CN105128355B - 一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法 - Google Patents

一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，其包括如下步骤：(a)硅橡胶软模准备，所述的硅橡胶软模用于挡光环成型，其通过硅橡胶浇注制备；(b)整体共固化成型模具组装及挡光环铺层；(c)蒙皮铺层、吸胶；(d)第二次铺层；(e)采用热压罐成型工艺进行整体共固化；(f)依次拆除外阴模、上端框压环、下端框压环、芯模和分瓣阳模，再将硅橡胶软模从分瓣阳模中取出，得到承力筒产品。本发明借助硅橡胶软模辅助加压并结合热压罐成型工艺，实现了复合材料圆筒与挡光环结构制件的整体成型，解决了筒内壁薄板结构不易加压的难题。

Description

一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法
技术领域
本发明属于复合材料结构成型技术领域，具体涉及一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法。
背景技术
复合材料整体成型技术是一种通过共固化或共胶接等技术手段，大量减少零件和紧固件数量，从而实现复合材料从设计到制造一体化成型的相关技术。整体成型包含共固化、共胶接、二次胶接等几项最常用的技术。这种技术能充分发挥复合材料的可设计性优势，减少螺钉等紧固件对复合材料造成的局部伤害，对降低复合材料成本，提高复合材料的整体性能有着重要作用，是目前各国大力提倡与发展的技术之一。
复合材料圆筒是最常见的结构之一，其成型工艺及控制方法都已相当成熟。圆筒内含网格筋条的结构也较多，比如美国轨道科技公司开发的一种用于轨道/亚轨道项目的Minotaur运载火箭上的延伸整流罩，德国Fokker空间和系统公司研制的阿里安-4级间段，国内某些型号导弹上的仪器舱、级间段、二级尾段等，这种结构的成型工艺也相对比较成熟，模具形式多为金属分瓣组合模，采用预浸丝缠绕与蒙皮铺层的方式实现网格筋条与圆筒的整体成型。承力筒是一种外翻框、筒内含多个薄壁挡光环的圆筒结构，这种既薄又宽的薄板无法采用预浸丝缠绕的方式直接成型。在以往的结构设计中，承力筒只是蒙皮处含多个加厚区的复合材料圆筒，内侧薄壁挡光环为金属材料，通过机加、装配实现挡光环与承力筒的一体化。这种方法不仅效率低、紧固件多，而且大大增加了产品的重量，已无法满足卫星结构中的轻质、高效的要求。因此，要实现挡光环与承力筒蒙皮的一次整体共固化成型，并保持一定的连接强度，给复合材料成型工艺带来相当大的困难。目前，国内外尚未发现有公开文献报道过类似结构产品的整体成型工艺技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，该方法合理利用热膨胀模，优化金属分瓣组合模设计及铺层设计，控制了产品的尺寸及其内部质量，使产品的各项性能指标满足设计要求，解决了以往产品紧固件数量较多，装配时间过长，工作效率较低的问题。
实现本发明目的的技术方案：一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，所述的复合材料承力筒包括承力筒蒙皮，承力筒蒙皮上下为外翻的上端框和下端框，承力筒蒙皮内部设置若干个挡光环；该方法包括如下步骤：
(a)硅橡胶软模准备
所述的硅橡胶软模用于挡光环成型，其通过硅橡胶浇注制备；具体是将硅橡胶液脱泡、浇注，室温固化12h～48h，脱模后进行热处理得到硅橡胶软模；
该硅橡胶软模的形状与挡光环一致，均为环形结构；硅橡胶软模的外圈直径小于挡光环的外圈直径1％～10％，硅橡胶软模的内圈直径与挡光环的内圈直径相同，厚度为2～20mm；
(b)整体共固化成型模具组装及挡光环铺层
整体共固化成型模具包括内外设置的芯模和外阴模，在芯模和外阴模之间放置若干层分瓣阳模；其中，每组装一层分瓣阳模，在相邻两层分瓣阳模的边缘间隙处依次进行挡光环预浸料的铺层及和硅橡胶软模的组装；
