本發(fā)明涉及一種金屬構(gòu)件的制備成形方法，特別涉及一種纖維金屬超混雜復(fù)合管的制備成形方法，屬于復(fù)合材料的制備及成形領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著在航空航天和汽車等結(jié)構(gòu)領(lǐng)域輕量化的需求和越來(lái)越多板材復(fù)雜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，同時(shí)隨著新產(chǎn)品的不斷提出，零件整體性能的要求越來(lái)越高，因而對(duì)零件的強(qiáng)度性能、抗疲勞、抗溫、抗蝕、減重等能力要求越來(lái)越高，這就需要一種新型材料的產(chǎn)生來(lái)取代傳統(tǒng)材料。纖維金屬層板（fibermetallaminates，fmls）是一種由金屬薄板和纖維復(fù)合材料交替鋪層后，在一定的溫度和壓力下固化而成的層間混雜復(fù)合材料，也稱為超混雜層板（superhybridlaminates）。fmls綜合了傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料和金屬材料的特點(diǎn)，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)良的疲勞性能以及損傷容限性能，這些優(yōu)勢(shì)使得fmls在航空航天工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

纖維金屬層板成形的方式主要分為以下兩種：第一種主要利用熱固性樹脂先分別成形加工金屬及纖維，經(jīng)表面處理后將金屬和纖維分層鋪設(shè)，再利用連接方式將其粘接為纖維金屬層板，而后利用熱壓罐成形工藝，在一次工藝中成形出目標(biāo)結(jié)構(gòu)件；由于纖維金屬層板一般為0.25～0.3mm，剛度較小，在一些大曲率的結(jié)構(gòu)件中可以順利鋪貼成形，單曲率的纖維金屬層板常采用滾彎成形的方式，而對(duì)于雙曲率成形則一般采用拉伸成形。另一種方法則主要利用熱塑性樹脂先將金屬層板與纖維層粘接成纖維金屬層板，再利用傳統(tǒng)塑性成形工藝如沖壓成形、充液成形等方式完成結(jié)構(gòu)件的成形。采用熱塑性樹脂作為增強(qiáng)體可以成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的纖維金屬層板，由于金屬薄板在整個(gè)纖維金屬層板中占有較大的比例，因此可以采用傳統(tǒng)的金屬塑性成形工藝如沖壓成形、充液成形加工形狀復(fù)雜的飛機(jī)汽車結(jié)構(gòu)件。

現(xiàn)階段，具有層狀結(jié)構(gòu)的纖維-金屬超混雜復(fù)合層板的成形方法已經(jīng)得到了大量的研究并且廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，而復(fù)合管的研究成果卻很少。纖維-金屬超混雜復(fù)合管是在遭受碰撞的時(shí)候，可以通過(guò)金屬的塑形變形以及其中纖維、基體的斷裂、脫層，纖維的撥出等共同作用來(lái)吸收大量的能量，緩沖沖擊載荷。除此之外，它繼承纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高強(qiáng)度、耐疲勞的特性，具有迫切的應(yīng)用需求。陶杰（cn103832041a）曾提出一種玻璃纖維-鋁合金復(fù)合管氣壓脹形制備方法，采用氣壓脹形方法制備出玻璃纖維-鋁合金復(fù)合管，有效地解決了玻璃纖維-鋁合金復(fù)合管制備的難題，但是其存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：（1）在制備結(jié)構(gòu)方面，氣壓脹形方法僅限于制備2/1結(jié)構(gòu)的復(fù)合管（兩層金屬層+一層纖維層），復(fù)合管的結(jié)構(gòu)具有局限性，導(dǎo)致了其力學(xué)性能的不足，限制了其使用范圍；（2）從技術(shù)層面，在氣壓脹形過(guò)程中，因金屬層較薄，密封難度大，高壓液態(tài)極易進(jìn)入預(yù)浸料層，影響材料的粘接性能；此外，復(fù)合管脹形時(shí)，內(nèi)管需同纖維層同步變形，為了使纖維層不發(fā)生斷裂，脹形過(guò)程的變形量受到很大限制。（3）從材料體系方面，該發(fā)明僅能實(shí)現(xiàn)玻璃纖維-鋁合金復(fù)合管的氣壓成形，無(wú)法解決其它常用纖維-金屬?gòu)?fù)合管的成形，如碳纖維-鈦合金復(fù)合管等。（4）從成本方面，不同規(guī)格復(fù)合管的脹形，都需要對(duì)沖頭、密封結(jié)構(gòu)及脹形模具進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，成本較高，效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)有的制備技術(shù)普遍無(wú)法制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的纖維金屬超混雜復(fù)合管，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了新的制備方法。針對(duì)航空航天以及交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多樣性以及性能方面的要求，采用多次快速旋壓+固化法制備出纖維金屬超混雜復(fù)合管，可實(shí)現(xiàn)3/2、4/3等復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合管的高效成形，有效地解決了纖維-金屬超混雜復(fù)合管制備的難題。

