CN105034403A

CN105034403A - 一种复合材料壳体的制造方法

Info

Publication number: CN105034403A
Application number: CN201510358999.1A
Authority: CN
Inventors: 李莺歌; 郑建虎; 宫顼; 陶积柏; 朱大雷
Original assignee: Beijing Satellite Manufacturing Factory Co Ltd
Current assignee: Beijing Satellite Manufacturing Factory Co Ltd
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2035-06-25
Also published as: CN105034403B

Abstract

本发明涉及一种复合材料壳体的制造方法，根据壳体的内腔尺寸和固化成形温度，设计金属内模；根据壳体顶部尺寸，设计顶部压板，覆盖顶部平面；根据壳体外形尺寸，制备橡胶软模。通过采用分体金属阳模定形，橡胶软模传递压力的组合模具方案，降低了壳体脱模难度，实现了各个形面固化压力的稳定和均匀传递，提高了壳体层间胶接质量和力学性能。采用在阳模上绕铺预吸胶后的预浸带，实现了碳纤维的精确取向和连续铺放，提高了壳体尺寸精度和力学性能。采用预压—固化分段成形工艺，减少了壳体固化过程的低分子挥发份含量，降低了壳体孔隙率和内部制造缺陷。

Description

一种复合材料壳体的制造方法

技术领域

本发明涉及一种壳体的制造方法，特别是涉及一种复合材料壳体的制造方法。

背景技术

为实现航天器结构的轻质、高强需求，越来越多的航天器支座由金属材料改为采用高模量碳纤维与环氧树脂复合材料制造的壳体结构。其特点是强度、刚度优异，且质量轻。制造工艺过程是，先制备预浸无纬布，按预定的纤维取向将预浸无纬布逐层铺放在阳模上，然后合模、通过加热并施加一定压力使壳体固化，脱模后再经过辅助加工获得成品。

复合材料壳体根据其承受载荷的分布情况，采取变截面构形，且不同部位的壁厚各不相同。采用金属阳模和阴模控制壳体形状，在变厚度处易出现模具卡死，壳体不同形面压力不能同时到位等弊端，对控制壳体外形尺寸，提高层间胶接强度，消除富胶、贫胶、孔隙、疏松和皱褶等缺陷非常不利。采用平面裁剪的预浸无纬布铺放方法，不仅材料断缝多，壳体承载能力降低，而且纤维取向不易控制，断缝区域局部搭接后更容易造成纤维屈曲，从而导致壳体翘曲变形，影响其尺寸精度和力学性能。采用铺叠后直接热压固化的成形工艺，固化过程的低分子挥发份多，壳体孔隙率高，胶接强度低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种复合材料壳体的制造方法，包括以下步骤：

(1)制备预浸无纬布，预浸无纬布预吸胶后，根据壳体尺寸将预浸无纬布裁剪成窄带；

(2)在金属内模的表面绕铺窄带，形成复合材料层合体，所述金属内模为分体的上、下模，并在下模上设计脱模顶出接口；

(3)对铺设的复合材料层合体进行预压：在复合材料层合体外表面铺放工艺辅料，然后在层合体顶部安装顶部压板，所述顶部压板(10)，覆盖壳体顶部平面；将层合体、金属内模、顶部压板及工艺辅料的组合体封装入真空系统，再放入热压罐中进行预压；

(4)将复合材料层合体固化成壳体：拆除真空系统，卸下所述顶部压板(10)，拆除预压时的工艺辅料，在底面法兰周围放置橡胶挡条(18)，重新铺放透气和隔离辅料，然后安装所述顶部压板(10)，最后安装橡胶软模(20)，封装入真空系统，再放入热压罐中固化；

在壳体固化成形达到最高成形温度，并保持该温度时，所述金属内模膨胀至匹配壳体内腔尺寸；

所述橡胶软模(20)制备方法为：焊接壳体工艺件，将工艺件安装在组装好的金属内模上，在顶部安装所述顶部压板(10)，然后铺放未硫化橡胶片，制备出橡胶软模，所述壳体工艺件模拟待制备壳体，与待制备壳体的尺寸构型完全相同；

