高速超高速砂轮基体用真空灌注成型装置的制作方法

本发明属于碳纤维复合材料的成型领域，具体涉及高速超高速砂轮基体用真空灌注成型装置。

背景技术：

高速/超高速磨削(线速度大于120m/s的磨削)砂轮制造技术是超高速磨削技术的关键技术之一，高速/超高速磨削砂轮基体应具有高动平衡精度、机械强度、高刚度和良好的导热性等特点。传统材料(合金钢或铝合金)基体目前的最高工作速度为160m/s，但是对于更高的磨削速度，目前的基体材料已经不能满足使用要求。碳纤维复合材料与合金钢、铝合金相比，具有比强度高、比模量高、减振性好和耐化学腐蚀等优点，是一种理想的高速砂轮基体材料，能够满足超高速磨削技术对砂轮基体材料的要求。

真空灌注工艺是复合材料最主要的成型工艺，其具有成型速度快、污染低、低成本和适用于制备大型部件等优点，近几年已被广泛研究和应用。真空灌注成型工艺是在真空状态下排除纤维增强体中的气体，通过树脂的流动、渗透，实现对纤维及其织物的浸渍，并在一定的加热条件下进行固化，形成一定纤维含量的复合材料的工艺方法。

申请公布号为cn103182784a的专利公开了一种碳纤维复合材料结构件真空灌注成型方法，其是在灌注模具(底板)的表面依次铺设底部导流网、下脱模布、纤维增强体、上脱模布、单向透气膜(内膜)、顶部导流网及真空袋膜(外膜)，顶部导流网包括横向导流段及与横向导流段连接的纵向导流段；抽真空口与顶部导流网相连通，以将抽真空时的真空负压沿横向和纵向均匀分布在单向透气膜上。该真空灌注成型装置，需要另行设置纵向导流段以实现沿横向的抽真空作用，结构设置复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高速超高速砂轮基体用真空灌注成型装置，从而解决现有真空灌注成型装置结构设置复杂问题。

为实现上述目的，本发明的高速超高速砂轮基体用真空灌注成型装置所采用的技术方案是：

高速超高速砂轮基体用真空灌注成型装置，包括底板，设于底板上的用于树脂在横纵向导流的下导流结构，以及底板上内外设置的内膜、外膜，所述内膜连接有树脂注入管道，内膜、外膜的顶部之间设有用于真空在横纵向导流的上导流结构，外膜的顶部设有与上导流结构连通的顶面抽真空口，外膜的与树脂注入管道相对一侧的侧面上设有至少一个侧面抽真空口，在抽真空时位于侧面抽真空口一侧的内膜、外膜的侧壁相互贴合，以隔开顶面抽真空口和侧面抽真空口。

本发明提供的高速超高速砂轮基体用真空灌注成型装置，不需要设置侧部导流网，而是分别设置侧面抽真空口和顶面抽真空口，将气体沿横向和纵向方向抽出，结构设置简单，也避免了内部气体沿斜向上方向从侧部导流网抽出，降低了抽真空设备的损耗。

优选的，所述上导流结构包括设置有抽真空口的接头板，接头板的一侧板面上设置有与所述抽真空口相连通的板面抽吸口，接头板的各侧面上设置有与所述抽真空口相连通的侧面抽吸口。

板面抽吸口、侧面抽吸口通过设置于接头板上的同一连通腔与所述抽真空口相连通。

接头板包括间隔平行设置的第一板体和第二板体以及至少两个沿周向分布于第一板体、第二板体边缘之间的支撑，第一板体、第二板体之间的间隙形成所述连通腔，抽真空口设置于第一板体上，板面抽吸口设置于第二板体上，相邻支撑及相邻支撑之间的第一板体、第二板体围成所述侧面抽吸口。优选的，所述制成为垫块。采用该种形式的上导流结构，更换便捷，重复利用性好。