本發(fā)明提供了一種成形效率高、模具簡(jiǎn)單、適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變形量大的纖維金屬超混雜復(fù)合管的成形方法，包括以下步驟：

1）內(nèi)外層金屬管板材坯料準(zhǔn)備，進(jìn)行表面處理，將圓形坯料固定到主軸上，控制板材平穩(wěn)的安裝在主軸上，在板材尾端安裝尾頂，用尾頂控制坯料在成形過(guò)程中的軸向跳動(dòng)；

2）設(shè)置旋壓工藝參數(shù)，選擇合適的旋輪、旋壓路徑及尾頂速度，控制旋輪轉(zhuǎn)速為400-800mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為600-1000n/min，對(duì)板材進(jìn)行多道次的旋壓成形，在成形位置添加潤(rùn)滑油，減小摩擦和降低成形溫度，經(jīng)過(guò)第一次旋壓加工后，得到金屬管；

3）對(duì)經(jīng)過(guò)旋壓成形后的金屬管表面鋪設(shè)預(yù)浸料；

4）將鋪設(shè)預(yù)浸料后的圓筒形構(gòu)件裝夾到芯模上，進(jìn)行外層金屬管的旋壓，根據(jù)所需要的纖維金屬超混雜復(fù)合管的結(jié)構(gòu)重復(fù)進(jìn)行1）-3）步驟，實(shí)現(xiàn)纖維金屬超混雜復(fù)合管的旋壓制備；

5）卸壓、開(kāi)啟模具，取出成形的構(gòu)件；

6）進(jìn)行固化，將加工完成后的構(gòu)件逐級(jí)加熱加壓，溫度控制在90℃-390℃之間，壓力控制在1.2mpa-1.9mpa，保溫一定時(shí)間，使預(yù)浸料中的樹脂完全固化，固化結(jié)束后自然降溫到室溫，切除構(gòu)件余料，得到成形的纖維金屬超混雜復(fù)合管。

本發(fā)明中，所述金屬為有色金屬及其合金，優(yōu)選為鋁和鈦。

本發(fā)明中，所述預(yù)浸料為市售的玻璃纖維-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料或碳纖維-聚醚醚酮預(yù)浸料、碳纖維-聚酰亞胺預(yù)浸料；所述預(yù)浸料的鋪層為單向或正交。

本發(fā)明中，所述步驟6）固化過(guò)程既可用熱旋壓的加熱代替固化，也可在旋壓結(jié)束后進(jìn)行固化的工藝。

本發(fā)明中，所述纖維金屬超混雜復(fù)合管的結(jié)構(gòu)為2/1結(jié)構(gòu)、3/2結(jié)構(gòu)、4/3結(jié)構(gòu)、5/4結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中，所述步驟2）中，旋輪和主軸之間的間隙控制在1.3-1.5mm，根據(jù)鋪層纖維的結(jié)構(gòu)與厚度改變后續(xù)旋壓時(shí)旋輪和主軸的間隙；整個(gè)過(guò)程分30道次進(jìn)行，包括正旋和反旋。

