CN104669594B - 基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，属于机械工程领域。本发明能够解决复合材料曲面热压罐成型存在的“成型工序复杂、温度和压力响应迟缓、加压与加热的安全性差、设备成本高”等问题。本发明涉及的复合材料曲面热压成型方法，包括成形过程中不间断地变换多点可重构模具型面，使复合材料薄板渐进地一步连续成形为曲面的步骤；或者首先将复合材料片材分别预成形为复合材料曲面片，然后将成形的多层复合材料曲面片多点热压固结，从而间接地分步成形出复合材料中厚板复杂曲面的步骤。

Description

基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法

技术领域

本发明公开了一种基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，涉及复合材料及其制品加工成型技术，属于机械工程领域。

背景技术

复合材料现主要应用于航空、航天和国防等尖端技术领域。以航空领域为例，美国最先进的第四代战斗机上复合材料用量为24％-36％、直升机达46％，而欧洲战斗机的复合材料用量高达40％。在民用飞机领域，目前已投入商业运营、最先进的机型A380的复合材料用量已达到28％，波音787飞机使用了50％的复合材料，而即将面世的A350飞机的复合材料用量将进一步刷新纪录，约52％。今后一个相当长的历史时期里，复合材料将继续保持自己在这些战略领域“最富研究潜力的结构材料的地位”，并带动整个工业，特别是高铁、汽车等工业技术的进步。因此，掌握复合材料曲面的成型方法，对于促进我国航空、航天、国防、高铁、汽车等工业技术的快速发展具有实际意义。现今，普遍使用的复合材料曲面热压罐成型，存在“成型工序复杂、温度和压力响应迟缓、加压与加热的安全性差、设备成本高”等问题，较难适应高性能、低成本复合材料曲面成形技术发展的趋势。为解决以上问题，发明人发明了一种基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，此方面工作未见报道。

发明内容

本发明提供一种基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，其目的在于解决普遍使用的复合材料曲面热压罐成型存在的“成型工序复杂、温度和压力响应迟缓、加压与加热的安全性差、设备成本高”等问题，完善复合材料曲面成形理论并实现技术创新，促进我国航空、航天、国防、高铁、汽车等工业技术的快速发展。

本发明实现的技术效果表明，要求保护的“基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法”，能够通过复合材料一步连续成形、分步成形、复合材料曲面件与预浸料共固结连接、多个复合材料曲面件多点热压连接，以及复合材料曲面件与金属曲面件胶合连接等工艺，实现复杂结构的复合材料曲面件与零件的绿色制造。

本发明的上述目的与技术效果是这样实现的，结合附图说明如下：

一种基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，包括使复合材料渐进地一步连续成形或者间接地分步成形为曲面件方式，所述渐进地一步连续成形包括以下步骤：

首先，将多点可重构模具6调平，在模具上面依次铺放有压痕抑制垫5、脱模布4和复合材料薄板3，并在铺放复合材料薄板3上方通过安装在成形室外壁8上的夹钳7固定橡胶软膜2，从而与成形室外壁8形成密闭箱体；

所述模具型面为连续变换的多点可重构模具型面，所述压痕抑制垫5为抑制多点可重构模具6不连续冲头产生凹痕，所述脱模布4为防止复合材料薄板3与压痕抑制垫5粘连；

然后，启动位于橡胶软膜2上方的加热装置1，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行加热，根据成形曲率时刻变更多点可重构模具的型面；

与此同时启动真空泵，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行抽真空；

最后，基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现复合材料薄板3曲面与多点可重构模具6型面的贴模。

