一种热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的成形装置与方法

技术领域

本发明属于金属基复合材料加工成型领域，具体涉及一种热塑性玻璃纤维增强铝 合金层板的成形方法。

背景技术

纤维增强金属层板（Fibre Reinforced Metal Laminates，FRML）是一种特殊的金 属基复合材料，由金属合金薄板与纤维/树脂铺层采用胶接技术交替层压而成。纤维 层板具有优异的综合性能，而玻璃纤维增强铝合金层板是目前使用较多的一种。它既 有金属材料较高的比强度、比刚度以及良好的塑性、断裂性能、抗冲击性能等优点， 又保留了纤维增强材料良好的耐疲劳性能，并且质量相对较轻，符合未来轻量化的发 展方向。此外，纤维增强金属层板还具有良好的隔音和吸收噪声的能力，用于汽车工 业可以有效降低噪声，提高舒适性。玻璃纤维增强型热塑性塑料（GMT）材料以热 塑性树脂为基体，以玻璃纤维毡为增强骨架的复合材料。一般可以生产出片材半成品， 然后直接加工成所需要的形状的产品。热塑性玻璃纤维塑料可以作为金属层板的增强 基，并且热塑性的纤维增强金属层板（FML）较热固性的层板（FML）有更好的冲击 特性。但是由于传统的成形工艺如层压工艺，成形过程步骤较多，投资大，效率低， 不适合批量生产。所以有学者将冲压技术引入复合材料的成形，但是也存在一些问题。 室温时，纤维增强层塑性大都比较差,使用冲压的方法对其成形时容易出现脆性破坏 等失效，导致加工困难;提高温度冲压时，板件的回弹又会比较明显。因此性能优越 的纤维增强金属层板只被应用于航空航天和军工等高技术领域。

电磁成形是利用磁场力使金属坯料变形的高速率成形技术。因为电磁成形技术的 高能量密度特性，使得工件变形时表现出爆炸成形的超塑性。因此,它可以显著提高 金属的成形极限，而且成形部分金属受力均匀，不易发生破裂等成形缺陷。高应变率 特性能使金属快速贴模，金属的回弹量一般都比较小甚至无回弹。所以使用电磁成形 技术并对热塑性的玻璃纤维增强金属层板进行成形并适当的预热，能够有效提高纤维 增强金属层板成形性能，解决现有成形技术中脆性破坏的问题，并且能够有效避免回 弹，提高板材成形的尺寸精度。此成形方法还可以轻松完成圆孔翻边以及异形孔翻边 等操作，有效的提高了材料的装配性能。如发明专利申请号为201310355871.0的一 种钛合金薄壁壳体的成形方法虽然解决了薄板板件成形时的回弹问题但没有加热装 置不能对板件进行预热不适合热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的加工；如发明专利申 请号为200910062979.4的镁合金板材温热成形方法能提高材料的成形性但加热效率 低并且不够均匀也不能控制冷却时的速率，所以在加工热塑性玻璃纤维增强铝合金层 板时会导致加工缺陷和层间的开裂。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的不足，为热塑性玻璃纤维增强铝合金层板 的成形提供一种热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的成形装置与方法。

本发明的技术方案是提供一种热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的成形装置，其特 征在于：包括密封压边圈，放电线圈，线圈骨架，螺栓，下压板，底座，电阻丝，上 压板，液压缸，其中，螺栓和上压板的底部采用焊接的方式连接，液压缸使用螺栓连 接固定于上压板之上，液压缸的工作臂穿过上压板的中心孔向下延伸，液压缸的工作 臂下端与密封压边圈固连，并且工作臂上焊接有行程限位块；在密封压边圈的侧壁上 开有排气孔；

底座固定于下压板的圆形凹槽内，为保证连接强度可在凹槽内涂一层胶黏剂，也 便于以后的拆装；所述密封压边圈的凹槽深度大于热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的 变形厚度，从而起到密封加热和压边的双重作用；

