CN106113522A - 一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法 - Google Patents

一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，本发明采用了非闭合式金属、硅橡胶组合模具形式。将硅橡胶软模包于金属模具内部，利用硅橡胶软模的热膨胀从波纹型缘板侧加压(内压)并结合热压罐(外压)成型工艺，由内外双向加压，使复杂截面受压均匀、可控，较好实现了含波纹形缘板的复合材料变截面工字梁整体固化成型，解决了波纹型结构不易加压的难题。

Description

一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法
技术领域
本发明涉及一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，实现含波纹型缘板的变截面工字梁制造，属于复合材料结构成型工艺技术领域。
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。
工字型截面复合材料构件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。由于此结构良好的力学性能，被广泛应用于航天、航空领域的加强筋/梁等复合材料制品。随着内含网格筋条结构的复合材料回转体大量应用，工字型梁为了同网格筋条壳体配合，引入了单侧连续波纹型缘板设计，形成缘板跨筋结构，从而同网格筋条回转体制品内表面形成紧密配合，起到加强梁的作用。国内某些型号上的仪器舱均采用波纹型缘板加强梁配合网格筋条壳体的结构形式。
此类型产品结构较为复杂，根据筋条数量不同，5mm厚的波纹型缘板有7～11处波纹凹陷，且腹板厚度由6mm渐变至11mm，平缘板厚度由5mm渐变至7mm；波纹型缘板成型过程中很难压实，较易出现缺陷，难以有效控制产品质量。目前普遍应用的整体成型技术中，模具形式为金属分瓣组合模。采用左右件单层预浸料铺层，吸胶预压实后将预置体拼合，用金属阳模成型波纹型缘板。此成型技术主要存在两点不足之处，一是用金属模具成型波纹型缘板，波纹转角处压力不足，不易压实，导致产品出现疏松、分层等缺陷；二是采用单层料铺层，相对于采用吸胶材料直接铺层，不仅效率较低，且预浸料层间易夹入空气，排出不完全导致形成缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：为克服现有技术的不足，提供一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，以解决以往产品缺陷较多，成型时间过长，工作效率较低的问题。
本发明的技术解决方案：
一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，变截面工字梁由平面型缘板、腹板及凸凹式波纹型缘板组成，通过以下步骤实现：
(1)制造硅橡胶软模：将配置好的硅橡胶胶液脱泡后注入硅橡胶软模浇注模中，室温固化12h～36h后脱模，并在150～200℃进行热处理，保温6～12h，得到硅橡胶软模；
(2)制造铺层模具：在模具左右两侧分别设置阳模及侧挡板，分别形成预成型变截面工字梁的半侧C型结构，阳模采用分块结构形式，每个阳模拼接缝位于预成型波纹型缘板凹陷处；
(3)制备吸胶料：将热熔法制造的单层预浸料按照一定的铺层顺序铺好并包覆、抽真空，对包覆好的预浸料升温至80～85℃，保温0.5～1h，保持真空到温度降至40℃以下拆去包覆层，得到吸胶料；
(4)第一次铺层：将步骤(3)中制备好的吸胶料在步骤(2)中的铺层模具上进行全包覆铺层，形成波纹型缘板预制体左右件，再用步骤(3)中的预浸料继续进行递减铺层，实现腹板厚度及直缘板厚度渐变；
(5)预定形：对在步骤(4)的波纹型缘板预置体每个凹陷处加入硅橡胶块，整体包覆、抽真空，并放置于热压罐内升温，控制预压实最高温度为85～90℃，保温0.5～1h后降温，温度降至室温后拆去包覆层，得到工字梁预制体左右件；
