一種一體成型的全碳纖維輪轂的生產工藝的製作方法

2023-05-30 09:32:06

本發明涉及一種輪轂的生產工藝，具體是一種一體成型的全碳纖維輪轂的生產工藝，屬於汽車輪轂技術領域。

背景技術：

全碳纖維輪轂能大幅減輕車輛的簧下重量，從而提高車輛的啟停及轉向效率，增強駕駛感受，降低能耗，增加行車安全性。但是，目前市場上幾乎沒有專業的全碳纖維輪轂生產商，國外能找到的產品價格極高也很難購買得到，根本原因在於輪轂複雜的形狀結構很難用現有碳纖維生產工藝輕易的生產出來。目前，這類形狀結構複雜的碳纖維件只能依靠手糊預浸有熱固性環氧樹脂的碳纖維布在模具上再配合在熱壓罐中固化成型的生產方式，這種方式生產過程耗時耗力，無法實現大批量生產。

以瑞典超級跑車生產商koenigsegg科尼塞克自行生產的全碳纖維輪轂為例，採用手工貼制的方法，將預浸有熱固性環氧樹脂的碳纖維布裁剪成很多小片，按照模具外表面的形狀進行貼合拼接，並逐層貼制覆蓋以達到需要的貼層厚度。再將貼制完成的坯件連同模具外套上耐熱薄膜袋並抽真空處理，然後再整體放入熱壓罐中，在高溫高壓的條件下固化成型。

以東麗卡的碳布ck6244c為例，厚度僅為0.22mm，而輪圈最薄的厚度需達到5mm以上，用手工貼制的方法製作需要貼22層以上。而每一層因為輪輻和輪圈不規則的外表面需要由很多不同形狀的小片相互拼合而成，並且每一層都會有差異因此每一層小片的形狀裁剪及貼制拼接都不一樣。而熱壓罐的容積非常有限，因此對於輪轂這樣的較大體積的產品的生產帶來極大的不便，每次固化的產品數量非常有限，並且每次固化時間長，操作複雜能耗大。這樣的製作方式，毫無疑問需要花費很長的生產時間及成本，並且很難保證批量生產時的品質甚至無法實現大批量生產，因此這款全碳纖維輪轂要價高達6萬歐元。

介於這一現狀，全碳纖維輪轂一直無法得到實際大量的實用，業內急需一種能實現自動化高效率的生產工藝來實現全碳纖維輪轂的大批量生產，從而推動整個全碳纖維輪轂的批量生產，並推動整個汽車業輕量化進程。

現有技術中，專利號為2012103623397，專利名稱為一種用於成型碳纖維汽車輪圈的模具及用該模具製作產品的方法，該方法通過碳纖維的預型產品，並經過上芯模與下芯模以及側模的合模，從而形成汽車輪轂。該方法是將碳纖維層排疊成汽車輪轂的預型產品，並對形成的預型產品的碳纖維層進行理順及補強，並將預型產品放置在模具中的下模芯上。通過側模從側面推入合模，使預型產品的外圈與側模腔體貼。其中，其通過內氣袋的加熱和充脹，使得汽車輪轂在模具中固化成型。這種輪轂的製造工藝一方面通過內氣袋加熱固化成型，不能保證輪轂內腔形成精確的形狀及尺寸，並且內氣袋的升溫以及充脹的熱源不容易把握，更重要的是沒有解決碳纖維材料疊層所需要的長時間和複雜過程的問題，因此在實際生產中仍然很難操作並且耗時耗力，無法實現大批量生產。

專利號為2012101362744，專利名稱為一種碳纖維輪轂的製作方法，該方法是將模具的上下模具以及三塊側模，其主要是在上下模上設計成衍生型，主要是用來製作形狀簡單的自行車輪轂，無法實現對形狀結構複雜的汽車輪轂的生產，更無法解決碳纖維材料鋪層耗時耗力帶來的批量生產困難。