在芯模和分瓣阳模上下分别安装固定上端框压环和下端框压环；
(c)蒙皮铺层、吸胶
在步骤(b)组装完分瓣阳模、上端框压环和下端框压环，完成挡光环铺层后，进行蒙皮及端框预浸料铺层，然后组装垫圈、外阴模；吸胶；
(d)第二次铺层
吸完胶后，蒙皮、端框预浸料进行第二次铺层；
(e)整体共固化
在步骤(d)第二次铺层完成后，采用热压罐成型工艺进行整体共固化，工艺条件：真空表压不大于-0.097MPa，升温速率为10～40℃/h，固化温度130～180℃，压力0.4～0.8MPa，固化时间2～6h；
(f)脱模
依次拆除外阴模、上端框压环、下端框压环、芯模和分瓣阳模，再将硅橡胶软模从分瓣阳模中取出，得到承力筒产品。
如上所述的一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，其步骤(a)所述的脱模后进行热处理得到硅橡胶软模，其中热处理工艺为在170～190℃下保温8～12h。
如上所述的一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，其步骤(d)所述的吸胶工艺为升温速率10～40℃/h，吸胶温度为60～100℃，保温20min～60min。
如上所述的一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，其步骤(c)、步骤(d)所述的预浸料为纤维树脂基复合材料，其采用溶液法制备预浸料的质量指标为预浸料厚度0.125-0.20mm，树脂含量40％-48％，挥发份含量≤2％，纤维面密度130-220g/m2。
如上所述的一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，其步骤(c)、步骤(d)所述的预浸料为纤维树脂基复合材料，其采用热熔法制备预浸料的质量指标为预浸料厚度0.125-0.20mm，树脂含量30％-38％，挥发份含量≤1％，纤维面密度130-220g/m2。
如上所述的一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，其所述的挡光环厚度0.3～2mm，挡光环预浸料铺入蒙皮内侧，结构形式可为“L”或“T”型。
本发明的效果在于：本发明借助硅橡胶软模辅助加压并结合热压罐成型工艺，实现了复合材料圆筒与挡光环结构制件的整体成型，解决了筒内壁薄板结构不易加压的难题。本发明对硅橡胶浇注模尺寸进行优化设计，使受热膨胀时产生的压力适中，保证了制品尺寸要求、产品内部质量，避免了圆筒蒙皮处出现鼓包或凹坑；本发明通过对组装固化模的阳模块进行合理设计，解决了阳模块的定位及脱模难的问题；挡光环预浸料的铺层、硅橡胶软模组装与阳模块组装同时进行，保证了每层挡光环的整体性，解决了硅橡胶缺口处易出现的没加上压、支料等问题；同时，本发明通过铺层工艺设计，解决了挡光环与蒙皮的连接强度问题。
附图说明
图1为承力筒结构示意图；
图2为整体共固化成型模具剖视图；
图中：1.上端框；2.下端框；3.挡光环；4.承力筒蒙皮；5.上端框压环；6.下端框压环；7.芯模；8.外阴模；9.承力筒产品；10.分瓣阳模；11.挡光环预制体；12.硅橡胶软模；13.垫圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种含挡光环的复合材料承力筒成型方法进行描述。
实施例1
如图1所示，复合材料承力筒包括承力筒蒙皮4，承力筒蒙皮4上下为外翻的上端框1和下端框2，承力筒蒙皮4内部设置6个挡光环3。
尺寸：上、下端框外径741mm，内径693mm；蒙皮内径600mm～602mm；挡光环厚度1mm，蒙皮厚度4mm，上/下端框厚度6mm。
本发明所述一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法包括如下步骤：
(a)硅橡胶软模准备
所述的硅橡胶软模12用于挡光环成型，其通过硅橡胶浇注制备；具体是将硅橡胶液脱泡、浇注，室温固化48h，脱模后进行热处理得到硅橡胶软模，热处理工艺为在180℃下保温8h。
