CN108215248A - 一种变厚度预制体的定位及厚度检测的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于树脂基复合材料液态成型技术，涉及一种变厚度预制体的定位及厚度检测的装置和方法。装置包括型面工装、横向卡板及纵向卡板；型面工装为一平板，分为型面区域和定位区域，型面区域以预制体的下表面为基准进行加工，基于预制体上的横向定位线在定位区域上加工横向刻线，基于预制体上的纵向定位线在定位区域加工纵向刻线；横向卡板、纵向卡板的检测面以预制体的上表面为基准进行加工，横向卡板、纵向卡板与型面工装的定位区域通过销钉孔定位，定位后，横向卡板的中心线与定位区域的横向刻线对齐，纵向卡板的中心线与定位区域的纵向刻线对齐。本发明能对复杂结构预制体在合模前的型面状态进行预判和处理，显著提高了复合材料制件的成品率。
Description
技术领域
本发明属于树脂基复合材料液态成型技术，涉及一种变厚度预制体的定位及厚度检测的装置和方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、便于大面积整体成形等独特的优点，已广泛应用于航空飞行器和发动机结构，成为航空装备的关键材料，其用量也已成为航空装备先进性的标志之一。
树脂转移模塑成型技术，简称RTM成型技术(Resin Transfer Molding)是近年来在航空、航天等领域广泛应用的一种液态成型复合材料制造技术。其原理是在刚性模具型腔内铺放按性能和结构要求设计好的干态纤维预制体，在特定的耐压容器即树脂贮存罐内将树脂加热到设定的注射温度，然后采用注射设备将低粘度树脂注入到模具型腔内，使树脂与纤维充分浸润，最后按照树脂的工艺规范进行升温固化，最后得到与模具型腔形状一致的复合材料零件。
预制体是RTM技术合模前的中间体，其精度决定了成型复合材料构件的最终成型质量，常规的预制体的厚度通过具有特定厚度规格的碳纤维二维织物叠层获得，控制二维织物的叠层数量即可精确控制预制体的整体厚度，例如国产U-3160碳纤维帘子布单层厚度0.16mm，如需获得3.2mm厚度的复合材料构件，则需叠层16层U-3160碳纤维帘子布。而采用碳纤维整体织造成型的2.5D/3D编织预制体，其预制体采用数千根碳纤维纱线相互交织而成，无法通过常规单层厚度计算的方式获得预制体的精确厚度，也很难采用常规的检测手段进行精确测量，导致了无法预测其合模厚度，极易导致在RTM成型合模时出现厚度偏薄而导致零件富脂或出现纤维冲刷变形等质量问题，也易出现厚度偏厚而导致无法合模或过量压实预制体导致纤维屈曲变形等质量问题。当合模具有复杂外形的零件预制体，例如复合材料风扇叶片，由于具有显著的突变厚度结构特征，更加大了预制体的厚度预测难度，导致复合材料风扇叶片预制体RTM成型后出现富脂、纤维褶皱、冲刷变形等严重的质量问题。
发明内容
本发明的目的是：针对传统树脂转移模塑成型复合材料技术存在的不足，提出一种变厚度预制体的定位及厚度检测的装置和方法。
本发明的技术解决方案是，装置包括型面工装20、横向卡板1、2、3及纵向卡板4、5、6；
型面工装20为一平板，分为型面区域30和定位区域40，型面区域30以预制体10的下表面为基准进行加工，基于预制体10上的横向定位线11、12、13在定位区域40上加工横向刻线21、22、23，基于预制体10上的纵向定位线14、15、16在定位区域40加工纵向刻线24、25、26；
横向卡板1、2、3、纵向卡板4、5、6的检测面以预制体10的上表面为基准进行加工，横向卡板1、2、3、纵向卡板4、5、6与型面工装20的定位区域40通过销钉孔定位，定位后，横向卡板1、2、3的中心线与定位区域40的横向刻线21、22、23对齐，纵向卡板4、5、6的中心线与定位区域40的纵向刻线24、25、26对齐；
