CN102320139A - 一种曲线复合材料管成型工艺 - Google Patents

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一种曲线复合材料管成型工艺，通过制造成型模具、预浸料制备、铺叠、模具组装、固化、脱模等步骤成型曲线复合材料管。本发明成型模具采用封闭、组合式硬模，在曲线复合材料管内腔采用硅橡胶软模，通过成型压力及硅橡胶膨胀特性确定硅橡胶软模的尺寸，解决了曲线复合材料管脱模难和产品型腔尺寸不易控制的难题，保证成型产品顺利脱模后内腔尺寸满足要求；本发明采用整体成型技术，解决了曲线复合材料管两侧伸出部位加压难和整体质量不易控制等难题，达到产品一次成型且满足尺寸精度要求；本发明通过复合材料铺层设计以及成型工艺的控制，解决了曲线复合材料管成型后易产生变形的问题，达到了产品精度控制要求；采用本发明成型的曲线复合材料管，不但具有较好的结构质量效率，而且具有较高的尺寸、曲率成型精度。

Description

一种曲线复合材料管成型工艺
技术领域
本发明涉及一种曲线复合材料管的成型工艺，属于树脂基结构复合材料加工技术领域。
背景技术
当前，航天结构复合材料已进入快速发展阶段，新型号对结构减重、高效提出了更高的要求，复合材料是实现这些关键技术的重要手段之一。复合材料整体成型技术，是目前世界上航空航天复合材料领域内重点发展的制造技术之一，整体成型制造技术可充分发挥复合材料的可设计性，使部分构件的零部件整体集成，提高结构整体功能，达到减重、高效要求。
国外复合材料成型主要采用整体热压罐成型工艺，在复合材料整体成形技术、热膨胀模法成型技术方面已经取得重大成果，并已获得广泛应用。由于热膨胀模法不但降低了复合材料制品的成本，而且还为复合材料一次固化成型创造了条件，所以，美、法、德等国都很重视热膨胀模法工艺技术的研究，美国主要是用于航空航天等高技术及军事应用领域。
我国结构复合材料经过多年的发展，基础研究和应用研究都取得了重大成果，在航天航空及民用领域获得了广泛应用。但对于软模辅助成型技术、特殊型面产品精度控制的优化及基础研究还很欠缺，经验控制因素较多。软模辅助成型技术、特殊型面产品精度控制技术研究，对复合材料的进一步发展具有十分重大的意义。
在国外文献中曾提到过采用软模辅助成型航空航天要求的复合材料结构件，但在公开发表的文献中未见有曲线复合材料管在天线反射面应用的报告。国内文献未见有关曲线复合材料管的研究和应用报道。
作为一门新的技术，曲线复合材料管涉及设计、计算、材料、工艺、控制等许多科学方面的问题，而且理论和变形规律的研究目前尚缺乏，因此要研制结构重量轻、产品精度高的复合材料管，尚需在理论与制造工艺上实现突破。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种曲线复合材料管的成型工艺，使成型后的曲线复合材料管易于脱模，尺寸及曲率面精度满足要求，同时保持了复合材料结构质量效率高、性能好的特点。
本发明的技术解决方案是：一种曲线复合材料管成型工艺，通过以下步骤实现：
第一步，成型模具制造，曲线复合材料管成型模具包括金属硬模和硅橡胶软模组成，硅橡胶软模包括成型管内壁的软模和两个成型翻边的软模，成型管内壁的软模的外型与曲线复合材料管内部形状一致、尺寸小于曲线复合材料管内部尺寸3～10％，成型翻边的软模的形状和尺寸与曲线复合材料管翻边的形状、尺寸一致，金属硬模包括上盖板、下底板、两个侧挡块和两个堵盖，上盖板、侧挡块和下底板通过螺栓机械连接，堵盖固定安装在上盖板两端并与下底板固定，上盖板和下底板的成型面与曲线复合材料管的上、下外表面形状、尺寸一致，侧挡块的形状与曲线复合材料管的外侧面形状一致；
第二步，制备预浸料；
第三步，预浸料铺叠，
A3.1、在成型管内壁的软模上铺叠曲线复合材料管的内壁，在下底板上铺曲线复合材料管的下外表面和翻边，铺叠的下外表面厚度与铺叠的内壁厚度和为曲线复合材料管管壁铺层厚度；
A3.2、将铺叠好的成型管内壁的软模放到铺叠好的下底板上，在铺层上铺叠翻边和曲线复合材料管的外壁；
第四步，组装模具，