上导流结构与内膜之间还设有无纺丝绵布层。通过在上导流结构下方铺设无纺丝绵布，可使上导流结构在使用后不用清理，重复使用性较好。

所述下导流结构为导流网。优选的，下导流结构与内膜之间设有上下设置的用于包围纤维预成型体的上脱模布层、下脱模布层。

所述侧面抽真空口有至少两个，各侧面抽真空口沿外膜的宽度方向均匀设置。

本发明的真空灌注成型装置，结构简单，主要部件免于清理，重复利用性好；通过对抽真空条件的优化，可最大程度减少制品中气泡，使胶液在横向和纵向上均匀渗透，增加碳纤维复合材料的密度均匀性，可用于高速超高速磨削砂轮基体的制作。

附图说明

图1为本发明的高速超高速砂轮基体用真空灌注成型装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中上导流结构的结构示意图；

图4为图3的左视图；

图5为图3的右视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。本发明中，超高速磨削是指磨削速度大于150m/s，高速磨削是指磨削速度大于45m/s，不大于150m/s。

本发明的高速超高速砂轮基体用真空灌注成型装置的具体实施例，如图1至图5所示，包括底板1，及依次铺设在底板1上的导流网2、下脱模布3、碳纤维编织物4、上脱模布5、单向透气膜6、无纺丝绵布7、上导流结构8及真空袋膜9，单向透气膜的边缘通过密封胶带粘结在底板1上，形成包围内部上脱模布、碳纤维编制物、下脱模布和导流网的密封空间，真空袋膜的边缘通过密封胶带粘结在底板1上，形成内部密封；上导流结构包括接头板，接头板包括间隔平行设置的第一板体10、第二板体11及四块沿周向分布于第一板体10、第二板体11之间的垫铁12，抽真空口14设置于第一板体10，多个板面抽吸口110设置于第二板体11上，垫铁之间形成供横向气流通过的侧面抽吸口，第一板体、第二板体之间的间隙形成供抽真空口与板面抽吸口和侧面抽吸口相连通的连通腔；真空袋膜9的顶部中心设有与上导流结构的抽真空口14相连通的顶面抽真空口15，真空袋膜9的一侧面与底板接触的位置设有树脂注入口16，用于连接注胶管，注胶管穿过真空袋膜及单向透气膜，其出口靠近导流网(图中未示出)；真空袋膜9上位于与树脂注入口相对的侧面上还设有沿纤维编织物的宽度方向间隔设置的两个侧面抽真空口17。

上述真空灌注成型装置在工作时，胶液由树脂注入口流向导流网，在横向抽真空和纵向抽真空作用下，胶液沿横向和纵向对纤维编织物进行浸渍，利用单向透气膜只透气不透树脂的特性，可将内部气体抽出，促进浸渍过程的进行；本发明的真空灌注成型装置利用上导流结构增加了负压层厚度和透气空间，使沿多元平板的截面方向抽气均匀，促进灌注过程胶液流动均匀，最大程度排除制品内的气泡，提高碳纤维制品的密度均匀性。

以对长700mm、宽700mm、厚度70mm的碳纤维复合材料真空灌注成型为例，选择多轴向碳纤维编织物作为复合材料的增强体，选择低粘度环氧树脂浸润碳纤维编织物，纤维体积分数为65％；真空灌注成型装置通过以下步骤进行制作：

1)清理刚性底板。该底板材料可为不锈钢或玻璃，厚度为15～20mm，表面粗糙度ra为0.8，在钢板上倾倒适量酒精，用刀片刮钢板上表面，然后用棉布将钢板表面的酒精擦拭干净；

2)用无纺丝棉布将脱模剂均匀的涂在底板表面，在涂抹脱膜剂的底板表面依次铺放2层导流网(2层导流网更便于树脂的浸润，导流网的长宽与纤维编织物的长宽相同)和下脱模布(下脱模布的长宽比导流网大10～20mm)，用双面压敏胶带将脱膜布与底板粘结在一起(只粘树脂注入口和侧面抽真空口端)；

