CN103921450B - 一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，通过制备翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的热压模具、铺层、热压，其中在模具型面上沿蜂窝安装边缘开有若干个直径为0.5mm防滑定位孔，通过在模具型面上装夹柔性蜂窝防滑定位肋条，同时通过大量试验得出有益的热压罐中固化工艺，在共固化工艺中彻底消除由蜂窝夹芯偏移缺陷，同时缩短了固化周期，降低了固化成本。
Description
技术领域
本发明涉及航空工业复合材料成型技术领域，具体为一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法。
背景技术
先进复合材料具有高比强度、高比模量、耐疲劳、多功能、各向异性和可设计性、材料与结构的同一性等优异性能，自上世纪60年代年问世以来，先进复合材料很快获得广泛应用，成为航空航天四大材料之一。
复合材料成型工艺有多种形式，如手糊成型、缠绕成型、挤压成型、RTM成型、VARI成型、热压罐成型、模压成型等等，航空领域方面采用相对较多的是热压罐成型工艺。目前热压罐固化工艺分为二次固化、三次固化和共固化工艺。
中国专利2010254952.8公布了一种方向舵壁板热压罐成型工艺。该工艺经过三次固化后解决了原蜂窝夹芯与内面板共固化时蜂窝夹芯边缘轴向压缩缺陷，使蜂窝夹芯上的灌封区域位置不会像先前随蜂窝夹芯的变形而发生偏移。虽然该工艺保证了蜂窝尺寸和位置的稳定性，但是工艺为三次固化，操作性相对复杂，固化周期较长，固化成本高，并且不适用复杂型面制件。
中国专利20110423109.2在复合材料纸蜂窝夹芯结构整体固化成型工艺中公布了在夹芯结构件楔形角保护位置，沿四边呈矩形铺设3-5层辅助工装预浸料，从而有效地解决了纸蜂窝的收缩和侧移。但是对于形状和结构较为复杂的被加工夹芯结构件预留防滑铺层在操作上难以实现，容易导致蜂窝滑移和收缩。
现代无人机使用翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮取代金属材料可以有效减轻飞机自身重量，降低燃料消耗，同时减小机翼机身紧固件的连接数量，从而增加飞机的航程。但是翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮形状较为复杂，通过二次固化和三次固化成本较高，周期较长；通过共固化时，蜂窝位置以及蜂窝边缘不易控制，会出现蜂窝夹芯偏移的缺陷。
发明内容
技术方案
本发明的目的是提供一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，该方法在模具型面上装夹柔性蜂窝防滑定位肋条，在共固化工艺中彻底消除由蜂窝夹芯偏移缺陷，同时缩短了固化周期，降低了固化成本。
本发明的技术方案为：
所述一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：制备翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的热压模具，所述模具包括框架式支撑结构和模具型面；在模具型面上，沿蜂窝安装边缘开有若干个直径为0.5mm防滑定位孔；
步骤2：清洁模具型面，并在模具型面上喷涂脱模剂；在模具型面上铺覆双层碳纤维预浸料，并进行预抽真空，移除层间气泡；
步骤3：在步骤2铺覆的第二层预浸料表面的防滑定位孔位置铺覆片状预浸料，在片状预浸料表面装夹柔性蜂窝防滑肋条，形成防滑框架，并用定位销钉5将柔性蜂窝防滑肋条与模具固定；
步骤4：在第二层预浸料表面并处于防滑框架范围内铺覆胶膜和NOMEX蜂窝；在NOMEX蜂窝上表面铺设胶膜，然后铺覆第三层预浸料；将步骤3中的片状预浸料搭接在第三层预浸料的上表面，同时在防滑框架的外边铺覆预浸料；最后在第三层预浸料上铺覆第四层预浸料，并在防滑框架的周边铺覆片状的预浸料；