在铺叠好的翻边上安装成型翻边的软模后在两侧面安装上两个侧挡块，再安装上上盖板，利用螺栓将上盖板、侧挡块和下底板固定一起，再在曲线复合材料管两端安装上堵盖；
第五步，加热或加压加热固化成型；
第六步，脱模，
先依次拆卸下堵盖、上盖板、侧挡块和下底板脱出硅橡胶软模和制品，将硅橡胶软模从曲线复合材料管内抽出后得到制品。
所述第三步中90°预浸料占总铺层的15％～30％。
所述第一步中硅橡胶软模的制造，通过以下步骤实现，
A1.1、制备形成硅橡胶软模的模具，模具与硅橡胶软模的形状和尺寸一致；
A1.2、配制硅橡胶胶液；
A1.3、硅橡胶胶液脱泡处理；
A1.4、将脱泡处理的硅橡胶胶液浇注在模具中，置于烘箱中进行后处理，后处理工艺为，升温速率20℃～40℃/h，后处理温度170℃～190℃，后处理时间3h～5h。
所述第五步加热固化工艺为，升温速率10℃～40℃/h，固化温度120℃～160℃，固化时间3h～5h，随炉降至室温。
所述第五步加热加压固化在热压罐中进行，固化工艺为，真空表压不大于-0.097MPa，再以0.1MPa～0.3MPa冷压测试通过后带压升温，升温速率10℃～40℃/h，最后在150℃～180℃固化，固化时间3h～5h，随炉降至室温。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明成型模具采用封闭、组合式硬模，在曲线复合材料管内腔采用硅橡胶软模，通过成型压力及硅橡胶膨胀特性确定硅橡胶软模的尺寸，解决了曲线复合材料管脱模难和产品型腔尺寸不易控制的难题，保证成型产品顺利脱模后内腔尺寸满足要求；
(2)本发明采用整体成型技术，解决了曲线复合材料管两侧伸出部位加压难和整体质量不易控制等难题，达到产品一次成型且满足尺寸精度要求；
(3)本发明通过复合材料铺层设计以及成型工艺的控制，解决了曲线复合材料管成型后易产生变形的问题，达到了产品精度控制要求；
(4)采用本发明成型的曲线复合材料管，不但具有较好的结构质量效率，而且具有较高的尺寸、曲率成型精度，其固化工艺包括烘箱固化和热压罐固化两种工艺方法，其工艺过程简单，操作方便，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为本发明曲线复合材料管结构示意图；
图3为图2C-C方向的剖视图；
图4为本发明成型模具结构示意图；
图5为图4A-A方向的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述，本发明的成型工艺如图1所示，包括如下步骤：
1、成型模具设计、制造
曲线复合材料管依靠产品成型模和硅橡胶软模辅助成型，采用整体成型技术，达到曲线复合材料管一次成型，解决了曲线复合材料管两侧伸出部位加压难和整体质量不易控制等难题，达到产品一次成型且满足尺寸精度要求。
曲线复合材料管模具设计为封闭、组合式硬模，在复合材料管内腔采用硅橡胶软模，加热固化时通过硅橡胶软膜提供足够的压力。根据成型压力计算硅橡胶软模的尺寸，解决了曲线复合材料管脱模难的问题，保证成型产品顺利脱模满足工艺要求。
曲线复合材料管成型模具包括金属硬模和硅橡胶软模组成：
(1)金属硬模
根据产品结构形式，设计金属硬模。曲线复合材料管结构形式如图2、3所示，横截面为“口”形、两侧带翻边结构，曲线复合材料管上、下外表面为曲面。
金属硬模如图4、5所示，包括上盖板、下底板、两个侧挡块和两个堵盖，上盖板、侧挡块和下底板通过螺栓机械连接，堵盖固定安装在上盖板两端并与下底板固定，上盖板和下底板的成型面与曲线复合材料管的上、下外表面形状、尺寸一致，侧挡块的形状与曲线复合材料管的外侧面形状一致。
(2)硅橡胶软模
硅橡胶软模尺寸设计按复合材料管成型压力和硅橡胶膨胀特性进行计算。本发明根据大量试验和研究，确定了硅橡胶软模尺寸按复合材料管成型压力0.3MPa-0.6MPa及硅橡胶膨胀特性(一般为3％-10％收缩量)进行计算。
硅橡胶软模包括成型管内壁的软模和两个成型翻边的软模，成型管内壁的软模的外型与曲线复合材料管内部形状一致、尺寸小于曲线复合材料管内部尺寸3～10％，成型翻边的软模的形状和尺寸与曲线复合材料管翻边的形状、尺寸一致。