在复合材料薄板3一步连续成形过程中，所述加热装置1采用直接热传导法、封闭箱热风枪加热法或者红外辐射加热法；加热头左右和前后移动，从而保证复合材料薄板3均匀受热。

所述直接热传导法，在橡胶软膜2上方安装的加热装置上覆盖隔热的橡胶片防止加热过程的热量散失；

所述封闭箱热风枪加热法，加热装置1采用热风喷嘴，加热的热风喷嘴与复合材料放在与外界隔热的箱体中进行热对流加热；

红外辐射加热法，加热装置1采用电灯泡，将复合材料薄板3和电灯泡置于内壁反光的箱体内，通过电灯泡的红外辐射对复合材料进行加热。

所述橡胶软膜2材质包括耐高温的氟硅橡胶或热加硫型固态有机硅橡胶材料；

所述压痕抑制垫5材质包括聚氨酯或弹簧钢。

基于多点可重构模具6的复合材料曲面热压成型方法，包括使复合材料渐进地一步连续成形或者间接地分步成形为曲面件的步骤；所述的复合材料为板厚小于2.5毫米的薄板，在其成形过程中不间断地变换多点可重构模具6型面，从而渐进地一步连续成形出复合材料薄板3曲面。

所述的复合材料为板厚大于2.5毫米的厚板，在其成形过程中首先将组成厚板的复合材料分解为多层复合材料曲面片9并分别预成形，然后将成形出的多层复合材料曲面片9多点热压固结，从而完成复合材料中厚板复杂曲面的分步成形。

所述成形的复合材料曲面件11可以与预浸料10共固结连接，从而制造出复杂结构的曲面件。

所述成形的两个或多个复合材料曲面件11，可以通过多点热压连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料制件。

所述成形的复合材料曲面件11可以与金属曲面件12胶合连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料层合板制件。

附图说明

图1a-c是复合材料薄板曲面一步连续成形方法示意图，其中：

图1a是复合材料薄板铺放示意图；

图1b是复合材料薄板曲面成形中间过程示意图；

图1c是复合材料薄板曲面成形结束状态示意图。

图2a-b是复合材料中厚板复杂曲面分布成形方法示意图，其中：

图2a是复合材料中厚板铺放示意图；

图2b是复合材料中厚板曲面成形结束状态示意图。

图3a-b是复合材料曲面件与预浸料共固结连接方法示意图，其中：

图3a是复合材料曲面件与预浸料共固结连接铺放示意图；

图3b是复合材料曲面件与预浸料共固结连接结束状态示意图。

图4a-b是复合材料曲面件多点热压连接方法示意图，其中：

图4a是复合材料曲面件多点热压连接铺放示意图；

图4b是复合材料曲面件多点热压连接结束状态示意图。

图5a-b是复合材料曲面件与金属曲面件胶合连接方法示意图，其中：

图5a是复合材料曲面件与金属曲面件胶合连接铺放示意图；

图5b是复合材料曲面件与金属曲面件胶合连接结束状态示意图。

其中：1、加热装置，2、橡胶软膜，3、复合材料薄板，4、脱模布，5、压痕抑制垫，6、多点可重构模具，7、夹钳，8、成形室外壁，9、复合材料曲面片，10、预浸料，11、复合材料曲面件，12、金属曲面件

具体实施方式

以下结合附图所示实施例进一部说明本发明的具体内容及其实施方式。

本发明的基于多点可重构模具6的复合材料曲面热压成型方法，包括使复合材料渐进地一步连续成形或者间接地分步成形为曲面件的步骤；所述的复合材料为板厚小于2.5毫米的薄板，在其成形过程中不间断地变换多点可重构模具6型面，从而渐进地一步连续成形出复合材料薄板3曲面，其中，成形的复合材料薄板3位于橡胶软膜2下方，橡胶软膜2材质可以为耐高温的氟硅橡胶、热加硫型固态有机硅橡胶等材料；通过直接热传导法(在橡胶软膜2上方安装加热器，然后在加热器上覆盖隔热的橡胶片防止加热过程的热量散失)、封闭箱热风枪加热法(将用于加热的热风喷嘴与复合材料放在与外界隔热的箱体中进行热对流加热)或者红外辐射加热法(将复合材料和电灯泡置于内壁反光的箱体内，通过灯泡的红外辐射对复合材料进行加热)实现复合材料加热；在真空气压载荷作用下实现与模具型面的贴模。为抑制多点可重构模具6不连续冲头产生的凹痕，在多点模具上方添加压痕抑制垫5；压痕抑制垫5材质可以为聚氨酯，也可以为弹簧钢等材质。为防止复合材料与压痕抑制垫5粘连，在压痕抑制垫5上方铺放脱模布4。