本發(fā)明的有益效果在于：

（1）本發(fā)明針對(duì)纖維-金屬超混雜復(fù)合管成形難度高的問(wèn)題，提出采用金屬層高速旋壓+纖維層外表面鋪貼+加熱固化的方法，高效制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的纖維-金屬超混雜復(fù)合管，從而解決航空航天、軌道交通及汽車工業(yè)所需該類復(fù)合管的制造需求。

（2）本發(fā)明方法生產(chǎn)效率高，是目前唯一可實(shí)現(xiàn)3/2、4/3、5/4等復(fù)雜纖維金屬結(jié)構(gòu)復(fù)合管的成形方法；同時(shí)，僅需簡(jiǎn)單的芯模，成形效率高、靈活性大。為纖維-金屬超混雜復(fù)合管的工業(yè)化批量生產(chǎn)和應(yīng)用提供了新的思路，同時(shí)，可為纖維-金屬超混雜回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的成形提供參考。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明纖維-金屬超混雜復(fù)合管的成形流程圖；

圖2為本發(fā)明內(nèi)層金屬管旋壓示意圖；

圖3為本發(fā)明金屬管外鋪設(shè)預(yù)浸料結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明外層金屬管旋壓示意圖；

圖2中1、2均為預(yù)浸料。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明上述內(nèi)容進(jìn)行舉例說(shuō)明。

實(shí)施例1

第一步首先通過(guò)磷酸陽(yáng)極氧化化法對(duì)鋁合金板材進(jìn)行表面處理，將直徑為160mm，厚度為2mm的圓形2024鋁合金板材通過(guò)芯模固定在主軸上，測(cè)量軸向跳動(dòng)，控制板材平穩(wěn)的安裝在主軸上。

第二步安裝尾頂固定裝置，限制軸向跳動(dòng)，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為800n/min；選擇合適的旋輪、旋壓路徑及尾頂拉力和尾頂運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)鋁合金板材進(jìn)行30道次的旋壓成形，主軸帶動(dòng)板材高速運(yùn)動(dòng)，旋輪軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，旋輪沿管坯軸向運(yùn)動(dòng)一個(gè)往復(fù)為一個(gè)道次，旋輪與主軸間隙控制在1.3mm，旋輪軸向運(yùn)動(dòng)速度為600mm/min。

注意在成形過(guò)程中不斷的在旋壓成形位置添加拉伸油，減小摩擦和降低成形溫度。

第三步將經(jīng)過(guò)旋壓成型后的鋁合金管表面鋪設(shè)三層正交的玻璃纖維-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。

第四步將鋪設(shè)預(yù)浸料后的圓筒形構(gòu)件裝夾到芯模上，另一塊同尺寸的鋁合金板固定在裝夾有圓筒形構(gòu)件的主軸上，調(diào)整旋輪和主軸的間隙為2.05mm，進(jìn)行外層鋁合金管的旋壓。

第五步卸壓、開(kāi)啟模具，取出成形的構(gòu)件。

第六步進(jìn)行固化處理，首先將成形構(gòu)件放入恒溫干燥箱中，干燥箱升溫到90℃，保溫10min，再升溫到120℃，保溫10min后，繼續(xù)升溫到180℃，保溫4h，固化結(jié)束后自然降溫到室溫，切除余料，最終得到2/1結(jié)構(gòu)玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合管。

實(shí)施例2

第一步首先對(duì)鈦合金板材進(jìn)行表面處理，用丙酮超聲波清洗，去除表面的污漬，將直徑為260mm，厚度為4mm的圓形ta2鈦合金板材通過(guò)芯模固定在主軸上，測(cè)量軸向跳動(dòng)，控制板材平穩(wěn)的安裝在主軸上。