检测装置的材料为金属。
所述横向卡板1、2、3和纵向卡板4、5、6的检测面与预制体10的理论型面距离D＝1～5mm。
所述横向卡板1、2、3和纵向卡板4、5、6的数量可以根据需求增加或减少。使用装置检测变厚度预制体的方法包括如下步骤：
1)将预制体10放置在型面工装20的型面区域30上；
2)将预制体10上的横向定位线11、12、13与定位区域40的横向刻线21、22、23对齐；
3)将预制体10上的纵向定位线14、15、16与定位区域40的纵向刻线24、25、26对齐；
4)对型面工装20上的预制体10封装真空袋，抽真空10～60分钟；
5)去除真空袋，在型面工装20的定位区域40上装配横向卡板1、2、3，分别测量每个横向卡板1、2、3与其所对应的预制体10上的定位线处的间隙H1并记录；
6)取下横向卡板1、2、3，在型面工装20的定位区域40上装配纵向卡板4、5、6，分别测量每个纵向卡板4、5、6与其所对应的预制体10上的定位线处的间隙Z1并记录；
7)处理数据，预制体10定位线处的横向截面处的厚度与理论厚度数据的偏差H＝D-H1，预制体10定位线处的纵向截面处的厚度与理论厚度数据的偏差Z＝D-Z1，其中，D为检测面与预制体10的理论型面距离。
间隙H1和间隙Z1的数据测量密度为每隔5～20mm测量一个数据点。
本发明的优点和有益效果是：
1、本发明提出了一种针对复杂结构预制体的定位及厚度检测的装置和方法，可以在预制体合模前对预制体的厚度分布进行检测，对预制体在RTM成型模具中的状态进行预判，降低后续复合材料制件成型的风险，提高RTM成型复合材料制件的合格率；
2、本发明所涉及的型面工装选取预制体的下表面作为其检测基准面，与预制体的型面状态一致，可以保证预制体在测量时不会发生局部变形现象或与型面工装不贴合导致出现测量误差的现象，保证了测量数据有效性和精度；
3、本发明所涉及的型面工装、横向卡板和纵向卡板加工简单，操作简便，不受测量设备或条件的影响，可以方便快捷的获得复杂结构预制体的厚度分布数据；
4、本发明所涉及的复杂构型预制体与检测型面工装和卡板之间通过预设在预制体上的特定位置定位线进行精确定位，既方便实施，又保证了定位精度；
5、本发明所涉及的复杂构型预制体的检测可以根据测量要求增减横向卡板和纵向卡板的数量，也可以根据测量要求调整横向卡板和纵向卡板的位置；
6、本发明所涉及的复杂构型预制体的测量数据可以根据测量要求对数据点的测量密度进行增减调整；
7、本发明所涉及的预制体在测量前进行抽真空处理可以对预制体进行压实，并且与其在RTM成型模具内的状态一致，使获得的测量数据更真实可靠；
8、本发明实施简单，既适用于现有铺叠结构的预制体，也适用于2.5D/3D编织结构的预制体，具有良好的RTM工艺普适性；
综上所述，本发明提出了一种针对复杂结构预制体的定位及厚度检测的装置和方法，能对复杂结构预制体在合模前的型面状态进行预判和处理，降低了RTM工艺成型复杂构型复合材料构件的成型风险，显著提高了复合材料制件的成品率。
本发明的工作原理为：
1、本发明所涉及的型面工装选取预制体的下表面作为其加工基准面，横向和纵向卡板选取预制体的上表面作为其加工基准面，型面工装、横向卡板和纵向卡板的相对位置是预制体检测的基准；
2、本发明所涉及的预制体在其表面分布了横向定位线和纵向定位线，是预制体与型面工装定位的基准，可以通过对预制体上的横向定位线和纵向定位线与对应在型面工装上的横向刻线和纵向刻线进行对齐，实现预制体与型面工装的精确定位；
3、本发明在型面工装与横向卡板和纵向卡板间预留与预制体的理论型面距离D是为了防止出现预制体过厚而顶起卡板，导致卡板无法装配到型面工装上而无法实现数据测量；
