CN103978698A - 一种带端框的复合材料锥形壳体成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带端框的复合材料锥形壳体成型方式，属于复合材料成型技术领域。采用自动铺丝成型方式在小端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入小端端框与芯模的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在芯模外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入芯模与大端端框的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在大端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实。

Description

一种带端框的复合材料锥形壳体成型方法

技术领域

本发明涉及一种带端框的复合材料锥形壳体成型方式，属于复合材料成型技术领域。

背景技术

国外在复合材料蒙皮构件类产品中广泛应用了自动化成型技术，其以自动铺丝技术为典型代表。自动铺丝技术是将数根预浸丝用多轴铺放头(机器手)按照设计要求所确定的铺层方向在压辊下集为一条丝带后铺放在芯模表面，压实定型，整个过程由计算机测控、协调系统完成。

自动铺丝技术集合了纤维缠绕和自动铺带技术的优点，可以根据构件形体表面形状的变化，随时切断丝束，需要时继续输送丝束，适合凹曲面、凸曲面、变截面等复杂形状构件成型。国外采用自动铺丝技术成型的复合材料锥壳类构件包括美国Minotaur火箭整流罩、美国航天飞机的低温贮箱、Atlas5型运载火箭载荷适配器等。

国内复合材料壳体类构件自动化成型技术发展较晚，目前仅能实现近筒体等截面的复合材料蒙皮构件的自动化成型，变截面锥形(曲面)复合材料构件成型尚采用手工成型的方式。

对于锥形(曲面)结构，采用手工工艺，工艺控制难度大，主要体现在以下几个方面：

(1)对于曲面结构，不可展开为平面，预浸料下料只能采用平面结构近似，预浸料在进行曲面铺层时，必然存在预浸料起皱、重叠等质量问题，从而影响产品的力学性能及承载能力。

(2)对于锥形结构，可以展开为平面，但预浸料下料时需要进行分块，从而将部分纤维切断，预浸料分块数量越多，纤维切断的数量越多，破坏了纤维的连续性，使纤维的强度不能充分发挥。

(3)对于锥形结构，由于上下各截面直径不同，采用手工铺层工艺，预浸带铺层角度也无法保证。对于锥形结构铺层，当保证一侧铺层角度时，另一侧的铺层角度明显偏离，如图1所示，铺层角度已经偏离轴线12°。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种带端框的复合材料锥形壳体成型方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种带端框的复合材料锥形壳体成型方法，步骤为：

(1)采用阳模成型方法制备壳体的成型模具：模具由芯轴、大端法兰盘、小端法兰盘、大端工艺盖板、小端工艺盖板、芯模衬和芯模组成；其中，芯模衬的小端通过小端法兰盘固定在芯轴上，小端工艺盖板固定连接在小端法兰盘上，芯模固定连接在芯模衬的外侧；

芯模衬的大端通过大端法兰盘固定在芯轴上，大端工艺盖板固定连接在大端法兰盘上；

芯模与大端工艺盖板、小端工艺盖板的连接处为无缝连接；

(2)将成型模具安装在卧式铺丝机主轴上，并在芯模表面涂敷脱模剂；

(3)两个往复带宽的铺层分为如下四步：

第一步，采用自动铺丝成型方式在大端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入大端端框与芯模的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在芯模外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入芯模与小端端框的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在小端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；

第二步，将成型模型转动一个带宽的角度；

第三步，采用自动铺丝成型方式在小端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入小端端框与芯模的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在芯模外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入芯模与大端端框的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在大端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；

第四步，将成型模型与第二步同向转动一个带宽的角度；

(4)重复步骤(3)直至完成单层的铺层；

(5)按照步骤(3)和步骤(4)的方式直至完成所有铺层，进行固化；

(6)固化完成后脱出模具，进行修边，得到带端框的复合材料锥形壳体。

压辊脱离成型模具表面时不与成型模具发生干涉。

有益效果

本发明的方法采用自动铺丝技术进行复合材料锥壳成型；复合材料锥壳实现了全自动成型的方式，铺层局部厚度可控，且实现了全铺层角度的自动成型；锥壳可对铺层中铺放角度适当调整，即改变局部铺层角度，从而优化了铺层的局部力学性能，有利于发挥复合材料可设计的优势，提高结构的承载效率。

附图说明

图1为现有技术中锥形结构铺层角度偏离轴线示意图；

图2为模具结构示意图；

图3为复合材料锥形壳体结构示意图；

图4为带端框的复合材料锥壳结构自动成型轨迹约束线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种带端框的复合材料锥形壳体，该壳体在壳体端部存在翻转90°的端框，分别为小端端框和大端端框。

