CN104260367B - 一种轻质复合材料结构连接件的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,包括如下步骤:(1)、制备RTM成型模具;(2)、铺叠多层碳纤维平纹织物,铺层方式为[(0,90)/(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)]nS;(3)、将多层碳纤维平纹织物缝合在一起形成预制件;(4)、将预制件装入成型模具;(5)、向成型模具中注入树脂并进行固化,拆除成型模具,完成制备;该成型方法制备得到的结构连接件具有轻质、高刚度、热稳定性好的优点,且内部无缺陷,符合GJB2895-A级要求;尺寸、形位公差满足设计指标;产品表观质量好;与同规格的铝合金连接件相比减重35%,减重效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,属于碳纤维增强树脂基复合材料技术领域,应用于卫星结构。
背景技术
目前,在轨卫星舱体壁板之间的连接采用铝合金连接件,是截面形状为T形或L形的型材。铝合金连接件容易加工,但也存在着一些不足之处,如:质量重、刚度较差、热变形大等。
现有的铝合金连接件采用硬质铝合金加工,材料的密度为2.8g/cm3,热膨胀系数为23x10-6/℃,比模量为26GPa/(g/cm3)。
通常一颗卫星结构上需安装120~150根铝合金连接件,质量约40~50kg。对于卫星来说,结构重量越小越好,这样就可以承载更多的有效载荷,如:相机、天线、转发器等;而且可以降低火箭的运载成本。因此,结构减重一直是航天科技人员追求的目标。
另外,铝合金连接件的长度越长,热变形越大。对于一些热稳定要求很高的卫星结构,如:相机安装板、星敏感器支架等,铝合金连接件的热变形就超出了设计指标,不能满足热稳定性的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,该成型方法制备得到的结构连接件具有轻质、高刚度、热稳定性好的优点,且内部无缺陷,符合GJB2895-A级要求;尺寸、形位公差满足设计指标;产品表观质量好;与同规格的铝合金连接件相比减重35%,减重效果明显。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,包括如下步骤:
步骤(一)、制备RTM成型模具,所述RTM成型模具包括阳模、阴模和两个端盖,其中阳模是截面形状为L形的凸模,阴模是截面形状为L形的凹模,且所述L形凹模两个相互垂直的内表面上开有凹槽,所述凹槽的轮廓与待制备的结构连接件的外轮廓相同;两个端盖的内表面有L形的封闭密封槽,密封槽内放置密封条,阳模与阴模相接触的两个面分别有一条密封槽,密封槽内放置密封条,两条密封槽的位置与两侧端盖上的密封槽位置相对应,形成一个密闭的模腔,其中两个端盖上分别设有入料口和出料口;
步骤(二)、铺叠多层碳纤维平纹织物,铺层方式为[(0,90)/(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)]nS,其中n表示循环次数,为正整数;S表示对称;
步骤(三)、将步骤(二)的多层碳纤维平纹织物缝合在一起形成预制件;
步骤(四)、将所述预制件装入RTM成型模具阴模的凹槽内,再将阳模与阴模固定连接在一起,最后把两个端盖分别从两侧与阳模和阴模固定连接;
步骤(五)、检验RTM成型模具的气密性,若真空度达到-0.099MPa以上,则表明RTM成型模具气密性满足要求,进入步骤(六),否则,重新装配RTM成型模具,直至真空度满足要求;
步骤(六)、将RTM成型模具放入烘箱预热至60~80℃,同时将树脂预热至60~70℃;
步骤(七)、从烘箱取出RTM成型模具,将预热的树脂从一侧端盖的入料口注入RTM成型模具的模腔内,当树脂从另一侧端盖的出料口流出且无气泡时,停止注入树脂,封闭两个端盖的入料口和出料口;