4、本发明可以通过塞尺、卡尺等通用测量工具检测预制体与卡板间的距离获得预制体的厚度偏差数据，从而对预制体的合模状态进行预判，如果出现较大的厚度偏差，可以根据偏差值对预制体进行纤维补偿或修剪处理，从而保证预制体的最终合模精度。
附图说明
图1为本发明所适用的预制体的俯视图；
图2为本发明所适用的预制体的侧视图；
图3为本发明所采用的型面工装的俯视图；
图4为本发明所采用的型面工装的侧视图；
图5为本发明所采用的适用的预制体在型面工装上定位的俯视图；
图6为本发明所采用的适用的预制体在型面工装上定位的侧视图；
图7为本发明所采用的横向卡板在型面工装上对预制体进行厚度检测的示意图；
图8为本发明所采用的纵向卡板在型面工装上对预制体进行厚度检测的示意图；
图9为本发明所采用的横向卡板在型面工装上对预制体进行厚度检测的示意图；
图10为本发明所采用的纵向卡板在型面工装上对预制体进行厚度检测的示意图；
具体实施方式
型面工装20由型面区域30和定位区域40组成，型面区域30以预制体10的下表面为基准加工，基于预制体10的横向定位线11、横向定位线12和横向定位线13在定位区域40加工横向刻线21、横向刻线22和横向刻线23，基于预制体10的纵向定位线14、纵向定位线15和纵向定位线16在定位区域40加工纵向刻线24、纵向刻线25和纵向刻线26；
横向卡板1、横向卡板2、横向卡板3、纵向卡板4、纵向卡板5和纵向卡板6以预制体10的上表面为基准加工，横向卡板1、横向卡板2、横向卡板3、纵向卡板4、纵向卡板5和纵向卡板6与型面工装20的定位区域40通过销钉孔定位；
定位后，横向卡板1、横向卡板2、横向卡板3、纵向卡板4、纵向卡板5和纵向卡板6的中心线分别与定位区域40的横向刻线21、横向刻线22、横向刻线23、纵向刻线24、纵向刻线25和纵向刻线26对齐。
所述型面工装20和横向卡板1、横向卡板2、横向卡板3、纵向卡板4、纵向卡板5、纵向卡板6的材料为金属。
所述横向卡板1、横向卡板2、横向卡板3、纵向卡板4、纵向卡板5和纵向卡板6与预制体10的理论型面距离D＝1～5mm。
所述横向卡板和纵向卡板的数量可以根据需求增加或减少。
使用装置检测变厚度预制体的方法包括如下步骤：
1)将预制体10放置在型面工装20的型面区域30上；
2)将预制体10上的横向定位线11、横向定位线12和横向定位线13依次与定位区域40的横向刻线21、横向刻线22和横向刻线23对齐；
3)将预制体10上的纵向定位线14、横向定位线15和横向定位线16依次与定位区域40的横向刻线24、横向刻线25和横向刻线26对齐；
4)对型面工装20上的预制体10封装真空袋，抽真空30分钟；
5)去除真空袋，在型面工装20的定位区域40上依次装配横向卡板1、横向卡板2和横向卡板3，依次测量横向卡板1与横向定位线11，横向卡板2与横向定位线12，横向卡板3与横向定位线13的间隙H1并记录；
6)取下横向卡板1、横向卡板2和横向卡板3，在型面工装20的定位区域40上依次装配纵向卡板4、纵向卡板5和纵向卡板6，依次测量纵向卡板4与纵向定位线14，纵向卡板5与纵向定位线15，纵向卡板6与纵向定位线16的间隙Z1并记录；
7)处理数据，预制体10的横向截面与理论数据的偏差H＝D-H1，预制体10的纵向截面与理论数据的偏差Z＝D-Z1。
间隙H1和间隙Z1的数据测量密度为每隔5～20mm测量一个数据点。
实施例1
待检测预制体10为变厚度2.5D机织结构风扇叶片预制体，材料为CCF800，材料的纤维体积含量为55％±3％；其中CCF800为山东威海拓展公司出品的规格为12K的T800级碳纤维织物，零件的外形尺寸为：750mm×300mm×(1.5～60mm)(长×宽×高)，在预制体10表面长度方向0mm、380mm、680mm的距离上预先设有采用玻璃纤维编织的横向定位线11、横向定位线12和横向定位线13，在预制体10表面宽度方向0、150mm、250mm的距离上预先设有采用玻璃纤维编织的纵向定位线14、纵向定位线15和纵向定位线16。具体实施步骤如下：
