CN108407332B - 一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法，属于复合材料成型技术领域。本发明通过合理的筋条缠绕、蒙皮铺层工艺设计，摸索出了一套适合蒙皮网格结构件模压成型工艺的控制措施，实现了复合材料蒙皮网格结构件的一次整体成型，产品变形小，厚度均匀，而且操作效率高，只需一天即可完成复合材料蒙皮网格结构件的筋条缠绕及蒙皮铺层。

Description

一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法，属于复合材料成型技术领域。
背景技术
复合材料网格结构是一种网状筋条结构，是先进结构材料与先进结构形式的结合，其突出特点是结构稳定性突出、可设计性强、具有极高的比强度与比刚度，结构效率高等，在航空航天领域应用广泛，如运载火箭整流罩、级间段、战略导弹头罩、级间段、仪器舱等多种舱段应用了复合材料网格结构。
复合材料网格结构在工程上的应用已有几十年的历史。最早的复合材料网格结构是美国和前苏联组织研制应用于航天领域的等网格结构，后来一些大学和航天公司也相继投入到复合材料网格结构的研制工作。1981年，麦道公司制造出了复合材料网格结构级间段试验件。90年代初，航空飞利浦实验室用硅橡胶模具成功研制出性能高、质量轻的复合材料等网格结构件。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，研制了Minotuar运载火箭上的复合材料网格结构整流罩。该整流罩通过纤维缠绕技术实现了自动化制造，成功进行了设计、制造和飞行试验。国内复合材料网格结构件的设计、制造起步较晚，但近20年来已取得突飞猛进的成果。西安航天复合材料研究所研制出了多种蒙皮和无蒙皮的网格复合筒形件，如直径1.4m的导弹锥形网格级间段试验件，轴压破坏载荷大于140t。航天材料及工艺研究所则先后为导弹壳体结构研制了多种类型的复合材料网格结构件，从小尺寸的网格口盖到大尺寸的网格舱段，已研制的最大复合材料网格结构件直径达2m以上。
目前，国内常用的复合材料网格结构成型工艺方法有以下3种：(1)用碳 /环氧单向板和单向波纹板机械加工成窄条作为网格肋条，再胶粘于蒙皮上制成等网格加强筋；(2)短切纤维模压制造等网格壳体；(3)热压罐工艺制造连续纤维网格结构件。第一种成型工艺机加工周期长，浪费严重，适用范围小，且后粘接的网格筋条其整体性能较差；第二种成型工艺主要应用于短切纤维复合材料制品的生产，适用于对承载要求不太高的产品；第三种热压罐工艺是目前网格类结构件生产的主要工艺方法，通过手工或机械缠绕的方式缠绕网格筋条，然后铺蒙皮进罐固化。为保证网格结构件的成型质量，筋条通常需要进行2次及以上的吸胶进行预压实。这不仅大大增加了网格结构件的生产周期，同时生产成本也大幅增加，而且热压罐内压力受罐的限制，不宜超过1MPa，对于大尺寸筋条网格结构件难以保证产品质量。本复合材料网格结构件为大厚度内曲面筋条蒙皮结构，数量较多，成型周期较短，承载要求较高，以上三种工艺都难以满足产品的生产要求，因此必须在工艺上进行突破，寻求一种高效的网格结构件的成型方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法。
本发明的技术解决方案是：
一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法，本发明通过以下步骤，实现了复合材料网格蒙皮结构件一次整体固化成型；所述的复合材料网格蒙皮结构件包括蒙皮、外侧环向筋条、横向筋条和纵向筋条，位于外侧环向筋条外的蒙皮设计为蒙皮加厚区；该方法的步骤包括：