技術實現要素：

針對上述現有技術存在的技術問題，本發明提供一種一體成型的全碳纖維輪轂的生產工藝，該生產工藝避免了以手工貼制的方式生產，實現複雜形狀及輪輻中空式全碳纖維輪轂的大批量化的生產，保證了生產過程中質量的穩定性的同時大幅提高全碳纖維輪轂的生產效率，並能節約碳纖維材料及各種輔料的使用從而節約生產成本，從而推動汽車業輕量化進程。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：一種一體成型的全碳纖維輪轂的生產工藝，將預成型的碳纖維組件在一體成型的模具中進行組合，再用纏繞的方式製作出輪圈並在鎖緊的上下模的外壁上與已組合的組件緊密結合，所有碳纖維組件所在的一體成型的模具中混合了帶有固化促進劑的環氧熱脂並經過環氧樹脂的固化，使所有的碳纖維組件及纏繞形成的輪圈定型後成為一體成型的輪轂。

進一步，1)將輪輻上殼組件以及與所述輪輻上殼組件對應的上壓片和輪輻下殼組件以及與所述輪輻上殼組件對應的下壓片放置於一體成型的模具中，併合上一體成型的模具；

2)啟動纏繞裝置，在一體成型的模具的外壁上用碳纖維絲束纏繞出輪圈，在纏繞過程中使輪輻上下殼向外端部伸入輪圈內部纏繞在一起；

3)合上在外壁上已纏繞出輪圈模具的側模並鎖緊，啟動抽真空泵從所述一體成型的模具的頂部將模具的模腔內的空氣抽出，使模腔內形成真空0.5-3mpa的負壓，並開啟模溫機對一體成型的模具進行升溫，30-60秒後，將其升溫到80-200℃；

4)通過雙組份rtm樹脂傳遞模塑成型注射機從一體成型的模具的底部中心進料口注入混合的固化劑的熱固性環氧樹脂直到樹脂充滿整個模具的模腔，待環氧樹脂浸入所述一體成型模具中的全部碳纖維材料，保持高溫80-200℃的鎖模狀態至樹脂完全固化後開模；

5)從模具中取出已完全固化一體成型的輪轂坯件，對表面進行打磨；

6)將打磨後的坯件放入cnc加工中心中，對安裝孔位進行鑽制；

7)將合格的輪轂坯件批量放入烤箱中進行二次固化處理，保持溫度在80-200℃，4-8小時後取出；

8)將完成二次高溫固化的輪轂表面進行噴塗處理。

所述步驟1)中輪輻上殼組件和輪輻下殼組件的製造工藝包括：

a)將碳纖維布表面撒上預成型粉末粘接劑；

b)將已經撒上預成型粉末粘接劑的碳纖維布一起疊放入預成型模具中，模具溫度為80-200℃，合上模具並保持合模狀態10-30秒，待坯件固化成型後，開模取出。

進一步，所述步驟a)中的碳纖維布是經過裁剪，並且形狀與輪輻上殼組件和輪輻下殼組件的平面展開形狀一致。

進一步，所述步驟b)中固化成型後的坯件外形周邊打磨處理，使之能夠拼合成圓形,放入所述一體成型的模具中。

進一步，所述步驟4)中，通過雙組份rtm樹脂傳遞模塑成型注射機從模具底部進料口注入混合了固化促進劑的熱固性環氧樹脂，並且所述環氧樹脂和固化促進劑的體積混合比例為1:1。

本發明的有益效果是：與現有技術相比，本發明採用分件式預成型生產再集合一體注入混合了固化促進劑的環氧樹脂並固化成型，各組件的預成型均採用鋼製模具熱壓生產，能在極短的時間內完成定型生產，實現批量化生產的同時保證產品品質並降低成本，有效分解複雜形狀對生產帶來的難度，並能節約碳纖維材料及各種輔料的使用從而節約成本；

經過預成型的組件集合到一體成型的模具中再注入固化成型樹脂，在模壓，真空負壓及高溫的條件下通過樹脂的浸透與固化過程使各組件的碳纖維材質有效的融為一體，保證整個輪轂具備極高的強度也有效的提高生產效率保證生產品質的穩定；

輪圈採用碳纖維絲束材質及數控纏繞的生產方式，並在纏繞預緊力的作用下使輪輻與輪圈之間緊密的結合為一體，有效的提高整個輪轂的剛性及強度，同時通過適時調整碳纖維絲束纏入的角度能將碳纖維絲束軸向最大的抗拉強度有效的應用於輪轂在使用中的各個受力方向上。這一方式的應用既能將材料的性能發揮最大價值，並能實現自動化生產有效提高生產效率降低生產成本，安裝孔位採用cnc數控工具機加工，在保證尺寸精準高效生產的同時能適應各種不同安裝要求下的定製化動態化生產，從而提高輪轂的適用範圍降低成本；

