CN104690981B - 飞机用复合材料精准成型工装及精准成型制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机用复合材料精准成型工装及精准成型制造方法，针对在单件大型件复合材料成型过程中，影响其尺寸精度的因素较多，如模具材料与结构、复材铺层角度、层数及固化工艺等。本发明提供一套试片制备专用模具、试片、简易成型模具、薄壳模具等组成的复合材料精准成型工装，通过在试片制备专用模具上制备复合材料试片，分析试片的变形规律建立变形的数据库，采用CATIA软件补偿成型误差转换产品数模为工艺数模，根据此工艺数模在简易成型模具过渡工装上制作薄壳模具型面，再利用此薄壳模具型面制造复合材料产品，提高了复合材料成型质量和精度，又降低了模具型面设计难度和模具制造成本，有效的减少了模具热容量，利于优化固化反应。

Description

飞机用复合材料精准成型工装及精准成型制造方法

技术领域

本发明涉及一种飞机用复合材料精准成型工装及精准成型制造方法。

背景技术

现阶段复合材料零件的成型方法多采用热压罐固化成型，其制造过程一般为根据产品数模设计制造成型模具；再利用该模具制造复合材料产品。按照该工艺，复合材料制件的精度在很大程度上取决于成型模具的精度，而由于复合材料成型过程中，影响其精度的因素较多，设计模具时若没有相应的数据支撑，很难合理设计模具型面，导致复合材料产品与原始数模存在较大误差，影响其使用；飞机的生产属于大型件单件生产，无法通过批量生产获得复合材料零件的变形规律，而制造复合材料零件工装也属于大型件单件生产，也无法通过批量生产获得对复合材料成型影响的变形规律，因此，现阶段模具制造及复合材料制件生产过程中，这些因素对制件精度的影响并未得到很好的解决，影响了复合材料制件精度。

本发明涉及一种飞机用复合材料精准成型工装及精准成型制造方法，以关键词“精准成型”进行专利检索到发明专利1项，未见与本发明所述相似专利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对在飞机用复合材料成型过程中，影响其尺寸精度的因素较多，且影响机理复杂，如模具材料与结构、复合材料铺层角度、层数及固化工艺等，而且飞机用复合材料和制造复合材料工装都属于大型件单件生产，无法通过批量生产获得复合材料零件的变形规律，因此，现阶段模具制造及复合材料制件生产过程中，这些因素对制件精度的影响并未得到很好的解决，影响了复合材料制件精度，本发明提供了一种飞机用复合材料精准成型工装及精准成型制造方法，通过试片数据修正产品数模，可以补偿复合材料制件制造过程的变形量，又采用薄壳模具型面有效的减小了模具热容量，有利于优化固化反应，又降低了模具制造成本，提高复合材料产品尺寸精度，达到精准成型的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种飞机用复合材料精准成型工装，由一套试片制备专用模具(1)、复合材料试片(2)、操作台底座(3)、简易成型模具(4)、薄壳模具(5)、填充物(4-12)组成，其特征在于：所述试片制备专用模具(1)与操作台底座(3)刚性联接，试片制备专用模具(1)的型面由凸圆弧面、凹圆弧面、斜度面、平面组成，试片制备专用模具(1)的型面由所有复合材料零件数据模型决定；所述复合材料试片(2)的铺层角度、层数、固化工艺参数与所需要制备的复合材料制件数据模型的原始数据一致，均与需要制备的复合材料制件相同，以保证试片与复合材料制件的相似性；所述简易成型模具(4)由U向筋板(4-1)、V向筋板(4-2)、模具底座(4-3)和工艺耳孔底座(4-4)组成并相互之间刚性联接，U向筋板(4-1)与V向筋板(4-2)组成网格状的刚性联接，U向筋板(4-1)和V向筋板(4-2)分别与模具底座(4-3)焊接刚性联接，在网格槽内部填充填充物(4-12)，填充好的上表面按工艺原始数据型面进行刮型；所述薄壳模具(5)的型面由需要制备的复合材料制件数据模型决定，采用厚度规格为10～12mm板材经过型面补偿修型、起皱处预处理、板材加热合模成型、冷却、补焊、数控精加工成型和修型，形成厚度值至少为4mm薄壳工装。

