新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 复合材料板簧制造工艺的研究进展

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发表于 2020-9-15 16:50:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】复合材料板簧制造工艺的研究进展*
柯 俊1,吴震宇1,史文库2,胡旭东1
(1.浙江理工大学,浙江省现代纺织装备重点实验室,杭州 310018; 2.吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130022)
[摘要] 复合材料板簧的综合性能明显优于钢板弹簧,是汽车轻量化领域的研究热点。但复合材料板簧的制造工艺还不够成熟,导致复合材料板簧的试制成本居高不下、产品性能不够稳定等突出问题,严重制约了复合材料板簧的推广应用。本文中综述了复合材料板簧制造工艺领域的研究进展,包括模压成型工艺、拉挤成型工艺、纤维缠绕成型工艺和RTM成型工艺的研究成果。最后,总结了复合材料板簧制造工艺的发展趋势和瓶颈问题。
关键词:车辆工程;复合材料;板簧;轻量化;制造工艺
前言

与传统金属材料相比,纤维增强树脂基复合材料不但具有疲劳寿命长、比强度和比模量高、减振性能好、耐腐蚀、易于加工、可设计性强等显著优点,而且轻量化效果非常显著。因此,采用纤维增强树脂基复合材料制造汽车零部件可起到明显的节能减排效果。随着汽车排放标准的日益严苛和新能源汽车延长续航里程的迫切需要,复合材料的替换目标逐渐从服役工况良好、质量占比较低的内外饰部件扩大到板簧和传动轴等影响行车安全的底盘关键零部件。其中,板簧是汽车悬架系统中广泛应用的弹性元件,不但受力条件恶劣,而且直接影响行车安全和整车操纵稳定性和平顺性。复合材料板簧采用纤维增强树脂基复合材料加工成型。在刚度相同的前提下,复合材料板簧的质量不到钢板弹簧的一半,而疲劳寿命至少是钢板弹簧的两倍,即使发生局部破坏也不会突然完全断裂,具有更高的安全冗余。此外,复合材料板簧具有更高的储能能力和一定的阻尼,减振性能更好。因此,复合材料板簧的综合性能明显优于钢板弹簧。然而,复合材料板簧在我国的应用仍然非常有限。除了原材料成本较高、市场对其可靠性有疑虑这些因素外,限制复合材料板簧推广应用的重要原因是其制造工艺不成熟,导致试制成本居高不下、产品性能稳定性差等突出问题,严重制约了复合材料板簧的推广应用。因此,研究并制定科学的、适宜工程应用的复合材料板簧制造工艺,不但是复合材料板簧推广应用中亟待解决的关键核心问题,也是汽车底盘零部件轻量化需攻克的瓶颈问题。

本文中综述了近年来国内外在复合材料板簧制造工艺领域的相关研究成果,梳理了复合材料板簧试制过程中的瓶颈问题,为复合材料板簧制造工艺的研究和改进提供了方向,这对促进复合材料板簧的推广应用具有重要意义。

1 复合材料板簧简介

复合材料板簧所需的耐热性、耐高低温、抗氧化、耐腐蚀等物理化学性能通过选材来保证;纤维体积含量、孔隙率、表面质量和外形尺寸精度等性能参数通过制造工艺保证。综合考虑性能与成本,复合材料板簧大多采用E玻璃纤维作为增强纤维,采用环氧树脂或聚氨酯作为树脂基体。按照复合材料板簧在悬架系统中的布置形式,复合材料板簧可分为横置和纵置两大类型。横置复合材料板簧安装在具有独立悬架的车型上,簧身两端通过搭接的方式传递载荷,因此无须单独设计接头结构。纵置复合材料板簧安装在具有非独立悬架的车型上,须单独设计性能可靠的接头结构。由于一体成型可降低生产成本、减少加工工序,因此一般将复合材料板簧设计成单片的。复合材料板簧的簧身结构可分为等宽度等厚度、等宽度变厚度和变宽度变厚度等截面结构形式;接头结构则主要采用包含螺栓连接和粘接连接的混合连接形式。复合材料板簧的典型总成结构和安装环境如图1所示。

