CN108162430A - 一种异形复合材料网格蒙皮舱段成型方法 - Google Patents

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    • B29C70/342—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation using isostatic pressure

Abstract

一种异形复合材料网格蒙皮舱段成型方法，涉及复合材料成型工艺技术领域；包括如下步骤：步骤(一)、制作异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具；步骤(二)、在环向筋条深槽区域铺制碳布预浸料；步骤(三)、缠绕碳纤维预浸丝，对环向筋条深槽区域进行填充；步骤(四)、缠绕碳纤维预浸丝，碳纤维预浸料铺层；步骤(五)、第一次抽真空吸胶处理；步骤(六)、碳纤维预浸料铺层，进行第二次抽真空吸胶处理；步骤(七)、缠绕碳纤维预浸丝，碳纤维预浸料铺层抽真空固化处理；步骤(八)、拆除模具，得到异型网格碳纤维预浸料舱段；本发明解决了阳模瓣的脱模、阴模瓣的定位加压等难题，保证了产品的内部质量及型面精度要求。

Description

一种异形复合材料网格蒙皮舱段成型方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料成型工艺技术领域，特别是一种异形复合材料网格蒙皮舱段成型方法。
背景技术
复合材料网格结构是一种网状筋条结构，网格中的筋条由单向纤维预浸丝缠绕而成，可根据筋条中的网格形状分为正交网格结构、三角网格结构及六边形网格结构。其突出特点是比强度/比模量高、生产成本低、结构效率高、稳定性突出等，在运载火箭整流罩、级间段、战略导弹头罩、级间段、过渡段等多种舱段中应用了复合材料网格结构。例如，1997年，美国空军研究实验室空间运载管理局与轨道科技公司合作开发了一种复合材料网格结构整流罩，比现用的铝质整流罩减轻60％，而且该整流罩采用纤维缠绕技术实现了自动化生产，大大降低了成本。
复合材料网格结构舱段常用的模具结构形式有以下两种：一种是硬模法，热压罐工艺。在金属阳模块中开筋槽，将碳纤维预浸丝缠入筋槽中形成网格结构。该方法成型的产品尺寸稳定性好、精度高，但模具设计、加工难度大，筋条两侧不易实现加压，成型质量难以控制；另一种是复合模具法，将硅橡胶软模固定在刚性的硬模(金属模)上，硬模保证网格舱段的基本形状，硅橡胶模中留有筋槽，通过碳纤维预浸丝缠绕在硅橡胶网格中形成筋条。该方法脱模难度较小，而且由于硅橡胶具有极大的热膨胀特性，可实现筋条两侧的加压，保证产品的成型质量。但由于硅橡胶的高弹性，筋条的位置精度较差，成型的产品尺寸偏差较大，硅橡胶在持续生产过程中的损耗也较大。
目前国内航天材料及工艺研究所、西安航天复合材料研究所及哈尔滨玻璃钢院等科研院所都研制了各种尺寸、类型的复合材料网格结构舱段，但这些舱段基本都是圆柱体、圆锥体或锥柱一体等结构简单、规则的形状。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种异形复合材料网格蒙皮舱段成型方法，通过优化预浸丝缠绕-预浸料铺层工艺设计，解决了阳模瓣的脱模、阴模瓣的定位加压等难题，保证了产品的内部质量及型面精度要求。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种异形复合材料网格蒙皮舱段成型方法，包括如下步骤：
步骤(一)、制作异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具
异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具包括芯模、分瓣阳模、外阴模、上端框压环和下端框压环；其中，芯模位于成型模具的中心位置；分瓣阳模包覆在芯模的外壁；上端框压环水平固定安装在芯模的顶端；下端框压环水平固定安装在芯模的底端；分瓣阳模沿水平方向设置有环向筋槽；分瓣阳模沿竖直方向设置有纵向筋槽；外阴模包覆在分瓣阳模的外壁；
步骤(二)、将成型模具放置在外部缠绕机上；在环向筋条深槽区域铺制碳布预浸料；
步骤(三)、取1～4根碳纤维预浸丝沿环向筋槽进行缠绕1～4圈；缠绕完全部环向筋槽后，用碳纤维预浸丝对环向筋条深槽区域进行填充；
步骤(四)、采用碳纤维预浸丝对分瓣阳模上的环向筋槽和纵向筋槽全面缠绕；每缠绕完5-7层碳纤维预浸丝，采用碳纤维预浸料依次对上端框过渡区、下端框过渡区和碳纤维预浸料加厚区进行铺层；