所述的复合材料为板厚大于2.5毫米的厚板，在其成形过程中首先将组成厚板的复合材料分解为多层复合材料曲面片9并分别预成形，然后将成形出的多层复合材料曲面片9多点热压固结，从而完成复合材料中厚板复杂曲面的分步成形。所述成形的复合材料曲面件11可以与预浸料10共固结连接，从而制造出复杂结构的曲面件。所述成形的两个或多个复合材料曲面件11，可以通过多点热压连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料制件。所述成形的复合材料曲面件11可以与金属曲面件12胶合连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料层板制件。

图1a-c是复合材料薄板曲面一步连续成形方法示意图，其中：图1(a)是复合材料薄板铺放示意图；图1(b)是复合材料薄板曲面成形中间过程示意图；图1(c)是复合材料薄板曲面成形结束状态示意图。针对板厚小于2.5毫米的复合材料薄板3，本发明的成型方法能够渐进地一步连续成形出复合材料薄板3曲面件。首先，多点可重构模具6调平，在其平面上方依次分别铺放压痕抑制垫5、脱模布4、复合材料薄板3；并在铺放材料上方通过安装在成形室外壁8的夹钳7固定橡胶软膜2，从而与成形室外壁8形成密闭箱体。然后，启动位于橡胶软膜2上方的加热装置1，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行加热，根据成形曲率时刻变更可重构多点数字化模具的型面；与此同时启动真空泵，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行抽真空。最后，基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现复合材料薄板3曲面与多点可重构模具6型面的贴模。在多点模具上方添加压痕抑制垫5，能够抑制多点可重构模具6因不连续冲头产生的凹痕；压痕抑制垫5材质可以为聚氨酯，也可以为弹簧钢等材质。在压痕抑制垫5上方铺放脱模布4，能够防止复合材料与压痕抑制垫5粘连。复合材料薄板3一步连续成形过程中，加热装置1可以采用直接热传导法、封闭箱热风枪加热法、或者红外辐射加热法；加热头可以左右和前后移动，从而保证复合材料薄板3均匀受热。

图2a-b是复合材料中厚板复杂曲面分布成形方法示意图，其中：图2(a)是复合材料中厚板铺放示意图；图2(b)是复合材料中厚板曲面成形结束状态示意图。针对大于2.5毫米的复合材料厚板，本发明的成型方法能够分步成形出中厚板复杂曲面件。首先，将组成厚板的复合材料分解为多层复合材料曲面片9并分别预成形，其成型过程与板厚小于2.5毫米的复合材料薄板3使用的“一步连续成形”方法相同。然后，将预成型的多层复合材料曲面片9依次铺放在相应型面的多点可重构模具6上方，底层复合材料曲面片9与多点可重构模具6二者之间铺放压痕抑制垫5和脱模布4。最后，启动位于橡胶软膜2上方的加热装置1，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行加热；与此同时，启动真空泵，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行抽真空；并基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现多层复合材料曲面片9的多点热压固结，从而完成复合材料中厚板复杂曲面的分步成形。

图3a-b是复合材料曲面件与预浸料共固结连接方法示意图，其中：图3(a)是复合材料曲面件与预浸料共固结连接铺放示意图；图3(b)是复合材料曲面件与预浸料共固结连接结束状态示意图。首先，基于复合材料薄板3一步连续成形方法或中厚板复杂曲面分步成形方法，预成型复合材料曲面件11，并铺放在相应型面的多点可重构模具6上方，底层复合材料曲面件11与多点可重构模具6二者之间铺放压痕抑制垫5和脱模布4。然后，在复合材料曲面件11上方手糊纤维树脂预浸料10，其纤维铺向及层数根据材料设计性能确定。最后，启动位于橡胶软膜2上方的加热装置1，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行加热；与此同时，启动真空泵，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行抽真空；并基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现复合材料曲面件11与预浸料10共固结连接，从而制造出复杂结构的曲面件。

