CN106313376A - 一种整体成型加筋复合材料壁板内型面的复合模 - Google Patents

Abstract

本发明属于聚合物基复合材料成型技术，涉及一种整体成型加筋复合材料壁板内型面的复合模。本发明的成型模具包括上凸缘成型软模、腹板成型软模、上R角成型软模、下凸缘及R角成型软模。本发明的上R角成型软模采用刚性与柔性共混固化的材料，增加了软模上R角区的刚度，使罐内压力更好的传递至加筋复合材料壁板上R角区，可有效避免上R角区孔隙密集，分层，外形偏离等缺陷。本发明利用下凸缘及R角成型软模来保证下凸缘及下R角区的内部质量及外形精度，特别是将下凸缘及R角成型软模的侧型面根据筋条下R角内型面的理论外形进行倒角，省去了进罐制备下R角成型软模的工序，降低了模具制造成本，又提高了下R角区的外形精度。

Description

一种整体成型加筋复合材料壁板内型面的复合模

技术领域

本发明属于聚合物基复合材料成型技术，涉及一种整体成型加筋复合材料壁板内型面的复合模。

背景技术

聚合物基复合材料凭借其高比强度，高比刚度及可设计性强等众多优势，已经在飞机的主承力及次承力构件上取得了广泛应用，如机翼，机身，舱门等。各类承力构件特别是大尺寸承力构件多采用蒙皮与各种筋条相结合的结构形式。

由于液体成型等先进工艺的发展，加筋复合材料壁板已可整体成型，并在诸多飞机构件上得到了应用。在整体成型工艺过程中，使用全刚性模具易因模具配合问题导致R角或其他复杂区域的加压不足，从而引起富脂、孔隙或其他的缺陷，而且脱模困难；采用刚性大的限位模具与刚性较小的软模相结合的方式来成型构件，可以有效地避免前述问题。目前，各类加筋壁板内型面软模的R角处多采用Airpad橡胶等柔性材料来制备，由于橡胶软模刚性不足，在构件固化成型过程中，易因加压不足导致R角区孔隙密集，分层，树脂堆积，纤维褶皱，外形偏离等缺陷，从而影响构件的内部质量或装配。

发明内容

本发明的目的是，提供一种改良的整体成型加筋复合材料壁板内型面的复合模，以提高加筋复合材料壁板R角区域的内部质量，并满足装配和外形对加筋复合材料壁板内型面的精度要求。

本发明的技术解决方案：模具由上凸缘成型软模、腹板成型软模、上R角成型软模和下凸缘及R角成型软模组成。

(a)上凸缘成型软模与筋条上凸缘下型面贴合，上凸缘成型软模采用铝或树脂基复合材料，上凸缘成型软模的上型面依据筋条上凸缘下型面的理论外形确定，上凸缘成型软模的长度与筋条上凸缘下型面长度相等，上凸缘成型软模的宽度较筋条上凸缘下型面的宽度增加1～3mm，上凸缘成型软模的厚度为1～3mm；

(b)腹板成型软模与筋条筋条腹板内型面贴合，腹板成型软模采用铝或树脂基复合材料，腹板成型软模的侧型面依据筋条筋条腹板内型面的理论外形确定，腹板成型软模的长度、高度与筋条筋条腹板内型面长度、高度相等，腹板成型软模的厚度为1～3mm；

(c)上R角成型软模外型面与筋条筋条上R角内型面贴合，上R角成型软模采用刚性填料与基体材料共混固化的材料，上R角成型软模的外型面依据筋条筋条上R角内型面的理论外形确定，上R角成型软模贴合并粘接在上凸缘成型软模内端及腹板成型软模上端上，上R角成型软模在宽度方向与上凸缘成型软模内端及腹板成型软模上端各搭接5～10mm，上R角成型软模的长度与筋条筋条上R角内型面长度相等；