步骤(五)、重复步骤(四)N次；4≤N≤12，且N为正整数；在分瓣阳模外表面包覆真空袋，进行第一次抽真空吸胶处理；
步骤(六)、拆除真空袋；继续采用碳纤维预浸丝缠绕，在分瓣阳模外表面采用碳纤维预浸料依次对上端框过渡区、下端框过渡区和碳纤维预浸料加厚区进行铺层；包覆真空袋，进行第二次抽真空吸胶处理；
步骤(七)、再次采用1-4层碳纤维预浸料依次对上端框过渡区、下端框过渡区和碳纤维预浸料加厚区进行铺层；安装上端框压环和下端框压环，安装外阴模；包覆真空袋，进行抽真空固化处理；
步骤(八)、依次拆除上端框压环、下端框压环、外阴模、芯模和分瓣阳模，得到异型网格碳纤维预浸料舱段。
在上述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，所述步骤(二)中，环向筋条深槽区域位于成型模具的弯弧拐角处，环向筋条深槽区域的槽深深于环向筋条平直区域。
在上述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，所述步骤(二)中，碳布预浸料的铺制方法为：将碳布预浸料放入环向筋条深槽区域的深槽内；沿竖直方向将碳布预浸料分别向上、向下外翻至分瓣阳模表面；外翻长度为10-40mm。
在上述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，所述步骤(三)中，采用碳纤维预浸丝对环向筋条深槽区域填充，直至环向筋条深槽区域内碳纤维预浸丝的厚度高于纵向筋槽槽底部2-6mm。
在上述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，所述步骤(四)中，碳纤维预浸料进行铺层层数d的计算方法为：
d＝(n×h)/(b×c)
式中，n为缠绕组个数；
h为筋条的高度；
b为碳纤维预浸丝缠绕组数；
c为单层碳纤维预浸料的厚度。
在上述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，所述步骤(五)中，重复步骤(四)的次数N的计算方法为：
N＝S/(L×δ×a×b)
式中，S为环向筋槽与纵向筋槽形成网格筋条截面积；
L为单根预浸丝的宽度；
δ为预浸丝厚度；
a为每层缠入碳纤维预浸丝的根数；
b为碳纤维预浸丝缠绕组数。
在上述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，所述步骤(五)中，抽真空吸胶处理的工艺条件为：升温速率为10～40℃/h，温度50～90℃，压力0.2～0.4MPa。
在上述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，所述步骤(六)中，第二次抽真空吸胶处理的工艺条件为升温速率为10～40℃/h，温度50～90℃，压力0.2～0.4MPa。
在上述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，所述步骤(七)中，抽真空固化处理的工艺条件为：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。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用钢制芯模，铝合金分瓣阳模块，既保证了模具的结构刚度，降低了模具重复使用过程中变形的可能性，又降低了阳模块的加工难度；通过设计脱模孔，使之与纵、环向筋条方向保持平行，解决了阳模块的脱模难题。
(2)本发明通过在上、下端框压环、外阴模中设计可移动的定位、连接孔，通过定位连接工装，使得外阴模只能沿孔位置的法向运动，不能发生偏移，保证了产品的顺利压实及型面精度；
(3)本发明通过在环向筋条变高度区铺覆碳布预浸料并外翻至碳纤维预浸料区的工艺措施解决了环向筋条变高度区应力响应较大，与碳纤维预浸料连接强度较低的问题；通过先缠绕环向筋条再补丝的工艺方案提高了环向筋条的整体性能，并且在大量试验基础上，提出了环向筋条变高度区预浸丝填充量以环向筋条变高度区的整体高度高出纵向筋槽表面2～6mm的原则，保证了环向筋条变高度区的内部质量；
(4)本发明通过预浸丝缠绕组的工艺设计，将筋条预浸丝缠绕与碳纤维预浸料加厚区铺层及端框铺层进行了有机结合，使得筋条与端框、碳纤维预浸料加厚区构成了一个统一的整体，工艺操作控制简便，保证了异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段的整体性和质量的一致性。