1)型面工装20由型面区域30和定位区域40组成，型面工装20的材质为Q235钢，型面区域30以预制体10的下表面为基准加工，在定位区域40以预制体10的横向定位线11、横向定位线12和横向定位线13加工横向刻线21、横向刻线22和横向刻线23，在定位区域40以预制体10的纵向定位线14、纵向定位线15和纵向定位线16加工纵向刻线24、纵向刻线25和纵向刻线26；
2)横向卡板1、横向卡板2、横向卡板3、纵向卡板4、纵向卡板5和纵向卡板6以预制体10的上表面为基准加工，横向卡板1、横向卡板2、横向卡板3、纵向卡板4、纵向卡板5和纵向卡板6与预制体10的理论型面距离D＝2mm；
3)将预制体10放置在型面工装20的型面区域30上；
4)将预制体10上的横向定位线11、横向定位线12和横向定位线13依次与定位区域40的横向刻线21、横向刻线22和横向刻线23对齐；
5)将预制体10上的纵向定位线14、横向定位线15和横向定位线16依次与定位区域40的横向刻线24、横向刻线25和横向刻线26对齐；
6)对型面工装20上的预制体10封装真空袋，抽真空30分钟；
7)去除真空袋，在型面工装20的定位区域40上依次装配横向卡板1、横向卡板2和横向卡板3，采用塞尺按20mm间距依次测量横向卡板1与横向定位线11，横向卡板2与横向定位线12，横向卡板3与横向定位线13的间隙H1并记录；
8)取下横向卡板1、横向卡板2和横向卡板3，在型面工装20的定位区域40上依次装配纵向卡板4、纵向卡板5和纵向卡板6，采用塞尺按20mm间距依次测量纵向卡板4与纵向定位线14，纵向卡板5与纵向定位线15，纵向卡板6与纵向定位线16的间隙Z1并记录；
9)处理数据，预制体10的横向截面与理论数据的偏差H＝(2-H1)mm，预制体10的纵向截面与理论数据的偏差Z＝(2-Z1)mm。
实施例2
待检测预制体10为变厚度3D机织结构风扇叶片预制体，材料为CCF800，材料的纤维体积含量为53％±3％；其中CCF800为山东威海拓展公司出品的规格为6K的T800级碳纤维织物，零件的外形尺寸为：720mm×300mm×(3～50mm)(长×宽×高)，在预制体10表面长度方向0mm、190mm、380mm、530mm、680mm的距离上预先设有采用玻璃纤维编织的横向定位线11、横向定位线17、横向定位线12、横向定位线18和横向定位线13，在预制体10表面宽度方向150mm预先设有采用玻璃纤维编织的纵向定位线15。具体实施步骤如下：
1)型面工装20由型面区域30和定位区域40组成，型面工装20的材质为P20钢，型面区域30以预制体10的下表面为基准加工，在定位区域40以预制体10的横向定位线11、横向定位线17、横向定位线12、横向定位线18和横向定位线13加工横向刻线21、横向刻线27、横向刻线22、横向刻线28和横向刻线23，在定位区域40以预制体10的纵向定位线15加工纵向刻线25；
2)横向卡板1、横向卡板7、横向卡板2、横向卡板8、横向卡板3和纵向卡板5以预制体10的上表面为基准加工，横向卡板1、横向卡板7、横向卡板2、横向卡板8、横向卡板3和纵向卡板5与预制体10的理论型面距离D＝1.5mm；
3)将预制体10放置在型面工装20的型面区域30上；
4)将预制体10上的横向定位线11、横向定位线12和横向定位线13依次与定位区域40的横向刻线21、横向刻线22和横向刻线23对齐；
5)将预制体10上的横向定位线15与定位区域40的横向刻线25对齐；