一种带端框的复合材料锥形壳体的制备方法，步骤为：

(1)采用阳模成型方法制备壳体的成型模具：如图2所示，模具由芯轴、大端法兰盘、小端法兰盘、大端工艺盖板、小端工艺盖板、芯模衬和芯模组成；其中，芯模衬的小端通过小端法兰盘固定在芯轴上，小端工艺盖板固定连接在小端法兰盘上，芯模固定连接在芯模衬的外侧；

芯模衬的大端通过大端法兰盘固定在芯轴上，大端工艺盖板固定连接在大端法兰盘上；

芯模与大端工艺盖板、小端工艺盖板的连接处为无缝连接；

(2)将成型模具安装在卧式铺丝机主轴上，并在芯模表面涂敷脱模剂；

(3)两个往复带宽的铺层分为如下四步，如图4所示：

第一步，

铺丝段：采用自动铺丝成型方式在大端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；

缠绕段：在进入大端端框与芯模的拐角处，将压辊脱离成型模具表面10mm，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；

铺丝段：采用自动铺丝成型方式在芯模外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；

缠绕段：在进入芯模与小端端框的拐角处，将压辊脱离成型模具表面10mm，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；

铺丝段：采用自动铺丝成型方式在小端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；

第二步，将成型模型转动一个带宽的角度；

第三步，

铺丝段：采用自动铺丝成型方式在小端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；

缠绕段：在进入小端端框与芯模的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；

铺丝段：采用自动铺丝成型方式在芯模外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；

缠绕段：在进入芯模与大端端框的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；

铺丝段：采用自动铺丝成型方式在大端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；

第四步，将成型模型与第二步同向转动一个带宽的角度；

(4)重复步骤(3)直至完成单层的铺层；成型压辊运行轨迹如图4所示；

(5)按照步骤(3)和步骤(4)的方式直至完成所有铺层，进行固化；固化在热压罐中进行，热压罐外压为6MPa，真空度为0.1MPa；

(6)固化完成后脱出模具，对产品两侧进行机械加工打磨，得到带端框的复合材料锥形壳体，如图3所示。

上述的自动铺丝成型方式，其铺层结构为[±45/0₂/±45/±15/±45/±15/±45/±15/0₂/±45]，单个铺层厚度为0.15mm，整个复合材料层厚度为3mm。其中，0°铺层和螺旋向铺层要保持在锥形壳体端框部位的纤维连续，则在铺放过程中采用铺丝和干法缠绕相结合的铺放方式，在小端端框和大端端框拐角部位，采用缠绕的方式进行悬空铺放，当与大端工艺盖板、小端工艺盖板接触后，再采用铺丝压实的方式成型；

在大端端框处，采用铺丝成型进行端框面内压实铺放；在进入大端拐角处，将压辊脱离模具表面，利用铺丝头张力系统进行干法缠绕成型；在端框弯角成型后，在锥壳母线段采用铺丝成型的方式进行成型；随后再次进行小端端框拐角处，也采用压辊与模具表面分离的方式进行干法缠绕成型；最后在小端端框表面采用铺丝成型；后铺丝头进行翻转，反向完成从小端端框至大端端框的成型，实现带端框的锥壳结构的往复成型。

本实施方案以复合材料锥形(曲面)壳体厚度可控、全铺层角度、铺层角度可调、端框成型4项技术为核心，采用自动铺丝成型技术，逐次展开复合材料锥形(曲面)壳体的成型工艺方案设计，并通过锥形结构件自动铺丝成型工艺试验对成型方案进行验证。

厚度可控

自动铺丝技术采用多丝束并带铺放的方式进行铺层，且可实现对每根单丝束的独立控制，可实现对每一束预浸丝的单独切断、夹紧、续铺。因此，借助自动铺丝技术的铺放丝带宽度可调的特性，在铺放过程中，根据锥形结构截面尺寸的变化，逐级调整丝带的丝束数，即将相邻两条铺放路径的预浸丝带的相邻边缘的丝束在交叠区域进行切断，保证铺层内实现满覆盖的同时，铺层厚度也相同。

