專(zhuān)利名稱(chēng)：一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，屬于金屬基復(fù)合材料成形領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代新型材料的強(qiáng)韌性，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、耐高溫性、耐磨性等性能都提出了越來(lái)越高的要求。例如，在航空航天工業(yè)和汽車(chē)工業(yè)中，動(dòng)力結(jié)構(gòu)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件除要保證有優(yōu)良的物理和力學(xué)性能外，還要求重量輕。為了保證構(gòu)件具有一定的強(qiáng)度與剛度，同時(shí)減輕重量，就要求材料具有更高的比強(qiáng)度和比模量。纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高等優(yōu)良性能，但由于聚合物本身的性質(zhì)多決定，它們不能在 3000C以上溫度下工作，且耐磨性差，不導(dǎo)電，不導(dǎo)熱，在使用期間逐漸老化，變質(zhì)，尺寸不夠穩(wěn)定。而金屬基復(fù)合材料則不存在這些缺點(diǎn)。金屬基復(fù)合材料是以金屬及其合金為基體， 與一種或幾種金屬或非金屬增強(qiáng)相人工結(jié)合而成的復(fù)合材料，作為結(jié)構(gòu)材料不但具有一系列與其基體金屬或合金相似的特點(diǎn)，而且在比強(qiáng)度、比模量及高溫性能方面甚至超過(guò)其基體金屬及合金。
金屬基復(fù)合材料按增強(qiáng)體分為連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料和非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是由短纖維、晶須、顆粒為增強(qiáng)體與金屬基體組成的復(fù)合材料。在此類(lèi)復(fù)合材料中金屬基體仍起著主導(dǎo)作用，這類(lèi)復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的承載能力盡管不如連續(xù)纖維，但復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度、高溫性能往往超過(guò)了基體金屬。這類(lèi)復(fù)合材料可以通過(guò)二次加工，即采用傳統(tǒng)金屬加工方式，如擠壓、熱軋甚至鍛造加工，以進(jìn)一步提高其性能。
與非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于纖維是主要承受載荷的組元，基體金屬主要起固定纖維、傳遞載荷、部分承載的作用，因此具有很高的比強(qiáng)度與比模量，在高溫時(shí)還能保持較高的強(qiáng)度，尺寸穩(wěn)定性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料可以通過(guò)在不同方向上的纖維排布來(lái)控制復(fù)合材料構(gòu)件的性能。但是傳統(tǒng)的連續(xù)纖維編織方法自動(dòng)化程度低，且不能成形滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)要求的預(yù)制件。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在的難于進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成形的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，該方法采用柔性導(dǎo)向多維織造技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)纖維預(yù)制件的織造成形，自動(dòng)化程度高，且不受零件復(fù)雜程度的限制，并結(jié)合鑄造技術(shù)進(jìn)行預(yù)制件金屬澆注成形。本發(fā)明旨在實(shí)現(xiàn)含有連續(xù)纖維預(yù)制件的金屬基復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造。
本發(fā)明所解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，其特征在于，該方法包括如下步驟a)根據(jù)零件的幾何形狀，采用柔性導(dǎo)向多維織造技術(shù)將纖維制成連續(xù)纖維預(yù)制件；b)根據(jù)零件的外形尺寸，進(jìn)行金屬件成形模具的制造；c)將制好的連續(xù)纖維預(yù)制件放入成形模具中，并固定好；d)用熔化好的金屬進(jìn)行澆注，得到含有連續(xù)纖維的金屬件。
所述連續(xù)纖維包括碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維；所述柔性導(dǎo)向多維織造技術(shù)是基于數(shù)字化導(dǎo)向模板的纖維分層織造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)預(yù)制件的成形，具體包括如下步驟a)根據(jù)零件的幾何形狀，將導(dǎo)向柱布置在可控?cái)?shù)字化編排模板上；b)將表面有坎合結(jié)構(gòu)、微孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向套套在導(dǎo)向柱上，并固定在編織平板上；c)建立零件三維CAD模型并進(jìn)行分層，對(duì)每層進(jìn)行編織路徑設(shè)計(jì)；d)根據(jù)零件的性能要求選擇相應(yīng)材料的長(zhǎng)纖維進(jìn)行編制，根據(jù)該層設(shè)計(jì)好的路徑， 纖維以導(dǎo)向柱為支點(diǎn)進(jìn)行二維編織；e)編織完一層后進(jìn)行層與層之間互鎖編織；f)編織針帶著編織纖維上升一個(gè)層厚開(kāi)始新一層的編織；g)如此類(lèi)推，層層編織形成三維結(jié)構(gòu)，層與層之間通過(guò)導(dǎo)向套表面的坎合結(jié)構(gòu)以及層間互鎖編織緊密連接；h)將編織好的結(jié)構(gòu)退出導(dǎo)向柱，得到預(yù)制件。