该硅橡胶软模12的形状与挡光环3一致，均为环形结构；硅橡胶软模12的外圈直径小于挡光环3的外圈直径5％，硅橡胶软模12的内圈直径与挡光环3的内圈直径相同，厚度为10mm。
(b)整体共固化成型模具准备
如图2所示，整体共固化成型模具包括内外设置的芯模7和外阴模9，在芯模7和外阴模9之间放置7层分瓣阳模8；其中，每组装一层分瓣阳模10，在相邻两层分瓣阳模10的边缘间隙处依次进行挡光环预浸料的铺层及和硅橡胶软模12的组装。挡光环预浸料铺入蒙皮内侧，结构形式为“T”型。
在芯模7和分瓣阳模10上下分别安装固定上端框压环5和下端框压环6。
6圈挡光环预制体11尺寸相同，外径为693mm，内径为599mm。
(c)铺层、吸胶
在步骤(b)组装完分瓣阳模10、上端框压环5和下端框压环6，完成挡光环铺层后，进行蒙皮及端框预浸料铺层，然后组装垫圈13、外阴模8；吸胶；
吸胶工艺为升温速率25±5℃/h，吸胶温度为70±5℃，保温30min。预浸料为纤维树脂基复合材料，预浸料采用溶液法制备，预浸料质量指标为预浸料厚度0.15mm，树脂含量44±4％，挥发份含量≤2％，纤维面密度160±10g/m2。
(d)第二次铺层
吸完胶后，蒙皮、端框预浸料进行第二次铺层。预浸料为纤维树脂基复合材料，预浸料采用溶液法制备，预浸料质量指标为预浸料厚度0.15mm，树脂含量44±4％，挥发份含量≤2％，纤维面密度160±10g/m2。
(e)整体共固化
在步骤(d)第二次铺层完成后，采用热压罐成型工艺进行整体共固化，工艺条件：真空表压不大于-0.097MPa，升温速率为25±5℃/h，固化温度165±5℃，压力0.6MPa，固化时间3h；降温速率≤20℃/h。
(f)脱模
依次拆除外阴模8、上端框压环5、下端框压环6、芯模7和分瓣阳模8，再将硅橡胶软模12从分瓣阳模8中取出，得到承力筒产品9。
实施例2
如图1所示，复合材料承力筒包括承力筒蒙皮4，承力筒蒙皮4上下为外翻的上端框1和下端框2，承力筒蒙皮4内部设置7个挡光环3。
尺寸：上、下端框外径741mm，内径693mm；蒙皮内径600mm～602mm；挡光环厚度2mm，蒙皮厚度4mm，上/下端框厚度6mm。
本发明所述一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法包括如下步骤：
(a)硅橡胶软模准备
所述的硅橡胶软模12为用于挡光环成型，其通过硅橡胶浇注制备；具体是将硅橡胶液脱泡、浇注，室温固化36h，脱模后进行热处理得到硅橡胶软模，热处理工艺为在170℃下保温12h。
该硅橡胶软模12的形状与挡光环3一致，均为环形结构；硅橡胶软模12的外圈直径小于挡光环3的外圈直径1％，硅橡胶软模12的内圈直径与挡光环3的内圈直径相同，厚度为2mm。
(b)整体共固化成型模具准备
如图2所示，整体共固化成型模具包括内外设置的芯模7和外阴模9，在芯模7和外阴模9之间放置8层分瓣阳模8；其中，每组装一层分瓣阳模10，在相邻两层分瓣阳模10的边缘间隙处依次进行挡光环预浸料的铺层及和硅橡胶软模12的组装。挡光环预浸料铺入蒙皮内侧，结构形式为“L”。
在芯模7和分瓣阳模10上下分别安装固定上端框压环5和下端框压环6。
(c)铺层、吸胶
在步骤(b)组装完分瓣阳模10、上端框压环5和下端框压环6，完成挡光环铺层后，进行蒙皮及端框预浸料铺层，然后组装垫圈13、外阴模8；吸胶；
吸胶工艺为升温速率10℃/h，吸胶温度为60℃，保温60min。预浸料为纤维树脂基复合材料，预浸料采用热熔法制备，预浸料的质量指标为预浸料厚度0.20mm，树脂含量38％，挥发份含量≤1％，纤维面密度220g/m2。
(d)第二次铺层
吸完胶后，蒙皮、端框预浸料进行第二次铺层。预浸料为纤维树脂基复合材料，预浸料采用溶液法制备，预浸料质量指标为预浸料厚度0.20mm，树脂含量38％，挥发份含量≤1％，纤维面密度220g/m2。
(e)整体共固化
在步骤(d)第二次铺层完成后，采用热压罐成型工艺进行整体共固化，工艺条件：真空表压不大于-0.097MPa，升温速率为10℃/h，固化温度150℃，压力0.4MPa，固化时间6h。