2 复合材料簧身的制造工艺2.1 概述
图1 复合材料板簧的典型总成结构和安装环境

复合材料簧身是复合材料板簧的核心组件,对复合材料板簧的整体性能有着至关重要的影响。在复合材料板簧研究的早期阶段,通常采用手糊工艺制作复合材料板簧[1],这是因为手糊工艺最简单,且对设备要求最低。但制得的复合材料板簧质量稳定性差,其力学性能也难以满足工业产品的要求。也有学者采用真空辅助成型工艺制作复合材料板簧[2]。真空辅助成型工艺是利用真空袋膜与真空泵除去复合材料增强体中的气体,进而形成真空状态,然后利用树脂的流动、渗透实现对复合材料增强体的浸润,并在一定温度下固化成型的工艺方法。虽然该工艺显著降低了制品的孔隙率,且成本较低,但存在生产效率低下、制品纤维体积含量低、树脂浸润效果不佳等突出的缺点,因此也不适宜批量制造复合材料簧身。随着研究的深入,纤维缠绕、拉挤、模压和RTM(树脂传递模塑成型工艺)等工艺或其组合工艺[3-4]逐渐受到重视,并应用于复合材料板簧簧身的试制中。

2.2 模压成型工艺

模压成型工艺是指将一定量的模压料放入金属对模中,在一定温度和压力下,固化成型为异形制品的工艺过程。对复合材料板簧而言,该工艺的优点是:(1)易实现机械化和自动化,生产效率较高;(2)制品尺寸精确、重复性好,有两个精制表面;(3)生产成本低。缺点是:(1)压机和模具设计与制造较复杂;(2)制品尺寸受设备限制;(3)初始投入较高。

早在1987年,Lo等[5]就采用模压成型工艺制作了一款槽挂车悬挂用复合材料板簧。国内最早在1992年由沈碧霞等采用模压成型工艺制作了一款复合材料板簧[6]。近年来,对复合材料板簧模压成型工艺的研究取得了长足的进展。吴辉等[7]采用模压成型工艺制作了一款等厚等宽的复合材料板簧,并首次公开了该公司的模压成型工艺流程,即将制备的预浸料进行裁剪、叠层后送入模具中压制,如图2所示。

图2 复合材料板簧的模压成型工艺流程图[7]

模压成型工艺参数对复合材料层合板力学性能的影响度(从大到小)依次为:热压温度、热压时间、热压压力。其中,热压温度是决定复合材料层合板力学性能的最重要因素[8]。为使复合材料板簧的力学性能达到最优,吕文丽等[9]研究确定了复合材料层压板的最佳固化工艺参数。周洲等[10]通过差式热扫描量热仪(DSC)方法预测了复合材料板簧用预浸料的固化度与固化温度和时间的关系,并制定出合理的预浸料固化曲线,进而采用模压成型工艺制作了一款复合材料副簧[11]。李建林等[12]采用模压成型工艺制作了一款复合材料纵置板簧,工艺参数取吕文丽等[9]研究得到的工艺参数,制得的样件通过了装车耐久性强化试验。杨昂等[13]采用模压成型工艺试制了一款复合材料板簧并进行了系统的台架试验和装车试验。试验结果表明,试制的复合材料板簧的疲劳寿命超过钢板弹簧2倍以上。

总体来看,采用模压成型工艺制备复合材料板簧在固化工艺和工程实践方面均已趋于成熟,制得的复合材料板簧也得到了大量试验的检验。但采用模压成型工艺制备复合材料板簧在制品性能(如孔隙率)和生产效率方面仍有很大的提升空间。

2.3 拉挤成型工艺

拉挤成型工艺的示意图如图3所示。该工艺是在牵引装置的牵引下,将连续纤维或其织物进行树脂浸润并通过模具加热使树脂固化,最后通过切断转置来生产复合材料型材的工艺方法。该工艺同时具备“成型”和“固化”两种功能,因此可实现连续生产。

图3 拉挤成型工艺示意图

在上世纪70年代,通用汽车公司曾采用拉挤成型工艺制作复合材料板簧,并进行了台架试验和装车试验,样件弯曲疲劳寿命可达50万次[14]。但由于该工艺无法有效地生产变截面复合材料板簧,且设备投资过大,近年来未见采用拉挤成型工艺制备复合材料板簧的报道。

