CN101628481A - 大尺寸复合材料加筋壁板真空辅助树脂渗透成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料成型技术，涉及对大尺寸复合材料加筋壁板真空辅助树脂渗透成型模具的结构设计。加强筋模具包括模板、定位模、成形模和盖板，在模板上铺放复合材料壁板蒙皮预成型体和加筋预成型体，定位模放置在加筋预成型体的一侧，在加筋预成型体的另一侧放置成形模，在加筋预成型体的顶部放置盖板。本发明的模具具有刚柔相兼的特性，用于大尺寸加筋壁板真空辅助树脂渗透(Vacuum Assisted Resin Infusion即VARI)工艺成型，解决低压成型时模具配合问题，提高了复合材料零件成型的可靠性，模具制造成本低；同时在特定方向具有一定的刚性，用于加强筋定位，保证加强筋轴线位置。

Description

大尺寸复合材料加筋壁板真空辅助树脂渗透成型模具

技术领域

本发明属于复合材料成型技术，涉及对大尺寸复合材料加筋壁板真空辅助树脂渗透(VARI)成型模具。

背景技术

树脂基复合材料以其优越的性能已经成为航空航天等领域广泛采用的最主要的结构材料之一，加筋壁板是航空复合材料的一类典型结构形式。根据加强筋截面形状，通常加筋壁板有“T”型、“工”型、“J”型或混合型等几种主要形式。传统的成型方法是采用碳纤维预浸料通过热压罐加压成型，一般三种成型方式：(1)加强筋和蒙皮分别固化成型而后胶接；(2)蒙皮先固化、加强筋固化的同时与蒙皮胶接；(3)加强筋与蒙皮一起共固化成为加筋壁板。但是，传统的预浸料-热压罐成型方法存在两方面弊端：①不宜结合缝合等技术对复合材料进行三维增强，层间强度低；②预浸料储存及热压罐成本高。近年来，为提高飞机的战术性能对复合材料的需求越来越大，而这两方面因素却在一定程度上限制着飞机结构复合材料的用量。降低复合材料的制造成本提高复合材料的抗损伤能力是扩大复合材料用量的重要前提，也因此复合材料的三维增强技术和低成本制造技术成为复合材料领域的研究重点。

VARI成型技术是一种新型的复合材料液体成型技术，其工艺原理是采用单面模具在真空作用下使树脂浸润干态纤维预成型体，而后在室温或烘箱中固化成型的方法。采用VARI工艺可以结合缝合等三维增强技术提高层间强度，同时由于VARI工艺不需要投资巨大的热压罐，制造成本低，是近年来国内外复合材料领域备受关注的低成本制造技术。

但另一方面，热压罐工艺除真空压力之外还可以额外增加几个或十几个压力，即使模具有一定的变形，通过压力作用也可以在一定程度上克服变形，不至于因压力传递不到位导致复合材料制件报废。“T”型、“工”型、“J”型加筋壁板传统的模具设计思路是：采用刚性外形模保证壁板外形，“T”型、“工”型、“J”型加强筋至少一侧采用刚性模具或两侧均采用刚性模。而VARI整个工艺过程只有一个真空压力，模具之间的配合状态成为影响VARI复合材料质量至关重要的因素。VARI工艺对模具结构、模具精度等因素非常敏感，尤其对于大尺寸加筋壁板，因为“T”型、“工”型、“J”型筋两侧模具又细又长，加工难度大，不可避免会产生变形，。

发明内容

本发明的目的：提出一种适用于“T”型、“工”型、“J”型筋两侧模具又细又长，加工难度大的大尺寸复合材料加筋壁板真空辅助树脂渗透成型模具。本发明的技术解决方案：加强筋模具包括模板、定位模、成形模和盖板，在模板上铺放复合材料壁板蒙皮预成型体和加筋预成型体，定位模放置在加筋预成型体的一侧，在加筋预成型体的另一侧放置成形模，在加筋预成型体的顶部放置盖板。

