CN105599318A - 一种开敞式橡胶软模实现薄壁工字梁结构复合材料制件的方法 - Google Patents

一种开敞式橡胶软模实现薄壁工字梁结构复合材料制件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开敞式橡胶软模实现薄壁工字梁结构复合材料制件的方法,通过机械制造的方法,加工一个与复合材料制件外形尺寸完全一致的金属假件,以及带有挡板的橡胶软模成型模具,在金属假件与上下模板形成的腔体内铺贴橡胶软模,之后在橡胶软模外部用真空袋真空密封,进入热压罐成型橡胶软模;橡胶软模成型后,去除真空袋,取出金属假件,填充入复合材料,再在外层用真空袋真空密封,进入热压罐成型,即获得工字梁结构复合材料制件。采用本发明的方法,可以避免复合材料制件出现厚度超差的现象,避免热滞后效应,有效保证制件的成型质量,提高生产的合格率和效率。

Description

一种开敞式橡胶软模实现薄壁工字梁结构复合材料制件的方法
技术领域
本发明属于复合材料制造技术领域,特别涉及一种航空器、航天器、汽车行业中的高性能碳纤维复合材料结构件制造方法。
背景技术
树脂基碳纤维复合材料具有比强度、比刚度高,可设计性强,抗疲劳断裂性能好,耐腐蚀,尺寸稳定性好等优越的性能,是目前航空、航天、交通等领域中应用十分广泛的高性能结构材料。在多种碳纤维复合材料成型工艺中,热压罐工艺具有成型温度和压力均匀,对于不同材料、外形、尺寸及结构的零件具有很好的适应性,因而成为了研究和制造航空航天高品质复合材料构件的主要工艺方法之一。
薄壁工字梁是复合材料制件中较为常见的加强结构件,分为等截面工字梁和变截面工字梁等结构形式,其特点通常为尺寸较大、壁厚较薄,部分工字梁制件还带有双曲面结构。
复合材料制件成型后都会出现一定程度的变形,而壁厚较薄的零件尤为明显,因此薄壁工字梁成型的技术难点在于如何控制制件的轮廓度、厚度以及变形量,同时尽可能降低制造周期和成本,提高制造成功率。
对于薄壁工字梁复合材料结构件,目前业内基于热压罐工艺的成型方法基本为芯模成型或气囊成型。芯模成型工艺中,芯模材质一般为模具钢或者铝合金。芯模的作用是将热压罐的压力和温度传递至复合材料制件,使制件在高温高压下成型,同时芯模的刚性可以保证工字梁的外形尺寸符合设计要求。
而在气囊成型工艺中,气囊材质一般为橡胶。橡胶制气囊通过气嘴与外界连通,将压力均匀传递至复合材料制件,左右侧气囊压力均衡可以保证工字梁的厚度和外形尺寸符合设计要求。
使用芯模法成型工字梁的缺点主要有以下三个方面:1、由于芯模自身具有一定刚度,通过芯模传导外界压力就难以做到均匀和精确,容易造成薄壁复合材料制件厚度超差;2、由于芯模具有一定厚度且厚度不均一,根据热传递效应,制件不同区域的升温速率会有所不同,从而影响制件的内部成型质量,导致制件冷却脱模后产生较大的变形量;3、由于芯模为金属材质,自重较大,操作十分不便。同时金属芯模的制造和维护费用较高,返修或重新加工的制造周期较长。
而使用气囊法成型工字梁,虽然可以保证外界压力和热量均匀传递,但气囊本身的制造过程较为复杂,在气嘴附近容易出现气囊开裂或破损,制造成功率较低;同时该工艺方法对于气囊有严苛的气密性要求,一旦发生漏气,通常无法修补,这就导致气囊的使用寿命和可靠性降低,这一点在大尺寸复合材料制件成型过程中体现的尤为明显。
发明内容
本发明的目的针对现有技术的缺陷,提供一种通过使用开敞式橡胶软模,完成工字梁复合材料结构件的制造方法。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:一种开敞式橡胶软模实现薄壁工字梁结构复合材料制件的方法,包括以下步骤:
(1)通过机械制造的方法,加工一个与复合材料制件外形尺寸完全一致的金属假件,以及带有挡板的橡胶软模成型模具,所述橡胶软模成型模具包括上模板和下模板,上、下模板和金属假件之间存在配合关系,同时上、下模板的卡槽对金属假件起到限位作用;
(2)在金属假件与上下模板形成的腔体内铺贴橡胶软模,之后在橡胶软模外部用真空袋真空密封,进入热压罐成型橡胶软模;
(3)橡胶软模成型后,去除真空袋,取出金属假件,填充入复合材料,再在外层用真空袋真空密封,进入热压罐成型,即获得工字梁结构复合材料制件。
所述橡胶软模为2层以上橡胶层以及橡胶层间铺贴的碳纤维预浸料增强层。
所述碳纤维预浸料增强层的层数为1~5层。
所述橡胶软模成形的条件为:固化温度175~185℃,固化压力0.55~0.6MPa,固化时间2~3小时。所述金属假件采用P20钢制成。
所述橡胶软模成型模具采用Q235模具钢制成。