一种飞机用复合材料精准成型制造方法，其特征在于：通过试片制备专用模具(1)上制造复合材料试片并分析复合材料成型过程的变形规律，并依此修正产品数据模型为工艺数据模型；根据此工艺数据模型制造简易成型模具(4)为过渡工装，并制造薄壳模具(5)型面；再利用此模具型面制造复材产品，该方法包括如下具体步骤：

(1)复合材料零件试片(2)的制备，根据复合材料零件的特点在试片制备专用模具(1)上选择合适的区域制造复合材料试片(2)，复合材料试片(2)的铺层角度、层数、固化工艺均与需要制造的复合材料零件相同，以保证复合材料试片(2)与复合材料零件的相似性；

(2)工艺数模的生成，将综合因素造成的复合材料零件的变形规律通过复合材料试片(2)获取，利用获取的复合材料变形数据和复合材料件的特点，采用特定的修形计算方法，预测变形复合材料件各个位置的变形量，根据产品数据模型及变形量，自动生成叠加变形量后的工艺数据模型，此模块采用CATIA软件二次开发的方法实现；

(3)简易成型模具(4)的制造，即制作一种低成本过渡工装，该模具制造方法为：采用普通钢材经激光切割加工得到轮廓形状的筋板，采用U向筋板(4-1)、V向筋板(4-2)与模具底座(4-3)经焊接构成网格状结构，并使其上表面与所需薄壳模具型面一致，并使其上表面与所需薄壳模具型面一致，网格尺寸设计为200～300mm，网格内部以填充物(4-12)填充，并将填充好的上表面按工艺数模型面进行刮型；

(4)薄壳模具(5)型面的制造，即采用热成型的方式将厚度规格为10～12mm金属板材原料制造成厚度至少为4mm的薄壳模具(5)型面，薄壳模具(5)型面制造具体包括如下步骤：在简易成型模具(4)贴塑料布膜找出起褶皱部位，并在金属板材原料按贴塑料布膜的起褶皱部位进行去除起皱处的切割处理，去褶皱的板材加热合模成型，板材冷却后进行切割缝隙的焊接，焊接后再根据工艺数模进行型面的数控精加工得到可用于生产复合材料产品的薄壳模具(5)型面，这样避免了以往采用整体金属材料经切削加工成型所造成的毛坯尺寸过大，材料成本高的缺点，且由于所制造的模具型面厚度薄而均匀，其热容量较小，因此在制作复合材料零件时产生的热变形也较小，可大幅提高复合材料制件的精度，节省了模具材料，降低模具制造成本，实现精准成型的目的；

(5)首件复合材料制件试制，在薄壳模具型面上按复合材料零件和工艺数据模型要求制作复合材料产品；

(6)调整工艺数据模型，即在完成首件复合材料产品制作后，测量型面数据并与产品数据模型进行对比，找出误差所在位置及数据，根据比较结果对工艺数据模型进行实际调整。

附图说明

图1是本发明的精准成型制造方法流程图。

图2本发明的试片制备专用模具示意图。

图3是本发明的简易成型模具结构示意图(其中，图3-1是本发明的简易成型模具结构示意图，图3-2是本发明的焊接联接方式的网格结构示意图，图3-3是本发明的插入联接方式的网格结构示意图)。

图4是本发明的薄壳模具结构示意图(其中，图4-1是本发明的薄壳模具结构示意图，图4-2是本发明的简易模具上贴膜试验示意图，图4-3是本发明的薄壳模具型面原材料起褶皱处的切割处理示意图，图4-4是本发明的合模成型示意图)。

1-试片制备专用模具、2-复合材料试片、3-操作台底座、4-简易成型模具、4-1-U向筋板、4-2-V向筋板、4-3-模具底座、4-4-工艺耳孔底座、4-5-凸形型面、4-6-支撑体、4-7-开槽、4-8-凸形型面、4-9-支撑体、4-10-开槽、4-11-网格空槽、4-12-填充物、4-13-工艺耳孔座支撑体、4-14-加工工艺定位孔、5-薄壳模具、5-1-塑料布、5-2-起褶皱处、5-3-去除起褶皱部位的薄壳模具原材料、5-4-切割处理起褶皱处的切口缝隙、5-5-凹模、5-6-凸模。

具体实施方式

本技术方案还可以通过以下技术措施来实现并下面结合附图对本发明作进一步的描述：

图1是本发明的精准成型制造方法流程图，主要说明复合材料的精准成型制造方法的流程图，具体包括以下步骤：

(1)复合材料试片(2)的制备，根据复合材料零件的特点在试片制备专用模具(1)上选择合适的区域制造复合材料试片(2)，复合材料试片(2)的铺层角度、层数、固化工艺等均与需要制造的复合材料零件相同，以保证复合材料试片(2)与复合材料零件的相似性；