(d)下凸缘及R角成型软模与筋条筋条下凸缘上型面及筋条下R角内型面贴合,下凸缘及R角成型软模采用铝或树脂基复合材料，下凸缘及R角成型软模的下型面依据筋条筋条下凸缘上型面的理论外形确定，下凸缘及R角成型软模的侧型面依据筋条筋条下R角内型面的理论外形确定，下凸缘及R角成型软模上型面与腹板成型软模下端贴合，下凸缘及R角成型软模的长度和宽度与筋条筋条下凸缘上型面的长度和宽度相等，下凸缘及R角成型软模的厚度与筋条下R角内型面半径相等。

上凸缘成型软模，腹板成型软模及下凸缘及R角成型软模的材料采用纤维增强复合材料或耐高温塑料。

上R角成型软模采用的刚性填料为纤维布预浸料，纤维毡预浸料或纤维丝束预浸料；上R角成型软模采用的基体材料为橡胶或高弹塑料。

本发明具有的优点和有益效果，

(1)上R角成型软模采用刚性与柔性共混固化的材料，增加了软模上R角区的刚度，使罐内压力更好的传递至加筋复合材料壁板上R角区，且此种上R角成型软模外形更为规整，可有效避免上R角区孔隙密集，分层，外形偏离等缺陷。

(2)利用下凸缘及R角成型软模来保证下凸缘及下R角区的内部质量及外形精度，特别是将下凸缘及R角成型软模的侧型面根据筋条下R角内型面的理论外形进行倒角，省去了进罐制备下R角成型软模的工序，一方面降低了模具制造成本，另一方面又提高了下R角区的外形精度。

(3)适当降低了加筋复合材料壁板内型面复合模上R角及下R角的自由度，使罐内压力在R角区得到了更好的传递，避免了R角区树脂堆积，纤维褶皱，外形偏离等缺陷，使加筋复合材料壁板更好的满足外形和装配对筋条内型面的高精度要求。

(4)加筋复合材料壁板内型面的复合模R角区的刚度增加后，在脱模过程中不易损坏，避免了之前软模R角区频繁修补的问题，而且由于刚度增加，降低了R角区软模型面修补的难度，降低了工艺成本。

附图说明

图1整体成型加筋复合材料壁板及筋条内型面的模具装配示意图；

图2复合模典型模具结构；

图3实施例1“工”型加筋复合材料壁板结构及组成示意图；

图4实施例1“工”型加筋复合材料壁板的内型面及其复合模位置关系示意图；

图5实施例1“工”型加筋复合材料壁板完好内型面典型图；

图6实施例1“工”型加筋复合材料壁板内型面典型缺陷图；

图7实施例2“J”型加筋复合材料壁板结构及组成示意图；

图8实施例2“J”型加筋复合材料壁板的内型面及其复合模位置关系示意图；

图9实施例3“C”型加筋复合材料壁板结构及组成示意图；

图10实施例3“C”型加筋复合材料壁板的内型面及其复合模位置关系示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。以图1所示典型结构为例，该加筋壁板为纵向带有三根“工”型截面加筋的壁板结构，采用缝合/RFI工艺整体成型，为满足筋条内型面与内置金属盒件的装配质量，要求三根“工”型加筋内型面与金属盒件外表面共面。采用传统模具方案成型的加筋壁板，筋条内型面特别是上、下R角处容易产生树脂堆积，纤维褶皱等问题，几乎不能满足筋条内型面与内置金属盒件共面的精度要求，而且常由于筋条上、下R角处加压不到位引起R角区分层等内部质量问题，通常需对成型后的“工”型加筋壁板内型面再进行机械加工或其他工艺补偿。这不仅延长了产品制造周期，还因机械加工或工艺补偿增加了制造成本。为解决上述问题，我们改进了筋条内型面成型模具方案，其成型模具结构及装配关系参见图2。本发明的复合模具包括上凸缘成型软模1、腹板成型软模2、上R角成型软模3、下凸缘及R角成型软模4。