(1)制造并安装成型模具；
首先制备成型模具，成型模具包括下底板、分瓣阳模块和上盖板，其中下底板与上盖板为钢模，分瓣阳模块为铝模；分瓣阳模块的分瓣数为4～10瓣，分瓣间隙小于0.5mm，分瓣阳模块四周(产品外边缘)留有3～10度的拔模角，分瓣阳模块与下底板周围的间隙大于0.2mm；所述的分瓣阳模块上预留有环向筋槽、横向筋槽和纵向筋槽，环向筋槽用于成型外侧环向筋条，横向筋槽用于成型横向筋条，纵向筋槽用于成型纵向筋条；
然后，组装成型模具，将分瓣阳模块通过销钉、螺钉固定连接在下底板上；
(2)制备预浸丝及蒙皮加厚区预浸料、蒙皮预浸料；
(3)预浸丝缠绕
A3.1、首先在分瓣阳模块的环向筋槽、横向筋槽和纵向筋槽中交替缠绕步骤(2)制备的预浸丝，然后再补缠环向筋槽，边缠绕边预压实；
A3.2、重复步骤A3.1，直至外侧环向筋条高出分瓣阳模块表面2-5mm，横向筋条高出分瓣阳模块表面2-5mm，纵向筋条高出分瓣阳模块表面2-5mm；
(4)铺层，方法为：
在分瓣阳模块上用于成型蒙皮加厚区的地方铺步骤(2)制备的蒙皮加厚区预浸料，然后将步骤(2)制备的蒙皮预浸料制备成设定厚度尺寸的料块，并对制备的料块进行预压实，最后再将预压实后的料块铺在分瓣阳模块的表面；料块铺在了分瓣阳模块的表面以及外侧环向筋条表面、横向筋条表面、纵向筋条表面以及蒙皮加厚区的预浸料表面；
(5)将上盖板通过销钉定位在下底板上，且分瓣阳模块位于上盖板和下底板之间；
(6)将步骤(5)得到的带有预浸丝和预浸料的成型模具放入压机中进行模压固化；
(7)脱模，依次拆除上盖板、下底板和分瓣阳模块，得到产品。
所述步骤A3.1中，在进行交替缠绕过程中，横向筋条预浸丝缠绕时，在纵横向筋条交叉节点处进行适当比例的打断，即横向筋条避开节点进行缠绕，横向筋条打断比例为15％～40％；外侧环向筋条尺寸较大，根据理论计算其预浸丝多余缠入量，均匀分多次补缠，补缠的筋条分2～4次进行增加；
所述步骤A3.1中预压实指通过吹热风或其它形式加热预浸丝，用压辊压实预浸丝的过程；
所述步骤A3.1中预浸丝缠绕根数采用如下公式进行计算：
n＝S/(L×δ)
其中n为预浸丝根数；S为筋条截面积；L为预浸丝宽度；δ为预浸丝厚度。
即当进行横向筋条根数计算时，S为横向筋条的截面积，当进行纵向筋条根数计算时，S为纵向筋条的截面积，当进行外侧环向向筋条根数计算时，S 为外侧环向筋条的截面积；
所述步骤(4)中，预压实工艺为抽真空至保温结束，升温速率20～50℃/h，升温至60～90℃，保温30min～60min。
所述步骤(4)中，制备成设定厚度尺寸的料块时也可以在厚度方向上将料块分为2-4块，比如说料块厚度为10mm厚，首先制备成两块厚度为5mm的料块，然后将两块5mm厚的料块均进行预压实，然后将其中一块5mm厚的料块铺在分瓣阳模块的表面，最后再将另一块5mm厚的料块铺在之前5mm 厚的料块上；
所述步骤(6)中模压固化工艺为升温速率20～50℃/h，温度150～190℃保温3～6h，压力2～6MPa。
本发明的有益效果为：
(1)本发明首次采用模压成型工艺，零吸胶，一次固化成型了复合材料蒙皮网格结构件。生产的产品内、外质量良好，蒙皮厚度均匀，无变形，与舱段配合间隙小于0.5mm，满足设计指标要求，且成型周期由热压罐工艺中的20 天缩短至3天，不仅不占用紧张的热压罐资源，大大降低了生产成本，而且成型效率高、质量好，可以推广应用于各类蒙皮网格结构件的成型。
