CN103660311A - 一种变厚度复杂构型复合材料接头的整体成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料成型工艺技术领域，涉及一种变厚度复杂构型复合材料接头的整体成型方法，尤其对于航空、航天、武器装备等行业中变厚度复杂结构、高性能、外形尺寸精度高的连续纤维增强树脂基体复合材料接头的制造具有很好的应用价值。本发明制备方法采用了分体成形、一体组装的成形方式，即通过结构分解，将无法一次成型的接头先分解成几部分坯件，利用浸渍了树脂的碳纤维预浸料在特制的坯件成形模上进行铺叠成形。

Description

一种变厚度复杂构型复合材料接头的整体成型方法

技术领域

本发明属于复合材料成型工艺技术领域，涉及一种变厚度复杂构型复合材料接头的整体成型方法，尤其对于航空、航天、武器装备等行业中变厚度复杂结构、高性能、外形尺寸精度高的连续纤维增强树脂基体复合材料接头的制造具有很好的应用价值。

背景技术

高性能连续纤维增强树脂基复合材料相对金属材料具有更高的比强度和比刚度，并且可根据使用力学环境具有灵活的设计性，因此越来越多地应用于航空、航天、武器装备、汽车的结构中。

目前，高性能连续纤维增强树脂基复合材料由于其成形方法的特殊性在制备一些复杂结构的接头时无法一次成形，尤其在制备厚度不均匀、产品外形不规则、结构非连续的接头时通常采取将接头拆分成简单结构分别成形，然后将各部分用结构胶粘接在一起的成型方式。这种成形方法虽然能够保证产品外形，但产品内部是非均匀材质，而且结构用胶其较差的耐温性以及力学性能降低了接头产品的整体使用效能。这种制备方式削弱了高性能复合材料在接头产品领域的使用范围。

发明内容

本发明的目的为了克服上述现有技术的不足，提供一种可以一体成形出结构连续、构型复杂的复合材料接头的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种变厚度复杂构型复合材料接头的整体成型方法，通过采用特殊的模具进行坯件预制备，再利用特制的外模实现各坯件的组装，采用独特的弹性软模对复杂曲面进行成形和加压，再将真空袋对整个模具实施封闭抽真空同时施加外压，最终通过热压罐固化成型。

待成形的复合材料接头包括加强筋坯件、筒壁坯件和翻边坯件；

采用模具成型复合材料接头三种坯件；

加强筋坯件成形模具包括压模底座、两个压模挡板、M螺钉、加强筋预压膜A、加强筋预压模B；压模底座为一中空长方体，从长方体的一个面向内延伸为中空部分，中空部分的形状为半圆柱，两个压模挡板分别用M螺钉固定在压模底座的两侧，压模底座和两个压模挡板组成一个上开口的长方体；所述的加强筋预压模A为加强筋大坯件的成形阳模；加强筋预压模B为加强筋小坯件的成形阳模；

筒壁坯件成形模具包括两个弹性软模、接头成形模具A、接头成形模具B、挡板、M螺钉、螺栓；接头成形模具A和接头成形模具B均为阳模；两个弹性软模中一个的形状与加强筋预压模A的形状一致、另一个的形状与加强筋预压模B的形状一致；弹性软模的一端通过螺栓固定在接头成形模具A上，弹性软模的另一端通过螺栓固定在接头成形模具B上，接头成形模具B通过M螺钉固定在挡板上；

翻边坯件成形模具为翻边成形模具，所述翻边成形模具的尺寸与翻边的尺寸相同；

将成形完的三种坯件采用整体成形模具组装进热压罐抽真空固化得到产品，所述整体成形模具包括成形外模、翻边成形模具、成形挡板、弹性软模、M螺钉；其中成形外模为阴模；成形外模套在筒壁坯件外侧，筒壁坯件套在加强筋坯件外，弹性软模位于筒壁坯件和加强筋坯件之间的空隙中；翻边成形模具位于筒壁坯件的两端；成形挡板位于成形外模的两端，且将翻边成形模具包在内侧；弹性软模由软模浇注模具成型而成，软模浇注模具包括销钉、浇注底座、浇注筒；浇注筒通过销钉固定在浇注底座上面，形成一个上开口的圆筒。

