玻璃纖維板簧模壓制造批生產關鍵工藝研究

李玉平

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300）

從20 世紀80 年代開始如何做到汽車輕量化一直都在被專家學者們研究，研究表明采用纖維增強樹脂基復合材料在汽車制造中替代鋼/鋁等重金屬材料，能夠使汽車的重量減重高達60%[1]，是實現汽車輕量化中取代傳統重金屬材料的理想材料。

板簧是汽車懸架中重要的彈性部件，它主要負責承受、傳遞車身與車橋間的各種作用力，起緩沖、減震作用，確保汽車平穩行駛。目前國內汽車行業使用的多為鋼制板簧，雖然其結構簡單、易于加工，但產品重、韌性差、能耗大。因此，輕質高強的復合材料板簧的開發與應用就顯得至關重要。針對這個問題，國內外的許多專家學者進行了大量的深入研究與探索[2-4]，研制出了“以塑代鋼”[5-7]的纖維增強樹脂基復合材料板簧。相比于鋼制板簧，復合材料板簧在質量上減輕了60%～70%，同時具備強度高、韌性好、耐疲勞、耐沖擊等一系列的優點，滿足未來汽車行業的使用需求。

綜合考慮玻璃纖維板簧的生產成本，目前大多選用環氧樹脂和E 玻璃纖維作為基體和增強材料，成型方法包括RTM、纏繞、拉擠和模壓等工藝，但不同樹脂的固化特性決定了產品的生產周期，成型工藝大大影響復合材料板簧的批量化生產。針對以上問題，本文對模壓成型的生產關鍵工藝進行研究，來滿足實現批量化生產的需要。

1 試驗部分

1.1 關鍵工藝試驗項目

試驗預浸料厚坯的覆膜機鋪貼-切割工藝一體化工藝；試驗單根坯料放入轉移模腔的預壓實方式；試驗板簧預成型體烘箱分段預熱制度；試驗130 ℃壓機恒定溫度下板簧模壓固化制度；產品從合模到固化完成所需的時間。

1.2 原材料及設備

1.2.1 原材料

采用無堿單向玻璃纖維預浸料作為板簧模壓制造的原材料，其種類、供應商、樹脂基體、單層厚度、面密度如表1 所示。

表1 板簧預浸料參數表

1.2.2 試驗設備

板簧試驗件成型制備過程中所使用的設備如表2 所示。

表2 試驗設備

1.3 模壓成型生產工藝流程

本試驗采用模壓成型工藝，生產流程如圖1 所示。

圖1 板簧生產流程圖

板簧生產流程中預浸料下料和鋪疊是制作工序的第一步，耗時、費人工。

預浸料鋪疊完成后的預壓實通常采用真空壓實，耗材需要真空袋、封邊膩子等輔料，耗時、耗輔料。

預壓實的板簧坯料需要加壓、加溫固化，整個加溫過程一般要3～4 h，導致生產效率低。

本文研究的工藝過程為以上3 個最耗時的工藝過程：制作/切割坯料、預壓實、加熱固化。

2 試驗過程

2.1 制作/切割坯料

預浸料下料完成后，采用覆膜機在平面操作臺上對預浸料逐層進行鋪貼、切割。板簧模具設計為“一模三腔”且模腔為可更換的。故在覆膜機壓輥前增設4 個下料機刀頭，刀頭間距為單根板簧預浸料寬度74 mm，將單層大塊預浸料（寬為250 mm）在鋪貼的同時切割成3 根單層坯料，如圖2 所示。此工藝可以一次成型3 根坯料。

圖2 預浸料厚坯覆膜機鋪貼、切割工藝

2.2 預壓實

將大塊預浸料裁切成單根坯料后，依次放入轉移模腔。對于復合材料板簧，鋪貼過程中預浸料內部氣體存在的區域為產品缺陷區，容易發生破壞，所以必須盡可能多地排出預浸料內部氣體。為提高批生產效率，驗證產品鋪疊過程中取消傳統的抽真空過程的可行性，使用壓機進行預壓實。

將轉移模腔置于預成型模具，然后將裁切好的單根坯料按照分組逐一放入預成型模腔，預壓實時在預浸料表面鋪設隔離層。預壓實時壓機壓力為2 MPa，預壓后預浸料表面無褶皺、變形，無明顯氣泡。

預成型模頂出如圖3 所示。壓機預壓實如圖4 所示。

圖3 預成型模頂出示意圖

圖4 壓機預壓實

2.3 烘箱分段保溫

將鋪疊完成的坯料分組放入模腔，將模腔放入烘箱預加溫。設定2 個保溫臺階，分別為70 ℃和80 ℃，記錄升溫時間和保溫時間。

復合材料板簧預成型體的烘箱分段預熱制度為：使用20～30 min 由室溫升到70 ℃，然后保溫120 min，接著使用10 min 由70 ℃升到80 ℃，然后保溫70 min。烘箱分段保溫如圖5 所示。

圖5 烘箱分段保溫

2.4 模壓固化（直接進入130 ℃熱壓機）

預成型體從80 ℃烘箱轉移至130 ℃熱壓機。固化制度為：合模后立即加壓6 MPa，5 min 時加壓10 MPa，10 min時加壓12 MPa，到達125 ℃后繼續保溫保壓20 min 后脫模。成型后的板簧如圖6 所示。

圖6 成型后的板簧

3 結論

本文采用環氧樹脂預浸料通過模壓法制造復合材料板簧，通過試驗關鍵工藝流程，結果表明：①通過覆膜機鋪貼-切割一體化工藝可以縮短人工鋪疊的時間；②板簧生產線生產流程中更換模腔，可以提高壓機利用率，實現生產線流水作業；③預壓后預浸料表面無褶皺、變形，無明顯氣泡，省去了抽真空的環節；④復合材料板簧預成型體的烘箱分段預熱，提高了生產效率；⑤壓機占用時間縮短至30 min，壓機內加壓平均生產一根板簧耗時為10 min。