一种梯度模压成型碳纤维轮毂的方法及碳纤维轮毂与流程

本发明涉及碳纤维轮毂成型，特别涉及利用碳纤维预浸料模压成型碳纤维轮毂，具体涉及一种梯度模压成型碳纤维轮毂的方法及碳纤维轮毂。

背景技术：

1、碳纤维轮毂是以高性能碳纤维为原料制备的轮毂。碳纤维的轻质特性使碳纤维轮毂的重量大幅减轻，碳纤维轮毂重量比铝合金轮毂轻30%以上。这种轻量化使汽车簧下质量显著降低，有助于降低能耗，增加减震效果，改善车辆的操控性。碳纤维‌极高的强度和弹性模量，使碳纤维轮毂具备优异的结构强度和抗疲劳与耐久性。‌

2、目前，碳纤维轮毂逐步由赛车、超跑市场向普通轿车市场渗透。面临的主要痛点是高成本问题。一方面是碳纤维材料成本较高，另一个重要的原因是碳纤维轮毂的成型过程复杂，稳定量产难度大，导致长期处在价格高位。

3、现有碳纤维轮毂的成型工艺主要采用热压罐工艺和树脂传递模塑（rtm）工艺。两种工艺在稳定量产碳纤维轮毂方面均存在技术瓶颈。热压罐工艺是根据轮毂尺寸和弯曲形状将碳纤维预浸料精确裁剪，在轮毂模具上层层铺叠形成轮毂毛坯，进行真空袋封装，然后送入热压罐固化成型。由于热压罐工艺是一次成型，受轮毂不规则结构变化，碳纤维预浸料的取向会受到限制，叠铺时需精细裁切层层铺设，甚至需要人工手糊才能完成，固化时依靠真空袋压在热罐中固化成型，不能保证轮毂精确的形状及尺寸，固化后需要大幅度机加工，无法实现大批量生产。树脂传递模塑（rtm）工艺主要是将碳纤维丝束缠绕编织成轮毂的预制体，放入闭合模具中，再将粘性树脂在高压下注入模具腔体，使其充分浸透碳纤维，并热固化得到碳纤维轮毂。该工艺制备碳纤维轮毂性能较高，精密度高。但是目前碳纤维缠绕编织技术尚不成熟，对设备要求高，规模化生产面临挑战，导致制造成本极其高昂，严重制约了其市场推广。因此，突破碳纤维轮毂的制造工艺瓶颈，降低成本，成为碳纤维轮毂进入汽车市场的关键。

4、碳纤维轮毂目前主要有全碳轮毂和半碳轮毂（二合一碳铝轮毂）。全碳轮毂是轮辋和轮辐均为碳纤维复合材料。如果采用热压罐工艺成型，形状复杂、弯曲的轮辐铺层难度极大，只能手工铺层，制作难度大，成本高；半碳轮毂（二合一碳铝轮毂）是碳纤维轮毂的一种设计模式，其将碳纤维与铝合金材料结合，利用碳纤维制作轮辋，铝合金制作轮辐盘，有效兼顾轻量化和强度，用高强度螺栓将轮辋和轮辐盘连接而成。半碳轮毂的轮辋采用碳纤维，由于轮辋结构简单，我们一直期望通过模压工艺实现稳定量产碳纤维轮辋，从而简化制备工艺，降低制造成本。

5、通常模压工艺主要是针对热塑性材料在热压下流动塑形。现有碳纤维热固性预浸料的模压只针对简单形状或板材的成型。如发明专利公开号cn109094057b公开了一种碳纤维汽车前舱盖模压成型方法，按照设计舱盖外形，使用裁切机将所需的多层碳纤维预浸料一体裁切，入模后直接合模加压、升温固化。发明专利公开号cn107187078b公开了一种碳纤维预浸料快速模压成型工艺，以碳纤维预浸料为成型材料，通过铺叠，模压，实现快速成型，提高了生产效率。

6、显然的，轮毂的轮辋结构为中间部分直径小、边缘部分直径大的贯通式轮圈，直接模压需要芯模，在叠铺成型、模压固化成型、冷却定型过程均需要芯模稳定尺寸，批量生产时需要大量的芯模。且模压需要适度塑性拉伸，容易造成碳纤维拉伸受损。发明专利公开号cn103507185b公开了一种用于碳纤维汽车轮毂坯品固化成型的模具结构及用该模具制作产品的方法，通过在上气袋芯模，形状与汽车轮毂坯品内腔形状一致，且尺寸略小于汽车轮毂内腔；按预设值对内气袋进行加热、加压使汽车轮毂的预型产品在模具中固化成型，实现了一体成型，简化生产过程。但是气袋芯模很难能保证轮毂内腔形成精确的形状及尺寸，轮毂的尺寸精度受到影响。

技术实现思路

1、为了实现碳纤维轮毂的批量、低成本稳定生产，针对碳纤维轮毂难以模压精密成型的问题，本发明提出一种梯度模压成型碳纤维轮毂的方法，采用低温高压预定型、中温低压预固化的梯度模压压缩定型方式，并辅助定型圈进一步在高温下长时间固化，实现了碳纤维轮辋的高效精密模压成型，加快芯模周转，提升碳纤维轮毂的生产效率；进一步提供由该方法制备的碳纤维轮毂。

2、为了达到上述目的，本发明采取如下技术手段：

3、第一方面，本发明提供一种梯度模压成型碳纤维轮毂的方法，具体方法如下：

4、s1.根据轮辋的形状尺寸由裁床自动裁切碳纤维预浸料，在分离式轮辋芯模表面自动铺层碳纤维预浸料，每层碳纤维预浸料铺层时在贴合表面涂刷滑动涂层料；得到预成型碳纤维轮辋坯料；