(5)将壳体与橡胶软模、顶部压板、金属内模分离；

(6)加工壳体，获得成品壳体。

其中，所述顶部压板的厚度按下式计算：

其中，h为压板厚度；μ为内模材料的泊松比；P为固化空气压力；ρ为压板材料质量密度；g为重力加速度；K为工艺常数。

其中，K的取值为0.001。

其中，未硫化橡胶在150℃，0.6MPa下保温1h制备出橡胶软模。

其中，所述步骤(1)中，预浸无纬布预吸胶具体为：在85℃～90℃，0.2MPa～0.3MPa下，保温20min～30min，对预浸无纬布进行预吸胶，控制预吸胶后的含胶量为(34±2)％。

其中，所述步骤(2)中绕铺窄带的具体方法为：用窄带在金属内模上依次绕铺下主体层、壳顶中间加强层、上主体层和底部加强层，具体方法为：首先绕铺下主体层，下主体层覆盖壳体所有外表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)_S；然后铺放壳顶中间加强层，只覆盖壳顶上表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)_2S；再绕铺上主体层，与下主体层对称进行；最后绕铺底部加强层，覆盖壳体底面法兰和底部加强段，铺层方式为(+45/-45/0/90)S。

其中，所述步骤(3)中还包括确定吸胶纸层数N_a，具体为：称量铺设好的层合体重量G_p，按下式根据壳体最终的含胶量a％数值确定吸胶纸层数N_a：

其中，A为层合体坯件面积；

N_b为层合体铺叠层数；

G_pf为预浸无纬布单位面积纤维重量；

a％为壳体最终树脂重量含量；

G_b为吸胶纸单位面积吸胶量。

其中，还包括步骤(7)加工壳体，在壳体上加工安装接口和减轻孔，获得成品。

其中，固化为在(165±5)℃，(0.5±0.1)MPa下，保温(120±10)min。

其中，壳体外表面铺放的工艺辅料为：依次铺放透气氟布、吸胶纸、带孔隔离膜、透气毡，于(85±5)℃，(0.3±0.05)MPa下预压(20±5)min。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)采用分体金属阳模定形，橡胶软模传递压力的组合模具方案，通过金属内模使产品定型，软模在固化成形环节可改变表面而改变压力方向使其产生压力转移，从而使壳体各个形面在固化过程保持稳定压力，壳体厚度可控，层间胶接强度大幅提高。金属内模采用上下分体模具，便于脱膜。克服了传统的采用金属阴模在壳体变厚度处易出现模具卡死，壳体不同形面压力不能同时到位等弊端。

(2)采用在阳模上绕铺预吸胶后的预浸无纬布窄带，实现了碳纤维的精确取向和连续铺放，提高了壳体尺寸精度和力学性能。克服了传统的平面裁剪铺放方法，材料断缝多，纤维取向不易控制的缺陷。

(3)采用顶部压板限制复合材料向截面较小端堆积，避免了壳体固化成形环节顶部复合材料向上拱起，壳体报废的隐患。

(4)采用预压——固化分段成形工艺，减少了壳体固化过程的低分子挥发份含量，降低了壳体孔隙率和内部制造缺陷。

(5)对于产品形状复杂，尤其是变截面产品，克服了传统方式制造的产品厚度不均匀，顶部平面度超差的缺陷。

(6)采用本发明制成的复合材料壳体，相比尺寸构型完全一致的铝合金壳体，重量降低40％，刚度提高22％以上。

附图说明

图1为本发明成果复合材料壳体的结构图；

图2为本发明复合材料壳体的工艺流程图；

图3为本发明成形内模示意图；

图4为本发明成形内模与顶部压板组合示意图；

图5为本发明预浸无纬布纤维铺放示意图；其中图5(a)为预浸无纬布纤维铺放方向示意图；图5(b)为预浸无纬布纤维+45°方向铺放示意图；图5(c)为预浸无纬布纤维-45°方向铺放示意图；图5(d)为预浸无纬布纤维0°方向铺放示意图；图5(e)为为预浸无纬布纤维90°方向铺放示意图；

