CN107031070A - 一种复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装及制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料热压罐成型工艺技术领域，具体涉及一种复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装，包括两个并列设置的芯材成型模，所述芯材成型模在相邻的边线处均为圆角结构；还包括盖板，所述盖板与两个所述圆角结构共同围成芯材所在的区域。还涉及了利用上述工装对芯材的制作工艺。该芯材制作工装及制作工艺在现有的多次固化再装配工艺的基础上，提高了零件的强度，并能够保障成型质量。由于采用了上述技术方案，本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明保障了零件中梁与蒙皮结合处的成型强度，进一步保障零件的成型质量。本发明工艺操作简单，可重复性强。

Description

一种复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装及制作 工艺

技术领域

本发明属于复合材料热压罐成型工艺技术领域，具体地，涉及一种复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装，以及利用该制作工装制作芯材的工艺。

背景技术

热压罐(Hot Air Autoelave或简写Atitoelave)是一种针对聚合物基复合材料成型工艺特点的工艺设备，使用这种设备进行成型工艺的方法叫热压罐成型法。热压罐成型法是制造连续纤维增强热固性复合材料制件的主要方法，目前广泛应用于先进复合材料结构、蜂窝夹层结构及金属或复合材料胶接结构的成型。材料成型时，利用热压罐内同时提供的均匀温度和均布压力而固化，所以可得到表面与内部质量高，形状复杂，面积巨大的复合材料制件。

热压罐成型法是目前国内外广泛采用的工艺方法之一，主要用于大尺寸、外形较复杂的航空、航天FRP构件的制造，如蒙皮件、梁、框、各种壁板件、地板及整流罩。热压罐成型法的基本原理是：将预浸料按铺层要求铺放于模具上，并密封在真空袋中后放入热压罐中，经过热压罐设备加温、加压，完成材料固化反应，使预浸料坯件成为所需形状和满足质量要求的构件的工艺方法。

碳纤维增强树脂基复合材料具有比强度和比模量高以及可设计性强和易于整体成型等优势，因此在航空领域有广泛应用，尤其是在民用飞机方面。复合材料成型技术很多，预浸料-热压罐工艺以其优异的产品质量占据着重要位置，有共固化，共胶结，二次胶结等方式。

目前在国内外军民机项目中所采用的复合材料盒段结构件通常采用以下几种方式制造：

1、复合材料蒙皮与梁零件单独制造后通过装配连接成盒段；

2、RTM工艺；

3、橡胶气囊成型工艺。

以上三种工艺方法中，第1种方法采用胶接工装，盒段的蒙皮与梁零件定位误差大，不能保证梁高度和上下蒙皮的平行度，而且制造周期长，成本大。第2种方法和第3种方法为整体共固化成型，虽然缩短了周期，降低了成本，但是无法保证零件的成型质量。第2种方法对树脂流动性要求很高，只能适用于特定的树脂体系，并且成型的制件树脂含胶量较高且不稳定，不能用于飞机的承力盒段结构。第3种方法采用橡胶气囊膨胀加压，由于气囊在型腔内，导致整个制件和模具的温度均匀性较差，且存在橡胶老化、膨胀量计算困难等问题，容易造成加压不均，从而引起位置偏移、弯曲变形等问题，整体盒段质量得不到保障。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的成型质量差的问题，提供一种复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装及制作工艺；该芯材制作工装及制作工艺在现有的多次固化再装配工艺的基础上，提高了零件的强度，并能够保障成型质量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装，包括两个并列设置的芯材成型模，所述芯材成型模在相邻的边线处均为圆角结构；还包括盖板，所述盖板与两个所述圆角结构共同围成芯材所在的区域。

零件的薄弱环节通常是在梁与蒙皮的连接处，而芯材预浸料铺叠的多少及形状成为了芯材的制作难题。本发明的制作工装是根据梁坯料与蒙皮坯料之间的材料真空，制作而成的一专用成型模具。芯材填充了梁坯料与蒙皮坯料接触位置的材料真空，进一步提高了零件的成型强度。