(2)本发明通过模具材料的选择、阳模块四周的拔模角设计、阳模块与下底板的定位、间隙设计等合理的模具设计方案，制造了可应用于模压工艺的模具结构形式，该模具完全不同于热压罐工艺的成型模具，既保证了复合材料蒙皮网格结构件的顺利脱模，也保证了其良好的型面精度。
(3)本发明通过合理的筋条缠绕、蒙皮铺层工艺设计，摸索出了一套适合蒙皮网格结构件模压成型工艺的控制措施，实现了复合材料蒙皮网格结构件的一次整体成型，产品变形小，厚度均匀，而且操作效率高，只需一天即可完成复合材料蒙皮网格结构件的筋条缠绕及蒙皮铺层。
(4)一种大尺寸筋条、厚蒙皮的复合材料网格蒙皮结构件一次模压整体固化成型的工艺技术，通过模具组装、预浸丝缠绕、蒙皮加厚区铺层、蒙皮铺层、固化、脱模等步骤实现。网格蒙皮结构件成型模具剖视图如图1所示，本发明采用钢模加分瓣式铝阳模块相结合的方式，利用模压成型工艺技术，零吸胶，一次整体成型了复合材料网格蒙皮结构件，解决了热压罐工艺中的吸胶次数多、生产效率低、变形较大等难题；本发明通过优化筋条缠绕及铺层工艺设计，保证了产品的内部质量及厚度尺寸要求。
(5)首次通过模压成型工艺，零吸胶，一次整体固化成型了复合材料网格蒙皮结构件，多用于导弹级间段、仪器舱、头罩等口盖类零件生产中。
(6)本发明的目的是提供一种适用于复合材料网格蒙皮结构件低成本、高效成型的工艺技术，该技术采用模压成型工艺，通过合理的模具设计、筋条缠绕及铺层工艺控制、合理的固化制度调整，零吸胶，一次整体成型复合材料网格蒙皮结构件。既控制了产品的尺寸、又保证了产品的内、外部质量，使产品的各项性能指标满足设计要求，解决了以往热压罐工艺中厚度超差、产品变形、吸胶次数过多、成型效率过低等问题。
附图说明
图1为复合材料网格蒙皮结构件示意图；
图2为本发明成型工艺流程图；
图3为成型模具剖视图。
具体实施方式
下面结合附图1、图2、图3对本发明所述的一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型工艺技术进行描述。
(1)成型模具制造
复合材料网格蒙皮结构件成型模具剖视图如图3所示，包括下底板、分瓣阳模块、上盖板3个部分，其中下底板与上盖板为钢模，分瓣阳模块为铝模。阳模块分瓣数为4～10瓣，分瓣间隙小于0.5mm，阳模块四周(产品外边缘) 留有3～10度的拔模角，阳模瓣与下底板周围的间隙大于0.2mm，分瓣阳模块与下底板，上盖板与下底板间通过销钉、螺钉固定。
(2)选定纤维及树脂材料体系，制备溶液法或热熔法预浸丝及预浸料。预浸丝的技术指标见表1、表2；预浸料的技术指标见表3、表4。
表1复合材料溶液法预浸丝的技术指标
Figure BDA0001606511240000061
表2复合材料热熔法预浸丝的技术指标
Figure BDA0001606511240000062
表3复合材料溶液法预浸料的技术指标
Figure BDA0001606511240000063
表4复合材料热熔法预浸料的技术指标
Figure BDA0001606511240000064
根据模具中蒙皮加厚区及蒙皮处的尺寸进行预浸料下料，预浸料下料可采用自动下料机下料或者手工下料。
(3)预浸丝缠绕
根据预浸丝的缠绕要求在筋槽中进行缠绕，预浸丝的缠绕数量根据筋条尺寸进行估算，最终缠入量由预浸丝及节点距离阳模表面的高度决定，预浸丝高出阳模表面2～4mm，节点高出阳模表面3～6mm。为控制节点处的高度，对环向筋条中的预浸丝在与纵向筋条交叉的节点处进行打断，打断比例不高于 40％。
(4)蒙皮加厚区铺层
预浸丝缠绕完毕后进行蒙皮加厚区铺层，蒙皮加厚区料沿外侧筋条根部进行铺层，采用逐步递增的方式，将部份预浸料铺入到预浸丝上，增加预浸丝与预浸料的接触面积。