附图说明
图1为本发明异型网格碳纤维预浸料舱段示意图；
图2为本发明异型网格碳纤维预浸料舱段剖视图；
图3为本发明异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段模具示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明通过以下步骤，实现了异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段一次整体固化成型。
步骤(一)、制作异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具
如图3所示为异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段模具示意图，由图可知，异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具包括芯模1、分瓣阳模2、外阴模3、上端框压环4和下端框压环5；其中，芯模1位于成型模具的中心位置；分瓣阳模2包覆在芯模1的外壁；上端框压环4水平固定安装在芯模1的顶端；下端框压环5水平固定安装在芯模1的底端；分瓣阳模2沿水平方向设置有环向筋槽；分瓣阳模2沿竖直方向设置有纵向筋槽；外阴模3包覆在分瓣阳模2的外壁；
步骤(二)、将成型模具放置在外部缠绕机上；在环向筋条深槽区域9铺制碳布预浸料；环向筋条深槽区域9位于成型模具的弯弧拐角处，环向筋条深槽区域9的槽深深于环向筋条平直区域。碳布预浸料的铺制方法为：将碳布预浸料放入环向筋条深槽区域9的深槽内；沿竖直方向将碳布预浸料分别向上、向下外翻至分瓣阳模2表面；外翻长度为10-40mm。
步骤(三)、取1～4根碳纤维预浸丝沿环向筋槽进行缠绕1～4圈；缠绕完全部环向筋槽后，用碳纤维预浸丝对环向筋条深槽区域9进行填充；直至环向筋条深槽区域9内碳纤维预浸丝的厚度高于纵向筋槽槽底部2-6mm。
步骤(四)、采用碳纤维预浸丝对分瓣阳模2上的环向筋槽和纵向筋槽全面缠绕；每缠绕完5-7层碳纤维预浸丝，采用碳纤维预浸料依次对上端框过渡区6、下端框过渡区7和碳纤维预浸料加厚区8进行铺层；
碳纤维预浸料进行铺层层数d的计算方法为：
d＝(n×h)/(b×c) (1)
式中，n为缠绕组个数；
h为筋条的高度；
b为碳纤维预浸丝缠绕组数；
c为单层碳纤维预浸料的厚度。
步骤(五)、重复步骤(四)N次；4≤N≤12，且N为正整数；在分瓣阳模2外表面包覆真空袋，进行第一次抽真空吸胶处理；重复步骤(四)的次数N的计算方法为：
N＝S/(L×δ×a×b) (2)
式中，S为环向筋槽与纵向筋槽形成网格筋条截面积；
L为单根预浸丝的宽度；
δ为预浸丝厚度；
a为每层缠入碳纤维预浸丝的根数；
b为碳纤维预浸丝缠绕组数。
抽真空吸胶处理的工艺条件为：升温速率为10～40℃/h，温度50～90℃，压力0.2～0.4MPa。
步骤(六)、拆除真空袋；继续采用碳纤维预浸丝缠绕，在分瓣阳模2外表面采用碳纤维预浸料依次对上端框过渡区6、下端框过渡区7和碳纤维预浸料加厚区8进行铺层；包覆真空袋，进行第二次抽真空吸胶处理；第二次抽真空吸胶处理的工艺条件为升温速率为10～40℃/h，温度50～90℃，压力0.2～0.4MPa。
步骤(七)、再次采用1-4层碳纤维预浸料依次对上端框过渡区6、下端框过渡区7和碳纤维预浸料加厚区8进行铺层；安装上端框压环4和下端框压环5，安装外阴模3；包覆真空袋，进行抽真空固化处理；抽真空固化处理的工艺条件为：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。
步骤(八)、如图1所示为异型网格碳纤维预浸料舱段示意图，由图可知，依次拆除上端框压环4、下端框压环5、外阴模3、芯模1和分瓣阳模2，得到异型网格碳纤维预浸料舱段。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种异形复合材料网格蒙皮舱段成型方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(一)、制作异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具