步骤5：在步骤4的复合材料铺层周围垫上挡板，并在复合材料铺层上部铺覆吸胶层；在模具上铺覆透气毡，确保铺设的透气毡材料足以覆盖复合材料所有部件；将模具装入真空袋并密封，真空袋上最少安装有两处真空嘴，一处用于抽真空，其余各处用于安装压力传感器，检测真空袋内压强；
步骤6：将模具抽真空，并送入热压罐进行固化成型，然后拆卸柔性防滑肋条和脱模，得到翼身融合蜂窝夹芯复合材料制件。
所述一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，其特征在于：热压罐中固化过程的温度工艺和压力工艺分别为：
温度工艺：第一升温阶段的升温速率为2.1℃/min,第一升温阶段的升温时间为40min；第一保温阶段的保温时间为50min；第二升温阶段升温速率为1.5℃/min，第二升温阶段的升温时间为20min；第二保温阶段的保温时间为60min；降温段降温速率为1.4℃/min，降温段的时间为70min；
压力工艺：第一升压阶段的升压速率为为0.016MPa/min，第一升压阶段的时间为40min，第一保压阶段的时间为60min；第二升压阶段的升压速率为0.005MPa/min，第二升压阶段的时间为20min，第二保压阶段的保压时间为110min，降压阶段速率为0.0375MPa/min，降压阶段的时间为20min。
所述一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，其特征在于：模具材料与翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮制件的热膨胀系数相匹配。
所述一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，其特征在于：模具材料选用殷钢材料。
有益效果
本发明通过在模具型面上装夹柔性蜂窝防滑定位肋条，同时通过大量试验得出有益的热压罐中固化工艺，在共固化工艺中彻底消除由蜂窝夹芯偏移缺陷，同时缩短了固化周期，降低了固化成本。
附图说明
图1——某机型框架式模具CAD三维模型
图2——柔性蜂窝防滑定位肋条的分布
图3——第三层碳纤维预浸料裁剪形状
图4——翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮热压罐工艺曲线
图5——某机型翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮模型
图中：1防滑定位孔，2.T形柔性防滑肋条，3.一字形柔性防滑肋条，4.L形柔性防滑肋条，5.定位销钉，6.第一升温阶段，7.第一保温阶段，8.第二升温阶段，9.第二保温阶段，10.降温阶段，11.第一升压阶段,12.第一保压阶段，13.第二升压阶段，14.第二保压阶段，15.降压阶段。
具体实施方式
本发明是翼身融合蜂窝夹芯复合材料整体固化成型的工艺方法，下面结合某机型的翼身融合蒙皮工程实例对该工艺方法进一步的解释说明。
步骤1：制备翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的热压模具，所述模具包括框架式支撑结构和模具型面。在实际工程应用中，在制备热压模具之前，通过CAD三维软件和CAE有限元软件分别进行模具、蜂窝防滑肋条设计和模具的刚度、强度分析：通过UG软件设计蜂窝夹芯复合材料蒙皮制件模具，如图1所示，模具型面上设计32个直径为0.5mm防滑定位孔1，框架式结构主要是为了满足模具在热压罐中的流场的均匀性和减轻模具的重量，将设计的模具CAD模型导入ABAQUS有限元软件进行静态分析和流场分析，检查模具刚度、强度、温度场能否满设计的要求。
模具材料尽可能与复合材料制件的热膨胀系数相匹配,以保证生产出的产品变形小,尺寸稳定性好，同时模具表面光滑、平整，保证产品质量。目前常用的模具主要有铝模、钢模、殷钢、复合材料等模具。铝模和钢模热膨胀系数和复合材料的热膨胀系数匹配性较差，复合材料模具的热匹配性最好，但是成本过高。殷钢模具的热膨胀系数和复合材料模具的热匹配性能相对较好，并且成本相对较低，因此选用殷钢材料模具，同时在模具型面制造32个直径为0.5mm的防滑定位孔1。
