一种纤维-金属管的缩口加工制备方法与流程

[0001]本发明涉及材料成形技术领域，特别是涉及一种纤维-金属管的缩口加工制备方法。背景技术：[0002]目前，纤维-金属复合管件具有两种制备方法。1、先将铝合金管材和碳纤维布交替铺放，通过缩口、胀形得到目标零件再固化；2、先将铝合金管材成形为目标零件形状，再铺设碳纤维布并进一步固化。方法1中，缩口系数较大时，铝合金层和碳纤维布层由于环向的巨大压缩，容易法向失稳，产生起皱和较大回弹缺陷；采用胀形方法，碳纤维布由于塑性较差容易破裂。方法2中，由于法向压力不足，铝合金层和碳纤维层之间容易产生缝隙，进一步导致裂纹；同时，复杂轴线纤维-金属复合管件也无法采用该方法成形。此外，传统工艺中，碳纤维布的树脂固化过程，由于无外加能场协助，容易出现填充不满、间隙等缺陷；碳纤维布的固化过程与铝合金的时效处理过程分开，成形步骤多、耗时长、制备效率低。因此，纤维-金属复合管件传统制备方法存在步骤复杂、制备效率低、层间界面强度低、缩口时易失稳起皱、回弹值较大等问题。技术实现要素：[0003]本发明的目的是提供一种纤维-金属管的缩口加工制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，使管件表面质量高，力学性能好。[0004]为实现上述目的，本发明提供了如下方案：[0005]本发明提供一种纤维-金属管的缩口加工制备方法，包括如下步骤：[0006](1)将合金板和碳纤维布进行前处理，交替堆叠，并将铝板置于外层后进行下料处理，下料后进行卷圆成形，然后进行无缝焊接，形成圆形管件；[0007](2)将所述步骤(1)得到的纤维金属管件进行加热并挤入变直径缩口模具，令圆形管件的管材之间在变直径缩口模具的作用下发生相互挤压产生塑性变形并贴合紧密，得到缩口复合管材；[0008](3)将所述步骤(2)中纤维金属管件挤入变直径缩口模具形成缩口复合管材过程中，在缩口复合管材四周施加超声振动，辅助管材的塑性变形；[0009](4)将所述步骤(3)中在缩口复合管材四周施加超声振动的同时，在缩口复合管材的内部施加气压，并进行加热处理；[0010](5)将步骤(4)中缩口复合管材保持温度不变，然后内部卸压，以实现铝合金的时效处理效果，最后取出空冷，即可得到最终的产品。[0011]可选的，所述步骤(1)中碳纤维布为中间层，且碳纤维布采用碳纤维在环氧树脂中浸渍后干燥后制成；所述合金板为固溶态铝合金板。[0012]可选的，所述步骤(2)中所采用的加热方式为自阻加热方式；圆形管件缩口加工和加热同步进行。[0013]可选的，所述步骤(4)中的加热处理，其固化的加热过程分段进行，加热分段过程包括均匀加热至80℃并保温30min，然后均匀加热至130℃，再保温60min。[0014]可选的，所述步骤(2)中采用的的变直径缩口模具包括上下对称设置的绝缘缩口上模和绝缘缩口下模，所述绝缘缩口上模和绝缘缩口下模之间开设有变径孔，所述变径孔一端开口，另一端封闭，所述变径孔的开口端用于挤入纤维金属管件，所述纤维金属管件靠近所述变直径缩口模具的一端设置有正极环形电极板，所述纤维金属管件另一端设置有负极环形电极板，所述纤维金属管件设置有负极环形电极板的一端固定连接有绝缘管件压缩块。[0015]可选的，所述正极环形电极板和负极环形电极板之间通过导线串行连接有高频低压脉冲电源，所述高频低压脉冲电源通过导线连接有温度控制器，所述温度控制器连接有接触式热电偶，所述接触式热电偶设置于所述绝缘缩口模具下模内，且所述接触式热电偶与所述变径孔的内壁接触。[0016]可选的，所述绝缘缩口模具上模和所述绝缘缩口模具下模内均匀设置有多个超声振动探头。[0017]可选的，所述变径孔包括第一直型孔、第二直型孔和锥形孔；所述第一直型孔和直径小于所述第二直型孔的直径，所述锥形孔位于所述第一直型孔和第二直型孔之间；且所述第二直型孔位于所述变径孔的开口端。[0018]可选的，所述步骤(4)中施加气压所采用的设备为高压气瓶，所述高压气瓶通过管路连接有压力控制器；所述绝缘管件压缩块上开设有高压气体通入口，所述压力控制器通过管路与所述高压气体通入口密封连通。