(6)第二次铺层：将工字梁预制体左右件拼合，并进行吸胶料铺层至预成型理论厚度，形成未固化的预成型变截面工字梁；
(7)整体共固化：将步骤(1)的硅橡胶软模与步骤(6)的未固化的预成型变截面工字梁的波纹型缘板配合组装，整体包覆、抽真空，并放置于热压罐内升温，控制固化最高温度为180±5℃，保温4～6h后降温，温度降至室温后拆去包覆层，得到变截面工字梁。
所述步骤(1)中硅橡胶软模的尺寸较预成型变截面工字梁的波纹型缘板尺寸小1％～3％。
所述步骤(1)中成型后硅橡胶软模厚度为15～20mm。
所述步骤(2)中每个阳模拼接缝宽度不大于0.02mm。
还可以在步骤(4)的基础上，继续进行吸胶料铺层，直到铺层厚度达到理论值。
所述步骤(5)中升温速率为25±5℃/h。
所述步骤(5)中降温速率≤25℃/h，。
所述步骤(5)中热压罐压力为0.3～0.4MPa。
所述步骤(7)中升温速率为25±5℃/h。
所述步骤(7)中热压罐压力为压力0.6～0.8MPa，降温速率≤25℃/h。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明采用了非闭合式金属、硅橡胶组合模具形式。将硅橡胶软模包于金属模具内部，利用硅橡胶软模的热膨胀从波纹型缘板侧加压(内压)并结合热压罐(外压)成型工艺，由内外双向加压，使复杂截面受压均匀、可控，较好实现了含波纹形缘板的复合材料变截面工字梁整体固化成型，解决了波纹型结构不易加压的难题；
(2)本发明对硅橡胶浇注模尺寸进行优化设计，使硅橡胶软模的尺寸较预成型变截面工字梁的波纹型缘板尺寸小1％～3％，成型后硅橡胶软模厚度15～20mm，使受热膨胀时产生的压力与热压罐压力相匹配，保证了产品尺寸精度且提高了产品质量，避免了波纹缘板出现大量疏松、分层缺陷的情况；
(3)本发明阳模采用分块结构形式，每个阳模拼接缝位于预成型波纹型缘板凹陷处(每个阳模拼接缝宽度不大于0.02mm)，具体地，对左右件分块金属阳模采用了先制成有长度余量的毛坯再精准线切割的工艺，实现了阳模块拼接缝仅0.02mm，减少了固化过程中胶液流失问题，并有效控制了产品表面质量；
(4)本发明通过对铺层工艺的合理设计，采用真空预压实后的吸胶料直接铺层，改善了单层料铺覆波纹缘板易夹入空气产生缺陷的情况，有效提高了产品质量及生产效率。
附图说明
图1为本发明变截面工字梁结构示意图；
图2为本发明工艺流程图；
图3为本发明硅橡胶浇注模截面示意图；
图4为本发明整体共固化成型模具侧剖视图；
图5为本发明整体共固化成型模具正面剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
成型后的变截面工字梁8由平面型缘板1、腹板3及凸凹式波纹型缘板2组成，如图1所示；
具体成型方法如图2所示，步骤如下：
(1)制造硅橡胶软模：根据硅橡胶体膨胀量，确定硅橡胶软模沿产品长度方向(X轴)、产品宽度方向(Y轴)以及产品高度方向(Z轴)的线膨胀量，进行硅橡胶浇注模4尺寸设计，硅橡胶浇注模4截面示意图如图3所示。硅橡胶软模5的体膨胀量一般取9％。根据选用的硅橡胶种类配置胶液，经脱泡后注入浇注模中进行浇注，室温固化48h后脱模，再进行热处理，热处理温度150～200℃，保温6～12h，得到硅橡胶软模5。
(2)制造铺层模具及整体共固化成型模具：在模具左右两侧分别设置阳模及侧挡板，分别形成预成型变截面工字梁的半侧C型结构，阳模采用分块结构形式，每个分块阳模9拼接缝位于预成型波纹型缘板凹陷处；整体共固化成型模具如图4、图5所示，包括硅橡胶软模5、分块阳模9、左侧板10、右侧板11、上挡板6、下挡板7、端侧板12。分块阳模9与左右侧板通过销钉13、螺钉14固定；分块阳模拼接缝位于波纹型缘板2凹陷处。
(3)制备吸胶料：选定纤维及树脂材料体系，制备热熔法预浸料。预浸料的技术指标见表1。
表1复合材料热熔法预浸料的质量指标
根据铺层模具尺寸进行预浸料裁切，可采用自动下料机或者手工裁切。将裁切好的热熔法单层预浸料按照一定的铺层顺序铺好并包覆、抽真空，对包覆好的预浸料升温至80～85℃，保温0.5～1h，保持真空到温度降至40℃以下拆去包覆层，得到吸胶料。