图4a-b是复合材料曲面件多点热压连接方法示意图，其中：图4(a)是复合材料曲面件多点热压连接铺放示意图；图4(b)是复合材料曲面件多点热压连接结束状态示意图。首先，基于复合材料薄板3一步连续成形方法或中厚板复杂曲面分步成形方法，预成型复合材料曲面件11，并铺放在相应型面的多点可重构模具6上方，底层复合材料曲面件11与多点可重构模具6二者之间铺放压痕抑制垫5和脱模布4。然后，将加热装置1的加热头移动到复合材料曲面件11多点热压连接对应位置上方。最后，启动位于橡胶软膜2上方的加热装置1，对复合材料曲面件11多点热压连接相应位置进行加热；与此同时，启动真空泵，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行抽真空；并基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现复合材料曲面件11多点热压连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料制件。

图5a-b是复合材料曲面件与金属曲面件胶合连接方法示意图，其中：图5(a)是复合材料曲面件与金属曲面件胶合连接铺放示意图；图5(b)是复合材料曲面件与金属曲面件胶合连接结束状态示意图。首先，基于金属板料成型方法成形出金属曲面件12；与此同时，基于复合材料薄板3一步连续成形方法或中厚板复杂曲面分步成形方法，预成型出相应曲率的复合材料曲面件11；金属曲面件12与复合材料曲面件11间隔铺放在相应型面的多点可重构模具6上方，底层金属曲面件12与多点可重构模具6二者之间铺放压痕抑制垫5。然后，启动位于橡胶软膜2上方的加热装置1，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行加热；与此同时，启动真空泵，对橡胶软膜2与成形室外壁8形成的密闭箱体进行抽真空；并基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现复合材料曲面件11与金属曲面件12胶合连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料层板制件。

Claims (5)

1.一种基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，包括使复合材料渐进地一步连续成形为曲面件方式；所述渐进地一步连续成形包括以下步骤，其特征在于：

首先，将多点可重构模具（6）调平，在模具上面依次铺放有压痕抑制垫（5）、脱模布（4）和复合材料薄板（3），并在铺放的复合材料薄板（3）上方通过安装在成形室外壁（8）上的夹钳（7）固定橡胶软膜（2），从而与成形室外壁（8）形成密闭箱体；所述多点可重构模具（6）的模具型面为连续变换的多点可重构模具型面，所述压痕抑制垫（5）为抑制多点可重构模具（6）不连续冲头产生凹痕，所述脱模布（4）为防止复合材料薄板（3）与压痕抑制垫（5）粘连；然后，启动位于橡胶软膜（2）上方的加热装置（1），对橡胶软膜（2）与成形室外壁（8）形成的密闭箱体进行加热，根据成形曲率值时刻变更多点可重构模具的型面；与此同时启动真空泵，对橡胶软膜（2）与成形室外壁（8）形成的密闭箱体进行抽真空；最后，基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现复合材料薄板（3）曲面与多点可重构模具（6）型面的贴模；

在复合材料薄板（3）一步连续成形过程中，所述加热装置（1）采用直接热传导法、封闭箱热风枪加热法或者红外辐射加热法；加热装置（1）的加热头左右和前后移动，从而保证复合材料薄板（3）均匀受热；所述直接热传导法，在橡胶软膜（2）上方安装的加热装置上覆盖隔热的橡胶片防止加热过程的热量散失；所述封闭箱热风枪加热法，加热装置（1）采用热风喷嘴，加热的热风喷嘴与复合材料放在与外界隔热的箱体中进行热对流加热；所述红外辐射加热法，加热装置（1）采用电灯泡，将复合材料薄板（3）和电灯泡置于内壁反光的箱体内，通过电灯泡的红外辐射对复合材料进行加热；所述橡胶软膜（2）材质包括耐高温的氟硅橡胶或热加硫型固态有机硅橡胶材料；所述压痕抑制垫（5）材质包括聚氨酯或弹簧钢。

2.一种基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，包括使复合材料间接地分步成形为曲面件方式，所述间接地分步成形用于复合材料板厚大于2.5毫米的中厚度板，其特征在于：

