CN104999672B - 一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，根据双曲率变截面变厚度通梁的结构形式制备成型模具；所述成型模具包括组合阴模和限位条，组合阴模包括可拆卸侧挡块和固定块；将制备的热熔预浸料和热熔预浸料布裁剪成通梁截面铺层展开的尺寸，先在阴模表面铺一层热熔预浸布铺层，然后进行抽真空压实；再根据通梁厚度按照设计的铺层顺序进行铺层叠加，在铺层叠加过程中根据铺层厚度进行热压整形，最终制成复合材料预浸料叠层；然后进行包覆、固化、脱除组合阴模，得到制品。本发明能够有效保证气动外形要求，解决大尺寸双曲率变截面变厚度通梁铺层控制难与尺寸精度控制难问题，最终保证通梁的整体质量及尺寸精度要求。

Description

一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法
技术领域
本发明涉及一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，属于树脂基复合材料成型技术领域，具体涉及一种碳纤维增强耐高温环氧树脂基复合材料成型方法。
背景技术
航天结构复合材料的快速发展，以及新型号对结构减重、结构高效、整体化的进一步要求，结构复合材料的成型技术成为焦点，结构复合材料技术是我国运输系统的关键支撑技术，是决定航天产品性能、质量和可靠性的重要因素，其性能与水平对航天技术的发展和航天产品的研制进程有着十分重要的影响，是衡量航天技术发展水平的重要标志之一。随着我国运输系统的进一步发展，复合材料轻质化、高刚度、整体化成为必然。
复合材料高强度比、高刚度比、结构效率高等优点在航空航天等领域中有着极其重要的应用价值。复合材料以其高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、良好的可设计性及工艺性等特点，已广泛应用于航空航天结构复合材料以及具有特殊要求的其他领域中。但目前复合材料成型技术所应用的复合材料结构产品，存在结构简单、尺寸量级小的特点，对于大尺寸复杂结构产品尚未取得工程应用，对大长度双曲外形非对称复杂结构尺寸精度控制也未进行系统的研究，机身整体通梁也未进行工程验证。
国内外公开发表的文献中未见有大尺寸双曲率变截面通梁成型工艺及应用的报告。国内文献中北京航空制造工程研究所王永贵等人在《先进复合材料构件波纹梁的成型工艺》中提到了复合材料波纹梁的成型工艺；天津工业大学机电工程学院杨涛等人在《复合材料叶梁的热压成型》中提到了叶梁的成型工艺，但仅限于叶梁的模压成型工艺。
作为一门新的技术，大尺寸双曲率变截面通梁成型涉及设计、材料、工艺、加工、控制等许多科学方面的问题，虽然对波纹梁成型工艺、叶梁模压成型工艺进行了研究，但对大尺寸双曲率变截面变厚度通梁8m量级、双曲外形精度要求高、大幅度变截面、变厚度、C型截面非对称结构、两侧边存在避角的整体通梁，其过程控制难度大、缺乏系统的工艺指导，还需要细化工艺过程，因此要研制结构复杂、产品精度高的机身通梁，需在制造工艺上实现突破。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，可以实现大尺寸双曲率变截面变厚度非对称结构复合材料成型，且通梁轻质、耐高温、整体结构效率高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，包括如下步骤：
1)根据双曲率变截面变厚度通梁的结构形式制备成型模具；所述成型模具包括组合阴模和限位条，组合阴模包括可拆卸侧挡块和固定块；
2)将碳纤维丝增强材料和碳纤维布增强材料浸渍到树脂胶液中，制成热熔预浸料和热熔预浸布；
3)在组合阴模表面涂刷树脂；
4)将步骤2)制备的热熔预浸料和热熔预浸料布裁剪成通梁截面铺层展开的尺寸；先在阴模表面铺一层热熔预浸布铺层，然后进行抽真空压实；再根据通梁厚度按照设计的铺层顺序进行铺层叠加，在铺层叠加过程中根据铺层厚度进行抽真空压实及热压整形，最终制成复合材料预浸料叠层；所述设计的铺层顺序为热熔预浸料和热熔预浸布的叠加顺序；
5)对步骤4)得到的复合材料预浸料叠层进行包覆、固化得到固化后的产品；
6)将步骤5)固化后的产品脱除组合阴模，得到制品。
进一步地，步骤1)中组合阴模材料为碳钢，限位条材料为硅橡胶。
