[發明專利]碳纖維復合材料雙孔連接件沖壓成型模具及系統

在審

• 申請號: 201710959241.2
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107571335A
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 侯亞麗;李長河;季鵬鑫;周瑜陽;張曉亮;楊玉迪;王珍;翟涵
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: B26F1/44
• 分類號: B26F1/44;B26F1/14
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 任歡

技術領域

本發明涉及壓力加工領域，尤其涉及碳纖維復合材料雙孔連接件沖壓成型模具及系統。

背景技術

近年來，碳纖維材料滿足市場對材料的特性提出一定的要求，因此，應用碳纖維材料成為一種潮流。碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90％以上。碳纖維復合材料耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性，鋪層取向可以在很寬的范圍進行調整；柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現出很高的強度；抗震性能好，具有較高的固有頻率，同時復合材料集體纖維界面具有較大的吸收震動能量的能力，因而材料的阻尼較高；碳纖維的軸向強度和模量高，無蠕變，尺寸穩定性好；耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數小，耐腐蝕性好；纖維的密度低，質量輕，X射線透過性好；具有良好的溫敏性；但其耐沖擊性較差，容易損傷，在強酸作用下發生氧化，與金屬復合時會發生金屬碳化、滲碳及電化學腐蝕現象。目前，碳纖維復合材料應用范圍很廣泛，如：CFRP在大飛機上的大量應用可使其自身質量大大減輕，可有效增加航程或有效載荷。并能提高隱身飛機隱身性能；碳纖維復合材料應用于頸枕，包括頸枕骨架、骨架襯里和骨架護套，其利用碳纖維復合材料制作成頸枕的骨架，使得整體結構輕便、舒適、有效；深海油田對于能夠承受惡劣海洋氣候的需求不斷擴大，因此碳纖維在深海油氣田開發中得到廣泛的應用；在非織造設備中的梳理機、交叉鋪網機、卷繞機等，碳纖維也得到了廣泛應用。

同時，碳纖維復合材料是一種難切削加工材料，它的脆性大、硬度高，加工時容易出現分層、撕裂、毛刺等問題。碳纖維復合材料是由質軟而粘性大的基體和強度高、硬度大的纖維混合而成的二相或多相結構，其力學性能呈各向異性，機械加工條件比較惡劣，碳纖維復合材料切削加工的主要特點如下：

(1)材料易產生分層破壞。分層是復合材料鋪層之間脫膠而形成的一種破壞現象，當切削參數不合理時會使層間受力過大而導致分層，分層會嚴重降低材料的性能甚至使零件報廢，即使是微小的分層也是非常嚴重的安全隱患。

(2)刀具磨損嚴重、耐用度低。切削區溫度高且集中于刀具切削刃附近很窄區域內，纖維的回彈及粉術狀的切屑又加重了擦傷刃口和后刀面，加之碳纖維的硬度非常高，故刀具磨損嚴重，后刀面產生溝狀磨損，耐用度低。

(3)產生殘余應力。表面的尺寸精度和表面粗糙度不易達到要求，容易產生殘余應力。這主要是因為切削溫度較高，增強纖維和基體樹脂的熱膨脹系數相差太大。由于復合材料呈現各向異性，層間強度低，切削時在切削力的作用下容易產生分層、撕裂等缺陷，鉆孔時尤為嚴重，加工質量難以保證。

(4)切削溫度高。碳纖維復合材料切屑形成過程是一個基體破壞和纖維斷裂相互交織的復雜過程，在此過程中，碳纖維作為切削硬質點連續磨耗刀具，因碳纖維斷裂和基體剪切，以及切屑與前刀面、后刀面與已加工表面之間的摩擦而產生大量的切削熱，加之碳纖維復合材料導熱性差等原因，切削熱主要傳向刀具和工件，導致刀具的快速磨損。

經檢索，專利號為ZL2015202447490公開其實用新型級進模的結構，以及該級進模的特點。級進模沖壓效率高，操作安全簡單，模具使用壽命長，其能夠完成產品成形的全部工序，克服了簡單模多次定位帶來的操作不便以及累積誤差。用級進模加工材料，能夠降低產品生產成本，提高產品的生產效率、質量和精度。

經檢索，專利號ZL201610191125.6公開了一種多工位級進模模具母體結構拓撲優化方法，根據模具母體以外的凸凹模結構要素，確定母體的優化區域。采用有限元分析方法對分離工序進行數值模擬，獲得沖壓過程中模具的受力。基于變密度法對模具母體結構進行拓撲優化，并根據優化結果對模具母體進行設計并檢驗所設的模具是否滿足變形約束條件。該發明可以提高模具剛度及沖壓件沖壓質量的穩定性，降低模具結構變形對沖壓件質量的影響，減少修模次數，減輕模具重量，縮短模具生產制造周期，降低加工成本。

經檢索，專利號為2016109128476研究碳纖維時，提及到碳纖維具有較強的耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐磨損的特征，能夠應用制作密封墊片。

綜上所述，從檢索的文獻來看，已知技術都沒有對碳纖維這種各項異性材料進行壓力加工，特別是碳纖維復合材料雙孔連接件沖壓成型，根據目前的加工方式，切削加工碳纖維復合材料不易保證零件的輪廓表面精度，加工成本高，并對刀具損壞較大。

發明內容