所说的定位模是一种由橡胶、刚性加强层和加强层组合而成的复合模具；刚性加强层置于橡胶中，加强层置于橡胶的表层或浅表层。成形模为如下三种方式之一：

(1)全橡胶软膜；

(2)在靠近成形模的型面0mm～1.5mm处放置浸胶玻璃纤维布或碳纤维布，厚度0mm～0.5mm，与橡胶一起硫化形成成形模；

(3)采用1～5mm厚度的玻璃钢板或铝板，在加强筋根部对接作为成形模，用于加强筋下凸缘成型的玻璃钢板或铝板的厚度要求不小于加强筋根部圆角半径R。

所述的刚性加强层置于橡胶中的数量根据加筋预成型体的高度确定，当加筋预成型体的高度≤50mm时，在橡胶的中间位置放置1条刚性加强层；当加筋预成型体的高度＞50mm时，在橡胶的上下位置放置2条刚性加强层；刚性加强层的材质为下述材质之一：

(1)金属材料或玻璃钢薄板，厚度σ1为：1.0mm≤σ1≤3mm；

(2)浸胶玻璃纤维布或碳纤维布，厚度σ2为：0.5mm≤σ2≤1.0mm。

所述加强层距橡胶表层的距离L为：0mm≤L≤1.5mm；加强层的材质为浸胶玻璃纤维布或碳纤维布，厚度σ3为：0mm≤σ3≤0.5mm。

本发明具有的优点和有益效果：

加强筋模具采用橡胶材料和刚性材料按一定方向复合，沿特定方向赋予模具以刚性，克服全刚性模具和全橡胶模具存在的不足，使模具不仅适于真空加压同时兼备加强筋定位的功能。本发明的模具具有刚柔相兼的特性，用于大尺寸加筋壁板真空辅助树脂渗透(Vacuum AssistedResin Infusion即VARI)工艺成型，解决低压成型时模具配合问题，提高了复合材料零件成型的可靠性，模具制造成本低；同时在特定方向具有一定的刚性，用于加强筋定位，保证加强筋轴线位置。将刚性材料和橡胶材料根据需要进行适当组合，充分发挥刚性材料和橡胶材料各自的优势，使模具刚-柔并存，且有选择性地使模具具有各向异性的特点，这种模具组合结构的优点是：

1、模具具有柔性，在一个真空压力下可以较好的与外形模配合，更适合VARI工艺低压成型的特点；

2、模具具有刚性，可以在外形模上对加强筋进行定位，保证加强筋的轴线位置；

3、模具加工精度可以降低，减少模具制造成本。

X/Y/Z三个方向均具有很好柔性，能在真空作用下与对侧模具及外形模达到良好配合，可靠保证零件质量。

附图说明

图1传统热压罐工艺加强筋典型模具组合示意图，其中，a为成型“T”型加强筋模具组合示意图，b为成型“工”型加强筋模具组合示意图，c为成型“J”型加强筋壁板模具组合示意图；

图2本发明适于VARI工艺低压成型特点的加强筋定位模具示意图，其中，a为一层加强层的示意图，b为二层加强层的示意图；

图3本发明成型“T”型加强筋模具组合；

图4本发明成型多加筋曲度壁板模具组合；

图5本发明成型“J”型加强筋壁板模具组合。

具体实施方式：

下面对本发明做进一步详细说明。根据加强筋截面形式不同，定位模1、成形模2、外形模3及盖板4的组合方式略有不同，典型的“T”型、“工”型、“J”加筋壁板模具结构见图1。