作为优选方式，所述两个并列设置的芯材成型模相互固定连接。一体式设置，简便工艺操作。

作为优选方式，所述芯材成型模的圆角结构的半径，与梁坯料和蒙皮坯料之间的圆角半径相等。芯材的预浸料过多，则会产生过度干涉，对零件的形状造成偏差；芯材预浸料过少，则不能起到应有的结构强化作用。

作为优选方式，所述盖板分别设置在芯材成型模的两侧。两个盖板，一次可成型两个芯材，提高工作效率。

利用上述的复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装制作芯材的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

G1、将芯材预浸料放置在芯材成型区上,芯材预浸料的填充量足以充满芯材成型区，使芯材预浸料与芯材成型区发生干涉；

G2、盖上盖板，并修剪芯材成型区两端的芯材预浸料；

G3、封装真空包袋，进行固化处理；

G4、拆开真空包袋，进行脱模处理；

G5、将芯材放置在相邻两个筋条与蒙皮预浸料所夹的空间内。

通过上述组件和步骤，能够制作出满足要求的芯材，将芯材铺装在梁坯料和蒙皮坯料之间，使三者一体共固化成型，提高零件的成型质量。

作为优选方式，所述步骤G1中，芯材预浸料先卷成实心筒状，再放置在芯材成型区上。将预浸料环形铺叠，满足芯材的成型形状，还节省了材料。

作为优选方式，所述步骤G1中，所述芯材预浸料在芯材成型区的两端均有余量20-30mm。

作为优选方式，所述步骤G3中，真空度在-0.88Bar以下，烘箱内的温度为60℃，持续20-30分钟。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、本发明保障了零件中梁与蒙皮结合处的成型强度，进一步保障零件的成型质量。

2、本发明工艺操作简单，可重复性强。

附图说明

图1是刚型板示意图。

图2是外侧软模成型工装示意图。

图3是外侧软模成型工装制作带刚型板外侧软模断面图。

图4是带刚型板外侧软模示意图。

图5是内侧软模成型工装示意图一。

图6是内侧软模成型工装示意图二。

图7是内侧软模成型工装制作内侧软模断面图。

图8是内侧软模示意图。

图9是外侧软模成型工装制作不带刚型板外侧软模断面图。

图10是不带刚型板外侧软模示意图。

图11是筋条铺叠模示意图。

图12是梁模具组件定位支架示意图。

图13是梁模具组件与筋条的组装示意图一。

图14是梁模具组件与筋条的组装示意图二。

图15是梁模具组件与筋条的组装示意图三。

图16是下壁板成型模示意图。

图17是上壁板成型模示意图。

图18芯材制作工装示意图。

图19是梁模具组件及筋条、芯材与下壁板成型模的组装示意图。

图20是梁模具组件定位支架拆除示意图。

图21是支撑件示意图。

图22是梁和蒙皮共固化成型工装示意图。

图23是梁和蒙皮共固化成型工装侧视图。

图24是A部放大图。

附图24中的填充区域a表示筋条坯料，b表示蒙皮坯料，d表示芯材坯料。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装，如图18所示，包括两个并列设置的芯材成型模810，所述芯材成型模810在相邻的边线处均为圆角结构；还包括盖板820，所述盖板820与两个所述圆角结构共同围成芯材所在的区域811。

具体地，所述两个并列设置的芯材成型模810相互固定连接。所述芯材成型模810的圆角结构的半径，与梁坯料和蒙皮坯料之间的圆角半径相等。所述盖板820分别设置在芯材成型模810的两侧。