(5)蒙皮铺层
蒙皮加厚区铺层完毕后进行蒙皮料的铺层。将蒙皮料铺制成预压实块，抽真空，升温速率20～50℃/h，升温至60～90℃，保温30min～60min。然后将预压实料块对齐模具的轴向进行铺叠。
(6)模压固化
根据所选预浸料体系、升温速率、制品厚度设计固化工艺。本网格蒙皮结构件模压成型工艺制度：升温速率20～50℃/h，固化温度150～190℃，固化保温时间3～6h，压力2～6MPa。
(7)脱模、送探伤
依次拆除上盖板、下底板、阳模块得到产品，产品打磨、清理、测量后进行无损检测。
实施例
如图1所示，产品名称：操作口盖
尺寸：长轴边长度510mm，短轴边长度340mm，纵、横向筋条截面为梯形，尺寸6mm×11mm×18mm，外侧周向筋条尺寸8mm×13mm×18mm，蒙皮加厚区厚度8mm，蒙皮厚度4mm。
如图2所示，方法步骤为：
(1)制造并安装成型模具；
如图3所示，首先制造成型模具，成型模具包括下底板、分瓣阳模块和上盖板，其中下底板与上盖板为钢模，分瓣阳模块为铝模；分瓣阳模块的分瓣数为5瓣，分瓣间隙0.3mm，分瓣阳模块四周(产品外边缘)留有6度的拔模角，分瓣阳模块与下底板周围的间隙1mm；所述的分瓣阳模块上预留有环向筋槽、横向筋槽和纵向筋槽，环向筋槽用于成型外侧环向筋条，横向筋槽用于成型横向筋条，纵向筋槽用于成型纵向筋条；
然后，组装成型模具，将分瓣阳模块通过销钉、螺钉固定连接在下底板上；
(2)制备预浸丝及蒙皮加厚区预浸料、蒙皮预浸料；预浸丝宽度6.35mm，厚度0.15mm；热熔法预浸料厚度0.15mm，树脂含量34±4％，挥发份≤1％，面密度165±5g/m2。蒙皮预浸料单层料尺寸为550mm×400mm，蒙皮加厚区预浸料单层料尺寸为10mm×1200mm。
(3)预浸丝缠绕
A3.1、环向筋槽中预浸丝缠入199根，横向筋槽和纵向筋槽中预浸丝缠绕量160根，环向筋槽中多余的39根预浸丝分3次补入环向筋槽中。首先在分瓣阳模块的环向筋槽、横向筋槽和纵向筋槽中交替缠绕步骤(2)制备的预浸丝，缠入预浸丝数量40根，其中横向筋槽预浸丝在纵横向筋条交叉节点处打断8 根，然后再在环向筋槽中补缠13根预浸丝，边缠绕边用吹风机加热，用压辊预压实；
A3.2、重复步骤A3.1，直至外侧环向筋条高出分瓣阳模块表面3mm，横向筋条高出分瓣阳模块表面3mm，纵向筋条高出分瓣阳模块表面3mm；
(4)铺层，方法为：
在分瓣阳模块上用于成型蒙皮加厚区的地方铺步骤(2)制备的蒙皮加厚区预浸料，然后将步骤(2)制备的蒙皮预浸料按给定的铺层顺序铺制成厚度2mm 的料块两块，并对制备的料块进行预压实，预压实工艺制度：抽真空，升温速率25±5℃/h，升温至70℃，保温40min。最后再将预压实后的料块铺在分瓣阳模块的表面；料块铺在了分瓣阳模块的表面以及外侧环向筋条表面、横向筋条表面、纵向筋条表面以及蒙皮加厚区的预浸料表面；
(5)将上盖板通过销钉定位在下底板上，且分瓣阳模块位于上盖板和下底板之间；
(6)将步骤(5)得到的带有预浸丝和预浸料的成型模具放入压机中进行模压固化。固化工艺制度：升温速率40±5℃/h，固化温度180℃，固化保温时间4h，压力4MPa。
(7)脱模，清理，产品送无损检测。
(8)测量产品各项尺寸，试配操作口盖与舱段的配合间隙，开具合格证交付。
本发明采用零吸胶，一次固化成型了复合材料蒙皮网格结构件。成型周期由原来的20天减少为3天，成型的产品外观及内部质量良好，与舱段的配合间隙0.2mm。
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。