2.4 纤维缠绕成型工艺

当板簧为变宽变厚等截面结构时,宜采用纤维缠绕成型[15],该成型工艺的示意图如图4所示。该工艺的核心操作是将连续纤维按预定张力及角度缠绕在芯模上,以制备纤维缠绕预成型体。所述连续纤维束放置在缠绕机上,通过传动轴控制纤维的张力,通过导纱器来导引纤维实现所需要的缠绕角度[16-17]。待缠绕至所需圈数时停止缠绕并剪断纤维。在制得复合材料板簧纤维缠绕预成型体后,还要实施闭模加压工序并脱模。

图4 纤维缠绕成型工艺示意图

该工艺生产效率较高且工艺过程便于控制。此外,由于纤维是连续的,因此纤维缠绕成型制品的强度、疲劳性能较好。长春汽车材料研究所曾采用缠绕成型工艺制备了轻型车用复合材料副簧[17]。哈尔滨玻璃钢研究院曾采用缠绕和模压成型相结合的工艺制备复合材料板簧[14]。然而,纤维缠绕成型制品存在层间结合力较弱、铺层角度和尺寸控制不够精确等缺点,且缠绕过程及合模过程存在树脂流失过多的现象[16],因此并不适宜批量生产。

2.5 RTM 成型工艺

2.5.1 RTM成型工艺简介

RTM成型工艺的示意图如图5所示。

图5 RTM成型工艺示意图

RTM成型工艺是在预先制作的符合特定工艺尺寸的模腔中,铺放好按设计要求计算得到的纤维增强材料预成型体,然后在一定的压力范围内,采用注射设备将专用的树脂体系注入闭合模腔内,通过树脂与增强体的浸润,最终固化成型为所需高性能复合材料的一种成型技术[18]。由于RTM成型工艺通过一次浸润代替了传统成型工艺两步或多步浸润的过程,减少了预浸料制备、铺层、真空袋和在热压罐中固化等工序[19],从而大大降低了成型时间和成型成本。与模压成型、拉挤成型等传统工艺相比,RTM成型工艺不但有极好的制品表面,且制品纤维体积含量更高、孔隙率更低。此外,RTM工艺还具有尺寸精度高、可加预埋件、环保、能耗低和工艺适应性强等优点,既可生产等截面板簧也可生产变截面板簧[17],是当前最有前景用于批量生产复合材料板簧的制造工艺。如柯俊等[20]通过RTM工艺制作了可装车的复合材料板簧样件,王慧军等[21]采用RTM工艺制备了玄武岩增强复合材料板簧,德国的本特勒西格里汽车公司也采用RTM工艺开发了一款玻璃纤维/聚氨酯复合材料板簧。

2.5.2 RTM成型工艺对树脂的要求

树脂特性在很大程度上决定了复合材料制品的力学性能和树脂浸润效果,因此研制或选用合适的树脂体系对复合材料簧身的成功试制具有重要意义。目前,已有学者对RTM成型工艺用树脂的性能改进[22]、流变特性[23]和无机填料对树脂性能的影响规律[24]进行了研究。综合相关报道,RTM成型工艺对树脂的要求主要包括:具有良好的力学性能;在室温或较低温度下具有较低的黏度(一般小于1.0 Pa·s,以0.2~0.3 Pa·s最佳),并具有一定的适用期,在工艺温度下有适当的黏度(工作范围内约为0.2~0.8 Pa·s)[25];对增强材料应具有良好的浸润性、黏附性和匹配性[26],以保证树脂与纤维之间具有高的界面剪切强度[27];在树脂注射和固化过程中最好无挥发产物生成,固化温度不应过高,同时树脂具有足够长的固化周期以使之充分充模并浸润纤维。

2.5.3 RTM成型工艺对模具的要求

RTM模具一般采用阴阳模对合方法,结构复杂,制造成本高,直接影响复合材料簧身的成型过程,因此RTM模具设计方案对复合材料簧身的试制成本、试制周期和综合性能至关重要[28]。在RTM模具设计过程中应遵循如下基本原则:RTM模具应具有足够高的尺寸精度、表面质量、强度、刚度和疲劳寿命,内部应有可靠的模具加热系统;RTM模具应具有良好的密封性和配套的抽真空系统;复合材料簧身具有体型狭长的特点,在树脂流动浸润方面存在困难,因此在设计树脂流动通道时,应根据充模过程数值模拟结果,对树脂注射口、排气口的位置与数量和树脂流动通道进行优化设计,保证树脂充分浸润预成型体;RTM模具应设置对齐标记,方便增强纤维织物的对齐与铺放;RTM模具应设置顶出机构,方便簧身粗坯的脱模,且应设计有夹紧和顶开上下模的装置。