[0019]本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：[0020]本发明可以使制得的缩口管件具有优秀的可加工性，良好的耐热性能，同时大幅度简化成形步骤，将碳纤维布固化过程与铝合金时效处理过程合二为一，有效提高管件缩口固化成形的效率约60％，利于工业化大规模生产；在管件四周加入超声振动辅助，能够有效提高管件的缩口成形极限，降低其变形抗力，促进管材合金层的晶粒细化从而提高管材的强度，同时还能促进树脂的均匀分布提高合金和纤维层间的界面强度；在管件内部施加气压，形成内部法向支撑，能够有效解决缩口系数过大时出现的起皱与金属回弹问题，提高成形的质量。加热处理能够使进碳纤维固化，提高铝合金性能。附图说明[0021]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0022]图1为图1为卷圆焊接后的纤维金属管件；[0023]图2为本发明纤维金属管件缩口过程示意图；[0024]图3为本发明缩口复合管材固化成形过程示意图；[0025]图4为本发明缩口复合管材固化温度与压力示意图；[0026]附图标记说明：1-外层铝合金、2-碳纤维树脂复合材料、3-内层铝合金、4-绝缘缩口模具上模、5-绝缘缩口模具下模、6-超声振动探头、7-绝缘管件压缩块、8-正极环形电极板、9-负极环形电极板、10-高频低压脉冲电源、11-接触式热电偶、12-温度控制器、13-第一直型孔、14-锥形孔、15-第二直型孔、16-纤维金属管件、17-高压气体通入口、18-压力控制器、19-高压气瓶。具体实施方式[0027]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。[0028]本发明的目的是提供一种纤维-金属管的缩口加工制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，使管件表面质量高，力学性能好。[0029]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0030]本发明提供了一种纤维-金属管件的缩口加工制备方法，包括以下步骤：[0031](1)将合金板和碳纤维布进行前处理，交替堆叠，并将铝板置于外层后进行下料处理，并采用叠放工艺将碳纤维布和合金板叠放为多层，其中碳纤维布为中间层；[0032](2)将所述步骤(1)得到的多层材料进行下料处理，并将下料后的管件按照规定的尺寸和要求进行卷圆成形，然后进行无缝焊接，形成纤维金属管件；[0033](3)将所述步骤(2)得到的纤维金属管件进行加热并挤入变直径缩口模具，令三层管材之间在缩口模具的作用下发生相互挤压产生塑性变形并贴合紧密，得到缩口复合管材；[0034](4)将所述步骤(3)挤入变径缩口模具过程中的纤维金属管件四周施加超声振动，辅助管材的塑性变形；[0035](5)将所述步骤(4)中缩口复合管材的内部施加气压，并进行加热处理，在高温下均匀加热一段时间，缩口复合管材保持温度不变，然后内部卸压，以实现铝合金的时效处理效果，然后取出空冷，即可得到最终的产品。管件经过加热处理后可以固化为所需要的形状，完成纤维-金属管件的制作。[0036]本发明将碳纤维复合材料和铝合金板交替层叠设置，得到非固化的纤维金属层板，将层板进行卷圆处理，然后进行无缝焊接，得到非固化纤维金属圆型管件。[0037]在本发明中，非固化纤维金属管件，即纤维金属管件的内层和外层均为铝合金材质，纤维金属管件的结构如图1所示，外层铝合金1、碳纤维树脂复合材料2、内层铝合金3依次叠加为多层结构。[0038]碳纤维树脂复合材料优选为片状材料，碳纤维树脂复合材料的厚度优选为0.3～0.5mm。在本发明中，所述碳纤维树脂复合材料优选由碳纤维在树脂中浸渍后干燥得到；所述碳纤维种类优选为t700型正交方向编织布、t500型正交方向编织布和t300型正交方向编织布；所述树脂优选包括双酚a型环氧树脂和氨基环氧树脂。碳纤维复合材料在室温下是软态的，质地与布类似。