(4)第一次铺层：将步骤(3)中制备好的吸胶料在步骤(2)中的铺层模具上进行全包覆铺层，形成波纹型缘板预制体左右件，再用步骤(3)中的单层预浸料继续进行递减铺层，实现腹板厚度及直缘板厚度渐变；
(5)预定型：对在步骤(4)的波纹型缘板预置体每个凹陷处加入硅橡胶块，整体包覆、抽真空，并放置于热压罐内升温，升温速率为10～40℃/h，控制预压实温度为85～90℃，保温0.5～1h，压力为0.2～0.4Mpa，保温结束后开始降温，温度降至室温后拆去包覆层，得到工字梁预制体左右件；
(6)第二次铺层：将工字梁预制体左右件拼合，并进行吸胶料铺层至预成型理论厚度，形成未固化的预成型变截面工字梁；
(7)整体共固化：将步骤(1)的硅橡胶软模与步骤(6)的未固化的预成型变截面工字梁的波纹型缘板配合组装，并将步骤(2)中的整体共固化模具零件依次组装，整体包覆、抽真空，真空表压不大于-0.097MPa，并放置于热压罐内升温，升温速率为10～40℃/h，控制固化最高温度为180±5℃，保温4～6h后降温，温度降至室温后拆去包覆层，脱模后得到变截面工字梁8。
实施例1
产品名称：加强梁I～V(共7种状态)
具体尺寸：总长400～585mm，根据配合壳体的筋条数量不同，3/5mm厚的波纹型缘板有7～11处波纹凹陷，深/浅凹陷深度分别为14.5mm和9mm，腹板厚度由6mm渐变至11mm，平缘板厚度由5mm渐变至7mm，所有过渡角均为R9圆角。
实施步骤：
(1)根据9％的硅橡胶体膨胀量，确定硅橡胶软模5沿产品长度方向(X轴)、产品宽度方向(Y轴)以及产品高度方向(Z轴)的线膨胀量，设计硅橡胶浇注模4尺寸。选用Aircast3700硅橡胶原材料，按甲、乙组分重量比100：12的比例进行混合，脱泡20min后进行浇注，盖上盖板，室温固化48h后脱模，然后进行热处理，热处理温度180℃，保温8h。
(2)根据具体产品尺寸制造铺层模具及整体共固化成型模具。
(3)选择热熔法预浸料，单层厚度0.15mm，树脂含量34±2％，挥发份≤1％，面密度165±5g/m2。根据产品铺层顺序及尺寸，采用自动下料机裁切预浸料。按照工艺设计的铺层顺序进行铺层，将铺好的吸胶料放置在铝平板模上半包覆后抽真空，放置于加热平台上升温至80～85℃，保温30分钟，保持真空到温度降至40℃以下，得到吸胶料。
(4)根据工艺设计尺寸将吸胶料裁切至合适尺寸，在左右件铺层模上铺层。根据理论计算值在对应位置处用单层预浸料料递减过渡铺层，实现腹板厚度及直缘板厚度渐变；
(5)用隔离材料包覆步骤(4)中的预置体，对在步骤(4)的波纹型缘板预置体每个凹陷处加入硅橡胶块，整体包覆、抽真空，并放置于热压罐内升温，升温速率为20～30℃/h，控制预压实温度为85～90℃，保温0.5h，压力为0.4Mpa，升温开始时加压，保温结束后卸压。保温结束后开始降温，温度降至室温后拆去包覆层，得到工字梁预制体左右件
(6)第二次铺层：将工字梁预制体左右件拼合，并进行剩余直缘板、波纹缘板吸胶料铺层至预成型理论厚度，形成未固化的预成型变截面工字梁；
(7)将步骤(1)的硅橡胶软模与步骤(6)的未固化的预成型变截面工字梁的波纹型缘板配合组装，并将步骤(2)中的整体共固化模具零件依次组装，整体包覆、抽真空，真空表压不大于-0.097MPa，并放置于热压罐内升温，升温速率为20～30℃/h，控制固化最高温度为180±5℃，压力0.6MPa，升温开始时加压，温度降至80℃时卸压。保温4h后降温，温度降至室温后拆去包覆层，进行脱模步骤。
(8)依次拆除两端侧板、上/下挡板、硅橡胶软模、左/右侧板、分块阳模，得到变截面工字梁(又称加强梁)。产品打磨、清理后进行无损检测。
(9)按照图纸对产品进行数控机床开孔及精加工，满足产品各项尺寸要求。
本发明采用了非闭合式金属、硅橡胶组合模具形式。将硅橡胶软模包于金属模具内部，利用硅橡胶软模的热膨胀从波纹型缘板侧加压(内压)并结合热压罐(外压)成型工艺，由内外双向加压，使复杂截面受压均匀、可控，较好实现了含波纹形缘板的复合材料变截面工字梁整体固化成型，解决了波纹型结构不易加压的难题。