按筋条上凸缘内型面设计上凸缘成型软模1的上型面，以保证筋条上凸缘内型面的成型精度，上凸缘成型软模1的宽度较上凸缘宽度增加1～3mm，以方便脱模。腹板成型软模2的侧型面应严格按照筋条腹板内型面来设计，长度及高度应与纤维预成型体一致，以防止树脂堆积，并保证筋条腹板内型面。上R角成型软模3采用刚性填料3a与基体材料3b共混固化的材料，如未硫化橡胶与接近橡胶硫化温度的碳/玻璃纤维预浸带共混固化，上R角成型软模3的外型面按照筋条上R角的内型面来设计，以上R角成型软模3为基准，上凸缘成型软模内端1a与腹板成型软模上端2a通过上R角成型软模3连接为一体，并通过上R角成型软模3进行长度、高度等方向上的定位，由于含有刚性材料，上R角成型软模3可以在构件成型过程中对筋条上R角区进行较好的压力传递并保证筋条上R角区的内型面精度，同时上R角成型软模3又具有一定的柔性，可以保证软模很好的与预成型体贴合，防止架桥等。下凸缘及R角成型软模4采用具刚度适中的材料，下凸缘及R角成型软模4的侧型面依照筋条下R角内型面由机械加工而成，以保证筋条下R角区的外形精度，按筋条下凸缘上型面来设计下凸缘及R角成型软模4的下型面，下凸缘及R角成型软模上型面4a与腹板成型软模下端2b贴合，并采用耐高温胶带连接，通过腹板成型软模2来定位下凸缘及R角成型软模4，结合上凸缘成型软模1与上R角成型软模3共同保证筋条内型面的成型精度。至此，上R角成型软模3采用刚性与柔性共混固化的材料来保证筋条上R角区的压力传递、型面精度及软模整体的柔性，下凸缘及R角成型软模4采用刚性材料及机械加工来保证筋条下R角区的压力传递及型面精度，并且以上R角成型软模3为基准，上凸缘成型软模1、腹板成型软模2、下凸缘及R角成型软模4依次定位，共同实现筋条内部质量改善及内型面高装配精度的要求。

实施例1：“工”型加筋壁板外形尺寸为2500mm×2500×240mm(长×宽×高)，蒙皮5上纵向带有3根截面为“工”型的加筋6，筋条上、下R角尺寸均为R5，通过RFI技术整体成型，如图3所示。筋条内型面在部分区域要与U型金属件7装配，故筋条上凸缘下型面8、筋条腹板内型面9、筋条上R角内型面10、筋条下凸缘上型面11及筋条下R角内型面12的型面精度必须控制在一定偏差范围以内，以达到装配要求，在此我们采用本发明模具方案。

a“工”型筋条上凸缘下型面8及筋条腹板内型面9为平面，上凸缘成型软模内端1a与腹板成型软模上端2a设计成平板结构，采用刚度适中的材料，厚度为2mm。上凸缘成型软模1宽度方向尺寸较筋条上凸缘下型面8理论宽度向外端增加3mm，长度方向尺寸与筋条上凸缘下型面8理论长度相等。腹板成型软模2长度、高度方向尺寸与筋条腹板内型面9理论外形尺寸相等。

b“工”型筋条上R角成型软模3的外型面依照筋条上R角内型面10设计，采用未硫化的橡胶及固化温度接近橡胶硫化温度的碳纤维预浸带共混固化而成。上R角成型软模3长度方向尺寸与筋条上R角内型面10长度方向尺寸相等，上R角成型软模3宽度方向上两端分别连接上凸缘成型软模内端1a与腹板成型软模上端2a，且向上凸缘成型软模内端1a与腹板成型软模上端2a各延伸10mm，以加强对上凸缘成型软模内端1a与腹板成型软模上端2a的连接与定位。

c“工”型筋条筋条下凸缘上型面11为平面，下凸缘及R角成型软模4设计成平板结构，采用刚度适中的材料，厚度为5mm，按照R5尺寸对下凸缘及R角成型软模4的侧型面进行倒角，下凸缘及R角成型软模上型面4a与腹板成型软模下端2b贴合，用耐高温胶带将下凸缘及R角成型软模4固定在腹板成型软模2上。

“工”型筋条上凸缘成型软模1、腹板成型软模2、上R角成型软模3、下凸缘及R角成型软模4及筋条内型面的具体位置关系见图4。

经实际验证，采用本发明的软模所成型“工”型筋条的内型面质量有很大改善，如图5所示，R角区域无褶皱、富脂等缺陷，外形满足“工”型筋条内型面与“U”型金属件的装配协调要求，脱模后软模几乎无损伤，用耐高温胶带固定后可继续使用，较传统软模所成型的“工”型筋条(图6)质量有很大提升。