(2)工艺数模的生成，将综合因素造成的复合材料零件的变形规律通过复合材料试片(2)获取，利用获取的复合材料变形数据和复合材料件的特点，采用特定的修形计算方法，预测变形复合材料件各个位置的变形量，根据产品数据模型及变形量，自动生成叠加变形量后的工艺数据模型，此模块采用CATIA软件二次开发的方法实现；

(3)简易成型模具(4)的制造，即制作一种低成本过渡工装，该模具制造方法为：采用普通钢材经激光切割加工得到轮廓形状的筋板，采用U向筋板(4-1)、V向筋板(4-2)与模具底座(4-3)经焊接构成网格状结构，并使其上表面与所需薄壳模具型面一致，网格尺寸设计为200～300mm，网格内部以填充物填充，并将填充好的上表面按工艺数模型面进行刮型；

(4)薄壳模具(5)型面的制造，即采用热成型的方式将厚度规格为10～12mm金属板材原料制造成厚度至少为4mm的薄壳模具(5)型面，薄壳模具(5)型面制造具体包括如下步骤：在简易模具(4)贴塑料布膜找出起褶皱部位，并在金属板材原料按贴塑料布膜的起褶皱部位进行去除起皱处的切割处理，去褶皱的板材加热合模成型，板材冷却后进行切割缝隙的焊接，焊接后再根据工艺数模进行型面的数控精加工得到可用于生产复合材料产品的薄壳模具(5)型面，这样避免了以往采用整体金属材料经切削加工成型所造成的毛坯尺寸过大，材料成本高的缺点，且由于所制造的模具型面厚度薄而均匀，其热容量较小，因此在制作复合材料零件时产生的热变形也较小，可大幅提高复合材料制件的精度，节省了模具材料，降低模具制造成本，实现精准成型的目的；

(5)首件复合材料制件试制，在薄壳模具型面上按复合材料零件和工艺数据模型要求制作复合材料产品；

(6)调整工艺数据模型，即在完成首件复合材料产品制作后，测量型面数据并与产品数据模型进行对比，找出误差所在位置及数据，根据比较结果对工艺数据模型进行实际调整。

图2本发明的试片制备专用模具示意图，主要由试片制备专用模具(1)、复合材料试片(2)、操作台底座(3)组成，其特征在于：所述试片制备专用模具(1)与操作台底座(3)刚性联接，试片制备专用模具(1)的型面由凸圆弧面、凹圆弧面、斜度面、平面组成，试片制备专用模具(1)的型面具体数据模型由所有复合材料零件的要求决定；所述复合材料试片(2)的铺层角度、层数、固化工艺等参数与复合材料零件数据模型的原始数据一致，均与需要制造的复合材料零件相同，以保证试片与复合材料零件的相似性；操作步骤如下：采用试片制备专用模具(1)，根据复合材料零件的不同型面的结构、特点和零件数模型面的原始数据在试片制备专用模具(1)的型面上选择合适的区域制造复合材料试片(2)，复合材料试片(2)的铺层角度、层数、固化工艺等均与需要制造的复合材料制件相同，以保证试片与复合材料制件的相似性。