利用上述的复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装制作芯材的工艺，包括如下步骤：

G1、将芯材预浸料放置在芯材成型区811上,芯材预浸料的填充量足以充满芯材成型区811，使芯材预浸料与芯材成型区811发生干涉；

G2、盖上盖板820，并修剪芯材成型区811两端的芯材预浸料；

G3、封装真空包袋，进行固化处理；

G4、拆开真空包袋，进行脱模处理；

G5、将芯材放置在相邻两个筋条与蒙皮预浸料所夹的空间内。

所述步骤G1中，芯材预浸料先卷成实心筒状，再放置在芯材成型区811上。

所述步骤G1中，所述芯材预浸料在芯材成型区811的两端均有余量20-30mm。

所述步骤G3中，真空度在-0.88Bar以下，烘箱内的温度为60℃，持续20-30分钟。

以下对各成型工装及辅助工装进行介绍：

复合材料多梁盒段共固化成型用梁模具组件，包括并列设置的至少三个梁模具；相邻的两个梁模具，在相邻一侧均包括有用于夹持梁坯料的型板，且所述夹持梁坯料的型板中有一个为刚性，另一个为柔性。

具体地，如图4所示，所述梁模具组件包括带刚型板外侧软模120，所述带刚型板外侧软模120为一U型槽体。

如图8所示，所述梁模具组件包括内侧软模130，所述内侧软模130为一筒体。

如图8所示，所述内侧软模130的筒体上设置有缺角结构。

所述带刚型板外侧软模120和内侧软模130均由一刚型板100两侧连接柔性型板制成。具体地，如图3所示，所述带刚型板外侧软模120的柔性型板由带刚型板外侧软模外侧橡胶121和带刚型板外侧软模内侧橡胶122，中间夹带刚型板外侧软模预浸料123组成；如图7所示，所述内侧软模130的柔性型板由内侧软模外侧橡胶131和内侧软模内侧橡胶132，中间夹内侧软模预浸料133组成。

如图3、7所示，所述刚型板110的两侧为斜面，且所述斜面朝向刚型板110的内侧面。

如图1所示，所述刚型板110的两端均设置有固定耳111；所述刚型板110的内侧面还设置有加强筋112。

所述梁模具组件包括不带刚型板外侧软模140，所述不带刚型板外侧软模140为一U型槽体。

所述不带刚型板外侧软模140由柔性型板制成，如图9所示，所述不带刚型板外侧软模140的柔性型板由不带刚型板外侧软模外侧橡胶142和不带刚型板外侧软模内侧橡胶141，中间夹不带刚型板外侧软模预浸料143组成。

上述预浸料层采用织物预浸料铺叠2-3层。

复合材料多梁盒段共固化成型用梁模具组件成型工装，包括外侧软模成型工装400和内侧软模成型工装500，如图2所示，所述外侧软模成型工装400为一U型槽体；如图5所示，所述内侧软模成型工装500为一由两个U型槽体组合而成的筒体。

如图2所示，所述外侧软模成型工装400的两端设置有外侧软模限位块410。

如图6所示，所述内侧软模成型工装500包括内侧软模成型工装上模体520和内侧软模成型工装下模体530，所述内侧软模成型工装上模体520和内侧软模成型工装下模体530均为U型槽体，两者通过设置在侧边的定位块540组合成一筒体。

如图5所示，所述内侧软模成型工装上模体520和内侧软模成型工装下模体530的两端分别设置有内侧软模限位块510。

如图5所示，所述内侧软模成型工装上模体520的上部设置有内侧软模吊装板521和内侧软模转轴522。

如图5所示，所述内侧软模成型工装上模体520的两端还设置有刚型板固定耳523。

复合材料多梁盒段共固化成型用梁模具组件定位支架，如图12所示，包括两组相对设置的定位支架300，所述定位支架300上分别设置有至少两组位置相对的固定板330。

如图12所示，所述定位支架300上设置有定位板，所述定位板上设置有定位销孔。所述定位支架300由相互固定的横梁310和竖梁320组成，所述固定板330设置在所述竖梁320上。所述横梁310与所述竖梁320互相垂直。所述竖梁320设置有至少两个。所述定位支架300的高度小于梁模具组件的高度。