铝合金板为固溶态铝合金板。本发明优选采用固溶态铝合金板，固溶态铝合金具有较高的强度和较好的塑性，并可以直接进行时效处理实现强化。铝合金的厚度优选为0.7～1.2mm，进一步优选为0.8mm～1.0mm；铝合金板优选为片状。将材料按照铝合金板—碳纤维树脂复合材料—铝合金板的顺序堆叠，利用卷圆机进行卷圆处理，并在处理完成后对其进行焊接，具体实施方式没有特别限制，采用本领域技术人员常用的方式即可。卷圆焊接后的纤维金属管件的厚度优选为1～4mm，进一步优选为2～3mm，管件外径优选为30～70mm，进一步优选为40～60mm。[0039]在本发明中，变直径缩口模具采用上下合模的形式，如图2和图3所示，合模后变直径缩口模具内形成有用于容纳待缩口金属管的变径孔，变径孔包括锥形孔14、第一直型孔13和第二直型孔15，锥形孔14连接在第一直型孔13和第二直型孔15之间，并且第一直型孔13和第二直型孔15各自的直径处处一致，锥形孔由第二直型孔15至第一直型孔13处直径依次减小，第一直行孔13的左端为模具封闭的左端面，如图2所示，第二直型孔15的直径略大于纤维金属管件，第一直型孔13的直径尺寸优选为20～50mm，进一步优选为25～40mm。[0040]得到纤维金属管件后，本发明将缩口管件升温至70～90℃，然后将待缩口的纤维金属管件16伸入模具的变径孔中，由于第一直型孔13的直径小于待缩口的纤维金属管件16，从而实现了伸入部分缩口的目的。纤维金属管件16随着自阻温度的升高而加热，得到软化的纤维金属管件16。纤维金属管件16加热装置包括靠近变直径缩口模具的一端设置的弹性可收缩结构的正极环形电极板8，纤维金属管件16另一端设置有负极环形电极板9。正极环形电极板8和负极环形电极板9之间通过导线串行连接有高频低压脉冲电源10，高频低压脉冲电源10通过导线连接有温度控制器12，温度控制器12连接有接触式热电偶11，接触式热电偶11设置于绝缘缩口模具下模5内，且接触式热电偶11与变径孔的内壁接触。[0041]纤维金属管件16四周通过超声振动探头6施加适当的超声振动，能够有效降低复合管材与模具之间的摩擦力以及整体的成形力，从而降低复合管材的塑性变形力，提高管件的表面质量。复合管件在缩口区域发生变形，与模具贴合紧密，有效吸收了超声振动能量，使得缩口区的晶粒尺寸减小，晶粒均匀度增加，从而提高了缩口区的强度。同时对纤维金属管件内部进行加压。[0042]纤维金属管件16升温后的目标温度为70～90℃，进一步优选为75～85℃。本发明将温度控制在以上范围内，使得碳纤维树脂复合材料中的树脂处于熔化状态，同时由于超声振动的作用，让其在铝合金和碳纤维中流动并充分浸润，进而提高铝合金和碳纤维的粘合程度，从而提高纤维金属管件的力学性能。[0043]本发明对纤维金属管件16内部进行加压处理，施加气压所采用的设备为高压气瓶19，高压气瓶19通过管路连接有压力控制器18；绝缘管件压缩块7上开设有高压气体通入口17，压力控制器18通过管路与高压气体通入口17密封连通。本发明通过通入气体实现纤维金属管件16的内部加压，气体优选为氮气。本发明优选将纤维金属管件16置于缩口模具内，通过向缩口模具内部通入气体，对纤维金属管件内部起到支撑作用，避免了内层的铝合金在受热下产生回弹。本发明优选采用气体对纤维金属管件进行加压处理，有效提高了所制备的纤维金属管件的内部表面质量。[0044]在本发明中，施加于纤维金属管件内部的压力为2～7mpa，优选为3～6mpa，进一步优选为4～5mpa。纤维金属管件内部加压过程是从0开始压力逐渐升高到目标压力的过程。纤维金属管件的加压时间与所述升温时间是相等的，优选为15～45min，进一步优选为20～40min，更优选为25～35min。得到软化纤维金属管件后，本发明在2～7mpa的压力下，将软化的纤维金属管件进行保温处理，保温时间优选为20～40min，进一步优选为25～35min。保温处理完成后，本发明在2～7mpa的压力下，将纤维金属管件升温至120～140℃，得到未固化的纤维金属管件。在2～7mpa的压力下，本发明在70～90℃的基础温度下继续升温，目标温度为120～140℃，优选为125～135℃。