所述制备弹性软模的材料为橡胶材料，所述橡胶材料为硅橡胶。

所述压模底座、压模挡板、加强筋预压模具A、加强筋预压模具B均为金属材料，所述金属材料为#钢。

所述接头成形模、接头成形模、挡板、翻边成形模、成形外模、翻边成形模、成形挡板、销钉、浇注底座、浇注筒均为金属材料，所述金属材料为铝合金。

具体步骤如下：

（1）加强筋坯件的成型

a、将加强筋预压模A放置在压模底座和两个压模挡板组成的长方体内，并用螺钉进行固定；加强筋预压模A与压模底座的内表面相匹配并贴合；将浸好树脂的纤维布在加强筋预压模A表面进行铺层，每铺层后进行预压致密化，当纤维叠层厚度达到要求时，将纤维铺层从加强筋预压模A上取下，得到加强筋大坯件；用加强筋预压模B替换加强筋预压模A，将浸好树脂的纤维布在加强筋预压模B表面进行铺层，每铺层后进行预压致密化，当纤维叠层厚度达到要求时，将纤维铺层从加强筋预压模B上取下，得到加强筋小坯件。

b、将加强筋大坯件和加强筋小坯件的平面叠合在一起即形成了加强筋坯件。

（2）弹性软模的成型

c、将液态膨胀橡胶缓慢灌入软模浇注模具中，当液面高度与加强筋坯件宽度一致时停止浇灌，并将膨胀橡胶连同软模浇注模具放入烘箱进行固化。

d、膨胀橡胶固化完成后拆除销钉、浇注底座、浇注筒得到弹性软模；

（3）翻边坯件的成形

e、将浸有树脂的纤维布铺在翻边成形模具上，共铺5层，根据翻边成形模具外形进行裁剪得到翻边坯件。

（4）筒壁坯件的成型

f、在步骤b得到的加强筋坯件、步骤d得到的弹性软模、接头成形模具A、接头成形模具B、挡板、M5螺钉以及螺栓组装完成后的模具表面进行铺叠纤维预浸料，预浸料沿着模具表面铺叠至挡板表面，接着拆除接头成形模具A、接头成形模具B、挡板得到筒壁坯件、加强筋坯件以及弹性软模的组合体，其中弹性软模在筒壁坯件和加强筋坯件之间。

（5）加强筋坯件、筒壁坯件和翻边坯件用整体成形模具组装

g、将步骤e得到的翻边坯件、步骤f得到的筒壁坯件、加强筋坯件以及弹性软模的组合体一同放入成形外模中。

（6）复合材料接头固化

h、依次用不透气氟布、透气毛毡包裹住成形外模，然后用真空袋将其封成密闭空间，放入热压罐平台。在真空袋表面接入抽真空通道，并抽真空，使不透气氟布、透气毛毡以及真空袋完全贴在模具和产品表面，接着入罐加压固化。

（7）复合材料接头脱模

i、固化完后卸去罐内压力并停止加热，并开罐。将成形外模表面的不透气氟布、透气毛毡以及真空袋清除掉，将成形外模表面的M6螺钉拆除将复合材料接头产品取出，清理多余树脂后复合材料接头成型完毕。

有益效果

（1）本发明制备方法采用了分体成形、一体组装的成形方式，即通过结构分解，将无法一次成型的接头先分解成几部分坯件，利用浸渍了树脂的碳纤维预浸料在特制的坯件成形模上进行铺叠成形。这些预成形坯件可塑性高，对成型模具加工要求低。坯件成形完后通过成形外模进行组装，即将接头各部分坯件放入成型模相应的位置得到接头整体坯件。这种化繁为简的成型方式实现了复杂产品的生产而且还降低了产品成型难度和模具加工难度。