图3是本发明的简易成型模具结构示意图(其中，图3-1是本发明的简易成型模具结构示意图，图3-2是本发明的焊接联接方式的网格结构示意图，图3-3是本发明的插入联接方式的网格结构示意图)，主要由U向筋板(4-1)、V向筋板(4-2)、模具底座(4-3)、工艺耳孔底座(4-4)、凸形型面(4-5)、支撑体(4-6)、开槽(4-7)、凸形型面(4-8)、支撑体(4-9)、开槽(4-10)、网格空槽(4-11)、填充物(4-12)、工艺耳孔座支撑体(4-13)、加工工艺定位孔(4-14)组成，其特征在于：主要由U向筋板(4-1)、V向筋板(4-2)、模具底座(4-3)组成一个网格状的低成本简易成型模具，所用材料为普通钢材，采用同等间隔距离的网格，间隔尺寸为200～300mm的间隔，网格数量由复合材料尺寸决定，在成型模具的每个网格之间的网格空槽(4-11)之间注入填充物(4-12)，填充物(4-12)一般选择水泥作为填充物，用于模具强度的提高和快速散热，并将填充好上表面按模具型面进行刮型；所述工艺耳孔底座(4-4)由工艺耳孔座支撑体(4-13)和工艺定位孔(4-14)组成，工艺定位孔(4-14)用于数控修正模具的重复定位，工艺耳孔底座(4-4)采用焊接方式刚性联接在模具最外侧的U向筋板(4-1)或V向筋板(4-2)上；所述U向筋板(4-1)或V向筋板(4-2)分别采用焊接方式与模具底座(4-3)刚性联接；所述U向筋板(4-1)与V向筋板(4-2)均采用两种结构，U向筋板(4-1)采用的两种结构，一种是无开槽的U向筋板(4-1)，另一种结构是有开槽(4-7)的U向筋板(4-1)，其中，无开槽的U向筋板主要由凸形型面(4-5)、支撑体(4-6)组成，而有开槽(4-7)的U向筋板主要由凸形型面(4-5)、支撑体(4-6)、开槽(4-7)组成；V向筋板(4-2)采用的两种结构，一种是无开槽的V向筋板(4-2)，另一种结构是有开槽(4-10)的V向筋板(4-2)，其中，无开槽的V向筋板(4-2)主要有凸形型面(4-8)、支撑体(4-9)组成，而有开槽(4-10)的V向筋板(4-2)主要有凸形型面(4-8)、支撑体(4-9)、开槽(4-10)组成；所述U向筋板(4-1)的凸形型面(4-5)和V向筋板(4-2)的凸形型面(4-8)分别与复合材料零件的相应位置结构的数学模型一致，通过激光切割成型；所述U向筋板(4-1)与V向筋板(4-2)采用焊接或插入方式的刚性联接组成网格状，无开槽的U向筋板(4-1)与无开槽的V向筋板(4-2)相配合采用焊接方式刚性联接，有开槽(4-7)的U向筋板(4-1)与有开槽(4-10)的V向筋板(4-2)相配合采用插入方式的刚性联接，操作步骤如下：采用普通钢材经激光切割加得到轮廓形状，再以其作为筋板经焊接构成网格状结构，并使其上表面与所需薄壳模具型面一致，网格尺寸设计为200～300mm，网格内部以填充物填充，并将填充好的上表面按工艺数模型面进行刮型。

图4是本发明的薄壳模具结构示意图(其中，图4-1是本发明的薄壳模具结构示意图，图4-2是本发明的简易模具上贴膜试验示意图，图4-3是本发明的薄壳模具型面原材料起褶皱处的切割处理示意图，图4-4是本发明的合模成型示意图)，主要由塑料布(5-1)、起褶皱处(5-2)、去除起褶皱部位的薄壳模具原材料(5-3)、切割处理起褶皱处的切口缝隙(5-4)、凹模(5-5)、凸模(5-6)组成，操作步骤如下：(1)选取用于制造模具型面的材料规格，根据所需模具型面大小，选择合适平面尺寸的板材，厚度规格选为10～12mm；(2)根据模具材料的热膨胀系数，对复合材料模具型面进行补偿处理，具体办法是对复合材料模具型面按模具材料的热膨胀系数进行比例放大，得到简易模具的型面，放大的比例为ΔL，ΔL的表达式为ΔL＝1+β×ΔT，其中β为模具材料的热膨胀系数,ΔT为成形温度与室温的差；对板材热成形过程中的起褶皱处的切割处理，为了减少拉伸变薄和起皱，因此需要对起皱的堆料的部分预先处理，去除多余的材料，为此，在成型前，先采用现板材同样尺寸的塑料布在简易模具型面上贴膜的方式找出起褶皱部位及尺寸参数，将所选板材原料按塑料布的起褶皱的相应部位切割去掉多余的材料；(3)在高频炉进行板材加热处理，将起皱预处理后的板料放入高频加热炉中，根据模具具体成型不同要求设定加热温度及时间等参数后对其升温加热；(4)将加热后的板材由高频加热炉中取出，安放在简易模具上，合模加压固定，使其与模具型面贴合；(5)合模成型待温度降为正常值后，打开模具，取出成型后的材料，对预处理切割部分所形成的缝隙进行焊接；(6)对焊接后的模具型面毛坯进行数控抛光精加工，保证成型后模具厚度值至少为4mm，即为最终的所需型面的薄壳模具。

Claims (2)