以上所述仅为本发明的一个实例，在不脱离本发明方法及原理的前提下，由附图1衍变的同类型结构的成型工艺技术，也应属于本发明的保护范畴。
本发明未公开内容为本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，变截面工字梁由平面型缘板、腹板及凸凹式波纹型缘板组成，其特征在于，通过以下步骤实现：
(1)制造硅橡胶软模：将配置好的硅橡胶胶液脱泡后注入硅橡胶软模浇注模中，室温固化12h～36h后脱模，并在150～200℃进行热处理，保温6～12h，得到硅橡胶软模；
(2)制造铺层模具：在模具左右两侧分别设置阳模及侧挡板，分别形成预成型变截面工字梁的半侧C型结构，阳模采用分块结构形式，每个阳模拼接缝位于预成型波纹型缘板凹陷处；
(3)制备吸胶料：将热熔法制造的单层预浸料按照一定的铺层顺序铺好并包覆、抽真空，对包覆好的预浸料升温至80～85℃，保温0.5～1h，保持真空到温度降至40℃以下拆去包覆层，得到吸胶料；
(4)第一次铺层：将步骤(3)中制备好的吸胶料在步骤(2)中的铺层模具上进行全包覆铺层，形成波纹型缘板预制体左右件，再用步骤(3)中的预浸料继续进行递减铺层，实现腹板厚度及直缘板厚度渐变；
(5)预定形：对在步骤(4)的波纹型缘板预置体每个凹陷处加入硅橡胶块，整体包覆、抽真空，并放置于热压罐内升温，控制预压实最高温度为85～90℃，保温0.5～1h后降温，温度降至室温后拆去包覆层，得到工字梁预制体左右件；
(6)第二次铺层：将工字梁预制体左右件拼合，并进行吸胶料铺层至预成型理论厚度，形成未固化的预成型变截面工字梁；
(7)整体共固化：将步骤(1)的硅橡胶软模与步骤(6)的未固化的预成型变截面工字梁的波纹型缘板配合组装，整体包覆、抽真空，并放置于热压罐内升温，控制固化最高温度为180±5℃，保温4～6h后降温，温度降至室温后拆去包覆层，得到变截面工字梁。
2.如权利要求1所述的一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，其特征在于，所述步骤(1)中硅橡胶软模的尺寸较预成型变截面工字梁的波纹型缘板尺寸小1％～3％。
3.如权利要求1所述的一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，其特征在于，所述步骤(1)中成型后硅橡胶软模厚度为15～20mm。
4.如权利要求1所述的一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，其特征在于，所述步骤(2)中每个阳模拼接缝宽度不大于0.02mm。
5.如权利要求1所述的一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，其特征在于，还可以在步骤(4)的基础上，继续进行吸胶料铺层，直到铺层厚度达到理论值。
6.如权利要求1所述的一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，其特征在于，所述步骤(5)中升温速率为25±5℃/h。
7.如权利要求1所述的一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，其特征在于，所述步骤(5)中降温速率≤25℃/h。
8.如权利要求1所述的一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，其特征在于，所述步骤(5)中热压罐压力为0.3～0.4MPa。
9.如权利要求1所述的一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，其特征在于，所述步骤(7)中升温速率为25±5℃/h。
10.如权利要求1所述的一种含波纹形缘板的变截面工字梁软膜辅助成型方法，其特征在于，所述步骤(7)中热压罐压力为压力0.6～0.8MPa，降温速率≤25℃/h。
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