在热塑性玻璃纤维增强铝合金层板定位之后，打开电源，利用电阻丝对热塑性玻 璃纤维增强铝合金层板进行加热，直到温度稳定在预设温度；

对成形装置的储能电容进行充电，当储能电容的电压达到成形电压后，对放电线 圈进行放电，热塑性玻璃纤维增强铝合金层板在放电线圈产生电磁力的作用下发生变 形。

进一步地，本发明还提供了一种利用热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的成形装置 进行材料成形的方法，其特征在于：

步骤1、将热塑性玻璃纤维增强铝合金层板固定在底座上，然后将密封压边圈置 于底座的凹槽内，并用液压缸对密封压边圈施加适当的压力，以对热塑性玻璃纤维增 强铝合金层板产生适当的压边力；

步骤2、将密封压边圈内的电阻丝通电，对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板进行 均匀加热；

步骤3、对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板进行预设时间和温度的保温，在加热 到预设温度以后，对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板进行一定时间的保温，以使各部 分加热均匀；

步骤4、对电磁成形设备的储能电容进行充电，当充电电压达到设定的成形电压 2-15Kv后，断开充电回路；

步骤5、闭合电磁成形放电回路，储能电容对电磁成形线圈进行放电，热塑性玻 璃纤维增强铝合金层板在电磁力的作用下迅速发生变形；

步骤6、在热塑性玻璃纤维增强铝合金层板完成变形后，要控制冷却速率以消除 冷却过程中，由于各层材料收缩率不同而产生的残余热应力；

步骤7、在冷却过程完成后，对自由边处进行局部加热，随后在足够高的压力下 冷却，防止层间的开粘。

进一步地，在步骤1中，通过上下压板的作用，将待成形的热塑性玻璃纤维增强 铝合金层板压靠到电磁成形线圈上，并保证放电线圈及其线圈骨架固定良好。

进一步地，在步骤2中，所述密封压边圈侧面设有两个排气孔，以确保密封压边 圈内的气体能够排出，以及冷却过程中与外界的热交换。

进一步地，在步骤2中，使用热电偶进行探测所述的热塑性玻璃纤维增强铝合金 层板的升温温度，并使温度稳定在预设范围内。

进一步地，在步骤5中，所述的电磁成形线圈和线圈骨架经过绝缘树脂固化在一 起，并和热塑性玻璃纤维增强铝合金层板有很好的绝缘性。

进一步地，热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的厚度为0.7～4mm。

本技术与现有的热塑性玻璃纤维增强铝合金层板成形技术相比有以下优点：

1.电磁成形的的高速率成形特性，可以减小成形过程中层间的剪切力，从而减小 层间的开裂并且能提高层板的横向刚度。

2.电磁成形的高速率成形特性可以解决预热冲压时，回弹量大的问题并且比冲压 成形有更高的形位精度。

3.在成形的过程中需要对层板进行加热并且施加电磁压力，属于二次热压可以增 强玻璃纤维塑料层玻璃纤维束的浸渍和层间的粘结，从而增强层板的剪切性能，使层 板的机械性能得到提高。

4.在电磁成形过程中不包括固化放热反应，可以大大缩短成形的周期，使生产效 率大大提高，更加适合大批量生产。

5.密封压边圈除可以对层板进行预热，还可以控制层板冷却时的冷却速率，从而 充分释放由于板件层间收缩率不同而产生的残余热应力，以防止层间的开裂。

6.电液成形可以有效的提高层板的成形极限，从而成形出形状更加复杂、精度更 高的板件，使层板有更加广泛的适用范围。

附图说明

图1所示为电磁成形装置的整体示意图

图2所示为上压板的主视图和俯视图；

图3所示为下压板的主视图和俯视图；

图4所示为密封压边圈的主视图和俯视图；

图5所示为底座的主视图和俯视图；

图6所示为外道槽的主视图和俯视图；

图7所示为实施例1中热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的主视图和俯视图；

图8所示为实施例2中热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的主视图和俯视图；

图9所示为实施例2的翻边成形装置的整体示意图；

图10所示为实施例2的翻边模具；

图11所示为实施例2热塑性玻璃纤维增强铝合金层板翻边后的剖视图。

其中：

附图1标记说明：

1--密封压边圈；2--热塑性玻璃纤维增强铝合金层板；3--放电线圈；

4--线圈骨架；5、11--螺栓；6--下压板；7--底座；8--排气孔；9电阻丝；

10--上压板；12液压缸；13行程限位块；

附图9标记说明：

1--密封压边圈；2--热塑性玻璃纤维增强铝合金层板；3--放电线圈；

4--线圈骨架；5、11--螺栓；6--下压板；7--底座；8--排气孔；9电阻丝；

10--上压板；12液压缸；13行程限位块；14翻边模具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发 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 员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于该发明的保护范 围。