进一步地，步骤2)中树脂胶液为环氧树脂胶液。
进一步地，热熔预浸料中树脂胶液质量占热熔预浸料质量的32％-38％，热熔预浸布中树脂胶液质量占热熔预浸布质量的36％-42％。
进一步地，步骤3)中树脂为环氧树脂。
进一步地，步骤4)中在叠加每层铺层时，在长度方向上选取中间底面为铺层定位基准。
进一步地，步骤4)中每层铺层所铺设的位置采用激光投影进行定位。
进一步地，步骤4)中热压整形在热压罐中进行，具体热压整形工艺为：对复合材料预浸料叠层进行抽真空直至真空表测量的压力不大于-0.097MPa，整形压力为0.3MPa±0.02MPa，升温速率为20℃-35℃/h，整形温度为80℃-90℃，保温时间为0.5h-1h，降温速率小于等于30℃/h，降至60℃以下，整形完成。
进一步地，步骤5)中对复合材料预浸料叠层表面采用聚四氟乙烯玻璃布隔离后进行包覆，在包覆时将复合材料预浸料叠层两侧修整后放入所述限位条进行限位得到包覆后的复合材料预浸料叠层。
进一步地，步骤5)的固化在热压罐中进行，固化工艺为：首先对包覆后的复合材料预浸料叠层进行抽真空直至真空表显示的压力不大于-0.097MPa；热压罐固化压力采用初始加压，固化压力0.6MPa±0.02MPa，升温速率20℃-35℃/h，保温温度160℃-180℃，保温时间2h-8h，随炉降至室温，固化完成。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果如下：
本发明的通梁模具采用阴模组合模模具结构形式，有效保证气动外形要求；侧挡块采用活动可拆卸组合形式，解决通梁两侧边避角处不易脱模问题；两端采用限位条限位，有效缓解固化过程中通梁受压引起损伤或压应力的问题。本发明的通梁成型通过对通梁结构进行工艺优化设计，缓解结构变形并提高工艺实施性；通过铺设过程抽真空压实及热压整形的成型技术，有效控制内型面质量。
总之，本发明的通梁成型方法，使成型后的耐高温复合材料通梁不但具有较好的整体结构质量效率，而且具有较高的尺寸精度和综合性能，所成型的双曲率变截面变厚度通梁的长度尺寸最大能够达到8m。
附图说明
图1为本发明的通梁结构示意图。
图2为本发明成型方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的双曲率变截面变厚度通梁位于飞行器机身上下壁板的连接处，能够有效传递载荷。
实施例1
如图1所示，通梁为双曲率变截面变厚度结构，产品长度7500mm，截面近似为C型截面，最大开口宽度为215mm，最小开口宽度为60mm，C型一侧高度为110mm、C型另一侧高度在80mm-20mm之间变化，截面最大厚度为13.6mm，最小厚度为7.0mm。
如图2所示，本实施例的双曲率变截面变厚度通梁的成型方法包括如下步骤：
1)进行双曲率变截面变厚度通梁的结构工艺设计，根据双曲率变截面变厚度通梁的结构形式制备成型模具，所述成型模具包括组合阴模和限位条，组合阴模由侧挡块和固定块组合而成，侧挡块可拆卸地安装在固定块上；固定块为整体焊接式框架结构形式。所制备模具的组合阴模外型尺寸与通梁结构工艺设计外形尺寸相匹配。所述的组合阴模材料为碳钢，限位条材料采用10mm宽硅橡胶。
成型模具采用阴模组合模模具结构形式，有效保证气动外形要求；侧挡块采用活动可拆卸组合形式，解决通梁两侧边避角处不易脱模问题；两端采用硅橡胶软模限位，有效缓解固化过程中通梁受压引起损伤或压应力的问题。
2)将碳纤维丝增强材料和碳纤维布增强材料浸渍到环氧树脂胶液中，制成热熔预浸料和热熔预浸布；所制备的热熔预浸布中环氧树脂胶液质量占热熔预浸布质量的38±2％，所制备的热熔预浸布的厚度为0.2mm，纤维面密度为210±5g/m2；所制备的热熔预浸料中环氧树脂胶液质量占热熔预浸料质量的34±2％，所制备的热熔预浸料的厚度为0.15mm，纤维面密度为165±5g/m2。
3)在组合阴模表面涂刷环氧树脂。
4)根据通梁的结构形式进行热固化变形分析，根据热固化变形分析的结果进行铺层优化设计获得铺层顺序，使得固化后变形达到最小。所述设计的铺层顺序为热熔预浸料和热熔预浸布的叠加顺序。将步骤2)制备的热熔预浸料和热熔预浸料布裁剪成通梁截面铺层展开的尺寸；先在组合阴模表面铺一层热熔预浸布铺层，然后进行抽真空压实；再根据通梁厚度按照设计的铺层顺序进行铺层叠加，在预浸料铺层叠加过程中，每铺覆1-2mm厚的铺层进行一次抽真空压实，在整个铺设过程中进行两次热压整形，最终制成复合材料预浸料叠层；