（2）本发明制备方法采用了多种手段进行固化加压，由于接头构型复杂，内部空间不规整，无法使用单一的加压手段达到整体加压。在接头内部复杂曲面采用了弹性软模，而开放区域则采用了真空袋抽真空加压。弹性软模在固化过程中会发生膨胀，在受到外压时弹性软模会向产品接触面均匀的施加压力。真空袋加压可以使产品紧贴模具，不留加压死角。通过封闭加压，模具只受到内外面真空袋的挤压，而不受到其他作用力，保证了模具在产品固化过程中的尺寸稳定性以及安全性；

（3）本发明制备方法中产品通过外模成形，通过控制外模的尺寸精度可以显著提高复合材料接头的尺寸精度和内外表观质量；

（4）本发明制备方法中操作简便，对操作场地要求低，易于实现，具有较强的实用性；

（5）本发明制备方法中固化压力可控、易脱模（成形外模采用开放式设计），适合复杂构型的产品制造，对于航空、航天、武器装备等行业中连续纤维增强树脂基体复合材料接头的制造具有很好的应用价值。

附图说明

图1为本发明中产品成形示意图；

图2为本发明中筒壁坯件成形模具示意图；

图3为本发明中加强筋坯件成形模具示意图；

图4为本发明中加强筋大坯件及加强筋小坯件示意图；

图5为本发明中软模浇注模具示意图；

图6为本发明中压模底座示意图；

图7为本发明实施例中成型的变厚度复合材料接头示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

待成形的复合材料接头包括加强筋坯件、筒壁坯件和翻边坯件；

采用模具成型复合材料接头三种坯件；

加强筋坯件3成形模具包括压模底座15、两个压模挡板16、M8螺钉17、加强筋预压膜A18、加强筋预压模B20；压模底座15为一空心长方体，所述的空心的形状为半圆柱，如图6所示，两个压模挡板16分别用M8螺钉17固定在压模底座15的两侧，压模底座15和两个压模挡板16组成一个上开口的长方体；所述的加强筋预压模A18为加强筋大坯件19的成形阳模；加强筋预压模B20为加强筋小坯件20的成形阳模；

筒壁坯件2成形模具包括两个弹性软模7、接头成形模具A10、接头成形模具B11、挡板12、M5螺钉13、螺栓14；接头成形模具A10和接头成形模具B11均为阳模；两个弹性软模7中一个的形状与加强筋预压模A18的形状一致、另一个的形状与加强筋预压模B20的形状一致；弹性软模7的一端通过螺栓14固定在接头成形模具A10上，弹性软模7的另一端通过螺栓14固定在接头成形模具B11上，接头成形模具B11通过M5螺钉13固定在挡板12上；

翻边坯件1成形模具为翻边成形模具5，所述翻边成形模具5的尺寸与翻边的尺寸相同；

将成形完的三种坯件采用整体成形模具组装进热压罐抽真空固化得到产品，所述整体成形模具包括成形外模4、翻边成形模具5、成形挡板6、弹性软模7、M6螺钉8；其中成形外模4为阴模；成形外模4套在筒壁坯件2外侧，筒壁坯件2套在加强筋坯件3外，弹性软模7位于筒壁坯件2和加强筋坯件3之间的空隙中；翻边成形模具5位于筒壁坯件2的两端；成形挡板6位于成形外模4的两端，且将翻边成形模具5包在内侧；弹性软模7由软模浇注模具成型而成，软模浇注模具包括销钉22、浇注底座23、浇注筒24；浇注筒24通过销钉22固定在浇注底座23上面，形成一个上开口的圆筒。