6)对型面工装20上的预制体10封装真空袋，抽真空30分钟；
7)去除真空袋，在型面工装20的定位区域40上依次装配横向卡板1、横向卡板7、横向卡板2、横向卡板8和横向卡板3，采用塞尺按15mm间距依次测量横向卡板1与横向定位线11，横向卡板7与横向定位线17，横向卡板2与横向定位线12，横向卡板8与横向定位线18，横向卡板3与横向定位线13的间隙H1并记录；
8)取下横向卡板1、横向卡板7、横向卡板2、横向卡板8和横向卡板3，在型面工装20的定位区域40上装配纵向卡板5，采用塞尺按15mm间距测量纵向卡板5与纵向定位线15的间隙Z1并记录；
9)处理数据，预制体10的横向截面与理论数据的偏差H＝(1.5-H1)mm，预制体10的纵向截面与理论数据的偏差Z＝(1.5-Z1)mm。
Claims (5)
1.一种变厚度预制体的定位及厚度检测的装置，其特征在于：装置包括型面工装(20)、横向卡板(1、2、3)及纵向卡板(4、5、6)；
型面工装(20)为一平板，分为型面区域(30)和定位区域(40)，型面区域(30)以预制体(10)的下表面为基准进行加工，基于预制体(10)上的横向定位线(11、12、13)在定位区域(40)上加工横向刻线(21、22、23)，基于预制体(10)上的纵向定位线(14、15、16)在定位区域(40)加工纵向刻线(24、25、26)；
横向卡板(1、2、3)、纵向卡板(4、5、6)的检测面以预制体(10)的上表面为基准进行加工，横向卡板(1、2、3)、纵向卡板(4、5、6)与型面工装(20)的定位区域(40)通过销钉孔定位，定位后，横向卡板(1、2、3)的中心线与定位区域(40)的横向刻线(21、22、23)对齐，纵向卡板(4、5、6)的中心线与定位区域(40)的纵向刻线(24、25、26)对齐；
检测装置的材料为金属。
2.根据权利要求1所述的一种变厚度预制体定位及厚度检测的装置，其特征在于：所述横向卡板(1、2、3)和纵向卡板(4、5、6)的检测面与预制体(10)的理论型面距离D＝1～5mm。
3.根据权利要求1所述的一种变厚度预制体定位及厚度检测的装置，其特征在于：所述横向卡板(1、2、3)和纵向卡板(4、5、6)的数量可以根据需求增加或减少。
4.一种使用如权利要求1所述的装置检测变厚度预制体的方法，包括如下步骤：
1)将预制体(10)放置在型面工装(20)的型面区域(30)上；
2)将预制体(10)上的横向定位线(11、12、13)与定位区域(40)的横向刻线(21、22、23)对齐；
3)将预制体(10)上的纵向定位线(14、15、16)与定位区域(40)的纵向刻线(24、25、26)对齐；
4)对型面工装(20)上的预制体(10)封装真空袋，抽真空10～60分钟；
5)去除真空袋，在型面工装(20)的定位区域(40)上装配横向卡板(1、2、3)，分别测量每个横向卡板(1、2、3)与其所对应的预制体(10)上的定位线处的间隙H1并记录；
6)取下横向卡板(1、2、3)，在型面工装(20)的定位区域(40)上装配纵向卡板(4、5、6)，分别测量每个纵向卡板(4、5、6)与其所对应的预制体(10)上的定位线处的间隙Z1并记录；
7)处理数据，预制体(10)定位线处的横向截面处的厚度与理论厚度数据的偏差H＝D-H1，预制体(10)定位线处的纵向截面处的厚度与理论厚度数据的偏差Z＝D-Z1，其中，D为检测面与预制体(10)的理论型面距离。
5.根据权利要求4所述的使用如权利要求1所述的装置检测变厚度预制体的方法，其特征在于：间隙H1和间隙Z1的数据测量密度为每隔5～20mm测量一个数据点。
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