1.一种飞机用复合材料精准成型工装，由试片制备专用模具(1)、复合材料试片(2)、操作台底座(3)、简易成型模具(4)、薄壳模具(5)、填充物(4-12)组成，其特征在于：所述试片制备专用模具(1)与操作台底座(3)刚性联接，试片制备专用模具(1)的型面由凸圆弧面、凹圆弧面、斜度面、平面组成，试片制备专用模具(1)的型面由所有复合材料零件数据模型决定；所述复合材料试片(2)的铺层角度、层数、固化工艺参数与需要制备的复合材料制件数据模型的原始数据一致，均与需要制备的复合材料制件相同，以保证试片与复合材料制件的相似性；所述简易成型模具(4)由U向筋板(4-1)、V向筋板(4-2)、模具底座(4-3)和工艺耳孔底座(4-4)组成并相互之间刚性联接，U向筋板(4-1)与V向筋板(4-2)组成网格状的刚性联接，U向筋板(4-1)和V向筋板(4-2)分别与模具底座(4-3)焊接刚性联接，在网格槽内部填充填充物(4-12)，填充好的上表面按工艺原始数据型面进行刮型；所述薄壳模具(5)的型面由需要制备的复合材料制件数据模型决定，采用厚度规格为10～12mm板材经过型面补偿修型、起皱处预处理、板材加热合模成型、冷却、补焊、数控抛光精加工成型和修型，形成厚度值至少为4mm薄壳工装。

2.根据权利要求1所述的飞机用复合材料精准成型工装的精准成型制造方法，其特征在于：通过试片制备专用模具(1)上制造复合材料试片(2)，并分析复合材料成型过程中复合材料试片(2)变形规律，并依此修正产品数据模型为工艺数据模型；根据此工艺数据模型制造简易成型模具(4)为过渡工装，并制造薄壳模具(5)型面；再利用此薄壳模具(5)型面制造复合材料零件，该方法具体包括如下步骤：

(1)复合材料试片(2)的制备，根据复合材料零件的特点在试片制备专用模具(1)上选择合适的区域制造复合材料试片(2)，复合材料试片(2)的铺层角度、层数、固化工艺均与需要制备的复合材料制件相同，以保证复合材料试片(2)与复合材料零件的相似性；

(2)工艺数模的生成，将综合因素造成的复合材料零件的变形规律通过复合材料试片(2)获取，利用获取的复合材料变形数据和复合材料零件的特点，采用特定的修形计算方法，预测变形复合材料件各个位置的变形量，根据产品数据模型及变形量，自动生成叠加变形量后的工艺数据模型，此模块采用CATIA软件二次开发的方法实现；

(3)简易成型模具(4)的制造，即制作一种低成本过渡工装，该模具制造方法为：采用普通钢材经激光切割加工得到轮廓形状的筋板，采用U向筋板(4-1)、V向筋板(4-2)与模具底座(4-3)经焊接构成网格状结构，并使其上表面与所需薄壳模具型面一致，网格尺寸设计为200～300mm，网格内部以填充物(4-12)填充，并将填充好的上表面按工艺数模型面进行刮型；

(4)薄壳模具(5)型面的制造，即采用热成型的方式将厚度规格为10～12mm金属板材原料制造成厚度至少为4mm的薄壳模具(5)型面，薄壳模具(5)型面制造具体包括如下步骤：在简易成型模具(4)贴塑料布膜找出起褶皱部位，并在金属板材原料按贴塑料布膜的起褶皱部位进行去除起皱处的切割处理，去褶皱的板材加热合模成型，板材冷却后进行切割缝隙的焊接，焊接后再根据工艺数模进行型面的数控精加工得到可用于生产复合材料产品的薄壳模具(5)型面，这样避免了以往采用整体金属材料经切削加工成型所造成的毛坯尺寸过大，材料成本高的缺点，且由于所制造的模具型面厚度薄而均匀，其热容量较小，因此在制作复合材料零件时产生的热变形也较小，可大幅提高复合材料制件的精度，节省了模具材料，降低模具制造成本，实现精准成型的目的；

(5)首件复合材料制件试制，在薄壳模具型面上按复合材料零件和工艺数据模型要求制作复合材料产品；

(6)调整工艺数据模型，即在完成首件复合材料产品制作后，测量型面数据并与产品数据模型进行对比，找出误差所在位置及数据，根据比较结果对工艺数据模型进行实际调整。