所述制备弹性软模7的材料为橡胶材料，所述橡胶材料为硅橡胶。

所述压模底座15、压模挡板16、加强筋预压模具A18、加强筋预压模具B20均为金属材料，所述金属材料为45#钢。

所述接头成形模110、接头成形模211、挡板12、成形外模4、翻边成形模具5、成形挡板6、销钉22、浇注底座23、浇注筒24均为金属材料，所述金属材料为铝合金。

图1所示为本发明产品最终成形示意图，由图中可知接头产品在成形外模4中由翻边坯件1、筒壁坯件2和加强筋坯件3组装而成，产品在成形外模两端由翻边成形模具5和成形挡板6限位。在筒壁坯件2和加强筋坯件3之间用弹性软模7填充，而成形外模最外侧采用真空袋9包裹后抽真空给产品坯件提供固化压力。

图2为本发明中筒壁坯件成形模示意图，由图可知该模具由接头成形模具A10、接头成形模具B11、弹性软模7以及挡板12组合而成。通过预浸料在圆柱形的模具表面铺层即可以形成筒壁坯件2。

图3、图4分别为本发明中加强筋坯件成形模示意图和加强筋大坯件19及加强筋小坯件21示意图，由这两图可知由于加强筋形状复杂，其成形方式采用了分部成形，按照图3中左图所示，在加强筋预压模具A18表面进行预浸料铺叠，完成后进行预压成图4中的加强筋大坯件19；按图3中右图所示，在加强筋预压模具B20表面进行预浸料铺叠，完成后预压成图4中的加强筋小坯件21，将加强筋大小坯件进行组合最终成加强筋坯件3。

图5为本发明中弹性软模7的软模浇注模具示意图，由图中可知将硅橡胶灌注到浇注模具中，在浇注筒24内固化成形，经过脱模后形成两件弹性软模7，一个与加强筋预压模具A18形状一致，另一个与加强筋预压模具B20一致。

下面通过一个具体实例详细描述复合材料管件的制备过程：

如图7所示为本发明实施例中成型的复合材料接头结构示意图，复合材料接头为天线结构中重要零件，其主要由高性能碳纤维增强树脂基复合材料制备，接头外形尺寸为Φ132mm×390mm，筒壁厚为5mm，翻边外径Φ192mm，壁厚10mm，内部加强筋尺寸为38mm×88mm。

一、复合材料接头的成型

首先，将成形外模、筒壁坯件成形模、加强筋坯件成形模、翻边坯件成形模与产品接触的表面碰脱模剂并铺一层特氟隆，在所有螺钉、螺栓表面涂抹油膏防止胶液粘接。同时将硅橡胶倒入到浇注筒24中，待胶液高度达到88mm时将硅橡胶连同模具放入烘箱进行固化，固化完后取出成形完的硅橡胶待用。然后，成形加强筋坯件3；将加强筋坯件预浸料在加强筋预压模具A18表面铺层，为了将预浸料紧密贴合在加强筋坯件成形模表面，在铺完10层厚度时将预浸料和模具放入真空罐中进行抽真空加压，使得坯件完全贴合模具，预压完后将剩余的厚度铺完取出纤维铺层得加强筋大坯件19成形，按照同样方法成形加强筋小坯件21。将成形完的加强筋大小坯件平面组合在一起形成加强筋坯件3。接着将浸有树脂的纤维布铺在翻边成形模具5上，共铺5层，根据翻边成形模具5外形进行裁剪得到翻边坯件1。根据筒壁坯件成形模示意图所示将加强筋坯件3装配到弹性软模7之间，并通过螺栓14、M5螺钉13将接头成形模具A10、接头成形模具B11和挡板12装配到一起，再在装配完的模具表面铺叠纤维预浸料；在铺筒壁坯件预浸料时，为了保证筒壁与翻边的纤维连续，需要将筒壁的纤维铺至挡板12表面，然后脱去接头成形模具A10、接头成形模具B11和挡板12；将含有加强筋坯件3和弹性软模7的筒壁坯件2以及翻边坯件1放入到成形外模4中，两端分别用翻边成形模具5和成形挡板6固定，形成如图1所示结构。