在本发明中，所述升温时间优选为20～30min，进一步优选为25～30min。得到未固化纤维金属管件后，本发明在120～140℃下，提高纤维金属管件内部的压力，使得纤维金属管件完全贴合于缩口模具上，得到固化成形的纤维金属管件。[0045]在本发明中，提高后的纤维金属管件内部压力优选为3～12mpa，进一步优选为4～11mpa，更优选为5～10mpa。加压时间优选为10～20min，进一步优选为10～15min。在本发明中，保压时间优选为50～70min，进一步优选为55～65min，在这期间铝合金进行同步时效处理。[0046]本发明在一定温度下进行加压的过程中，未固化纤维金属管件内的树脂逐渐固化并成形，并且压力的进一步提高，使得纤维金属管件外部逐渐贴合缩口模具内表面，最终得到理想的纤维金属管件。同时，纤维金属管件中的铝合金在120～140℃下进行时效处理，有效提高了纤维金属管件的力学性能。因此，本发明在120～140℃下的加压过程中，所述纤维金属管件在固化的同时也完成成形和加热处理工艺，最终实现了纤维金属管件的缩口加工，极大提高了生产效率。[0047]得到缩口并固化的纤维金属管件后，本发明在120～140℃条件下，对纤维金属管件内部进行降压，直至压力降为0mpa。在本发明中，所述降压处理时间优选为8～12min，进一步优选为10min。在本发明中，由未固化纤维金属管件制备得到缩口加工好的纤维金属管件的过程如图2所示。首先将绝缘缩口模具上下模4和绝缘缩口模具下模5进行合模，然后将待缩口纤维金属管用绝缘管件压缩块7推入变径孔的第二直型孔15中，伴随着推入的进行，纤维金属管件16随着锥形孔14的挤压作用，逐渐挤入第一直型孔13中，从而达到纤维金属管件16缩口的目的。[0048]纤维金属管件16加热固化的压力与温度示意图如图4所示。图4中t1为70～90℃，t2为120～140℃；气体压力p1为4～5mpa，p2为5～10mpa；时间t1为25～35min，(t2-t1)为25～35min，(t3-t2)为25～30min，(t4-t3)为10～15min，(t5-t4)为55～65min，(t6-t5)为10min。将纤维金属管件的缩口工艺与固化、成形和加热处理以及超声振动相结合，极大提高了缩口加工技术，显著提高了加工效率。[0049]下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。[0050]实施例1[0051]将固溶态2219铝合金(厚度0.8mm)与碳纤维复合材料(厚度0.4mm)交替堆叠，次序为：铝合金—碳纤维复合材料—铝合金，然后将其进行卷圆处理，并进行无缝焊接，得到碳纤维铝合金管件(厚度2mm)。碳纤维复合材料为浸渍树脂的碳纤维，其中碳纤维为t300型正交方向编织布，树脂材料为氨基环氧树脂；[0052]将缩口模具上下合模安装，利用自阻加热将待缩口管件进行加热至75℃，然后将其挤入缩口模具之中，同时绝缘管件压缩块7与缩口模具之间紧密贴合；在缩口纤维金属管件四周利用超声探头施加超声振动；纤维金属管件随着自阻加热而升温得到软化的缩口雏形，同时向纤维金属管件内部通入高压氮气，在时间到达20min时，纤维金属管件内部压力也同时升高到5mpa；在压力5mpa，温度75℃条件下，对模具保温处理，直至总时间为45min，此过程中，氨基环氧树脂开始软化并具有流动性；在5mpa压力下，对模具进行升温，当总时间到达70min时，温度达到130℃，当前温度为氨基环氧树脂的固化温度，所以树脂开始发生固化；在130℃温度下，对纤维金属管件内部压力进行增加，当总时间到达80min时，内部压力升高至8mpa。纤维金属管件在内部气体压力的作用下，逐渐贴合缩口模具的内表面，得到最终所需的纤维金属管件尺寸形状；继续对纤维金属管件进行保温保压，这期间使得纤维金属管件完成固化，同时铝合金也得到足够的时效处理。