(f)脱模
依次拆除外阴模8、上端框压环5、下端框压环6、芯模7和分瓣阳模8，再将硅橡胶软模12从分瓣阳模8中取出，得到承力筒产品9。
实施例3
如图1所示，复合材料承力筒包括承力筒蒙皮4，承力筒蒙皮4上下为外翻的上端框1和下端框2，承力筒蒙皮4内部设置8个挡光环3。挡光环厚度0.3mm。
本发明所述一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法包括如下步骤：
(a)硅橡胶软模准备
所述的硅橡胶软模12用于挡光环成型，其通过硅橡胶浇注制备；具体是将硅橡胶液脱泡、浇注，室温固化12h，脱模后进行热处理得到硅橡胶软模，热处理工艺为在170℃下保温12h。
该硅橡胶软模12的形状与挡光环3一致，均为环形结构；硅橡胶软模12的外圈直径小于挡光环3的外圈直径10％，硅橡胶软模12的内圈直径与挡光环3的内圈直径相同，厚度为20mm。
(b)整体共固化成型模具准备
如图2所示，整体共固化成型模具包括内外设置的芯模7和外阴模9，在芯模7和外阴模9之间放置9层分瓣阳模8；其中，每组装一层分瓣阳模10，在相邻两层分瓣阳模10的边缘间隙处依次进行挡光环预浸料的铺层及和硅橡胶软模12的组装。挡光环预浸料铺入蒙皮内侧，结构形式可为“L”或“T”型。
在芯模7和分瓣阳模10上下分别安装固定上端框压环5和下端框压环6。
(c)铺层、吸胶
在步骤(b)组装完分瓣阳模10、上端框压环5和下端框压环6，完成挡光环铺层后，进行蒙皮及端框预浸料铺层，然后组装垫圈13、外阴模8；吸胶；
吸胶工艺为升温速率40℃/h，吸胶温度为100℃，保温20min。预浸料为纤维树脂基复合材料，预浸料采用溶液法制备，预浸料质量指标为预浸料厚度0.2mm，树脂含量48％，挥发份含量≤2％，纤维面密度220g/m2。
(d)第二次铺层
吸完胶后，蒙皮、端框预浸料进行第二次铺层。预浸料为纤维树脂基复合材料，预浸料采用溶液法制备，预浸料质量指标为预浸料厚度0.2mm，树脂含量48％，挥发份含量≤2％，纤维面密度220g/m2。
(e)整体共固化
在步骤(d)第二次铺层完成后，采用热压罐成型工艺进行整体共固化，工艺条件：真空表压不大于-0.097MPa，升温速率为40℃/h，固化温度180℃，压力0.8MPa，固化时间2h；降温速率≤20℃/h。
(f)脱模
依次拆除外阴模8、上端框压环5、下端框压环6、芯模7和分瓣阳模8，再将硅橡胶软模12从分瓣阳模8中取出，得到承力筒产品9。
实施例4
如图1所示，复合材料承力筒包括承力筒蒙皮4，承力筒蒙皮4上下为外翻的上端框1和下端框2，承力筒蒙皮4内部设置5个挡光环3。
本发明所述一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法包括如下步骤：
(a)硅橡胶软模准备
所述的硅橡胶软模12用于挡光环成型，其通过硅橡胶浇注制备；具体是将硅橡胶液脱泡、浇注，室温固化12h，脱模后进行热处理得到硅橡胶软模，热处理工艺为在190℃下保温8h。
该硅橡胶软模12的形状与挡光环3一致，均为环形结构；硅橡胶软模12的外圈直径小于挡光环3的外圈直径8％，硅橡胶软模12的内圈直径与挡光环3的内圈直径相同，厚度为15mm。
(b)整体共固化成型模具准备
如图2所示，整体共固化成型模具包括内外设置的芯模7和外阴模9，在芯模7和外阴模9之间放置6层分瓣阳模8；其中，每组装一层分瓣阳模10，在相邻两层分瓣阳模10的边缘间隙处依次进行挡光环预浸料的铺层及和硅橡胶软模12的组装。挡光环预浸料铺入蒙皮内侧，结构形式可为“L”或“T”型。
在芯模7和分瓣阳模10上下分别安装固定上端框压环5和下端框压环6。
(c)铺层、吸胶
在步骤(b)组装完分瓣阳模10、上端框压环5和下端框压环6，完成挡光环铺层后，进行蒙皮及端框预浸料铺层，然后组装垫圈13、外阴模8；吸胶；
吸胶工艺为升温速率25℃/h，吸胶温度为90℃，保温40min。预浸料为纤维树脂基复合材料，预浸料采用热熔法制备，预浸料的质量指标为预浸料厚度0.125mm，树脂含量30％，挥发份含量≤1％，纤维面密度130g/m2。