二、复合材料接头的固化

接头产品坯件在成形外模中在热压罐中进行真空-压力固化。固化之前先在模具中产品坯件内表面贴一层透气氟布，在贴氟布时需要避免形成褶皱，然后在氟布表面贴两层隔离膜，接着将模具整体包裹透气毡和真空袋9，用密封胶条将真空袋封成密闭空间，留出抽气通道接入热压罐真空系统。先试抽真空，随着产品与真空袋之间气体的减少，透气毡以及真空袋会逐渐贴合在产品表面并对产品形成压力，此时，需要调整产品坯件表面的透气毡和真空袋状态，避免形成架空和褶皱。当真空度能稳定达到并保持-0.1MPa的真空压力时即可以升温固化，若真空度不能达到-0.1MPa，或者一段时间后出现卸压的情况，需要重新检查真空袋的密闭性和真空系统的稳定性。产品抽完真空后进入热压罐中进行升温至180度固化，同时罐内开始加压，达到0.5MPa时保持压力，直至产品固化完成。

三、复合材料接头的脱模

复合材料接头产品在热压罐中固化完成后，先停真空并卸压，然后等模具温度降到出罐温度后从罐内取出。先将模具表面的真空袋和透气毡清理干净，然后，拆除模具表面的紧固螺钉，将成形外模4对半打开后取出接头产品，将产品加强筋上下面的弹性软模7取出即可得到如图7所示的复合材料接头产品。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种变厚度复杂构型复合材料接头的整体成型方法，其特征在于：

待成形的复合材料接头包括加强筋坯件、筒壁坯件和翻边坯件；

采用模具成型加强筋坯件、筒壁坯件和翻边坯件；

加强筋坯件（3）成形模具包括压模底座（15）、两个压模挡板（16）、M8螺钉（17）、加强筋预压膜A（18）、加强筋预压模B（20）；压模底座（15）为一中空长方体，从长方体的一个面向内延伸为中空部分，中空部分的形状为半圆柱，两个压模挡板（16）分别用M8螺钉（17）固定在压模底座（15）的两侧，压模底座（15）和两个压模挡板（16）组成一个上开口的长方体；所述的加强筋预压模A（18）为加强筋大坯件（19）的成形阳模；加强筋预压模B（20）为加强筋小坯件（20）的成形阳模；

筒壁坯件（2）成形模具包括两个弹性软模（7）、接头成形模具A（10）、接头成形模具B（11）、挡板（12）、M5螺钉（13）、螺栓（14）；接头成形模具A（10）和接头成形模具B（11）均为阳模；两个弹性软模（7）中一个的形状与加强筋预压模A（18）的形状一致、另一个的形状与加强筋预压模B（20）的形状一致；弹性软模（7）的一端通过螺栓（14）固定在接头成形模具A（10）上，弹性软模（7）的另一端通过螺栓（14）固定在接头成形模具B（11）上，接头成形模具B（11）通过M5螺钉（13）固定在挡板（12）上；

翻边坯件（1）成形模具为翻边成形模具（5），所述翻边成形模具（5）的尺寸与翻边的尺寸相同；

将成形完的三种坯件采用整体成形模具组装进热压罐抽真空固化得到产品，所述整体成形模具包括成形外模（4）、翻边成形模具（5）、成形挡板（6）、弹性软模（7）、M6螺钉（8）；其中成形外模（4）为阴模；成形外模（4）套在筒壁坯件（2）外侧，筒壁坯件（2）套在加强筋坯件（3）外，弹性软模（7）位于筒壁坯件（2）和加强筋坯件（3）之间的空隙中；翻边成形模具（5）位于筒壁坯件（2）的两端；成形挡板（6）位于成形外模（4）的两端，且将翻边成形模具（5）包在内侧；弹性软模（7）由软模浇注模具成型而成，软模浇注模具包括销钉（22）、浇注底座（23）、浇注筒（24）；浇注筒（24）通过销钉（22）固定在浇注底座（23）上面，形成一个上开口的圆筒；

