包住上型芯215时，可通过压圈222向下挤压零件顶部，实现零件与上模组件的脱离，使零件被强制留在成型块224中。

示例性的，外模块223通过紧固件固定在下固定板225上，在下固定板225的中心还设置有下型芯227，下型芯227朝向上模组件210设置，该下型芯227下端设置有台阶，相应的在下固定板225的底部设置有沉头孔，下型芯227安装在该沉头孔内，并通过将下固定板225固定在下模板226上，实现下型芯227的固定。需要注意的是，在具体安装时，需要使下型芯227的中轴线与成型块224的中轴线上重合。

在一些实施例中，为使得上模组件210在下模组件220上可上下移动实现脱模和压模，由压圈222的顶部向外模块223的底部开设有多个相互连通的第二通孔，第二通孔的数量和位置根据导柱214的数量和位置确定，上模组件210上的导柱214设置在对应的第二通孔内实现上模组件210上下移动时的导向。

可选地，下固定板225上还固定设置有限位销228，成型块224底部设置有与限位销228相配合的限位孔。也就是说，通过该限位销228实现成型块224在外模块223内的位置限定，通过该限定关系可以使下型芯227、上型芯215以及成型腔三者的外置关系确定，从而可使得压制零件，性能稳定、壁厚均匀。

为了使得顶出的成型块224便于移动，在成型块224的外壁上设置有便于其移动的手柄229。可选地，该手柄229设置有分布在成型块224上部两侧的U型结构。为了使得带有手柄229的成型块224可放置在外模块223内，在外模块223的顶部开设有多个用于容纳手柄229的槽，通过将手柄229放置在该槽内后再将压圈222固定在其上。

在一种可能的实现方式中，顶出组件230包括固定在下模板226底部的支撑框231，支撑框231底部通过底板237封口，支撑框231内设置顶柱安装板234，顶柱安装板234底部螺纹连接有顶柱235，顶柱235底端可拆卸连接有连接杆236；顶柱安装板234上设置有顶杆固定板233，顶杆固定板233上安装有顶杆232，顶杆232顶端依次穿过下模板226与下固定板225与成型块224底部相抵接。

也就是说，支持框通过紧固件固定在下模板226的底部，用于对上部结构进行支撑，该支撑框231内设置为空腔，在支撑框231的底部固定有底板237，该底板237固定在油压机的下固定工作台上。在底板237上开设有通孔，该通孔可使顶柱235穿过，在顶柱235的顶部螺纹连接有顶柱安装板234。在顶柱安装板234的顶面上固定有顶杆固定板233，在顶杆固定板233上安装有多个顶杆232，各顶杆232的顶部穿过下模板226和下固定板225可与成型块224底部相抵。可选地，具体设置时，当顶柱安装板234的回落在底板的上时，顶杆232的上平面低于下固定板225的上平面0.5～2mm，防止其改变成型块224的位置。

可选地，在顶柱235的底端可拆卸连接有连接杆236，可选地，在顶柱235的底端开设有用于连接杆236嵌入的卡槽，当连接杆236嵌入后，可使连接杆236与顶柱235同轴设置。该连接杆236与油压机的下油缸连接，通过下油缸的收缩使得顶杆232将成型块224顶出。

可选地，上模板211和下模板226上均设置了加热孔250及测温孔240。测温孔240内设置有测温装置，用于检测成型腔内温度；加热孔250与加热设备连接，用于对成型腔部分进行加热。

可选地，成型块224底部设计了排气槽，用于在产品压制过程中的排气。

可选地，成型块224底部设计了环形槽，用于在产品压制过程中对溢出的碳纤维及碳纤维预浸胶的收集，便于产品压制完成后对模具进行清理；

可选地，外模块223底部设计了排料槽，用于排出压制过程中溢出的碳纤维及碳纤维溢预浸胶和飞边等废弃物。

可选地，上模板211、垫板212和上型芯215设置了相通的出气孔260，避免模具上、下模合模及卸模时对管道环境内的气体进行压缩或抽真空，从而保证模具的合模及卸模顺利进行。

本发明还提供了一种碳纤维衬管的成型方法，使用了上述的碳纤维衬管的成型装置，包括以下步骤：

步骤1：将上模组件210顶部安装在油压机的上活动工作台上，顶出组件230安装在油压机的下固定工作台上，且顶出组件230上设置的连接杆236与油压机的下油缸连接；可选地，油压机选用双动油压机。

步骤2：启动油压机使成型装置上下合模，并对上模组件210和下模组件220加热至140℃～190℃，加热完成后打开成型装置，在成型腔内壁和上型芯215的工作表面涂脱模剂。