以下对复合材料多梁盒段共固化成型工艺进行介绍，以使本领域技术人员能够实施本发明。一种复合材料多梁盒段共固化成型工艺，包括如下步骤：

A、梁模具组件的制作步骤；

B、梁坯料的制作步骤；

C、梁模具组件与梁坯料的组装步骤；

D、蒙皮模具组件及蒙皮坯料的制作步骤；

E、梁模具组件及梁坯料与蒙皮模具组件及蒙皮坯料的组装步骤。

以下详细介绍A、B、C、D、E各步骤所采用的辅助工装及工艺方法：

A、所述梁模具组件的制作步骤包括：

A1、带刚性型板的外侧梁模的制作步骤：

A1.1、如图1所示，制作一刚型板110，所述刚型板110与其预成型的梁的轮廓相同，其相对的两端分别设置有固定耳111；刚型板110的外形、尺寸和孔位参数由梁零件物理特性决定；

A1.2、如图2所示，制作一外侧软模成型工装400，所述外侧软模成型工装400为一U型槽体，其槽底与所述刚型板110的轮廓相同；

A1.3、如图3所示，将所述刚型板110放置在所述外侧软模成型工装400的槽底，并在所述外侧软模成型工装400的槽壁上铺叠橡胶夹预浸料柔性型板，且所述柔性型板与所述刚型板110的两侧分别连接；

A1.4、如图4所示，将刚型板110与橡胶夹预浸料柔性型板一起进行固化、再脱模处理，得到带刚型板外侧软模120；带刚型板外侧软模120的型面精度和质量与零件验收技术条件相同；此软模用于外侧型面成型；

A2、内侧梁模的制作步骤：

A2.1、如图1所示，制作一刚型板110，所述刚型板110与其预成型的梁的轮廓相同，所述刚型板110相对的两端分别设置有固定耳111；刚型板110的外形、尺寸和孔位参数由梁零件物理特性决定；

A2.2、如图5、6所示，制作一内侧软模成型工装500，所述内侧软模成型工装500为一由两个U型槽体组合而成的筒体，其中一个U型槽体的槽底与所述刚型板110的轮廓相同；

A2.3、如图7所示，将所述刚型板110放置在与其轮廓相同的槽底，并在所述内侧软模成型工装500的其余内筒壁上铺叠橡胶夹预浸料柔性型板，且所述柔性型板与所述刚型板110的两侧分别连接；

A2.4、如图8所示，将刚型板110与橡胶夹预浸料柔性型板一起进行固化、再脱模处理，得到内侧软模130；内侧软模130的型面精度和质量与零件验收技术条件相同，根据需要制作相应数量即可；此软模用于中间型面成型；

A3、不带刚性型板的外侧梁模的制作步骤：

A3.1、如图2所示，制作一外侧软模成型工装400，所述外侧软模成型工装400为一U型槽体，其槽底与其预成型的梁的轮廓相同；

A3.2、如图9所示，在所述外侧软模成型工装400的槽底及槽壁上铺叠橡胶夹预浸料柔性型板；

A3.3、如图10所示，将橡胶夹预浸料柔性型板进行固化、再脱模处理，得到不带刚型板外侧软模140；此软模用于最外侧型面成型。

其中，步骤A1、A2、A3可并行，并无先后顺序限制，并行操作可提高工作效率。注意将制作好的软模用隔离材料保护。

B、所述梁坯料的制作步骤包括：

B1、如图11所示，制作筋条铺叠模700，所述筋条铺叠模700包括一与梁轮廓相同的外表面；

B2、在筋条铺叠模700的外表面及外表面的侧面铺叠预浸料，再将预浸料取下，得到一U型槽体形状的筋条；

B3、重复进行上述操作，制作至少四个筋条。

C、所述梁模具组件与梁坯料的组装步骤包括：

C1、如图12所示，制作一梁模具组件定位支架，所述梁模具组件定位支架包括两组相对设置的定位支架300，所述定位支架300上分别设置有至少两组位置相对的固定板330；

C2、如图13所示，将带刚型板外侧软模120的固定耳111安装于所述定位支架300的最外侧的一组固定板330上，且所述带刚型板外侧软模120的槽口朝向定位支架300的外侧；