具体步骤如下：

（1）加强筋坯件（3）的成型

a、将加强筋预压模A（18）放置在压模底座（15）和两个压模挡板（16）组成的长方体内，并用螺钉进行固定；加强筋预压模A（18）与压模底座（15）的内表面相匹配并贴合；将浸好树脂的纤维布在加强筋预压模A（18）表面进行铺层，每铺10层后进行预压致密化，当纤维叠层厚度达到要求时，将纤维铺层从加强筋预压模A（18）上取下，得到加强筋大坯件（19）；用加强筋预压模B（20）替换加强筋预压模A（18），将浸好树脂的纤维布在加强筋预压模B（20）表面进行铺层，每铺10层后进行预压致密化，当纤维叠层厚度达到要求时，将纤维铺层从加强筋预压模B（20）上取下，得到加强筋小坯件（21）；

b、将加强筋大坯件（19）和加强筋小坯件（21）的平面叠合在一起即形成了加强筋坯件（3）；

（2）弹性软模（7）的成型

c、将液态膨胀橡胶缓慢灌入软模浇注模具中，当液面高度与加强筋坯件宽度一致时停止浇灌，并将膨胀橡胶连同软模浇注模具放入烘箱进行固化；

d、膨胀橡胶固化完成后拆除销钉（22）、浇注底座（23）、浇注筒（24）得到弹性软模（7）；

（3）翻边坯件（1）的成形

e、将浸有树脂的纤维布铺在翻边成形模具（5）上，共铺5层，根据翻边成形模具（5）外形进行裁剪得到翻边坯件（1）；

（4）筒壁坯件（2）的成型

f、在步骤b得到的加强筋坯件（3）、步骤d得到的弹性软模（7）、接头成形模具A（10）、接头成形模具B（11）、挡板（12）、M5螺钉（13）以及螺栓（14）组装完成后的模具表面进行铺叠纤维预浸料，预浸料沿着模具表面铺叠至挡板（12）表面，接着拆除接头成形模具A（10）、接头成形模具B（11）、挡板（12）得到筒壁坯件（2）、加强筋坯件（3）以及弹性软模（7）的组合体，其中弹性软模（7）在筒壁坯件（2）和加强筋坯件（3）之间；

（5）加强筋坯件、筒壁坯件和翻边坯件用整体成形模具组装

g、将步骤e得到的翻边坯件（1）、步骤f得到的筒壁坯件（2）、加强筋坯件（3）以及弹性软模（7）的组合体一同放入成形外模（4）中；

（6）复合材料接头固化

h、依次用不透气氟布、透气毛毡包裹住成形外模（4），然后用真空袋（9）将其封成密闭空间，放入热压罐平台；在真空袋（9）表面接入抽真空通道，并抽真空，使不透气氟布、透气毛毡以及真空袋（9）完全贴在模具和产品表面，接着入罐加压固化；

（7）复合材料接头脱模

i、固化完后卸去罐内压力并停止加热，并开罐；将成形外模（4）表面的不透气氟布、透气毛毡以及真空袋（9）清除掉，将成形外模（4）表面的M6螺钉（8）拆除将复合材料接头产品取出，清理多余树脂后复合材料接头成型完毕。

2.根据权利要求1所述的一种变厚度复杂构型复合材料接头的整体成型方法，其特征在于：所述制备弹性软模（7）的材料为橡胶材料，所述橡胶材料为硅橡胶。

3.根据权利要求1所述的一种变厚度复杂构型复合材料接头的整体成型方法，其特征在于：所述压模底座（15）、压模挡板（16）、加强筋预压模具A（18）、加强筋预压模具B（20）均为金属材料，所述金属材料为45#钢。

4.根据权利要求1所述的一种变厚度复杂构型复合材料接头的整体成型方法，其特征在于：所述接头成形模具A（10）、接头成形模具B（11）、挡板（12）、翻边成形模具（5）、成形外模（4）、成形挡板（6）、销钉（22）、浇注底座（23）、浇注筒（24）均为金属材料，所述金属材料为铝合金。

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