实施例2：“J”型加筋壁板结构如图7，“J”型加筋壁板外形尺寸为2000mm×1500×140mm(长×宽×高)，蒙皮5上纵向带有3根截面为“J”型的加筋6，筋条上、下R角尺寸均为R3，通过RFI技术整体成型。筋条在腹板区开孔，对应开孔的U型金属件7要装配到“J”型筋条内型面，故筋条上凸缘下型面8、筋条腹板内型面9、筋条上R角内型面10、筋条下凸缘上型面11及筋条下R角内型面12的型面精度必须精确控制，以保证与U型金属件7外型面的装配协调性一致性，我们还采用本发明模具方案。

a依据“J”型筋条上凸缘下型面8及筋条腹板内型面9来设计上凸缘成型软模1与腹板成型软模2，材料选用厚度为3mm的玻璃钢层压板。上凸缘成型软模1宽度方向尺寸较“J”型筋条上凸缘下型面8理论宽度向外端增加2mm，上凸缘成型软模1与腹板成型软模2其余方向尺寸与“J”型筋条上凸缘下型面8及筋条腹板内型面9理论外形尺寸相等。

b“J”型筋条上R角成型软模3外型面依据筋条上R角内型面10设计，采用未硫化的橡胶及固化温度接近橡胶硫化温度的玻璃纤维预浸料共混固化而成，为适当定位上凸缘成型软模1及腹板成型软模2，上R角成型软模3贴合上凸缘成型软模内端1a与腹板成型软模上端2a，同时，向上凸缘成型软模内端1a下型面延伸8mm,向腹板成型软模上端2a内型面延伸10mm，上R角成型软模3长度方向尺寸与筋条上R角内型面10长度方向尺寸相等。

c“J”型筋条下凸缘及R角成型软模4下型面依据筋条下凸缘上型面11来设计，材料选用厚度为3mm的玻璃钢层压板，对下凸缘及R角成型软模4的侧型面进行R3的机械加工倒角，将下凸缘及R角成型软模4按照图8所示的位置关系粘贴在腹板成型软模2上。

经测量，采用本发明的软模所成型的三根“J”型筋条的内型面精度符合开孔“U”型金属件的装配需求，而且J”型筋条内型面无纤维褶皱、富脂等缺陷，较传统软模所成型的J”型筋条质量有很大提升。

实施例3：“C”型加筋壁板结构如图9，“C”型加筋壁板外形尺寸为2000mm×800×100mm(长×宽×高)，蒙皮5上纵向带有3根截面为“C”型的加筋6，筋条上R角尺寸为R5、下R角尺寸为R3，筋条下凸缘与蒙皮采用缝合方式进行层间增强，通过RFI技术整体成型。两个外侧筋条在腹板区开孔，对应开孔的U型金属件7要在“C”型筋条内型面开孔区进行装配，为保证“C”型筋条成型质量及装配要求，在此我们仍采用本发明模具方案。

a“C”型筋条上凸缘下型面8及筋条腹板内型面9为平面结构，选择2mm厚的铝质平板来加工上凸缘成型软模1及腹板成型软模2。上凸缘成型软模1宽度方向尺寸较“C”型筋条上凸缘下型面8理论宽度向外端增加2mm，上凸缘成型软模1长度方向尺寸及腹板成型软模2宽度、长度方向尺寸与“C”型筋条上凸缘下型面8及筋条腹板内型面9理论外形尺寸相等。

b“C”型筋条上R角成型软模3外型面依据筋条上R角内型面10设计，采用未硫化的Airpad橡胶及固化温度接近橡胶硫化温度的玻璃纤维预浸带共混固化而成，上R角成型软模3两端宽度方向上与上凸缘成型软模内端1a与腹板成型软模上端2a侧面相接合，并向上凸缘成型软模内端1a下型面及腹板成型软模上端2a内型面延伸5mm，以定位上凸缘成型软模1与腹板成型软模2，同时在接缝处粘接耐高温胶带，以适当加强定位，上R角成型软模3长度方向尺寸与筋条上R角内型面10长度方向尺寸相等。