2.5.4 RTM成型工艺对预成型体的要求

适用于RTM成型工艺的预成型体,除了应保证复合材料簧身的力学性能外,还应具有合适的渗透率。渗透率是综合反映预成型体渗透特性的参数,它表征流体流经多孔介质的难易程度,该参数对树脂的充模时间和流动特性都有重要影响。在RTM工艺中,应综合考虑导流介质、引流槽孔和混合铺层等因素的影响,通过调整工艺与材料参数来保证预成型体具有合适的渗透率。

2.5.5 RTM制品缺陷的分类及产生机理简介

RTM制品的缺陷类型很多,主要包括制品尺寸不精确、制品表面质量差、固化不均、浸润不良、铺层非正常偏移、存在富树脂区、脱模困难、制品分层、制品孔隙率高等。相关研究表明,当复合材料结构微孔含量增加1%时,其层间剪切强度、弯曲强度和弯曲模量将下降超过5%[29]。导致RTM制品缺陷的因素很多,从根本上来看,是由于各种因素的影响使树脂流动过程不均衡,进而导致制品局部性质不均。因此,保持工艺过程的稳定性是防止缺陷产生的非常重要的一个方面。一般从原材料质量、设备的可靠性、模腔尺寸的精确性、充模时间、注射压力和固化制度等方面来分析缺陷产生的原因[30]。

2.5.6 RTM树脂充模过程模拟

RTM成型工艺中的重要问题是确定树脂注射口和排气孔的位置,并确定合适的树脂注射压力,以使增强纤维被树脂充分润湿。树脂充模过程的计算机模拟能帮助RTM工艺设计者完成以下任务[31]:确定注射口和排气口的位置和数量,保证树脂充满整个模腔;确定模腔内的压力分布,确定注射压力;优化充模过程。因此,预先模拟RTM树脂充模过程可对模具设计提供指导,对缩短复合材料簧身的试制周期、降低试制风险具有重要意义。国内外学者也针对此问题开展了大量的研究工作[32-45]。目前也出现了PAM-RTM软件等针对RTM、VARI(真空辅助成型工艺)等液体成型工艺的专业树脂流动模拟软件。李海晨等[46]给出了RTM工艺过程数值模拟中“边缘效应”渗透率等价计算公式和增强纤维渗透率计算方法、不同时刻树脂流动前沿曲线、计算网格和终止时刻压力场分布,确定了排气孔位置[47],计算结果与试验结果吻合良好[48]。戴福洪等[49]分析了RTM工艺注模过程模拟中有限元/控制体积方法和流动分析网络技术这两种算法的区别,采用等效渗透系数方法模拟RTM工艺注模过程的边缘效应,得到了其影响下的树脂流动前峰曲线和压力场[50]。邱婧婧等[51]通过开发的模拟分析软件模拟分析了工字孔二维平板构件的充模过程,对软件模拟的准确性和工艺参数对充模过程的影响进行了试验研究。Klunker等[52]提出了加工过程中模拟流场和固化过程的方法,研究了固化对热力学参数的依赖关系和对能量平衡的影响。然而,面向复合材料板簧RTM树脂充模过程模拟的相关案例尚未见报道。

2.5.7 RTM树脂充模过程监控

在完成RTM树脂充模过程模拟的基础上,如何通过试验手段监控树脂在模腔中的实际充模过程,以验证并对比模拟结果,这对深入理解RTM工艺的充模过程具有重要意义。Danisman等[53]采用多点电压传感器成功实现了对RTM 充模过程的监测。Tuncol等[54]采用热电偶传感器系统对RTM充模过程进行了监测。Matsuzaki等[55]利用面积传感器阵列对RTM充模过程中树脂浸渍截面进行了监测,提出了一种通过测量电容和电阻来确定树脂流动方向和浸渍厚度比值的方法。然而RTM工艺中模腔环境恶劣,在模具中布置传感系统不但受传感器自身性能的限制,也会带来模具密封、疲劳寿命等方面的问题,因此对RTM充模过程的监控仍停留在实验室阶段,尚无工程应用方面的报道。