研究发现，与传统的电磁成形技术相比，在加工热塑性玻璃纤维增强铝合金层板 的时候对工艺参数有特别的要求。例如，加工时保温的时间，保温的温度，冷却速度， 模具的参数等如果选择不恰当就会引起层板的起皱、层间的开裂和纤维弯曲等缺陷， 影响层板的使用性能。所以，在模具材料的选择时要考虑很多影响因素。首先是模具 的热膨胀系数，如果模具的热膨胀系数过大就会在和层板的接触面产生较大的压缩应 力从而影响层板厚度方向上的应力分布；其次是模具的热导率，热导率较小在加热和 冷却时会引起层板厚度方向上的温度梯度差异较大，造成大的残余热应力；最后，还 要考虑模具的摩擦系数的影响，如果模具的摩擦系数过大层板受热膨胀时受到的阻力 较大就会被迫收缩，从而产生较大的残余应力。所以最终选择热膨胀系数较小，热导 率较好并且具有较好润滑作用的石墨模具。对于冷却速率来说，冷却速率太快并层板 的厚度较大时会引起厚度方向上的温度梯度过大导致层间开裂和变形等缺陷；温度太 小又会影响生产的效率。而在加热时还要控制保温时间和保温温度。所以，本装置具 有较好的温度控制性能，能满足不同温度控制的需要。

如图1所示，本发明所述的一种热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的成形装置，包 括整流器、电容、限流电阻、放电线圈、开关、密封压边圈和密封压边圈固定装置等， 其中电阻加热箱的电阻丝固定在热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的正上方，提高加热 效率并使得加热更加均匀。本装置与其他装置最大的不同是可以准确的控制加热温度 及冷却温度。因为热塑性玻璃纤维增强铝合金层板在加工成形之前必须要进行预热并 且为防止层间的开裂必须要控制冷却时的速率。

本发明实施例中所用的热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的直径为30cm，厚度为 2mm。其中的铝合金层板材料为2024-T3，厚度约为0.5mm；玻璃纤维增强塑料的基 体为热塑性树脂聚丙烯，胶黏剂层和玻璃纤维增强塑料层的厚度约为0.2mm。

如图1所示，在第一实施例中，热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的成形装置，包 括石墨密封压边圈1，放电线圈3，线圈骨架4，螺栓5、11，下压板6，石墨底座7， 电阻丝9，上压板10，液压缸12等。其中，螺栓5、11和上压板10的底部采用焊接 的方式连接，液压缸12固定于上压板10之上，液压缸12的工作臂穿过上压板10 的中心孔，液压缸12的工作臂下端与密封压边圈1采用螺纹连接，并且工作臂上焊 接有行程限位块13，以保证密封压边圈1和上压板10的相对位置，当有力作用于密 封压边圈上时，产生的反作用力由固定上下压板的四个螺栓承受；

石墨底座7固定于下压板6的圆形凹槽内，为保证连接强度可在凹槽内涂一层胶 黏剂，也便于以后的拆装。所述密封压边圈1的凹槽深度远大于热塑性玻璃纤维增强 铝合金层板2可能的变形厚度，从而起到密封加热和压边的双重作用。

此外，在密封压边圈1的侧壁上开有排气孔8，该排气孔8以防止在快速成形的 过程中型腔内的气压过高，对成形产生阻碍作用；在降温时可以通过它来和外界进行 热交换以控制冷却温度。