利用与复合材料制件外形尺寸完全相同的金属假件成型橡胶制橡胶软模,且橡胶软模本身带有碳纤维增强层,使其具有一定的刚度和赋形能力,利用这种橡胶软模成型的产品,其外形尺寸可以得到保证;使用橡胶软模成型工字梁制件,可以更好的将外界的压力和温度传递至复合材料制件,避免了制件局部压力不均匀、升温速度出现滞后等现象;开敞式橡胶软模摒弃了气嘴结构,也没有严格的气密性要求,故使用寿命较长,可靠性较高,出现局部破损可以进行修补,不影响制件成型;开敞式橡胶软模可以重复使用,制造过程简单,制造成功率较高,有效降低了生产成本和制造周期。
本发明的有益效果:(1)与传统芯模成型方法相比,橡胶软模可以均匀、精确地传递热压罐施加的压力,避免复合材料制件出现厚度超差的现象;(2)橡胶软模壁厚较薄,可以避免热滞后效应,以上两点可以有效保证制件的成型质量,提高生产的合格率和效率;(3)橡胶软模由于碳纤维增强层的存在,具备一定刚性和赋形能力,保证了制件成型后型面和尺寸精度;(4)开敞式橡胶软模放弃了传统的气嘴结构,对软模本身也不再有气密性要求,因此具有较长的使用寿命和较高的可靠性,在轻微损伤的情况下可以进行修补后继续使用;(5)橡胶软模可以重复使用,制造成功率较高,有效降低了生产成本以及制造周期,提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明金属假件安装在橡胶软模成型模具中的结构示意图。
图2是铺贴橡胶软模的示意图。
图3是在用真空袋真空密封的示意图。
图4是工字梁结构复合材料制件成型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
通过金属模具来成型纤维增强的橡胶制开敞式橡胶软模,橡胶软模成型后将作为成型模具的一部分,完成复合材料制件的成型过程。详细流程如下:
通过机械制造的方法,加工一个与复合材料制件外形尺寸完全一致的金属假件,以及带有挡板的橡胶软模成型模具,模具各部件之间存在配合关系,同时上、下模板的卡槽会对金属假件起到一定的限位作用(如图1所示)。
利用金属假件与上下挡板形成的腔体,铺贴橡胶软模。橡胶软模以橡胶为主要材料,将橡胶逐层铺贴在空腔内,在橡胶层中间要铺贴碳纤维预浸料作为增强层,以提高橡胶软模的整体刚度,铺贴橡胶和预浸料的层数主要取决于复合材料制件的尺寸和结构复杂程度(如图2所示)。最后封制真空袋,并按照橡胶的固化工艺,在高温高压条件下成型橡胶软模(如图3所示)。
橡胶软模成型后,将作为成型模具的一部分,配合模具上、下模板,完成复合材料制件的制造过程。成型过程中,软模可以均匀传递外界环境的压力和热量,保证制件的成型质量。
制件成型后,将各部分挡板依次去掉,然后将橡胶软模与复合材料制件分离即完成脱模(如图4所示)。根据使用材料和工艺的不同,橡胶软模可以重复使用数次至数十次,若橡胶软模损坏或变形,可使用金属假件以及成型模具再次制造橡胶软模。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。

Claims (6)

1.一种开敞式橡胶软模实现薄壁工字梁结构复合材料制件的方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)通过机械制造的方法,加工一个与复合材料制件外形尺寸完全一致的金属假件,以及带有挡板的橡胶软模成型模具,所述橡胶软模成型模具包括上模板和下模板,上、下模板和金属假件之间存在配合关系,同时上、下模板的卡槽对金属假件起到限位作用;
(2)在金属假件与上下模板形成的腔体内铺贴橡胶软模,之后在橡胶软模外部用真空袋真空密封,进入热压罐成型橡胶软模;
(3)橡胶软模成型后,去除真空袋,取出金属假件,填充入复合材料,再在外层用真空袋真空密封,进入热压罐成型,即获得工字梁结构复合材料制件。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述橡胶软模为2层以上橡胶层以及橡胶层间铺贴的碳纤维预浸料增强层。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述碳纤维预浸料增强层的层数为1~5层。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述橡胶软模成形的条件为:固化温度175~185℃,固化压力0.55~0.6MPa,固化时间2~3小时。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述金属假件采用P20钢制成。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述橡胶软模成型模具采用Q235模具钢制成。
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