步骤2：清洁模具型面，并在模具型面上喷涂脱模剂：用干净棉布蘸取少量酒精或丙酮反复擦洗模具型面,然后自然晾干或用冷、热风吹干模具型面。模具型面上第一层是脱模层，脱模层的作用是为了防止脱模时复合材料下表面粘在模具型面上。现在大多数材料的形状相对复杂，所以建议使用脱模剂而非脱模膜，因为脱模膜较难贴合形状复杂的模具型面，脱模剂是液体，有些脱模剂(如Zyvax脱模系统)是可以喷涂的，在喷涂完毕后，脱模剂在模具上留下一层很薄的薄层，有点像胶衣层。本工艺使用聚乙烯醇脱模剂，一般新模具采用蜡-聚乙烯醇复合型脱模剂。涂刷聚乙烯醇脱模剂应严格按工艺规程进行,从而达到喷涂均匀、光滑和无遗漏的目的。
在模具型面上铺覆双层碳纤维预浸料，并进行预抽真空，移除层间气泡：将第一层预浸料铺覆在脱模剂表面，撕去白色背纸，预浸料上方撕去的白色背纸是用来防止卷装预浸料层间粘合。铺放第二层碳纤维预浸料，在使用辊子压实之前，确保第二层和第一层对齐，然后用辊子按照模具型面将预浸料辊实。若要制造更复杂的部件，辊子需要顺着模具的坡度辊，难度会更大。完成铺层后，进行预抽真空的步骤，预抽可以确保移除层间气泡，保证复合材料铺层的稳定性。
步骤3：搭接片状预浸料和装夹柔性蜂窝防滑定位肋条：在步骤2铺覆的第二层预浸料表面的防滑定位孔位置铺覆片状预浸料，其目的是主要用于后续与蜂窝上表面的胶膜搭接。然后在这些片状预浸料表面装夹28个柔性蜂窝防滑肋条。形成防滑框架，如图3所示为柔性蜂窝防滑定位肋条的分布，柔性肋条包括T形2、一字型3、和L形肋条4。这28个柔性防滑肋条的主要作用是消除蜂窝偏移缺陷，同时这些柔性肋条的分布考虑了无人机蒙皮装配时的胶接位置。最后用木槌将32个定位销钉5轻轻钉入防滑定位孔中。
步骤4：在防滑肋条框架中铺覆NOMEX蜂窝和碳纤维预浸料：按工艺要求分别裁剪6片胶膜，形状与防滑框架一致，并且铺覆在第二层预浸料表面的防滑肋条框架中，胶膜用于蜂窝板和碳纤维预浸料之间的粘合。然后在胶膜上铺设6块与胶膜大小相同的NOMEX蜂窝，此时将蜂窝边缘裁剪成楔形形状，这样有利于后续片状预浸料搭接时平缓过渡。蜂窝铺设完毕后，在蜂窝上表面铺设胶膜，然后铺覆第三层预浸料，形状如图3所示，这种形状的预浸料铺层有利于提高后续预浸料搭接的强度和柔性肋条的拆卸。接下来将之前步骤五中用于搭接的片状预浸料搭接在第三层预浸料的上表面，同时在防滑框架的外边铺覆片状预浸料；最后铺覆第四层预浸料，铺覆工艺与第三层相同，同时在周边铺覆片状的预浸料。
步骤5：在步骤4中的复合材料铺层周围垫上圆边挡板，以保护产品边缘不被热压罐造成损伤。并在复合材料铺层上部铺覆吸胶层，将预浸料中的多余树脂吸出，从而确保制件具有符合设计的力学性能，同时确保吸胶层材料完整覆盖预浸料。然后在模具上铺覆透气毡，确保铺设的透气毡材料足以覆盖复合材料所有部件，以避免造成压力不均匀带来的产品表面不佳。这是因为将制件放入热压罐开始加温后，树脂会在固化之前先流动，压力不均匀会导致树脂从高压力部位流向低压力部位，从而导致部分树脂含量过高，影响产品结构、产生干斑等，最终影响产品质量。而后将模具装入真空袋并密封，确保真空袋的面积足以覆盖整个模具型面，并且留有一定的余量，同时用密封胶带将模具型面四周封死。在密封真空袋时，先撕去密封胶带的防粘层，然后将真空袋粘在密封胶带上。在密封时留下一定的褶皱可以确保真空袋面积足以严密契合整个模具型面。真空袋上最少安装有两处真空嘴，一处用于抽真空，另一处用于安装压力传感器，检测真空袋内压强，两处真空嘴的间隔要尽可能远，以保证传感器能够准确测量最弱处压强，同时确保透气毡覆盖所有真空嘴的位置。