第二步安裝尾頂固定裝置，限制軸向跳動(dòng)，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為600n/min；選擇合適的旋輪、旋壓路徑及尾頂拉力和尾頂運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)鈦合金板材進(jìn)行30道次的旋壓成形，旋輪沿坯料軸向運(yùn)動(dòng)一個(gè)往復(fù)為一個(gè)道次，主軸帶動(dòng)板材高速運(yùn)動(dòng)，旋輪軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，旋輪與主軸間隙控制在1.5mm，旋輪軸向運(yùn)動(dòng)速度為400mm/min，控制最后一個(gè)道次的軸向運(yùn)動(dòng)速度在200mm/min；芯模和坯料在旋壓前各自預(yù)熱到一定的溫度后進(jìn)行旋壓，旋壓過(guò)程控制溫度在390℃左右，在熱旋過(guò)程中采用火焰加熱不斷給坯料補(bǔ)熱，以保證旋壓過(guò)程中ta2鈦合金坯料具有足夠的塑性。

注意在成形過(guò)程中不斷的在旋壓成形位置添加拉伸油，減小摩擦和降低成形溫度。為了防止鈦合金熱旋過(guò)程中表面氧化，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

第三步將經(jīng)過(guò)熱旋成形后的鈦合金管表面鋪設(shè)兩層單向（0o）的碳纖維-聚醚醚酮預(yù)浸料。

第四步將鋪設(shè)預(yù)浸料后的復(fù)合管裝夾到芯模上，另一塊同尺寸的鈦合金板材固定在裝夾有復(fù)合管的主軸上，調(diào)整旋輪和主軸的間隙為2mm，進(jìn)行第二層鈦合金管的旋壓。

第五步調(diào)整旋輪和主軸的間隙為2.5mm，其余參數(shù)不變，重復(fù)第二步到第四步的過(guò)程，進(jìn)行最外層（第三層）鈦合金管的旋壓。

第六步卸壓、開(kāi)啟模具，取出成形的復(fù)合管，將余料切除，最終得到3/2結(jié)構(gòu)碳纖維增強(qiáng)鈦合金復(fù)合管。

實(shí)施例3

第一步將直徑為80mm，厚度為2mm的圓形7075鋁合金板材通過(guò)芯模固定在主軸上，測(cè)量軸向跳動(dòng)，控制板材平穩(wěn)的安裝在主軸上。

第二步安裝尾頂固定裝置，限制軸向跳動(dòng)，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為1000n/min；選擇合適的旋輪、旋壓路徑及尾頂拉力和尾頂運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)鋁合金板材進(jìn)行30道次的旋壓成形，主軸帶動(dòng)板材高速運(yùn)動(dòng)，旋輪軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，旋輪沿管坯軸向運(yùn)動(dòng)一個(gè)往復(fù)為一個(gè)道次，旋輪與主軸間隙控制在1.5mm，旋輪軸向運(yùn)動(dòng)速度為800mm/min。

注意在成形過(guò)程中不斷的在旋壓成形位置添加拉伸油，減小摩擦和降低成形溫度。

第三步將經(jīng)過(guò)旋壓成型后的管材坯料表面鋪貼兩層單向（90o）的玻璃纖維-環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。

第四步將鋪設(shè)預(yù)浸料后的復(fù)合管裝夾到芯模上，另一塊同尺寸的鋁合金板固定在裝夾有復(fù)合管的主軸上，調(diào)整旋輪和主軸的間隙為1.75mm，進(jìn)行第二層鋁合金管的旋壓。

分別調(diào)整旋輪和主軸的間隙為2mm、2.25mm，其余參數(shù)不變，重復(fù)第二步到第四步的過(guò)程，進(jìn)行第三層和第四層鋁合金管的旋壓。

第五步卸壓、開(kāi)啟模具，取出成形的復(fù)合管。

第六步進(jìn)行固化處理，首先將復(fù)合管放入平板硫化機(jī)中，升高溫度到120℃，保溫25min，控制壓力在1.2mpa；繼續(xù)升溫到180℃，加壓到1.9mpa，保溫150min，固化結(jié)束后自然降溫到室溫，切除余料，最終得到4/3結(jié)構(gòu)玻璃纖維增強(qiáng)鋁合金復(fù)合管。