将加强筋一侧模具设计为刚-柔相兼结构形式使其具有定位功能的定位模，定位模是一种由橡胶1-1、刚性加强层1-2和加强层1-3组合而成的复合模具，橡胶1-1根据所成型零件的耐温要求进行选择，可选择Airpad橡胶。刚性加强层1-2置于橡胶1-1的中间部位，与加强筋腹板面7垂直，材料可选择厚度0.5mm～1.0mm的浸胶纤维布或厚度1.0mm～3.0mm的玻璃钢板、金属板等，数量根据加筋预成型体的高度确定，当加筋预成型体的高度≤50mm时，在橡胶的中间位置放置1条刚性加强层1-2；当加筋预成型体的高度＞50mm时，在橡胶的上下位置放置2条刚性加强层1-2；刚性加强层1-2与橡胶1-1一起硫化成型。加强层1-3置于橡胶1-1的表层或浅表层，通常情况下，加强层1-3置于橡胶1-1的浅表层，距橡胶1-1表面的距离为不大于1.5mm，当加强筋表面质量有特殊要求时，加强层1-3直接置于橡胶1-1的表层；加强层1-3的材质为浸胶玻璃纤维布或碳纤维布，总厚度不大于0.5mm，与橡胶一起硫化成型。

加强筋的另一侧成形模2可以设计成柔性模具，材料可选择纤维板、Airpad橡胶等进行适当组合，成形模2可以为如下三种方式之一：

(1)全橡胶软膜；

(2)在靠近成形模2的型面0mm～1.5mm处放置浸胶玻璃纤维布或碳纤维布，厚度0mm～0.5mm，与橡胶2-1一起硫化形成成形模2；

(3)采用1～5mm厚度的玻璃钢板或铝板，在加强筋根部对接作为成形模2，用于加强筋下凸缘成型的玻璃钢板或铝板2-3的厚度要求不小于加强筋根部圆角半径R。

实施例一：

带有1根“T”型加筋的壁板结构，材料体系为T700/BA9912；外形尺寸1700mm×500mm×80mm(长×宽×高)，其中：整体壁板的蒙皮1平面尺寸1700mm×500mm，厚度2mm，在蒙皮内侧沿纵向有1根截面为“T”型的加强筋，厚度2.6mm。为提高加强筋与蒙皮的界面强度，加强筋下凸缘与蒙皮缝合成为一体，要求通过VARI工艺进行整体成型。

将定位模1设计为图3所示，橡胶1-1选择Airpad橡胶，因加强筋高度较大，为提高加强筋定位模刚性，采用两层刚性加强层1-2，材料选用玻璃钢板，玻璃钢板的厚度为2mm，加强层1-3采用2层单层厚度0.1mm的EW100浸胶玻璃布，放置在距橡胶表面1.5mm的位置，刚性加强层1-2和加强层1-3在软模成型模中与橡胶组合一起硫化成为定位模1。另一侧成形模2采用Airpad橡胶+浸胶玻璃布的复合结构，加强层2-2采用2层单层厚度0.1mm的EW100浸胶玻璃布，放置在距橡胶表面1.5mm的位置，加强层2-2在软模成型模中与橡胶2-1组合一起硫化成为成形模2。通过VARI工艺验证，所成型的零件没有出现加压不到位的现象。

实施例二：

带有6根加强筋的壁板结构，长1200mm，跨度700mm，壁板由3段弧面2个平面组成，为带加筋的曲度壁板，其上对称分布有4根“T”型纵向加强筋和2根“工”型加筋，腹板高度25mm，均沿弧面的法向。加强筋下凸缘与蒙皮缝合成为一体，通过VARI工艺进行整体成型。

模具组合如图4所示，通过加强筋外侧成形模定位，主要材料橡胶1-1是Airpad橡胶，刚性加强层1-2采用10层EW100浸胶玻璃布，在软模成型模中按图示方向铺贴，与橡胶硫化成为整体，另一侧设计采用Airpad全橡胶结构。由于两侧模具在垂直于蒙皮的方向均具有柔性，在真空压力下可与外形模很好配合压紧预成型体，纵然软模成型模有一定的加工变形，不会对制件产生致命影响，同时，零件固化后，以橡胶模具为主的模具更容易脱模，此模具组合较适宜曲度加筋壁板的VARI成型，在提高制件VARI成型可靠性的同时降低了模具制造难度。