异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具包括芯模(1)、分瓣阳模(2)、外阴模(3)、上端框压环(4)和下端框压环(5)；其中，芯模(1)位于成型模具的中心位置；分瓣阳模(2)包覆在芯模(1)的外壁；上端框压环(4)水平固定安装在芯模(1)的顶端；下端框压环(5)水平固定安装在芯模(1)的底端；分瓣阳模(2)沿水平方向设置有环向筋槽；分瓣阳模(2)沿竖直方向设置有纵向筋槽；外阴模(3)包覆在分瓣阳模(2)的外壁；
步骤(二)、将成型模具放置在外部缠绕机上；在环向筋条深槽区域(9)铺制碳布预浸料；
步骤(三)、取1～4根碳纤维预浸丝沿环向筋槽进行缠绕1～4圈；缠绕完全部环向筋槽后，用碳纤维预浸丝对环向筋条深槽区域(9)进行填充；
步骤(四)、采用碳纤维预浸丝对分瓣阳模(2)上的环向筋槽和纵向筋槽全面缠绕；每缠绕完5-7层碳纤维预浸丝，采用碳纤维预浸料依次对上端框过渡区(6)、下端框过渡区(7)和碳纤维预浸料加厚区(8)进行铺层；
步骤(五)、重复步骤(四)N次；4≤N≤12，且N为正整数；在分瓣阳模(2)外表面包覆真空袋，进行第一次抽真空吸胶处理；
步骤(六)、拆除真空袋；继续采用碳纤维预浸丝缠绕，在分瓣阳模(2)外表面采用碳纤维预浸料依次对上端框过渡区(6)、下端框过渡区(7)和碳纤维预浸料加厚区(8)进行铺层；包覆真空袋，进行第二次抽真空吸胶处理；
步骤(七)、再次采用1-4层碳纤维预浸料依次对上端框过渡区(6)、下端框过渡区(7)和碳纤维预浸料加厚区(8)进行铺层；安装上端框压环(4)和下端框压环(5)，安装外阴模(3)；包覆真空袋，进行抽真空固化处理；
步骤(八)、依次拆除上端框压环(4)、下端框压环(5)、外阴模(3)、芯模(1)和分瓣阳模(2)，得到异型网格碳纤维预浸料舱段。
2.根据权利要求1所述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，其特征在于：所述步骤(二)中，环向筋条深槽区域(9)位于成型模具的弯弧拐角处，环向筋条深槽区域(9)的槽深深于环向筋条平直区域。
3.根据权利要求1所述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，其特征在于：所述步骤(二)中，碳布预浸料的铺制方法为：将碳布预浸料放入环向筋条深槽区域(9)的深槽内；沿竖直方向将碳布预浸料分别向上、向下外翻至分瓣阳模(2)表面；外翻长度为10-40mm。
4.根据权利要求1所述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，其特征在于：所述步骤(三)中，采用碳纤维预浸丝对环向筋条深槽区域(9)填充，直至环向筋条深槽区域(9)内碳纤维预浸丝的厚度高于纵向筋槽槽底部2-6mm。
5.根据权利要求1所述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，其特征在于：所述步骤(四)中，碳纤维预浸料进行铺层层数d的计算方法为：
d＝(n×h)/(b×c) (1)
式中，n为缠绕组个数；
h为筋条的高度；
b为碳纤维预浸丝缠绕组数；
c为单层碳纤维预浸料的厚度。
6.根据权利要求1所述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，其特征在于：所述步骤(五)中，重复步骤(四)的次数N的计算方法为：
N＝S/(L×δ×a×b) (2)
式中，S为环向筋槽与纵向筋槽形成网格筋条截面积；
L为单根预浸丝的宽度；
δ为预浸丝厚度；
a为每层缠入碳纤维预浸丝的根数；
b为碳纤维预浸丝缠绕组数。
7.根据权利要求6所述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，其特征在于：所述步骤(五)中，抽真空吸胶处理的工艺条件为：升温速率为10～40℃/h，温度50～90℃，压力0.2～0.4MPa。
8.根据权利要求1所述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，其特征在于：所述步骤(六)中，第二次抽真空吸胶处理的工艺条件为升温速率为10～40℃/h，温度50～90℃，压力0.2～0.4MPa。
9.根据权利要求1所述的一种异形复合材料网格碳纤维预浸料舱段成型模具，其特征在于：所述步骤(七)中，抽真空固化处理的工艺条件为：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。
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