在叠加每层铺层时，在长度方向上选取中间底面为铺层定位基准，从中间向两端进行铺设。
每层铺层所铺设的位置采用激光投影进行定位；
本实施例的通梁通过铺层优化设计，有效缓解双曲率非对称结构的变形；通过激光投影辅助定位技术，有效控制通梁双曲变截面不同角度处铺层角度，解决非对称结构铺层精度控制难的问题；通过优化铺层定位基准，将铺层角度偏差控制在最低水平。
所述热压整形在热压罐进行，具体工艺条件为：对复合材料预浸料叠层进行抽真空直至真空表测量的压力不大于-0.097MPa，整形压力0.3MPa±0.02MPa，升温速率20℃-30℃/h，整形温度85±5℃，保温时间1h，降温速率≤25℃/h，降至60℃以下，整形完成。通过铺设过程抽真空压实及热压整形的成型技术，有效控制内型面质量。
5)对复合材料预浸料叠层表面采用聚四氟乙烯玻璃布隔离后进行包覆，在包覆时将复合材料预浸料叠层两侧修整后放入硅橡胶限位条进行限位得到包覆后的复合材料预浸料叠层；
对包覆后的复合材料预浸料叠层通过加热方式进行固化，使步骤2)中的环氧树脂和碳纤维增强材料合成一体；
所述复合材料预浸料叠层固化在热压罐中进行，固化工艺为：首先对包覆后的复合材料预浸料叠层进行抽真空直至真空表显示的压力不大于-0.097MPa；热压罐固化压力采用初始加压，固化压力为0.6MPa±0.02MPa，升温速率20℃-30℃/h，保温温度165℃±5℃，保温时间8h，随炉降至室温，固化完成。通过固化工艺参数优化，缓解通梁整体变形，最终保证通梁的整体质量。采用热压罐固化的成型方法，其工艺过程简单，操作方便，具有很强的实用性。
6)将固化后的产品降至室温，脱除组合阴模，最后进行修边，得到制品。
本实施例通过组合模具设计、成型结构工艺设计、铺层优化设计与控制、铺层基准定位、加压整形及热压罐固化成型技术，有效保证气动外形要求，解决大尺寸双曲率变截面变厚度通梁铺层控制难与尺寸精度控制难问题，通过上述步骤使得本实施例制备的通梁外形尺寸满足飞行器整体装配要求，通梁在150℃性能保持率不小于60％，分层缺陷未检出，满足缺陷面积不大于总面积1％的设计要求，最终保证通梁的整体整体质量及尺寸精度要求。
实施例2
通梁为双曲率变截面变厚度结构，产品长度2300mm，C型截面，最大开口宽度为100mm，最小开口宽度为60mm，C型一侧高度为110mm、另一侧高度40mm-20mm，截面最大厚度为10.2mm，最小厚度为6.8mm。
本实施例的成型方法包括如下步骤：
1)根据双曲率变截面变厚度通梁的结构形式制备成型模具；所述成型模具包括组合阴模和限位条，组合阴模包括可拆卸侧挡块和固定块；
2)将碳纤维丝增强材料和碳纤维布增强材料浸渍到环氧树脂胶液中，制成热熔预浸料和热熔预浸布；所制备的热熔预浸布中环氧树脂胶液质量占热熔预浸布质量的38±2％，所制备的热熔预浸布的厚度为0.19mm，纤维面密度为200±5g/m2；所制备的热熔预浸料中环氧树脂胶液质量占热熔预浸料质量的35±2％，所制备的热熔预浸料的厚度为0.15mm，纤维面密度为165±5g/m2；
3)在组合阴模表面涂刷树脂；
4)将步骤2)制备的热熔预浸料和热熔预浸料布裁剪成通梁截面铺层展开的尺寸；先在组合阴模表面铺一层热熔预浸布铺层，然后进行抽真空压实；再根据通梁厚度按照设计的铺层顺序进行铺层叠加，在预浸料铺层叠加过程中，每铺1-2mm厚的铺层进行一次抽真空压实，在所有铺层铺设完毕后进行一次热压整形，最终制成复合材料预浸料叠层；
所述热压整形在热压罐进行，具体工艺条件为：对复合材料预浸料叠层进行抽真空直至真空表测量的压力不大于-0.097MPa，整形压力0.3MPa±0.02MPa，升温速率25℃-35℃/h，整形温度80℃-90℃，保温时间0.5h，降温速率≤30℃/h，降至60℃以下，整形完成。通过铺设过程抽真空压实及热压整形的成型技术，有效控制内型面质量。
5)对步骤4)得到的复合材料预浸料叠层进行包覆、固化得到固化后的产品；
所述复合材料预浸料叠层固化在热压罐中进行，固化工艺为：首先对包覆后的复合材料预浸料叠层进行抽真空直至真空表显示的压力不大于-0.097MPa；热压罐固化压力采用初始加压，固化压力为0.6MPa±0.02MPa，升温速率25℃-35℃/h，保温温度175℃±5℃，保温时间4h，随炉降至室温，固化完成。通过固化工艺参数优化，缓解通梁整体变形，最终保证通梁的整体质量。