图6为本发明预浸无纬布铺放示意图；

图7为本发明壳体与模具组合示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示，本发明获得的壳体之一为一种变截面的碳纤维与环氧树脂复合材料的壳体，由底面法兰1、底部加强段2、壳身3和壳顶4四部分组成，其中，底面法兰1和底部加强段2壁厚3mm，壳身3壁厚2mm，壳顶4壁厚4mm。工艺流程如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：根据壳体的内腔尺寸和固化成形温度，设计金属内模。考虑金属材料的热膨胀系数，当金属内模在壳体固化成形环节达到最高成形温度，并保持该温度时，金属内模膨胀至匹配壳体内腔尺寸。如图3所示，内模包括成形下模5，脱模顶出接口6，成形上模7，紧固螺钉8，顶部压板定位孔9，为便于脱模，将内模设计为上、下分体模，并在下模上设计脱模顶出接口，在脱模过程中，由脱模顶出接口6旋入顶丝，顶起上模，便于顺利将上下模分离，保证壳体无损伤。参见图6，其中13为下主体层，14为壳顶中间加强层，15为上主体层，16为底部加强层，17为底部加强过渡区。模具分离面选在壳体的壁厚过渡位置，便于脱膜。各部分之间通过紧固螺钉连接。

步骤2：根据壳体顶部尺寸，设计顶部压板。为避免壳体受外形结构影响，在固化成形过程中，壳体侧面首先受到压力，贴向内模致使复合材料向截面尺寸较小的顶部滑移堆积，导致壳体顶部堆料和富胶，设计刚度满足要求的顶部压板。顶部压板的厚度按下式计算：其中，h为压板厚度；μ为内模材料的泊松比；P为固化空气压力；ρ为压板材料质量密度；g为重力加速度；K为工艺常数，K的取值为0.001。根据固化压力大小，在保证压板不变形的前提下，选择压板的厚度尺寸为8mm-15mm，优选10mm-12mm。并根据壳体后续开孔尺寸和位置，在压板和内模上设计定位孔，通过压板定位销保证压板与内模相对位置，如图4所示，其中10为顶部压板，11为压板定位销，12为壳顶壁厚预留区。

步骤3：依据壳体外形尺寸，制备橡胶软模。根据外形尺寸，采用LF6铝合金焊接成形壳体的工艺件，工艺件代替壳体安装在组装好的内模上，在顶部安装顶部压板，然后在壳体及压板表面铺放AIRPAD未硫化橡胶，于150℃，0.6MPa下保温1h制备出橡胶软模。

步骤4：制备预浸无纬布，预吸胶后根据壳体尺寸裁剪预浸带。采用湿法排布机制备预浸无纬布，于85℃～90℃，0.2MPa～0.3MPa下，保温20min～30min，对预浸无纬布进行预吸胶，控制预吸胶后的含胶量为(34±2)％，然后根据壳体的尺寸，将预吸胶后的预浸无纬布裁成窄带，例如壳体的尺寸为宽度为138mm，长度为265mm，高度为289mm，则窄带宽度为20mm-30mm。

步骤5：绕铺窄带。卸下橡胶软模，将顶部压板、壳体工艺件与成形内模分离，对内模喷涂脱模剂，按图5规定的基准面和纤维铺放方向，用已预吸胶的窄带在内模上依次绕铺图6所示的下主体层13、壳顶中间加强层14、上主体层15和底部加强层16。首先绕铺下主体层13，下主体层13覆盖壳体所有外表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)_S；然后铺放壳顶中间加强层14，只覆盖壳顶上表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)_2S；再绕铺上主体层15，与下主体层13对称进行，防止壳体翘曲、扭转；最后绕铺底部加强层16，覆盖壳体底面法兰和底部加强段，并在与壳身连接处逐层递减形成加强过渡区17，避免应力集中，铺层方式为(+45/-45/0/90)_S，可使加强层与主体层实现一次铺叠后共固化。