硅橡胶软模的制造：
根据产品模具结构尺寸计算硅橡胶软模用量，将硅橡胶按比例配制，制成硅橡胶软模；硅橡胶配胶后进行脱泡、浇注，于烘箱中进行后处理，升温速率20℃-40℃/h，固化温度170℃-190℃，固化时间3h-5h。
2、预浸料制备
根据产品结构强度及具体使用工况要求选择预浸料种类，本实施例中采用碳纤维复合材料。
以下给出碳纤维复合材料的制备方法，在实际生产中可以根据具体的产品性能和结构来设计，其具体的性能和指标根据预浸料的不同和制备方法的不同有所区别。
将碳纤维材料浸渍一定量树脂胶液，制成干法树脂基复合材料预浸料。增强材料选用碳纤维，树脂基体选用环氧树脂。
树脂体系为环氧树脂，制成干法或湿法树脂基复合材料预浸料，其中湿法预浸料树脂质量占混合物总质量的40％-46％；干法预浸料树脂质量占混合物总质量的32％-38％。
复合材料湿法预浸料的质量指标要求见表1。
表1复合材料湿法预浸料的质量指标
Figure BSA00000523198000061
复合材料干法预浸料的质量指标要求见表2。
表2复合材料干法预浸料的质量指标
3、预浸料铺叠
复合材料特性决定了曲线复合材料管成型后易产生变形，通过复合材料铺层设计以及成型工艺的控制，解决了曲线复合材料管成型后变形问题，达到了产品精度控制要求。
根据制品所需厚度及曲率要求，对铺层角度进行工艺设计，将预浸料自动下料成不同角度的料块，将多层碳纤维预浸料铺放在成型模具上，制成复合材料预浸料叠层。
通过铺层角度进行曲率变形矫正，曲率变形矫正铺层采用90°预浸料，在预浸料铺层设计主要调整90°料的铺层位置和所占比例，调整比例为15％-30％，根据具体产品厚度及曲率要求选择。
具体的铺叠过程如下：
在成型管内壁的软模上铺叠曲线复合材料管的内壁，在下底板上铺曲线复合材料管的下外表面和翻边，铺叠的下外表面厚度与铺叠的内壁厚度和为曲线复合材料管管壁铺层厚度；将铺叠好的成型管内壁的软模放到铺叠好的下底板上，在铺层上铺叠翻边和曲线复合材料管的外壁。其中各铺叠的厚度和层数根据产品的具体尺寸和形状设计。
4、模具组装
在铺叠好的翻边上安装成型翻边的软模后在两侧面安装上两个侧挡块，再安装上上盖板，利用螺栓将上盖板、侧挡块和下底板固定一起，再在曲线复合材料管两端安装上堵盖。根据固化工艺要求，对组装后的模具进行装模或固化包覆。
5、固化
本发明通过加热或加压加热方式固化，使树脂和增强材料复合成一体。固化工艺视预浸料的树脂而定。
本实施例选用环氧树脂体系预浸料，其固化工艺为：
(1)采用烘箱固化工艺：升温速率10℃-40℃/h，固化温度120℃-160℃，固化时间3h-5h，随炉降至室温，固化完成；
(2)采用热压罐固化工艺：真空表压不大于-0.097MPa，再以0.1MPa-0.3MPa冷压测试通过后卸压升温，升温速率10℃-40℃/h，带压升温，最后在150℃-180℃固化，固化时间3h-5h，随炉降至室温，固化完成。
6、对曲线复合材料管进行无损检测。
7、对产品进行脱模、修边，机械加工成所需尺寸。
制品降至室温后方可脱模。脱模时依次将透气毡、薄膜材料等拆除后，将制品从模具中取出，清理干净制品四周的毛边。根据制品尺寸要求加工成制品尺寸。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
产品名称：反射面径向肋
尺寸：焦距1400mm，长1600mm
实施步骤如下：
(1)模具设计为封闭、组合式硬模加硅橡胶软模，产品成型压力取0.5MPa。
(2)浇注硅橡胶软模，于烘箱中进行后处理，升温速率20℃-40℃/h，后处理温度180±5℃，后处理时间3h，随炉降至室温，后处理完成。
(3)干法预浸料含胶量35±3％，挥发份控制在1％以内，预浸料面密度165±5g/m2，厚度0.15mm，幅宽800mm。
(4)采用自动下料机进行下料。
(5)将多层碳纤维预浸料铺放在成型模具上，制成复合材料预浸料叠层。