如图1所示，将底座7定位于下压板6上的圆形凹槽内，将厚度为2mm的热塑 性玻璃纤维增强铝合金层板2放置于底座7的定位凹槽内，然后将密封压边圈1置于 热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2之上，并使用液压缸12对密封压边圈1施加适当 的压力，以使密封压边圈1对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2产生3MPa的压边力。

在完成热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2的固定与定位之后，打开电源，利用电 阻丝9对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2进行加热，直到温度稳定在160℃左右， 有研究表明在玻璃纤维增强聚丙烯塑料在此温度下层板会有比较好的软化效果，层间 剪切力会明显较小，大大提高成形性。加热到160℃后，还要在此温度下保温10min 以使热塑性玻璃纤维增强铝合金层板加热均匀。与此同时，对电磁成形设备的储能电 容进行充电，当充电电压达到成形电压2KV后，对放电线圈3进行放电，热塑性玻 璃纤维增强铝合金层板2在放电线圈3产生的电磁力的作用下快速发生变形。

变形后不要立即移开密封压边圈1，使用电阻丝适当加热和通过排气孔和外界进 行热交换的方法使密封压边圈内的温度在5min内匀速冷却到室温，以释放冷却过程 中的残余热应力，防止热塑性玻璃纤维增强铝合金层板层间的开裂。当密封压边圈1 内的温度降低到室温时就完成了对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的胀形。随后对热 塑性玻璃纤维增强铝合金层板2进行局部热的处理。具体方法为：对热塑性玻璃纤维 增强铝合金层板2的自由边处进行局部加热到160摄氏度，随后在3Mpa的压力下冷 却，冷却时间为2min，以防止层间的开粘。

本发明的第二实施例是对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板进行翻边成形。

本实施例中，所用的热塑性玻璃纤维增强铝合金层板，铝合金层板材料为 2024-T3，直径为30cm，厚度为2mm，在层板的中心开有直径为8cm的圆孔其玻璃 纤维塑料的基体为热塑性的聚丙烯，铝合金层的厚度约为0.5mm，胶黏剂层和玻璃纤 维增强层厚度约为0.2mm。

如图9所示，本实施例中所用的电磁成型装置由密封压边圈1，放电线圈3，线 圈骨架4，螺栓5、11，下压板6，底座7，电阻丝9，上压板10，液压缸12，行程 限位块13，翻边模具14等。

此外，本实施例中，所用热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的形状如图8所示，将 底座7定位于下压板6上的圆形凹槽内，为保证连接强度可涂一层胶黏剂，将厚度为 2mm的热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2放置于底座7的定位凹槽内，然后将密封 压边圈1置于热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2之上，并使用液压缸12对密封压边 圈1施加适当的压力使密封压边圈1对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2产生3MPa 的压边力。在完成热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2的固定与定位之后，打开电源， 利用电阻丝9透过翻遍模具13的中央孔对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2进行局 部加热，直到密封腔内的温度稳定在160℃左右，有研究表明在玻璃纤维增强聚丙烯 塑料在此温度下层板会有比较好的软化效果，层间剪切力会明显较小，大大提高成形 性。加热到160℃后，还要在此温度下保温10min以使热塑性玻璃纤维增强铝合金层 板加热均匀。其中翻边模具的中央圆孔开有圆角，以便热塑性玻璃纤维增强铝合金层 板的成形。与此同时，对电磁成形设备的储能电容进行充电，当充电电压达到成形电 压2KV后，对放电线圈3进行放电，热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2在放电线圈 3产生的电磁力的作用下使材料迅速贴模，变形后不要立即移开密封压边圈，使用电 阻丝适当加热和通过排气孔和外部进行热交换的方法使密封压边圈内的温度在5min 内匀速冷却到室温，以释放冷却过程中的残余热应力，防止层板层间的开裂。当密封 压边圈内的温度降低到室温时就完成了对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的成形。热 塑性玻璃纤维增强铝合金层板成形后的形状如图11所示。自由边处进行局部加热到 160摄氏度，随后在3Mpa的压力下冷却，冷却时间为2min，以防止层间的开粘。

综上所述，本发明所述的热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的电磁成形方法，具体 包括以下步骤：