Claims (6)

1.一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法，其特征在于该方法的步骤包括：
1制造并安装成型模具；
首先制备成型模具，成型模具包括下底板、分瓣阳模块和上盖板，所述的分瓣阳模块上预留有环向筋槽、横向筋槽和纵向筋槽；
然后，组装成型模具，将分瓣阳模块通过销钉、螺钉固定连接在下底板上；
2制备预浸丝及蒙皮加厚区预浸料、蒙皮预浸料；
3预浸丝缠绕
A3.1、首先在分瓣阳模块的环向筋槽、横向筋槽和纵向筋槽中交替缠绕步骤2制备的预浸丝，然后再补缠环向筋槽，边缠绕边预压实；
A3.2、重复步骤A3.1，直至外侧环向筋条高出分瓣阳模块表面2-5mm，横向筋条高出分瓣阳模块表面2-5mm，纵向筋条高出分瓣阳模块表面2-5mm；
4铺层；
5将上盖板通过销钉定位在下底板上；
6将步骤5得到的带有预浸丝和预浸料的成型模具放入压机中进行模压固化；
7脱模，依次拆除上盖板、下底板和分瓣阳模块，得到产品；
所述的步骤1中，下底板与上盖板为钢模，分瓣阳模块为铝模；分瓣阳模块的分瓣数为4～10瓣，分瓣间隙小于0.5mm，分瓣阳模块四周留有3～10度的拔模角，分瓣阳模块与下底板周围的间隙大于0.2mm；环向筋槽用于成型外侧环向筋条，横向筋槽用于成型横向筋条，纵向筋槽用于成型纵向筋条；
所述的步骤A3.1中，在进行交替缠绕过程中，横向筋条预浸丝缠绕时，在纵横向筋条交叉节点处进行设定比例的打断，即横向筋条预浸丝缠绕时在节点处剪断，避开节点，横向筋条打断比例为15％～40％；
所述的步骤4中，铺层方法为：
在分瓣阳模块上用于成型蒙皮加厚区的地方铺步骤2制备的蒙皮加厚区预浸料，然后将步骤2制备的蒙皮预浸料制备成设定厚度尺寸的料块，并对制备的料块进行预压实，预压实工艺为抽真空至保温结束，升温速率20～50℃/h，升温至60～90℃，保温30min～60min，最后再将预压实后的料块铺在分瓣阳模块的表面；料块铺在了分瓣阳模块的表面以及外侧环向筋条表面、横向筋条表面、纵向筋条表面以及蒙皮加厚区的预浸料表面。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法，其特征在于：所述的步骤A3.1中，预浸丝补缠环向筋槽时分2～4次进行增加。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法，其特征在于：所述的步骤A3.1中，预压实指通过吹热风的形式加热预浸丝，用压辊压实预浸丝的过程。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法，其特征在于：所述的步骤A3.1中，预浸丝缠绕根数采用如下公式进行计算：
n＝S/(L×δ)
其中n为预浸丝根数；S为筋条截面积；L为预浸丝宽度；δ为预浸丝厚度。
5.根据权利要求4所述的一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法，其特征在于：当进行横向筋条根数计算时，S为横向筋条的截面积，当进行纵向筋条根数计算时，S为纵向筋条的截面积，当进行外侧环向筋条根数计算时，S为外侧环向筋条的截面积。
6.根据权利要求1所述的一种复合材料网格蒙皮结构件模压成型方法，其特征在于：所述步骤6中模压固化工艺为升温速率20～50℃/h，温度150～190℃，保温3～6h，压力2～6MPa。
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