3)在下脱模布上铺放纤维增强体，碳纤维增强体对称铺放，铺放时保证纤维排放整齐，剪去编织物边上脱落的纤维；

4)布置树脂注入口。依照纤维编织物的长或宽取相等长度的缠绕管，将其分为3段，分别插在三通气孔快速接头对通的两端，放置在粘接脱模布的双面压敏胶带的上表面，尽可能的靠近铺放的纤维编织物；

5)在纤维编织物上铺放上脱模布，上脱模布的大小应将纤维编织物全部盖住；

6)在距离下脱模布的外周20～30mm的位置粘密封胶带，按照密封胶带的位置向外推移50～60mm裁剪单向透气膜，将裁剪好的单向透气膜铺设在上脱模布上，边缘在密封胶带处压紧密封，在粘接单向透气膜时，预留树脂注入管道；

7)在单向透气膜上铺3层无妨丝绵布，将上导流结构放在无妨丝绵布上，顶面抽真空口的气孔接头布置在上导流结构的中央，侧面抽真空口与树脂注入口相对设置，将侧面抽真空口用双面胶带粘在靠近单向透气膜的位置；

8)在距离单向透气膜的边缘10～20mm的位置粘密封胶带，按照密封胶带的位置向外推移50～60mm裁剪真空袋膜，将裁剪好的真空袋膜粘在密封胶带处与底板压紧密封，即得上述真空灌装成型装置。

在本发明的高速超高速砂轮基体用真空灌注成型装置的其他实施例中，上导流结构可以使用导流网替代；上导流结构的第一板体、第二板体、垫铁可以为一体结构，板面通道、侧面通道可以为不同内腔，抽真空口与相应内腔连通即可；可不设置无妨丝绵布层；可依据碳纤维编织物的长或宽的尺寸来确定注胶口和侧面抽真空口的位置和数量。

本发明的真空灌注成型装置在应用于超高速砂轮基体用碳纤维复合材料的制作时，可采用以下步骤：

1)将上述实施例的真空灌注成型装置放置在加热平台上，启动加热系统，温度设为50℃，加热0.5h后关闭加热系统；用密封胶带粘住树脂注入管口，对真空灌注成型装置进行抽真空，抽真空时间为2.5～3h，确保真空袋膜中的真空度以使纤维编织物被压密实；

2)用精度为0.01g的电子秤称量树脂和固化剂，用液体搅拌器搅拌混合液体30min，搅匀后抽出混合液体中的气泡，抽气时间为20～30min；观察胶液内是否还有气泡，如果仍有气泡应延长抽气泡的时间；抽气后灌注树脂，灌注时树脂温度保持在25～45℃，模具温度保持在40～50℃，灌注时间保持在90～120min；

3)灌注完毕后不需要密封树脂注入口，打开加热系统，在50℃下保温10h进行预固化；

4)预固化后卸模，取出制品，清理制品表面和模具；将预固化料放置在烘箱中，在80℃下保温10h或在100℃下保温8h，即完成碳纤维复合材料制备。

上述步骤中，灌注树脂温度、模具温度以及灌注时间与树脂特性有关，可根据树脂粘度-时间曲线和粘度-温度曲线确定；后固化温度与树脂的固化温度保持一致即可。

上述实施例制得的碳纤维增强复合材料的力学性能检测数据显示其拉伸强度为400mpa，拉伸弹性模量为35gpa，弯曲强度为700mpa，弯曲弹性模量为45gpa，通过动平衡试验和回转强度试验，碳纤维复合材料满足高速超高速砂轮对基体的要求，且动平衡检验显示碳纤维复合材料砂轮基体动不平衡量小于钢基体，说明该真空灌注成型装置制作的碳纤维复合材料的密度均匀性较好，适于制作碳纤维复合材料超高速砂轮基体。