(d)第二次铺层
吸完胶后，蒙皮、端框预浸料进行第二次铺层。预浸料为纤维树脂基复合材料，预浸料采用溶液法制备，预浸料质量指标为预浸料厚度0.125mm，树脂含量30％，挥发份含量≤1％，纤维面密度130g/m2。
(e)整体共固化
在步骤(d)第二次铺层完成后，采用热压罐成型工艺进行整体共固化，工艺条件：真空表压不大于-0.097MPa，升温速率为20℃/h，固化温度160℃，压力0.5MPa，固化时间4h。
(f)脱模
依次拆除外阴模8、上端框压环5、下端框压环6、芯模7和分瓣阳模8，再将硅橡胶软模12从分瓣阳模8中取出，得到承力筒产品9。

Claims (4)

1.一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，所述的复合材料承力筒包括承力筒蒙皮(4)，承力筒蒙皮(4)上下为外翻的上端框(1)和下端框(2)，承力筒蒙皮(4)内部设置若干个挡光环(3)；其特征在于，该方法包括如下步骤：
(a)硅橡胶软模准备
所述的硅橡胶软模(12)用于挡光环成型，其通过硅橡胶浇注制备；具体是将硅橡胶液脱泡、浇注，室温固化12h～48h，脱模后进行热处理得到硅橡胶软模；
该硅橡胶软模(12)的形状与挡光环(3)一致，均为环形结构；硅橡胶软模(12)的外圈直径小于挡光环(3)的外圈直径1％～10％，硅橡胶软模(12)的内圈直径与挡光环(3)的内圈直径相同，厚度为2～20mm；
所述的脱模后进行热处理得到硅橡胶软模，其中热处理工艺为在170～190℃下保温8～12h；
(b)整体共固化成型模具组装及挡光环铺层
整体共固化成型模具包括内外设置的芯模(7)和外阴模(8)，在芯模(7)和外阴模(8)之间放置若干层分瓣阳模(10)；其中，每组装一层分瓣阳模(10)，在相邻两层分瓣阳模(10)的边缘间隙处依次进行挡光环预浸料的铺层及和硅橡胶软模(12)的组装；
在芯模(7)和分瓣阳模(10)上下分别安装固定上端框压环(5)和下端框压环(6)；
(c)蒙皮铺层、吸胶
在步骤(b)组装完分瓣阳模(10)、上端框压环(5)和下端框压环(6)，完成挡光环铺层后，进行蒙皮及端框预浸料铺层，然后组装垫圈(13)、外阴模(8)；吸胶；
(d)第二次铺层
吸完胶后，蒙皮、端框预浸料进行第二次铺层；
(e)整体共固化
在步骤(d)第二次铺层完成后，采用热压罐成型工艺进行整体共固化，工艺条件：真空表压不大于-0.097MPa，升温速率为10～40℃/h，固化温度130～180℃，压力0.4～0.8MPa，固化时间2～6h；
(f)脱模
依次拆除外阴模(8)、上端框压环(5)、下端框压环(6)、芯模(7)和分瓣阳模(10)，再将硅橡胶软模(12)从分瓣阳模(10)中取出，得到承力筒产品(9)；
所述的挡光环(3)厚度0.3～2mm，挡光环预浸料铺入蒙皮内侧，结构形式为“L”或“T”型。
2.根据权利要求1所述的一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，其特征在于：步骤(d)所述的吸胶工艺为升温速率10～40℃/h，吸胶温度为60～100℃，保温20min～60min。
3.根据权利要求1所述的一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，其特征在于：步骤(c)、步骤(d)所述的预浸料为纤维树脂基复合材料，其采用溶液法制备预浸料的质量指标为预浸料厚度0.125-0.20mm，树脂含量40％-48％，挥发份含量≤2％，纤维面密度130-220g/m2。
4.根据权利要求1所述的一种含挡光环的复合材料承力筒软模辅助整体成型方法，其特征在于：步骤(c)、步骤(d)所述的预浸料为纤维树脂基复合材料，其采用热熔法制备预浸料的质量指标为预浸料厚度0.125-0.20mm，树脂含量30％-38％，挥发份含量≤1％，纤维面密度130-220g/m2。
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