步骤3：压制前，先将浸胶的碳纤维材料加热至温度达到80℃至100℃，并保持该温度8～20分钟，然后再将碳纤维材料置于成型腔中进行压制。

步骤4：启动油压机进行压制，压制到位后，对油压机的进行升压至12MPa～20MPa，并保压15分钟～30分钟，使产品固化；

步骤5：将油压机压力卸载，并将上模组件210脱出，然后将压圈卸下，再通过油压机下油缸与顶杆232将成型块224顶出，再将压制的衬管成品100从成型腔中取出。

其中，如图7所示，步骤5中将压制成品从成型腔中取出，需要使用卸模套331和卸模柱332两个工具，即将成型块224倒置在卸模套331上，卸模套331的中心孔的直径大小大于成品的最大直径，卸模柱332包括大端和小端，其中大端的外径与成品的底部外径相等，小段的外径小于成品底部的中心孔直径，通过将卸模柱332的小端卡设在中心孔内，大端与成品相抵，轻轻敲动卸模柱332实现压制成品的脱出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维衬管的成型装置，其特征在于，包括：上模组件、下模组件和顶出组件；

所述上模组件包括上型芯，所述上模组件上下活动设置在所述下模组件上，所述下模组件包括成型块、设置在所述成型块内的下型芯和套设在所述成型块外的外模块；

所述成型块内设置有成型腔，所述上型芯中间开设有与所述下型芯相适配的第一通孔，当成型装置上下合模时，所述下型芯插入所述第一通孔内，且衬管成品的形状由所述成型腔与所述上型芯的外轮廓共同限定出；

所述顶出组件设置在所述成型块底部，用于将所述成型块从所述外模块内顶出。

2.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于，

所述上模组件包括上模板和上固定板；所述上模板与上固定板之间设置有垫板，所述上固定板上设置有朝向下模组件的上型芯和导柱；所述上模板、上固定板以及垫板相互之间通过紧固件连接构成整体结构；

所述下型芯组件还包括调整垫和压圈、下固定板和下模板；所述压圈、调整垫、外模块、下固定板和下模板依次通过紧固件连接构成整体结构；所述压圈底部设置有与所述成型块顶部的凹槽相抵的环形凸台；所述下型芯安装在所述下固定板上，所述下型芯朝所述上模组件向上设置；

所述上型芯上部与所述成型块环形凸台的内孔间隙配合，所述环形凸台的外柱面与所述凹槽间隙配合；所述压圈和所述外模块上开设有相互连通的第二通孔，所述导柱上下活动安装在所述第二通孔内。

3.根据权利要求2所述的成型装置，其特征在于，所述下固定板上还固定设置有限位销，所述成型块底部设置有与所述导柱销相配合的限位孔。

4.根据权利要求2所述的成型装置，其特征在于，所述成型块的外壁上设置有便于其移动的手柄。

5.根据权利要求2所述的成型装置，其特征在于，所述顶出组件包括固定在下模板底部的支撑框，所述支撑框底部通过底板封口，所述支撑框内设置顶柱安装板，所述顶柱安装板底部螺纹连接有顶柱，所述顶柱底端可拆卸连接有连接杆；所述顶柱安装板上固定有顶杆固定板，所述顶杆固定板上安装有顶杆，所述顶杆顶端依次穿过所述下模板与所述下固定板与所述成型块底部相抵接。

6.根据权利要求2所述的成型装置，其特征在于，所述上模板和下模板上均设置了加热孔及测温孔。

7.一种碳纤维衬管的成型方法，使用权利要求1-6任一项所述的碳纤维衬管的成型装置，其特征在于，包括以下步骤：

将所述上模组件顶部安装在油压机的上活动工作台上，所述顶出组件安装在油压机的下固定工作台上，且所述顶出组件上设置的连接杆与油压机的下油缸连接；

启动油压机使成型装置上下合模，并对所述上模组件和下模组件进行加热，加热完成后打开成型装置，在成型腔和上型芯工作表面涂脱模剂；

压制前，先将浸胶的碳纤维材料进行预热，预热至设定时间后，再将碳纤维材料置于成型腔中；

启动油压机进行压制，压制到位后，对油压机的进行升压并保压，直至产品固化；

将油压机卸载压力，并将上模组件脱出，然后将下型芯组件上设置的压圈卸下，再通过油压机下油缸将成型块顶出，再将衬管成品从成型腔中取出。

8.根据权利要求7所述的成型方法，其特征在于，所述对所述外模块内进行加热，包括：加热使成型腔内温度达到140℃～190℃。

9.根据权利要求7所述的成型方法，其特征在于，所述将碳纤维材料进行加热，包括：对碳纤维材料加热至温度达到80℃至100℃，保持该温度时间在8～20分钟。

10.根据权利要求7所述的成型方法，其特征在于，所述对油压机的进行升压并保压，包括：将油压机的压力升至12MPa～20MPa并保压15分钟～30分钟。

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