步骤6：对铺设的复合材料层合体进行预压。称量铺叠好的层合体重量G_p，按式1根据壳体最终的含胶量a％数值确定吸胶纸层数N_a，然后在壳体外表面依次铺放工艺辅料：透气氟布、吸胶纸、带孔隔离膜、透气毡及真空袋膜，然后在层合体顶部安装顶部压板。将层合体、模具及辅料的组合体放入热压罐系统，用透气毡和真空袋膜封装真空系统，于(85±5)℃，(0.3±0.05)MPa下预压(20±5)min。

式中：

N_a——吸胶纸层数；

G_p——层合体坯件重量，g；

A——层合体坯件面积，cm²；

N_b——层合体铺叠层数；

G_pf——预浸无纬布单位面积纤维重量，g/cm²；

a％——壳体最终树脂重量含量；

G_b——吸胶纸单位面积吸胶量，g/cm²；

步骤7：将复合材料层合体固化成壳体。拆除真空系统，卸下顶部压板，拆除预压时的工艺辅料，重新铺放一层透气氟布和带孔隔离膜，然后安装顶部压板，在底面法兰周围放置橡胶挡条，最后安装橡胶软模，如图7所示，组合体包括橡胶挡条18，壳体19，橡胶软模20，成形下模5和成形上模7，将组合体放入热压罐中，用透气毡和真空袋膜封装真空系统，于(165±5)℃，(0.5±0.1)MPa下，保温(120±10)min，使壳体固化成形。

步骤8：将壳体与模具分离。拆除真空系统，卸下橡胶软模、顶部压板、定位销、紧固螺钉和工艺辅料，通过成形下模的顶出接口，利用顶丝将成形上模与下模分离，然后从模具上分离出壳体。

步骤9：加工壳体上的安装接口和减轻孔，获得成品。

在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

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

1.一种复合材料壳体的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

(5)将壳体与橡胶软模、顶部压板、金属内模分离；

(6)加工壳体，获得成品壳体。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述顶部压板的厚度按下式计算：

h = \frac{2 K μ P}{ρ g}

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，K的取值为0.001。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，未硫化橡胶在150℃，0.6MPa下保温1h制备出橡胶软模。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中，预浸无纬布预吸胶具体为：在85℃～90℃，0.2MPa～0.3MPa下，保温20min～30min，对预浸无纬布进行预吸胶，控制预吸胶后的含胶量为(34±2)％。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中绕铺窄带的具体方法为：用窄带在金属内模上依次绕铺下主体层(13)、壳顶中间加强层(14)、上主体层(15)和底部加强层(16)，具体方法为：首先绕铺下主体层(13)，下主体层(13)覆盖壳体所有外表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)_S；然后铺放壳顶中间加强层(14)，只覆盖壳顶上表面，铺层方式为(+45/-45/0/90)_2S；再绕铺上主体层(15)，与下主体层(13)对称进行；最后绕铺底部加强层(16)，覆盖壳体底面法兰和底部加强段，铺层方式为(+45/-45/0/90)_S。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(3)中还包括确定吸胶纸层数N_a，具体为：称量铺设好的层合体重量G_p，按下式根据壳体最终的含胶量a％数值确定吸胶纸层数N_a：

N_{a} = \frac{G_{p} - A \cdot N_{b} \cdot G_{p f} / (1 - a %)}{A \cdot G_{b}}

其中，A为层合体坯件面积；

N_b为层合体铺叠层数；

G_pf为预浸无纬布单位面积纤维重量；

a％为壳体最终树脂重量含量；

G_b为吸胶纸单位面积吸胶量。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括步骤(7)加工壳体，在壳体上加工安装接口和减轻孔，获得成品。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，固化为在(165±5)℃，(0.5±0.1)MPa下，保温(120±10)min。

10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，壳体外表面铺放的工艺辅料为：依次铺放透气氟布、吸胶纸、带孔隔离膜、透气毡，于(85±5)℃，(0.3±0.05)MPa下预压(20±5)min。