同时，利用自动铺丝的单丝可控断续纱技术，在铺层局部进行裁剪或加厚区铺放，从而达到对铺层厚度控制，满足局部力学性能设计的要求。

全铺层角度成型

传统复合材料锥形壳体常采用手工铺放和自动缠绕相结合的成型工艺，即0°方向和螺旋向铺层采用手工铺放，环向铺层采用自动缠绕成型。如此成型方式，手工铺层与自动缠绕成型的铺层间应力状态协调性差，致使铺层纤维容易出现屈曲现象，影响了壳体承载能力。

自动铺丝技术集合了纤维缠绕和自动铺带技术的优点，可以根据构件形体表面形状的变化，随时切断丝束，需要时继续输送丝束。锥形壳体在自动铺丝成型过程中，无需其它辅助工装，可实现全铺层角度的自动成型，即其成型角度范围为0°-90°，且可实现轨迹的往复铺放。

铺层角度可调

锥形结构采用手工铺层工艺，通过平面近似曲面铺层，只能保证单侧铺层角度，另一侧的铺层角度明显偏离；若要在铺层中改变铺放角度，铺层预浸料必然起皱或局部进行切断重叠铺放，影响构件的力学性能及承载能力。

自动铺丝的路径是可控制的，不受曲面测地线或半测地线的限制，为纤维束提供了很大的制造工艺柔性。自动铺丝技术不仅可实现变带宽铺放，而且可实现变角度(fiber steer)铺放。通过纤维丝束铺放角度的变化，可通过适当调节平板内侧与外侧纤维丝束的长度，达到改变纤维丝束铺放角度的效果。

锥壳的变角度铺放，为锥壳整体承载能力均衡分布优化提供了可能，可通过改变局部铺层角度，适当改变铺层的局部力学性能，最大化的发挥了复合材料可设计的优势，有效提高了结构的承载效率。

锥壳端框成型

针对于带端框的复合材料锥壳整体自动成型，采用自动铺放设备进行铺丝成型，则在其端框拐角处存在干涉问题。其主要是因为，在锥壳拐角处模具形面曲率变化较大，尤其是在锥壳大端拐角处曲率变化更为剧烈，呈锐角，若要使铺丝头上的压辊紧密贴实模具，必然致使铺丝头上的压辊变形过于剧烈，出现挤压碎裂，甚至引起铺丝头因施加的压力过大而出现局部塑性破坏。

因此，针对锥壳结构的端框拐角处成型问题，提出了一种铺丝与干法缠绕相结合的成型方案。具体如下：在大端端框处，采用铺丝成型进行端框面内压实铺放；在进入大端拐角处，将压辊脱离模具表面，利用铺丝头张力系统进行干法缠绕成型；在端框弯角成型后，在锥壳母线段采用铺丝成型的方式进行成型；随后再次进行小端端框拐角处，也采用压辊与模具表面分离的方式进行干法缠绕成型；最后在小端端框表面采用铺丝成型；后铺丝头进行翻转，反向完成从小端端框至大端端框的成型，实现带端框的锥壳结构的往复成型。

Claims (1)

1.一种带端框的复合材料锥形壳体成型方法，其特征在于步骤为：

(1)采用阳模成型方法制备壳体的成型模具：模具由芯轴、大端法兰盘、小端法兰盘、大端工艺盖板、小端工艺盖板、芯模衬和芯模组成；其中，芯模衬的小端通过小端法兰盘固定在芯轴上，小端工艺盖板固定连接在小端法兰盘上，芯模固定连接在芯模衬的外侧；

芯模衬的大端通过大端法兰盘固定在芯轴上，大端工艺盖板固定连接在大端法兰盘上；

芯模与大端工艺盖板、小端工艺盖板的连接处为无缝连接；

(2)将成型模具安装在卧式铺丝机主轴上，并在芯模表面涂敷脱模剂；

(3)两个往复带宽的铺层分为如下四步：

第一步，采用自动铺丝成型方式在大端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入大端端框与芯模的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在芯模外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入芯模与小端端框的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在小端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；

第二步，将成型模型转动一个带宽的角度；

第三步，采用自动铺丝成型方式在小端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入小端端框与芯模的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在芯模外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；在进入芯模与大端端框的拐角处，将压辊脱离成型模具表面，利用铺丝头张力对复合材料预浸丝进行干法缠绕成型；然后采用自动铺丝成型方式在大端端框外侧铺放复合材料预浸丝，并压实；第四步，将成型模型与第二步同向转动一个带宽的角度；

(4)重复步骤(3)直至完成单层的铺层；

(5)按照步骤(3)和步骤(4)的方式直至完成所有铺层，进行固化；

(6)固化完成后脱出模具，得到带端框的复合材料锥形壳体。