2.5.8 RTM工艺参数优化

在掌握RTM工艺中树脂的充模过程后,如何对RTM工艺参数进行优化,以最终保证RTM工艺制品的质量,是接下来需要重点考虑的问题[56]。

制品表面质量优化方面,Palardy等[57]采用田口法研究了低掺量添加剂、注射压力、温度梯度、填料含量、苯乙烯含量和凝胶时间对玻璃纤维聚酯复合板表面光洁度的影响。研究发现,低收缩添加剂的浓度是影响表面粗糙度和波纹度的最主要因素。树脂流动管道的优化设计方面,刘金良等[58]通过改变RTM工艺中管道的出入口、长度和直径大小,采用有限元法对管道中树脂的流动进行模拟,得出树脂出口速度与雷诺数的关系式和常用管道中树脂的流动速度范围。研究结果表明,树脂的出口速度与管道长度关系不大,但与管道的直径比有关。温度、压力等关键工艺参数的优化方面,王慧军等[21]提出了初步的优化思路:(1)工艺温度优化,根据树脂黏度与温度之间的关系曲线,通过控制树脂和模具温度的方法来控制树脂黏度,使树脂能更好地浸润纤维,同时减少缺陷的产生;(2)固化工艺规范优化,参考模压工艺中的阶梯制固化工艺规范,以树脂的具体固化特性为依据,优化预热、合模升温、合模保温与降温的操作温度与保温时间,以提高制品的固化质量;(3)压力控制优化,在注射初期,主要考虑对纤维织物预成型体纱线排布的影响和浸润速率,在板簧成型过程中,当树脂流动前沿到达排气孔时,关闭排气孔,保持注射口打开,直至型腔内压强与注射口相同后,保压一段时间,然后重新打开排气孔,一部分树脂会与空气同时流出型腔,重复上述过程可获得较好的压力控制效果。优化方法方面,Okabe等[59]提出了一种基于有限元法和多目标遗传算法的多点注射RTM工艺的多目标优化方法,研究了复合材料结构的生产率与质量之间的平衡关系。

总体来看,目前学者们已初步掌握了树脂充模的流动机理,能进行RTM树脂充模过程的仿真,在工艺优化方面已经有了初步的优化思路,也成功研制出了多款采用RTM工艺制备的复合材料板簧,说明采用RTM成型工艺制备复合材料簧身已经具备一定的理论与工程应用基础。然而,在缺陷形成机理和影响因素方面的研究还很少,主要基于试制经验,在树脂充模过程监控和工艺优化方面的研究仍比较匮乏。

3 接头结构的制造工艺

综合相关文献,复合材料板簧接头一般采用螺栓连接配合胶接的混合连接结构[13,20-21],该类接头的制造工艺流程图如图6所示。

图6 复合材料板簧接头制造工艺流程图

在接头钻孔工序中,需要特别注意钻孔质量。首先钻出较小直径的孔,再进行磨削扩孔,以提高孔壁表面加工精度。螺栓孔与螺栓杆的配合采用基轴制。在安装螺栓时,在孔壁内涂抹高强度粘接剂,使螺栓与孔壁紧密粘接在一起,以进一步控制钻孔带来的损伤,同时对接头实现密封,减小湿热环境对接头的影响并提高接头抗电偶腐蚀的能力。

4 结论

(1)采用模压成型工艺制备复合材料板簧在固化工艺和工程实践方面均已趋于成熟。后续研究应着力于提高模压成型工艺的制品性能(如孔隙率)和生产效率。

(2)虽然拉挤成型工艺和纤维缠绕成型工艺在特定类型复合材料板簧制备方面具有独特的优势,但由于前期设备投入过大、制品层间结合力较弱等因素的限制,不适宜复合材料板簧的批量生产。

(3)RTM成型工艺是当前复合材料板簧制备领域最有应用前景的成型工艺。如何建立准确的RTM成型工艺的模拟模型、完善树脂充模过程的模拟技术和监控技术,进而对实际制造过程进行准确的预测和实时控制,最终保证复合材料板簧的生产效率和性能稳定性,是后续研究需要重点解决的问题。



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