步骤6：将模具抽真空，抽真空时确保真空材料内部没有拱起或者铺设不足，不然会导致部分部位树脂含量过高，影响产品结构、产生干斑等。然后送入热压罐进行固化成型，热压罐提供一定的温度场和压力场，通过固化工艺曲线设置制件在热压罐中的固化环境。本工艺的温度工艺曲线和压力工艺曲线如图4所示，第一升温阶段6的升温速率为2.1℃/min,第一升温阶段6的升温时间为40min；第一保温阶段7的保温时间为50min；第二升温阶段8升温速率为1.5℃/min，第二升温阶段8的升温时间为20min；第二保温阶段9的保温时间为60min；降温段10降温速率为1.4℃/min，降温段10的时间为70min。第一升压阶段11的升压速率为为0.016MPa/min,第一升压阶段11的时间为40min，第一保压阶段12的时间为60min；第二升压阶段13的升压速率为0.005MPa/min，第二升压阶段13的时间为20min，第二保压阶段14的保压时间为110min,降压阶段15速率为0.0375MPa/min，降压阶段15的时间为20min。通过设置热压罐系统的工艺参数，大约4小时以后翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮制件固化结束。
经过4个小时的固化工艺后打开热压罐炉门，将复合材料模具沿着热压罐轨道送出，将工装辅助材料依次拆下，然后将柔性防滑肋条拆下，最后脱模。脱模以后的复合材料制件必须经过专业的质量检查已确保其合格。
Claims (4)
1.一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：制备翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的热压模具，所述模具包括框架式支撑结构和模具型面；在模具型面上，沿蜂窝安装边缘开有若干个直径为0.5mm防滑定位孔；
步骤2：清洁模具型面，并在模具型面上喷涂脱模剂；在模具型面上铺覆双层碳纤维预浸料，并进行预抽真空，移除层间气泡；
步骤3：在步骤2铺覆的第二层预浸料表面的防滑定位孔位置铺覆片状预浸料，在片状预浸料表面装夹柔性蜂窝防滑肋条，形成防滑框架，并用定位销钉将柔性蜂窝防滑肋条与模具固定；
步骤4：在第二层预浸料表面并处于防滑框架范围内铺覆胶膜和NOMEX蜂窝；在NOMEX蜂窝上表面铺设胶膜，然后铺覆第三层预浸料；将步骤3中的片状预浸料搭接在第三层预浸料的上表面，同时在防滑框架的外边铺覆预浸料；最后在第三层预浸料上铺覆第四层预浸料，并在防滑框架的周边铺覆片状的预浸料；
步骤5：在步骤4的复合材料铺层周围垫上挡板，并在复合材料铺层上部铺覆吸胶层；在模具上铺覆透气毡，确保铺设的透气毡材料足以覆盖复合材料所有部件；将模具装入真空袋并密封，真空袋上最少安装有两处真空嘴，一处用于抽真空，其余各处用于安装压力传感器，检测真空袋内压强；
步骤6：将模具抽真空，并送入热压罐进行固化成型，然后拆卸柔性防滑肋条和脱模，得到翼身融合蜂窝夹芯复合材料制件。
2.根据权利要求1所述一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，其特征在于：热压罐中固化过程的温度工艺和压力工艺分别为：
温度工艺：第一升温阶段的升温速率为2.1℃/min,第一升温阶段的升温时间为40min；第一保温阶段的保温时间为50min；第二升温阶段升温速率为1.5℃/min，第二升温阶段的升温时间为20min；第二保温阶段的保温时间为60min；降温段降温速率为1.4℃/min，降温段的时间为70min；
压力工艺：第一升压阶段的升压速率为为0.016MPa/min，第一升压阶段的时间为40min，第一保压阶段的时间为60min；第二升压阶段的升压速率为0.005MPa/min，第二升压阶段的时间为20min，第二保压阶段的保压时间为110min，降压阶段速率为0.0375MPa/min，降压阶段的时间为20min。
3.根据权利要求2所述一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，其特征在于：模具材料与翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮制件的热膨胀系数相匹配。
4.根据权利要求3所述一种翼身融合蜂窝夹芯复合材料蒙皮的制造方法，其特征在于：模具材料选用殷钢材料。
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