C3、如图14所示，在带刚型板外侧软模120的外侧放置筋条，且所述筋条的槽口朝向带刚型板外侧软模120的一侧；再反向放置另一筋条；

C4、如图14所示，将内侧软模130的固定耳111安装于下一组固定板330上，且所述内侧软模130的柔性型板一侧与带刚型板外侧软模120相邻；

C5、如图15所示，在内侧软模130上放置筋条，且所述筋条的槽口朝向内侧软模130的一侧；再反向放置另一筋条；

C6、在筋条上放置所述不带刚型板外侧软模140，且所述不带刚型板外侧软模140的槽口朝向定位支架300的外侧。

D、所述蒙皮模具组件及蒙皮坯料的制作步骤包括：

D1、如图16所示，制作下壁板成型模210，并在下壁板成型模210的下蒙皮型板214上铺装蒙皮坯料；

D2、如图17所示，制作上壁板成型模230，并在上壁板成型模230的上蒙皮型板235上铺装蒙皮坯料。

E、所述梁模具组件及梁坯料与蒙皮模具组件及蒙皮坯料的组装步骤包括：

E1、如图19所示，在铺装蒙皮坯料的下壁板成型模210上安装定位柱150，所述定位柱150的上部设置有用于固定所述固定耳111的安装孔，定位柱150成对设置至少两组；

E2、如图20所示，分别将所述带刚型板外侧软模120和内侧软模130的固定耳111安装于定位柱150上，再卸下定位支架300；

E3、如图21所示，在所述下壁板成型模210上安装支撑件220；

E4、如图22所示，将铺装蒙皮坯料的上壁板成型模230安装于所述支撑件220的另一端。

最后，将不带刚型板外侧软模140设置在梁模具组件的最外侧，也就是带刚型板外侧软模120的相对一侧；再封装并检查真空系统，真空度须达到-0.88Bar以下，5分钟内真空泄露不得超过0.17Bar。随即进入热压罐进行固化处理，在固化完成后拆卸工装，即可从工装上取下零件，实现脱模。

如图23所示，梁模具组件与下壁板成型模210和上壁板成型模230共同构成坯料填充区域，即为最终梁坯料和蒙皮坯料的位置。如图24所示，为图23中A部放大示意图，a为截面呈C字型的筋条，两个筋条开口相背地组合呈一工字型的梁坯料，梁坯料与蒙皮坯料b连接，中间芯材坯料d，实现整体共固化成型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装，其特征在于：包括两个并列设置的芯材成型模(810)，所述芯材成型模(810)在相邻的边线处均为圆角结构；还包括盖板(820)，所述盖板(820)与两个所述圆角结构共同围成芯材所在的区域(811)。

2.根据权利要求1所述的复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装，其特征在于：所述两个并列设置的芯材成型模(810)相互固定连接。

3.根据权利要求1所述的复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装，其特征在于：所述芯材成型模(810)的圆角结构的半径，与梁坯料和蒙皮坯料之间的圆角半径相等。

4.根据权利要求1所述的复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装，其特征在于：所述盖板(820)分别设置在芯材成型模(810)的两侧。

5.利用权利要求1所述的复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装制作芯材的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

G1、将芯材预浸料放置在芯材成型区(811)上,芯材预浸料的填充量足以充满芯材成型区(811)，使芯材预浸料与芯材成型区(811)发生干涉；

G2、盖上盖板(820)，并修剪芯材成型区(811)两端的芯材预浸料；

G3、封装真空包袋，进行固化处理；

G4、拆开真空包袋，进行脱模处理；

G5、将芯材放置在相邻两个筋条与蒙皮预浸料所夹的空间内。

6.根据权利要求5所述的复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装制作芯材的工艺，其特征在于：所述步骤G1中，芯材预浸料先卷成实心筒状，再放置在芯材成型区(811)上。

7.根据权利要求5所述的复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装制作芯材的工艺，其特征在于：所述步骤G1中，所述芯材预浸料在芯材成型区(811)的两端均有余量20-30mm。

8.根据权利要求5所述的复合材料多梁盒段共固化成型用芯材制作工装制作芯材的工艺，其特征在于：所述步骤G3中，真空度在-0.88Bar以下，烘箱内的温度为60℃，持续20-30分钟。