当总时间达到130min时，对纤维金属管件内部进行降压处理10min，完成后，关闭加热装置，待模具冷却后，开模得到所需的已缩口并固化成形的纤维金属管件；纤维金属管件的表面质量高，将传统的缩口与热成形分开进行的步骤缩减为一次成形，由原来所需的240min，缩减至140min，相较于传统工艺效率提升了71％，有利于工业化的大规模生产。[0053]实施例2[0054]将固溶态2219铝合金(厚度0.9mm)与碳纤维复合材料(厚度0.4mm)交替堆叠，次序为：铝合金—碳纤维复合材料—铝合金，然后将其进行卷圆处理，并进行无缝焊接，得到碳纤维铝合金管件(厚度2.2mm，外径49mm)。碳纤维复合材料为浸渍树脂的碳纤维，其中碳纤维为t500型正交方向编织布，树脂材料为双酚a型环氧树脂；将缩口模具上下合模安装，利用自阻加热将待缩口管件进行加热至85℃，然后将待缩口的纤维金属管件挤入缩口模具之中，同时管件挤压块7与缩口模具之间紧密贴合；在缩口纤维金属管件四周利用超声探头施加超声振动；纤维金属管件随着自阻加热而升温得到软化的缩口雏形，同时向纤维金属管件内部通入高压氮气，在时间到达25min时，纤维金属管件内部压力也同时升高到5mpa；在压力5mpa，温度85℃条件下，对模具保温处理，直至总时间为50min，此过程中，氨基环氧树脂开始软化并具有流动性；在5mpa压力下，对模具进行升温，当总时间到达75min时，温度达到125℃，当前温度为双酚a型环氧树脂的固化温度，所以树脂开始发生固化；在125℃温度下，对纤维金属管件内部压力进行增加，当总时间到达85min时，内部压力升高至8mpa。纤维金属管件在内部气体压力的作用下，逐渐贴合缩口模具的内表面，得到最终所需的纤维金属管件尺寸形状；继续对纤维金属管件进行保温保压，这期间使得纤维金属管件完成固化，同时铝合金也得到足够的时效处理。当总时间达到140min时，对纤维金属管件内部进行降压处理10min，完成后，关闭加热装置，待模具冷却后，开模得到所需的已缩口并固化成形的纤维金属管件；纤维金属管件的表面质量高，将传统的缩口与热成形分开进行的步骤缩减为一次成形，由原来所需的240min，缩减至150min，相较于传统工艺效率提升了60％，有利于工业化的大规模生产。[0055]实施例3[0056]将固溶态2219铝合金(厚度1mm)与碳纤维复合材料(厚度0.5mm)交替堆叠，次序为：铝合金—碳纤维复合材料—铝合金，然后将其进行卷圆处理，并进行无缝焊接，得到碳纤维铝合金管件(厚度2.5mm，外径49mm)。碳纤维复合材料为浸渍树脂的碳纤维，其中碳纤维为t700型正交方向编织布，树脂材料为氨基环氧树脂；将缩口模具上下合模安装，利用自阻加热将待缩口管件进行加热至80℃，然后将待缩口的纤维金属管件挤入缩口模具之中，同时绝缘管件压缩块7与缩口模具之间紧密贴合；在缩口纤维金属管件四周利用超声探头施加超声振动；纤维金属管件随着自阻加热而升温得到软化的缩口雏形，同时向纤维金属管件内部通入高压氮气，在时间到达20min时，纤维金属管件内部压力也同时升高到5mpa；在压力5mpa，温度80℃条件下，对模具保温处理，直至总时间为50min，此过程中，氨基环氧树脂开始软化并具有流动性；在5mpa压力下，对模具进行升温，当总时间到达75min时，温度达到130℃，当前温度为氨基环氧树脂的固化温度，所以树脂开始发生固化；在125℃温度下，对纤维金属管件内部压力进行增加，当总时间到达85min时，内部压力升高至8mpa。纤维金属管件在内部气体压力的作用下，逐渐贴合缩口模具的内表面，得到最终所需的纤维金属管件尺寸形状；继续对纤维金属管件进行保温保压，这期间使得纤维金属管件完成固化，同时铝合金也得到足够的时效处理。当总时间达到140min时，对纤维金属管件内部进行降压处理10min，完成后，关闭加热装置，待模具冷却后，开模得到所需的已缩口并固化成形的纤维金属管件；纤维金属管件的表面质量高，将传统的缩口与热成形分开进行的步骤缩减为一次成形，由原来所需的240min，缩减至150min，相较于传统工艺效率提升了60％，有利于工业化的大规模生产。[0057]本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。