所述成形模具包括金屬模和砂模；所述金屬包括黑色金屬和鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金以及鉍錫I=I 巫 O
所述金屬澆注方法包括壓鑄成型法和真空吸鑄法。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)可以進(jìn)行復(fù)雜金屬基復(fù)合材料零件的成形；(2)自動(dòng)化程度高。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)如下實(shí)施例對(duì)本方面進(jìn)行說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
利用本發(fā)明制造一個(gè)I>b*h為100*25*14mm的立方體零件。具體步驟如下a)根據(jù)零件的幾何形狀，將導(dǎo)向柱按5mm的間距密集排列在模板上，以組成100X25mm 的可控?cái)?shù)字化編排模板；b)將表面有坎合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向套套在導(dǎo)向柱上，并固定在編織平板上，編織平板相對(duì)數(shù)字化編排模版可移動(dòng)；c)建立零件的三維CAD模型，并進(jìn)行分層處理，即將長(zhǎng)方體模型分成厚底為Imm的層狀模型，共14層，每層的形狀都是100X25mm的長(zhǎng)方形；并對(duì)所分的層片進(jìn)行編織路徑設(shè)計(jì)；d)選擇型號(hào)為T(mén)1000的碳纖維絲，根據(jù)該層設(shè)計(jì)好的路徑，以導(dǎo)向柱為支點(diǎn)開(kāi)始第一層的編織；e)進(jìn)行第一層與第二層間的層間互鎖編織；f)編織針帶著編織纖維上升一個(gè)層厚；準(zhǔn)備第二層的編織。
g)重復(fù)步驟e) f)，直到所有層編織完成，最后得到近似100X25X14mm的預(yù)制件；h)制造模具，其內(nèi)腔為100X25X14mm的長(zhǎng)方體；將預(yù)制件放在模具中，并固定好。
i)將鉍錫合金熔化，采用真空吸鑄法進(jìn)行澆注；得到碳纖維預(yù)制件增強(qiáng)鉍錫合金復(fù)合材料；以上對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式的描述是示意性的，沒(méi)有限制性。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，進(jìn)行其他實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，其特征在于，該方法包括如下步驟a)根據(jù)零件的幾何形狀，采用柔性導(dǎo)向多維織造技術(shù)將纖維制成連續(xù)纖維預(yù)制件；b)根據(jù)零件的外形尺寸，進(jìn)行金屬件成形模具的制造；c)將制好的連續(xù)纖維預(yù)制件放入成形模具中，并固定好；d)用熔化好的金屬進(jìn)行澆注，得到含有連續(xù)纖維的金屬件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，其特征在于，所述連續(xù)纖維包括碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，其特征在于，所述柔性導(dǎo)向多維織造技術(shù)是基于數(shù)字化導(dǎo)向模板的纖維分層織造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)預(yù)制件的成形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，其特征在于，所述成形模具包括金屬模和砂模。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，其特征在于，所述金屬包括黑色金屬和鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金以及鉍錫合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，其特征在于，所述金屬澆注方法包括壓鑄成型法和真空吸鑄法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種內(nèi)置纖維預(yù)制件的金屬件制造方法，包括如下步驟①根據(jù)零件的幾何形狀，采用柔性導(dǎo)向多維織造技術(shù)將纖維制成連續(xù)纖維預(yù)制件；②根據(jù)零件的外形尺寸，進(jìn)行金屬件成形模具的制造；③將制好的連續(xù)纖維預(yù)制件放入成形模具中，并固定好；④用熔化好的金屬進(jìn)行澆注，得到含有連續(xù)纖維的金屬件。本發(fā)明方法結(jié)合了復(fù)合材料三維織造與金屬鑄造的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬件的制造，并可根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)具有連續(xù)纖維預(yù)制件的金屬基零部件，以提高其機(jī)械性能。
文檔編號(hào)C22C47/08GK102492898SQ20111045834
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者喬娟娟, 劉豐, 單忠德, 杜偉肖 申請(qǐng)人:機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心