步骤(八)、将RTM成型模具放入烘箱进行固化,固化完成后将RTM成型模具从烘箱中取出,拆除两个端盖、阳模和阴模,完成复合材料结构连接件的制备。
在上述轻质复合材料结构连接件的成型方法中,L形凹模两个相互垂直的内表面上开设有轮廓为波浪形的凹槽,所述波浪形凹槽的轮廓即为待制备的结构连接件的外轮廓。
在上述轻质复合材料结构连接件的成型方法中,密封槽和密封槽的槽内放置的密封条为硅橡胶密封条。
在上述轻质复合材料结构连接件的成型方法中,步骤(三)中采用芳纶线作为缝纫线对多层碳纤维平纹织物进行缝合,缝合针距为3~8mm、缝合行距为5~15mm。
在上述轻质复合材料结构连接件的成型方法中,步骤(三)中在多层碳纤维平纹织物对应的复合材料结构连接件的锯齿形外缘及孔周围加大缝线密度,控制缝合行距为2~4mm。
在上述轻质复合材料结构连接件的成型方法中,步骤(七)中的固化处理条件为:首先升温至90℃±5℃时,保温30min±5min;然后继续升温至165℃±5℃,保温120min±5min;之后关闭烘箱开关,RTM成型模具自然冷却至50℃以下。
在上述轻质复合材料结构连接件的成型方法中,阳模上的两条密封槽与两侧端盖上的密封槽相连接,形成一个密闭的模腔。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)、本发明通过设计专用RTM成型模具完成复合材料结构件的成型,该成型模具及其密封结构设计巧妙,通过阳模、阴模与端盖的配合,不仅保证了较高的成型精度,而且具有优异的密封性能,此外阴模上的凹槽形状可以根据连接件形状结构进行设计,满足不同外形结构连接件的成型,适用范围广、通用性强;
(2)、本发明以碳纤维织物作为增强材料,为兼顾连接件各方向的力学性能,设计了独特的铺层方式:[(0,90)/(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)]nS,保证连接件的拉伸、压缩、弯曲、剪切性能满足使用要求,此外该铺层方式为准各向同性铺层,各方向的热膨胀系数基本一致,且数值较低,具有热变形小、热稳定性佳的优点;
(3)、本发明在多层碳纤维平纹织物对应的复合材料结构连接件的锯齿形外缘及孔周围加大缝线密度形成加密区,控制缝合行距为2~4mm,防止在后续机械加工中复合材料结构连接件的锯齿形外缘和孔周围分层或出现裂纹扩展,保证了结构连接件的产品质量和精度;
(4)、本发明方法制备的复合材料结构连接件具有轻质、高刚度、热稳定性好的优点,经超声波无损检测证实,内部无缺陷,符合GJB2895-A级要求;尺寸、形位公差满足设计指标;产品表观质量好;与同规格的铝合金连接件相比减重35%以上,减重效果明显;
(5)、本发明对各层碳纤维织物缝合的针距和行距进行了优化设计,同时对成型过程中的工艺条件进行了优化设计,进一步保证了复合材料结构连接件的产品性能和质量。
附图说明
图1为本发明载体复合材料结构连接件的结构图;
图2为本发明预制件缝合加密区的示意图;
图3为本发明RTM成型模具的结构图。
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:
本发明采用RTM(树脂传递模塑)工艺成型复合材料零件。将制备的预制件放入模具,闭合模具,注入树脂,固化成型复合材料零件的坯件。之后,通过机械加工去除余量、加工各连接孔,成为复合材料零件。按照孔位胶接相应的金属垫片和托板螺母,成为组件。最后对组件进行组合机械加工,达到形位公差要求。
如图3所示为本发明RTM成型模具的结构图,由图可知本发明RTM成型模具包括阳模1、阴模3和两个端盖2,其中阳模1是截面形状为L形的凸模,阴模3是截面形状为L形的凹模,且L形凹模两个相互垂直的内表面上开有凹槽,凹槽的轮廓与待制备的结构连接件的外轮廓相同。如图3所示本实施例中L形凹模两个相互垂直的内表面上开设有轮廓为波浪形的凹槽6,波浪形凹槽6的轮廓即为待制备的结构连接件的外轮廓,如图1所示为本实施例中载体复合材料结构连接件的结构图。