实施例三：

带有4根“J”型加强筋的壁板结构，外形尺寸1900mm×1000mm×45mm(长×宽×高)，其中：整体壁板的蒙皮1平面尺寸1900mm×1000mm，加强筋厚度3.0mm，高度42mm，根部圆角R3。纵向加强筋在中部与两根金属横梁有装配关系，要求纵向加强筋具有较好的表面质量。成型方案是4根加强筋与蒙皮先制备成缝合预成型体，通过VARI工艺进行整体成型。

将“J”型加强筋内侧模具设计为定位模1，如图5所示，橡胶1-1选择Airpad橡胶；加强筋高度不大，采用一层刚性加强层1-2，厚度为3mm的铝板，材料选用LY12CZ，铝板在宽度方向具有很好刚性，保证加强筋的轴线位置；加强层1-3采用2层单层厚度0.1mm的EW100浸胶玻璃布，放置在橡胶的表面，使定位模1的表面具有一定的硬度以保证加强筋的表面质量，刚性加强层1-2和加强层1-3在软模成型模中与橡胶组合一起硫化成为定位模1。另一侧成形模2采用5mm厚的玻璃钢板2-3、3mm厚的玻璃钢板2-4与橡胶2-1形成的组合结构。通过VARI工艺试验，所成型的零件表面质量和加强筋轴线位置均达到设计要求。

Claims (3)

1.大尺寸复合材料加筋壁板真空辅助树脂渗透成型模具，包括模板[3]、定位模[1]、成形模[2]和盖板[4]，在模板[3]上铺放复合材料壁板蒙皮预成型体[5]和加筋预成型体[6]，定位模[1]放置在加筋预成形体[6]的一侧，在加筋预成型体[6]的另一侧放置成形模[2]，在加筋预成型体[6]的顶部放置盖板[4]，其特征在于：所说的定位模[1]是一种由橡胶[1-1]、刚性加强层[1-2]和加强层[1-3]组合而成的复合模具；刚性加强层[1-2]置于橡胶[1-1]中，加强层[1-3]置于橡胶[1-1]的表层或浅表层；成形模为如下三种方式之一：

(1)全橡胶软膜；

(2)在靠近成形模[2]的型面0mm～1.5mm处放置浸胶玻璃纤维布或碳纤维布，厚度0mm～0.5mm，与橡胶一起硫化形成成形模[2]；

(3)采用1～5mm厚度的玻璃钢板或铝板，在加强筋根部对接作为成形模[2]，用于加强筋下凸缘成型的玻璃钢板或铝板[2-3]的厚度要求不小于加强筋根部圆角半径R。

2.根据权利要求1所述的大尺寸复合材料加筋壁板真空辅助树脂渗透成型模具，其特征是，所述的刚性加强层[1-2]置于橡胶[1-1]中的数量根据加筋预成型体[6]的高度确定，当加筋预成型体[6]的高度≤50mm时，在橡胶[1-1]的中间位置放置1条刚性加强层[1-2]；当加筋预成型体[6]的高度＞50mm时，在橡胶[1-1]的上下位置放置2条刚性加强层[1-2]；刚性加强层[1-2]的材质为下述材质之一：

(1)金属材料或玻璃钢薄板，厚度σ1为：1.0mm≤σ1≤3mm；

(2)浸胶玻璃纤维布或碳纤维布，厚度σ2为：0.5mm≤σ2≤1.0mm。

3.根据权利要求1所述的大尺寸复合材料加筋壁板真空辅助树脂渗透成型模具，其特征是，所述加强层[1-3]距橡胶[1-1]表层的距离(L)为：0mm≤L≤1.5mm；加强层[1-3]的材质为浸胶玻璃纤维布或碳纤维布，厚度σ3为：0mm≤σ3≤0.5mm。

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