首先，将复合材料薄板分解为多层小于2.5毫米复合材料曲面片并分别按权利要求1所述的一步连续成形方式预成形；然后，将预成形的多层复合材料曲面片（9）依次铺放在相应型面的多点可重构模具（6）上方，底层复合材料曲面片（9）与多点可重构模具（6）二者之间铺放压痕抑制垫（5）和脱模布（4）；最后，启动位于橡胶软膜（2）上方的加热装置（1），对橡胶软膜（2）与成形室外壁（8）形成的密闭箱体进行加热；与此同时，启动真空泵，对橡胶软膜（2）与成形室外壁（8）形成的密闭箱体进行抽真空；并基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现多层复合材料曲面片（9）的多点热压固结，从而完成复合材料中厚板复杂曲面的分步成形。

3.根据权利要求1或2所述的基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，其特征在于：

按权利要求1或2所述的方法制造的预成形的复合材料曲面件（11）与预浸料（10）共固结连接，从而制造出复杂结构的曲面件，所述预成形的复合材料曲面件（11）包括复合材料薄板（3）或由多层复合材料曲面片（9）组成的复合材料曲面件，具体成形步骤如下：将预成形的复合材料曲面件（11），铺放在相应型面的多点可重构模具（6）上方，底层预成形的复合材料曲面件（11）与多点可重构模具（6）二者之间铺放压痕抑制垫（5）和脱模布（4）；然后，在预成形的复合材料曲面件（11）上方手糊纤维树脂预浸料（10），其纤维铺向及层数根据材料设计性能确定；最后，启动位于橡胶软膜（2）上方的加热装置（1），对橡胶软膜（2）与成形室外壁（8）形成的密闭箱体进行加热；与此同时，启动真空泵，对橡胶软膜（2）与成形室外壁（8）形成的密闭箱体进行抽真空；并基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现预成形的复合材料曲面件（11）与预浸料（10）共固结连接，从而制造出复杂结构的曲面件。

4.根据权利要求1或2所述的基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，其特征在于：

按权利要求1或2所述的方法制造的预成形的复合材料曲面件（11）为两个或多个，通过多点热压连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料制件，具体步骤如下：首先，基于权利要求1所述的一步连续成形方法或权利要求2所述的分步成形方法，制造出预成形的复合材料曲面件（11），并铺放在相应型面的多点可重构模具（6）上方，底层预成形的复合材料曲面件（11）与多点可重构模具（6）二者之间铺放压痕抑制垫（5）和脱模布（4）；然后，将加热装置（1）的加热头移动到预成形的复合材料曲面件（11）的多点热压连接对应位置上方；最后，启动位于橡胶软膜（2）上方的加热装置（1），对预成形的复合材料曲面件（11）的多点热压连接相应位置进行加热；与此同时，启动真空泵，对橡胶软膜（2）与成形室外壁（8）形成的密闭箱体进行抽真空；并基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现预成形的复合材料曲面件（11）多点热压连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料制件。

5.根据权利要求1或2所述的基于多点可重构模具的复合材料曲面热压成型方法，其特征在于：

按权利要求1或2所述的方法制造的预成形的复合材料曲面件（11）与金属曲面件（12）胶合连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料层合板制件，具体步骤如下：首先，基于金属板料成型方法成形出金属曲面件（12）；与此同时，基于权利要求1所述的复合材料薄板（3）一步连续成形方法或权利要求2所述的中厚板复杂曲面分步成形方法，制造出相应曲率的预成形的复合材料曲面件（11）；金属曲面件（12）与预成形的复合材料曲面件（11）间隔铺放在相应型面的多点可重构模具（6）上方，底层金属曲面件（12）与多点可重构模具（6）二者之间铺放压痕抑制垫（5）；然后，启动位于橡胶软膜（2）上方的加热装置（1），对橡胶软膜（2）与成形室外壁（8）形成的密闭箱体进行加热；与此同时，启动真空泵，对橡胶软膜（2）与成形室外壁（8）形成的密闭箱体进行抽真空；并基于密闭腔体内外压强差，在真空气压载荷作用下实现预成形的复合材料曲面件（11）与金属曲面件（12）胶合连接，从而制造出结构完整而复杂的复合材料层板制件。