c“C”型筋条筋条下凸缘上型面11为平面，选用厚度为3mm的铝质平板，筋条下凸缘及R角成型软模4宽度方向尺寸与C”型筋条筋条下凸缘上型面11相等，按照R3尺寸对下凸缘及R角成型软模4的侧型面进行机械加工倒角，采用耐高温胶带将下凸缘及R角成型软模4按照图10所示的位置关系粘贴在腹板成型软模2上。

经验证，采用本发明的软模所成型的三根“C”型筋条的内型面无纤维褶皱及不规整弯曲，上、下R角区域型面规整，无树脂堆积，满足“U”型金属件的装配要求，较传统软模所成型的C”型筋条质量有很大提升；模具脱模后损伤小，刮掉表面粘附树脂后仍可继续使用，降低了软模重复修整的时间成本及材料等制造成本。

Claims (3)

1.一种整体成型加筋复合材料壁板内型面的复合模，其特征在于：模具由上凸缘成型软模、腹板成型软模、上R角成型软模和下凸缘及R角成型软模组成，

(a)上凸缘成型软模(1)与筋条上凸缘下型面(8)贴合，上凸缘成型软模(1)采用铝或树脂基复合材料，上凸缘成型软模(1)的上型面依据筋条上凸缘下型面(8)的理论外形确定，上凸缘成型软模(1)的长度与筋条上凸缘下型面(8)长度相等，上凸缘成型软模(1)的宽度较筋条上凸缘下型面(8)的宽度增加1～3mm，上凸缘成型软模(1)的厚度为1～3mm；

(b)腹板成型软模(2)与筋条筋条腹板内型面(9)贴合，腹板成型软模(2)采用铝或树脂基复合材料，腹板成型软模(2)的侧型面依据筋条筋条腹板内型面(9)的理论外形确定，腹板成型软模(2)的长度、高度与筋条筋条腹板内型面(9)长度、高度相等，腹板成型软模(2)的厚度为1～3mm；

(c)上R角成型软模(3)外型面与筋条筋条上R角内型面(10)贴合，上R角成型软模(3)采用刚性填料(3a)与基体材料(3b)共混固化的材料，上R角成型软模(3)的外型面依据筋条筋条上R角内型面(10)的理论外形确定，上R角成型软模(3)贴合并粘接在上凸缘成型软模内端(1a)及腹板成型软模上端(2a)上，上R角成型软模(3)在宽度方向与上凸缘成型软模内端(1a)及腹板成型软模上端(2a)各搭接5～10mm，上R角成型软模(3)的长度与筋条筋条上R角内型面(10)长度相等；

(d)下凸缘及R角成型软模(4)与筋条筋条下凸缘上型面(11)及筋条下R角内型面(12)贴合,下凸缘及R角成型软模(4)采用铝或树脂基复合材料，下凸缘及R角成型软模(4)的下型面依据筋条筋条下凸缘上型面(11)的理论外形确定，下凸缘及R角成型软模(4)的侧型面依据筋条筋条下R角内型面(12)的理论外形确定，下凸缘及R角成型软模上型面(4a)与腹板成型软模下端(2b)贴合，下凸缘及R角成型软模(4)的长度和宽度与筋条筋条下凸缘上型面(11)的长度和宽度相等，下凸缘及R角成型软模(4)的厚度与筋条下R角内型面(12)半径相等。

2.根据权利要求1所述的一种整体成型加筋复合材料壁板内型面的复合模，其特征在于：上凸缘成型软模(1)，腹板成型软模(2)及下凸缘及R角成型软模(4)的材料采用纤维增强复合材料或耐高温塑料。

3.根据权利要求1所述的一种整体成型加筋复合材料壁板内型面的复合模，其特征在于：上R角成型软模(3)采用的刚性填料(3a)为纤维布预浸料，纤维毡预浸料或纤维丝束预浸料；上R角成型软模(3)采用的基体材料(3b)为橡胶或高弹塑料。