5、s2.将预成型碳纤维轮辋坯料连同轮辋芯模送入一级模压机，平放，环形凸边一侧在上部，在40~60℃以2.0~3.5mpa的压力闭合上模、左右侧模进行一级模压，压缩保压时间为10~30s，得到预定型碳纤维轮辋；

6、s3.将预定型碳纤维轮辋连同轮辋芯模转移至二级模压机，在110~120℃中温以1.0~1.5mpa的压力闭合上模、左右侧模进行二级模压，压缩保压时间为20~30min，得到预固化碳纤维轮辋；

7、s4.预固化碳纤维轮辋脱去芯模，在轮辋的两侧放入定型圈，然后平放送至热固化室在150~160℃高温下热固化1.0~1.5h，自然冷却至室温，移除定型圈，在环形凸边打孔，打磨、喷涂，得到碳纤维轮辋；

8、s5.将铝合金锻造盘经铣床加工、精密雕刻机精加工、打磨、喷涂，得到轮辐盘；

9、s6.将轮辐盘与碳纤维轮辋在环形凸边由螺栓连接，动平衡检测，得到碳纤维轮毂。

10、优选地，所述分离式轮辋芯模由至少4瓣组成。轮辋的环形凸边是轮辋连接轮辐盘的位置，其凸出的特性也导致芯模不能方便地移除，因此采用可分离式轮辋芯模，各瓣可拆卸，可以更好的组合和脱模。

11、优选地，所述碳纤维预浸料是由碳纤维斜纹编织物或碳纤维缎纹编织物预浸环氧树脂得到，环氧树脂的质量含量需控制在40~45%；进一步优选地，所述碳纤维斜纹编织物或碳纤维缎纹编织物的紧密度为1.5~1.6g/cm³。 通过选用环氧树脂含量高、紧密度低的碳纤维织物，使其在模压时易于发生局部形变，而不过度拉伸损伤碳纤维，从而适应模压成型工艺，得到高精度的碳纤维轮辋。典型的，使用丝束为12k的t800h碳纤维编织物。

12、优选地，在自动铺层碳纤维预浸料时，按照预浸料卷取方向的0°/45°/-45°/90°依次铺层。

13、优选地，所述滑动涂层料是由液体双酚f型环氧树脂、玻璃微珠、固化剂以质量比100:（4~6）:（3~5）配制的低粘度滑动涂层料；进一步优选地，所述液体双酚f型环氧树脂的40℃粘度低于2000mpa·s，如南亚塑胶工业股份有限公司的npef-170双酚f型环氧树脂具有低粘度与高流动性；进一步优选地，所述玻璃微珠选用d50粒径范围为10~30μm的实心玻璃微珠；进一步优选地，所述固化剂选用聚酰胺类固化剂。玻璃微珠具有良好的滑动性，通过加入双酚f型环氧树脂配制滑动涂层料，在用于铺层的碳纤维预浸料层间，在梯度模压时，层间良好的滑动性利于碳纤维预浸料层间发生微滑动，保证模压精密定型而不对碳纤维预浸料产生过度的拉伸损伤。

14、优选地，所述定型圈选用金属圆圈或陶瓷圆圈。根据轮辋的直径，通过将定向圈紧贴轮辋的两侧轮缘内放置，避免后期高温固化、冷却时轮辋翘曲变形。

15、碳纤维预浸料叠铺后在模压时一般都是层压，在其余方向不宜过度拉伸。因此，常规的，对于弯曲结构的叠铺需要精密裁切多片碳纤维预浸料铺层，导致铺层工序复杂，需人工铺贴才能达到要求，生产效率低，而且每层预浸料之间存在大量空气，严重影响到产品的质量。本发明在碳纤维预浸料铺层的层间涂刷有滑动涂层料，梯度模压时，在低温高压下碳纤维预浸料层间发生微滑动，保证轮辋精密预定型，高压不对碳纤维预浸料产生过度的拉伸损伤。进而，在碳纤维预浸料铺层时可适当降低铺层精度，简化铺层工序，提高生产效率。

16、常规的，一次模压需要对模具分段升温加压固化成型，完成固化后，需要降温后再进行下一次生产，导致模具占用时间长，芯模周转率低，生产效率极低。本发明采用低温高压预定型、中温低压预固化的梯度模压定型保证了碳纤维轮辋精密度和质量稳定性。通过两个模压机，在较低温进行高压定型，使铺层料微滑动精密定型，同时将层间空气完全排除；在中温低压下短时间内预固化，使轮辋预固化定型并在低压下降低应力集中，避免翘曲变形。进一步，通过定型圈紧贴轮辋两侧轮缘内放置，防止轮辋变形，在没有芯模、没有压力状态进行高温长时间完全固化，加快芯模周转，提升生产效率。

17、第二方面，提供由上述梯度模压成型碳纤维轮毂的方法得到的碳纤维轮毂。

18、相比于现有技术，本发明带来以下技术效果：

19、本发明采用先高压再低压的梯度模压，充分消除轮辋内应力集中，从而脱芯模后在定型圈辅助下可在高温长时间完全固化而不出现翘曲变形。

20、本发明在碳纤维预浸料铺层时，涂刷有易于滑动的涂层料，在梯度模压时，碳纤维预浸料层间发生微滑动，保证轮辋精密定型，不对碳纤维预浸料产生过度的拉伸损伤。

21、本发明通过梯度模压工艺和层间滑动协同，实现了高效模压生产碳纤维轮辋，成型的轮辋精度高、质量稳定。通过预铝合金轮辐盘组装得到的二合一碳纤维轮毂成本低，其在普通轿车上的应用潜力显著提升。