两个端盖2的内表面有L形的封闭密封槽4,密封槽4内放置密封条,阳模1与阴模3相接触的两个面分别有一条密封槽5,密封槽5内放置密封条,本实施例中密封条选用硅橡胶密封条。两条密封槽5的位置与两侧端盖2上的密封槽4位置相对应,即两条密封槽5与两侧端盖2上的密封槽4相连接,形成一个密闭的模腔,其中两个端盖2上分别设有入料口和出料口。
本发明轻质复合材料结构连接件的成型方法包括如下步骤:
步骤(一)、为保证连接件的拉伸、压缩、弯曲、剪切性能满足使用要求,设计的铺层方式为[(0,90)/(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)]nS;中n表示循环次数,为正整数,S表示对称;选择碳纤维平纹织物作为增强材料,计算各角度织物所用的层数;为提高铺层操作的角度精度,利用数控裁剪设备裁剪出所需尺寸的各层织物。
步骤(二)、以芳纶线作为缝纫线,使用工业缝纫机将步骤(一)的多层碳纤维平纹织物缝合在一起,形成预制件。缝合针距为3~8mm、缝合行距为5~15mm。为防止在后续机械加工中复合材料零件的锯齿形外缘和孔周围分层或出现裂纹扩展,在这些区域加密缝线,即缩小缝合行距至2~4mm。
本实施例中缝合参数为:针距5mm,行距10mm,锯齿形外缘及孔周围加大缝线密度,行距为3mm,缝合加密区如图2所示,图2为本发明预制件缝合加密区的示意图。
步骤(四)、将预制体装入RTM成型模具阴模3的波浪形凹槽内,再将阳模1与阴模3通过螺钉与螺母紧固在一起;最后把两个端盖2分别从两侧与阳模1和阴模3用螺钉紧固,至此,RTM成型模具装配完毕。
步骤(五)、检验RTM成型模具的气密性,若真空度达到-0.099MPa以上,则表明RTM成型模具气密性满足要求,进入步骤(六),否则,重新装配RTM成型模具,直至真空度满足要求;
步骤(六)、将RTM成型模具放入烘箱预热至60~80℃,同时将树脂预热至60~70℃;
步骤(七)、从烘箱取出RTM成型模具,将预热的树脂从一侧端盖2的入料口注入RTM成型模具的模腔内,当树脂从另一侧端盖2的出料口流出且无气泡时,停止注入树脂,用螺钉封闭两个端盖2的入料口和出料口。至此,树脂注射完成,RTM模具封闭。
步骤(八)、将RTM成型模具放入烘箱进行固化,固化处理条件为:首先升温至90±5℃时,保温30±5min;然后继续升温至165±5℃,保温120±5min;之后关闭烘箱开关,RTM成型模具自然冷却至50℃以下。
本实施例的固化条件为:开始升温,至90℃时,保温30min;然后继续升温至165℃,保温120min;随后关闭烘箱开关,模具自然冷却至40℃。
步骤(九)、固化完成后将RTM成型模具从烘箱中取出,拆除各紧固螺钉、螺母,去除两个端盖2,然后移除阳模1,从阴模3中取出固化完毕的复合材料坯件。
步骤(十)、机械加工复合材料坯件的外形及孔。
步骤(十一)、在复合材料零件的相应孔位处胶接垫片、托板螺母,形成组件。
步骤(十二)、组合机械加工组件,达到形位公差要求,即孔的位置度Φ0.2mm,平面度0.3mm,垂直度0.3mm。
本发明实施例制备得到的复合材料结构连接件,其密度仅为1.5g/cm3,热膨胀系数为2x10-6/℃,比模量为70GPa/(g/cm3)。经超声波无损检测证实,内部无缺陷,符合GJB2895-A级要求;尺寸、形位公差满足设计指标;产品表观质量好;与同规格的铝合金连接件相比减重35%以上,减重效果明显。
本发明的轻质、高刚度、热稳定复合材料连接件比现有铝合金连接件具有明显的优势,应用前景广阔。
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 (7)