綜上所述，本發明工藝配合特有的輪轂結構設計，在保證得到最輕重量和最大強度的全碳纖維輪轂的同時，能實現複雜形狀的全碳纖維輪轂的大批量自動化生產，並能實現最大化節約材料，提高生產效率，大幅降低生產成本，能有效推動全碳纖維輪轂的大量應用及車輛輕量化進程。

附圖說明

圖1為本發明輪轂整體結構示意圖；

圖2為本發明輪轂上殼組件定型結構示意圖；

圖3為本發明輪轂下殼組件定型結構示意圖；

圖4為本發明一體成型模具結構示意圖；

圖5為本發明一體成型模具的下模結構示意圖；

圖6為本發明一體成型模具合模時狀態示意圖；

圖7為本發明纏繞裝置運動狀態示意圖之一；

圖8為本發明纏繞裝置運動狀態示意圖之二；

圖9為本發明側模開模示意圖；

圖10為本發明側模合模示意圖；

圖中：1、上壓片，2、輪轂上殼，3、輪轂下殼，4、下壓片，6、下模，7、上模。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

如圖1所示：全碳纖維輪轂包括五個部分上壓片1、輪輻上殼2、輪輻下殼3、下壓片4以及輪圈5。其中，輪輻上殼組件組成輪輻上殼2，並且上壓片1位於輪輻上殼2的凹槽內；輪輻下殼組件組成輪輻下殼3，並且下壓片4位於輪輻下殼3的凹槽內。所述上壓片1、輪輻上殼2、輪輻下殼3和下壓片4均放置於輪圈5內。

一種一體成型的全碳纖維輪轂的生產工藝，該生產工藝包括如下步驟：將預成型的碳纖維組件在一體成型的模具中進行組合，再用纏繞的方式製作出輪圈並在鎖緊的上下模的外壁上與已組合的組件緊密結合，所有碳纖維組件所在的一體成型的模具中混合了帶有固化促進劑的環氧熱脂並經過環氧樹脂的固化，使所有的碳纖維組件及纏繞形成的輪圈定型後成為一體成型的輪轂。

該生產工藝的具體步驟為：

1)將輪輻上殼組件以及與所述輪輻上殼組件對應的上壓片和輪輻下殼組件以及與所述輪輻上殼組件對應的下壓片放置於一體成型的模具中，併合上一體成型的模具。具體而言，將已預成型的上壓片1放置在下模6中心圓柱凸臺處，再逐條依次將已預成型輪輻上殼組件條2放入下模6的凹槽中，使之在靠近下模6圓心端拼合成一個完整的圓形；再逐條依次將已預成型的輪輻下殼組件放入輪輻上殼組件條的凹槽中，使之在靠近下模6圓心端拼合成一個完成的圓形，並在圓心處形成一個完整的圓形凹槽；將已預成型的下壓片4放置在輪輻下殼組件3拼合後在圓心處形成的圓形凹槽中，形成如圖5所示狀態。

所述輪輻上殼組件和輪輻下殼組件的製造工藝包括：

a)將碳纖維布表面撒上預成型粉末粘接劑；所述步驟a)中的碳纖維布是經過裁剪，並且形狀與輪輻上殼組件和輪輻下殼組件的平面展開形狀一致。

b)將已經撒上預成型粉末粘接劑的碳纖維布一起疊放入預成型模具中，模具溫度為80-200℃，合上模具並保持合模狀態10-30秒，待坯件固化成型後，開模取出。固化成型後的坯件外形周邊打磨處理，使之能夠拼合成圓形，放入所述一體成型的模具中。

2)啟動纏繞裝置，在一體成型的模具的外壁上用碳纖維絲束纏繞出輪圈，在纏繞過程中使輪輻上下殼向外端部伸入輪圈內部纏繞在一起；

3)合上在外壁上已纏繞出輪圈模具的側模並鎖緊，啟動抽真空泵從所述一體成型的模具的頂部將模具的模腔內的空氣抽出，使模腔內形成0.5-3mpa的負壓，並開啟模溫機對一體成型的模具進行升溫，30-60秒後，將其升溫到80-200℃；