6)将步骤5)固化后的产品脱除组合阴模，得到制品。
通过上述步骤使得本实施例制备的通梁外形尺寸满足试验件装配要求，通梁在150℃性能保持率不小于60％，分层缺陷未检出，满足缺陷面积不大于总面积1％的设计要求。
上述仅是本发明的部分实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，也应视为属于本发明的保护范畴。

Claims (9)

1.一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，其特征在于包括如下步骤：
1)根据双曲率变截面变厚度通梁的结构形式制备成型模具；所述成型模具包括组合阴模和限位条，组合阴模包括可拆卸侧挡块和固定块，步骤1)中组合阴模材料为碳钢，限位条材料为硅橡胶；
2)将碳纤维丝增强材料和碳纤维布增强材料浸渍到树脂胶液中，制成热熔预浸料和热熔预浸布；
3)在组合阴模表面涂刷树脂；
4)将步骤2)制备的热熔预浸料和热熔预浸料布裁剪成通梁截面铺层展开的尺寸；先在阴模表面铺一层热熔预浸布铺层，然后进行抽真空压实；再根据通梁厚度按照设计的铺层顺序进行铺层叠加，在铺层叠加过程中根据铺层厚度进行抽真空压实及热压整形，最终制成复合材料预浸料叠层；所述设计的铺层顺序为热熔预浸料和热熔预浸布的叠加顺序；
5)对步骤4)得到的复合材料预浸料叠层进行包覆、固化得到固化后的产品；
6)将步骤5)固化后的产品脱除组合阴模，得到制品。
2.根据权利要求1所述的一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，其特征在于：步骤2)中树脂胶液为环氧树脂胶液。
3.根据权利要求1或2所述的一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，其特征在于：热熔预浸料中树脂胶液质量占热熔预浸料质量的32％-38％，热熔预浸布中树脂胶液质量占热熔预浸布质量的36％-42％。
4.根据权利要求1所述的一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，其特征在于：步骤3)中树脂为环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，其特征在于：步骤4)中在叠加每层铺层时，在长度方向上选取中间底面为铺层定位基准。
6.根据权利要求1所述的一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，其特征在于：步骤4)中每层铺层所铺设的位置采用激光投影进行定位。
7.根据权利要求1所述的一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，其特征在于：步骤4)中热压整形在热压罐中进行，具体热压整形工艺为：对复合材料预浸料叠层进行抽真空直至真空表测量的压力不大于-0.097MPa，整形压力为0.3MPa±0.02MPa，升温速率为20℃-35℃/h，整形温度为80℃-90℃，保温时间为0.5h-1h，降温速率小于等于30℃/h，降至60℃以下，整形完成。
8.根据权利要求1所述的一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，其特征在于：步骤5)中对复合材料预浸料叠层表面采用聚四氟乙烯玻璃布隔离后进行包覆，在包覆时将复合材料预浸料叠层两侧修整后放入所述限位条进行限位得到包覆后的复合材料预浸料叠层。
9.根据权利要求1所述的一种双曲率变截面变厚度通梁的成型方法，其特征在于：步骤5)的固化在热压罐中进行，固化工艺为：首先对包覆后的复合材料预浸料叠层进行抽真空直至真空表显示的压力不大于-0.097MPa；热压罐固化压力采用初始加压，固化压力0.6MPa±0.02MPa，升温速率20℃-35℃/h，保温温度160℃-180℃，保温时间2h-8h，随炉降至室温，固化完成。
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