步骤1、将热塑性玻璃纤维增强铝合金层板固定在底座7上，然后将密封压边圈 1置于底座的凹槽内，并用液压缸12对密封压边圈1施加适当的压力，以对热塑性 玻璃纤维增强铝合金层板2产生适当的压边力。

其中，液压缸12是用螺栓固定在上压板10之上，当有力作用于密封压边圈1 上时产生的反作用力由固定上压板的螺栓承受；

在该步骤中，所述的上下压板的作用是为了将待成形的热塑性玻璃纤维增强铝合 金层板2压靠到电磁成形线圈3上，并保证放电线圈3及其线圈骨架4固定良好；

在该步骤中，所述的密封压边圈和底座上设有拉延筋以提供足够的压边力。

步骤2、给密封压边圈1内的电阻丝9通电，使模内的温度升高到软化温度，对 热塑性玻璃纤维增强铝合金层板2进行均匀加热，以达到提高其塑性变形性能的目 的。在热塑性玻璃纤维增强金属层板中这是至关重要的一步，否则成形会会非常的差。

在该步骤中，所述的密封压边圈侧面设有排气孔8，以确保密封压边圈内的气体 能够排出，以免对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的成形起到阻碍作用。

在该步骤中，所述的热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的升温温度使用热电偶进行 探测，并使温度稳定在预设范围内。

在该步骤中，所述的电阻丝，其总体形状为圆形并置于热塑性玻璃纤维增强铝合 金层板的正上方，以提高加热效率并使加热更加均匀。

步骤3、对热塑性玻璃纤维增强铝合金层板进行预设时间和温度的保温。在加热 到160℃以后，要对层板进行保温，以使各部分加热均。

步骤4、对电磁成形设备的储能电容进行充电，当充电电压达到设定的成形电压 2-15Kv后，断开充电回路；

在该步骤中，所述的放电电压是根据热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的厚度进行 预估，并进行相应的试验而确定成形时最优的放电电压。

步骤5、闭合电磁成形放电回路，储能电容对电磁成形线圈进行放电，热塑性玻 璃纤维增强铝合金层板在电磁力的作用下发生高速变形。

在该步骤中，所述的电磁成形过程为：通过闭合电路开关，使电容放电，放电产 生的强电流通过线圈在其周围产生感应磁场，同时在工件内产生感应电流，感应电流 又在热塑性玻璃纤维增强铝合金层板周围产生感应磁场，热塑性玻璃纤维增强铝合金 层板产生的感应磁场与线圈产生的感应磁场的磁场力相互排斥，热塑性玻璃纤维增强 铝合金层板在强大的电磁力的作用下发生塑性变形。

此外，所述的电磁成形过程中，铝合金层板起到驱动片的作用，对导电性比较差 的玻璃纤维层板施加推动力，使层板在电磁力的作用下整体发生塑性变形。

在该步骤中，所述的电磁成形线圈3和线圈线圈骨架4是经过高强度绝缘树脂固 化在一起的和热塑性玻璃纤维增强铝合金层板有很好地绝缘性。

步骤6、在热塑性玻璃纤维增强铝合金层板完成变形后，控制冷却速率以消除冷 却过程中，由于各层材料收缩率不同产生的残余热应力。

具体方法是使用热电偶感应温度，然后通过温度控制器控制电阻丝的加热速度和 空气的流量，以达到控制冷却速率的目的。在层板的成形过程中，温度的控制对层板 的质量和使用性能有着至关重要的影响，所以温度控制是相当关键的。

步骤7、在电磁成形完成后，对自由边处进行局部加热，随后在足够高的压力下 冷却，以防止层间的开粘。

自由边界效应是指在复合材料层板的自由边界处,由于各单层板的泊松耦合系数 或拉伸-剪切耦合系数不同，存在很大的层间应力集中的现象

因为在热塑性玻璃纤维增强铝合金层板层板的截开式侧面上存在自由边缘效应， 所以需要在的冷却过程中进行局部的加热，从而提高热塑性玻璃纤维增强铝合金层板 的使用性能。

在本发明中，热塑性玻璃纤维增强铝合金层板的厚度为0.7～4mm。