1.一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤(一)、制备RTM成型模具,所述RTM成型模具包括阳模(1)、阴模(3)和两个端盖(2),其中阳模(1)是截面形状为L形的凸模,阴模(3)是截面形状为L形的凹模,且所述L形凹模两个相互垂直的内表面上开有凹槽,所述凹槽的轮廓与待制备的结构连接件的外轮廓相同;两个端盖(2)的内表面有L形的封闭第一密封槽(4),第一密封槽(4)内放置密封条,阳模(1)与阴模(3)相接触的两个面分别有一条第二密封槽(5),第二密封槽(5)内放置密封条,两条第二密封槽(5)的位置与两侧端盖(2)上的第一密封槽(4)位置相对应,形成一个密闭的模腔,其中两个端盖(2)上分别设有入料口和出料口;
步骤(二)、铺叠多层碳纤维平纹织物,铺层方式为[(0,90)/(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)]nS,其中n表示循环次数,为正整数;S表示对称;
步骤(三)、将步骤(二)的多层碳纤维平纹织物缝合在一起形成预制件;
步骤(四)、将所述预制件装入RTM成型模具阴模(3)的凹槽内,再将阳模(1)与阴模(3)固定连接在一起,最后把两个端盖(2)分别从两侧与阳模(1)和阴模(3)固定连接;
步骤(五)、检验RTM成型模具的气密性,若真空度达到-0.099MPa以上,则表明RTM成型模具气密性满足要求,进入步骤(六),否则,重新装配RTM成型模具,直至真空度满足要求;
步骤(六)、将RTM成型模具放入烘箱预热至60~80℃,同时将树脂预热至60~70℃;
步骤(七)、从烘箱取出RTM成型模具,将预热的树脂从一侧端盖(2)的入料口注入RTM成型模具的模腔内,当树脂从另一侧端盖(2)的出料口流出且无气泡时,停止注入树脂,封闭两个端盖(2)的入料口和出料口;
步骤(八)、将RTM成型模具放入烘箱进行固化,固化完成后将RTM成型模具从烘箱中取出,拆除两个端盖(2)、阳模(1)和阴模(3),完成复合材料结构连接件的制备。
2.根据权利要求1所述的一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,其特征在于:所述L形凹模两个相互垂直的内表面上开设有轮廓为波浪形的凹槽(6),所述波浪形凹槽(6)的轮廓即为待制备的结构连接件的外轮廓。
3.根据权利要求1所述的一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,其特征在于:所述第一密封槽(4)和第二密封槽(5)的槽内放置的密封条为硅橡胶密封条。
4.根据权利要求1所述的一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,其特征在于:所述步骤(三)中采用芳纶线作为缝纫线对多层碳纤维平纹织物进行缝合,缝合针距为3~8mm、缝合行距为5~15mm。
5.根据权利要求1或4所述的一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,其特征在于:所述步骤(三)中在多层碳纤维平纹织物对应的复合材料结构连接件的锯齿形外缘及孔周围加大缝线密度,控制缝合行距为2~4mm。
6.根据权利要求1所述的一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,其特征在于:所述步骤(八)中的固化处理条件为:首先升温至90℃±5℃时,保温30min±5min;然后继续升温至165℃±5℃,保温120min±5min;之后关闭烘箱开关,RTM成型模具自然冷却至50℃以下。
7.根据权利要求1所述的一种轻质复合材料结构连接件的成型方法,其特征在于:所述阳模(1)上的两条第二密封槽(5)与两侧端盖(2)上的第一密封槽(4)相连接,形成一个密闭的模腔。
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