4)通過雙組份rtm樹脂傳遞模塑成型注射機從一體成型的模具的底部中心進料口注入混合的固化劑的熱固性環氧樹脂直到樹脂充滿整個模具的模腔，待環氧樹脂浸入所述一體成型模具中的全部碳纖維材料，保持高溫80-200℃的鎖模狀態至樹脂完全固化後開模；

5)從模具中取出已完全固化一體成型的輪轂坯件，對表面進行打磨；

6)將打磨好的坯件放入cnc加工中心中，對安裝孔位進行鑽制；

7)將合格的輪轂坯件批量放入烤箱中進行二次固化處理，保持溫度在80-200℃，4-8小時後取出；

8)將完成二次固化的輪轂表面進行噴塗處理。

實施例

第一：將符合要求的碳纖維布按照各組件平鋪展開的外形裁剪成各種需要的形狀；具體而言是：利用cnc電腦數控裁剪設備將東麗t700斜紋3k的碳纖維布按照各組件平鋪展開的外形裁剪成各種需要的形狀，其中包括輪輻上殼組件、輪輻下殼組件、上壓片和下壓片；

第二：將裁剪好的碳纖維布的表面均勻撒上預成型粉末粘接劑(以環氧樹脂為主)，在碳纖維布上的噴撒密度為10-15克/㎡，當溫度達到樹脂粉末的熔點，這些粉末就會熔化成液態浸入碳纖維布中，將各層碳纖維布粘接在一起並固化定型；

第三：將需要的層數並已經撒有熱固化粉末的碳纖維布放入預成型熱壓模具中，合上模具待坯件固化成型開模取出，模具溫度保持在80-200℃,保持合模狀態10-30秒，優選20秒，如圖2和圖3所示；

第四：對已預成型坯件的外形周邊進行打磨修整，輪輻下殼3及輪輻上殼2的各組件能很好的拼合成一個完整的圓體並放入模具中，並且輪輻下殼3能很好的放入輪輻上殼2形成的腔體中，上壓片1和下壓片2能很好的放入輪輻上殼2和輪輻下殼3拼合後形成的凹槽中；

第五：將各組件依次放入一體成型模具的下模中，並整理好使各組件整齊的放置在模具中，如圖4和圖5所示；

第六：合上一體成型的模具，如圖6所示；

第七：將東麗t700sc-24k碳纖維絲束的起始端固定在模芯外壁的起始位置，啟動纏繞裝置使模芯旋轉，隨著模芯的旋轉控制裝置適時控制絲束纏入的位置角度和預緊拉力，使絲束在一體成型模具的模芯外壁上纏繞出輪圈，將碳纖維絲束軸向最大的抗拉強度應用於輪轂在使用過程中各個受力方向上，從而使輪轂具備最大的強度，同時能取代手貼碳纖維布式的生產方式而極大的提高生產效率，如圖7和圖8所示；

第八：合上模具的側模並鎖緊如圖9和圖10所示，啟動抽真空泵從模具的頂部將模腔內的空氣抽出，使模腔內形成真空0.5-3mpa的負壓，以便於樹脂在模腔內的流動並防止在樹脂內部形成氣泡，並開始對模具升溫到80℃，然後利用雙組份rtm樹脂傳遞模塑成型注射機開始從模具的底部進料口按1：1的混料比注入亨斯邁aralditely3585環氧樹脂和hardenerxb3458固化促進劑直到樹脂充滿整個模腔浸透已放入模具中的全部碳纖維材料，以保證固化後整個輪轂的完整性，保持模具80℃高溫的鎖模狀態10分鐘，再將模溫升到100℃保持20分鐘至樹脂完全固化後開模；

第九：從模具中取出已完全固化一體成型的輪轂坯件，對表面進行打磨；將打磨好的坯件放入cnc數控工具機加工中心中，對安裝孔位進行鑽制；對坯件進行二次打磨及檢查；將合格的輪轂坯件批量放入工業烤箱中進行二次高溫固化處理，保持溫度在80-200℃優選180℃，4-8小時後取出；將完成二次固化的輪轂表面進行噴塗處理，即完成生產。

以上所舉實施例為本發明的較佳實施方式，僅用來方便說明本發明，並非對本發明作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本發明所提技術特徵的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所做出局部更動或修飾的等效實施例，並且未脫離本發明的技術特徵內容，均仍屬於本發明技術特徵的範圍內。