(6)采用热压罐成型：真空表压不大于-0.097MPa，再以0.2MPa冷压测试通过后卸压升温，升温速率20℃-40℃/h，带压升温，最后在165±5℃固化，固化时间4h，随炉降至室温，固化完成。
(7)对产品进行脱模、修边，无损检测后，加工成所需尺寸。
实施例2
产品名称：反射面径向肋
尺寸：焦距1400mm，长1600mm
实施步骤如下：
(1)模具设计为封闭、组合式硬模加硅橡胶软模，产品成型压力取0.3MPa。
(2)浇注硅橡胶软模，于烘箱中进行后处理，升温速率20℃-40℃/h，后处理温度180±5℃，后处理时间3h，随炉降至室温，后处理完成。
(3)干法预浸料含胶量35±3％，挥发份控制在1％以内，预浸料面密度165±5g/m2，厚度0.15mm，幅宽800mm。
(4)采用自动下料机进行下料。
(5)将多层碳纤维预浸料铺放在成型模具上，制成复合材料预浸料叠层。
(6)采用烘箱成型：升温速率10℃-40℃/h，固化温度130±5℃，固化时间3h，随炉降至室温，固化完成。
(7)对产品进行脱模、修边，无损检测后，机械加工成所需尺寸。
上述所述的仅是本发明的部分实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，也应视为属于本发明的保护范畴。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种曲线复合材料管成型工艺，其特征在于通过以下步骤实现：
第一步，成型模具制造，曲线复合材料管成型模具包括金属硬模和硅橡胶软模组成，硅橡胶软模包括成型管内壁的软模和两个成型翻边的软模，成型管内壁的软模的外型与曲线复合材料管内部形状一致、尺寸小于曲线复合材料管内部尺寸3～10％，成型翻边的软模的形状和尺寸与曲线复合材料管翻边的形状、尺寸一致，金属硬模包括上盖板、下底板、两个侧挡块和两个堵盖，上盖板、侧挡块和下底板通过螺栓机械连接，堵盖固定安装在上盖板两端并与下底板固定，上盖板和下底板的成型面与曲线复合材料管的上、下外表面形状、尺寸一致，侧挡块的形状与曲线复合材料管的外侧面形状一致；
第二步，制备预浸料；
第三步，预浸料铺叠，
A3.1、在成型管内壁的软模上铺叠曲线复合材料管的内壁，在下底板上铺曲线复合材料管的下外表面和翻边，铺叠的下外表面厚度与铺叠的内壁厚度和为曲线复合材料管管壁铺层厚度；
A3.2、将铺叠好的成型管内壁的软模放到铺叠好的下底板上，在铺层上铺叠翻边和曲线复合材料管的外壁；
第四步，组装模具，
在铺叠好的翻边上安装成型翻边的软模后在两侧面安装上两个侧挡块，再安装上上盖板，利用螺栓将上盖板、侧挡块和下底板固定一起，再在曲线复合材料管两端安装上堵盖；
第五步，加热或加压加热固化成型；
第六步，脱模，
先依次拆卸下堵盖、上盖板、侧挡块和下底板脱出硅橡胶软模和制品，将硅橡胶软模从曲线复合材料管内抽出后得到制品。
2.根据权利要求1所述的一种曲线复合材料管成型工艺，其特征在于：所述第三步中90°预浸料占总铺层的15％～30％。
3.根据权利要求1所述的一种曲线复合材料管成型工艺，其特征在于：所述第一步中硅橡胶软模的制造，通过以下步骤实现，
A1.1、制备形成硅橡胶软模的模具，模具与硅橡胶软模的形状和尺寸一致；
A1.2、配制硅橡胶胶液；
A1.3、硅橡胶胶液脱泡处理；
A1.4、将脱泡处理的硅橡胶胶液浇注在模具中，置于烘箱中进行后处理，后处理工艺为，升温速率20℃～40℃/h，后处理温度170℃～190℃，后处理时间3h～5h。
4.根据权利要求1所述的一种曲线复合材料管成型工艺，其特征在于：所述第五步加热固化工艺为，升温速率10℃～40℃/h，固化温度120℃～160℃，固化时间3h～5h，随炉降至室温。
5.根据权利要求1所述的一种曲线复合材料管成型工艺，其特征在于：所述第五步加热加压固化在热压罐中进行，固化工艺为，真空表压不大于-0.097MPa，再以0.1MPa～0.3MPa冷压测试通过后带压升温，升温速率10℃～40℃/h，最后在150℃～180℃固化，固化时间3h～5h，随炉降至室温。
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