CN108466434B - 一种多内腔工形梁及其高精度软模成型与缺陷控制工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种多内腔工形梁及其高精度软模成型与缺陷控制工艺方法，针对多内腔多型面、缘/腹板不等厚、腔内型面精度高的结构特点，采用硅橡胶软模加压实现复杂结构工形梁整体共固化成型。本发明多内腔工形梁包括至少两根主梁和至少六根副梁，主梁与副梁处于同一平面内且主梁之间不相交，位于主梁之间的副梁用于连接主梁，位于主梁外侧的副梁用于与外部连接；通过硅橡胶软模工艺间隙补偿设计实现X/Y/Z方向压力合理分配，解决缘/腹板不等厚加压问题；利用“内软‑外硬”均压设计方法避免因软模膨胀不均引起的压力偏差，改善腔内型面尺寸精度与内部缺陷问题。

Description

一种多内腔工形梁及其高精度软模成型与缺陷控制工艺方法

技术领域

本发明涉及一种多内腔工形梁及其高精度软模成型与缺陷控制工艺方法，针对多内腔多型面、缘/腹板不等厚、腔内型面精度高的复合材料工形梁构件，采用“内软-外硬”均压设计方法与“初始加压-主动卸压”固化工艺，实现多内腔工形梁高精度、高质量制造，属于复合材料主承力结构成型工艺技术领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料工形梁具有高强度、高刚性、耐疲劳、质量轻等优异特性，已经广泛应用于航天运载系统及导弹武器系统的主连接支撑结构。航天领域，复合材料工形梁一般采用主辅梁拼接整体共固化设计方案和硅橡胶软模热膨胀内加压的成型工艺进行制造，实现了多型面复杂结构的整体固化成型，在国内属于较为先进的复合材料成型工艺技术。该工艺方案大幅减少了连接件数量，避免了胶粘剂使用，降低了结构重量。更重要的是共固化成型结构件之间的连接强度与复合材料本征强度一致，相比于二次胶接复合材料的连接强度将近提高一倍。共固化成型技术与铆接等机械连接技术配合使用，将使得各零件间的连接强度显著提高，大幅提高了构件的结构效率。另一方面，硅橡胶软模热膨胀内加压工艺可以在普通烘箱中进行固化成型，避免了热压罐或模压设备的高能耗与维护成本。

航天材料及工艺研究所在二十世纪90年代开始研究采用热膨胀模技术共固化成型结构较为简单的复合材料工形梁。然而，硅橡胶软模膨胀最大的弱点是局部加压的均匀性较差，结果导致复合材料工形梁内腔厚度不均、平面度较差、内部缺陷随机分布等问题，严重影响了复合材料构件的质量稳定性与一致性，对工形梁构件的承载能力与结构刚度等指标也会产生较大影响。随着航天领域结构设计的集成度越来越高，工形梁整体结构更加复杂，同时内腔尺寸精度与内部缺陷要求也明显提高，传统工艺方法无法满足设计指标要求。因此，上述问题的解决不仅能够满足航天领域实际应用需求，也对于软模膨胀成型工艺水平的提升和应用具有重要意义。

发明内容

本项发明解决的技术问题是：针对多内腔多型面、缘/腹板不等厚、腔内型面精度高的复合材料工形梁及类似构件，克服现有工艺技术的不足，提供一种多内腔工形梁及其高精度软模成型与缺陷控制工艺方法。

本发明的技术解决方案是：一种多内腔工形梁，包括至少两根主梁和至少六根副梁，主梁与副梁处于同一平面内且主梁之间不相交，位于主梁之间的副梁用于连接主梁，位于主梁外侧的副梁用于与外部连接；主梁与副梁之间整体固化成型，主梁、副梁的横截面为工字形，工字形的竖边为腹板，横边为缘板。

进一步的，工字形内腔平面度0.4～0.8mm，复合材料整体缺陷比例≤1％。

一种多内腔工形梁的高精度软模成型与缺陷控制工艺方法，通过以下步骤实现：

(1)根据每根主梁和副梁工字形内腔的尺寸设计硅橡胶软模和硬质芯模，通过硅橡胶软模和硬质芯模构成一个内软外硬的芯模；其中硅橡胶软模的形状与对应梁工字形内腔形状一致，三个方向的尺寸小于对应工字形内腔尺寸的5％～10％；硬质芯模包括缘板和腹板硬质芯模，材料选用硬度指标大于HRC55，厚度1～2mm；

(2)制备半工字形内腔预浸料铺层模具，将缘板和腹板硬质芯模预装至预浸料铺层模具中，保证安装后工作型面尺寸与内腔设计尺寸一致；

(3)制造组装固化成型模具，通过该模具为整体固化成型提供封闭形腔；

(4)采用初始加压预浸料利用半工字形内腔预浸料铺层模具制备复合材料预制体并进行预压实，脱预浸料铺层模具，保留硬质芯模；

(5)将步骤(4)处理后的复合材料预制体、硅橡胶软模按照上述多内腔工形梁中表述的构型将副梁拼插在对应的主梁工字形内腔，并整体组装在组装固化成型模具中；之后进行整体固化，固化完成后脱模得到多内腔工形梁。

进一步的，组装共固化成型模具包括上盖板、下盖板、两侧侧挡板以及端头侧挡板；上盖板、下盖板成型面形状与多内腔工形梁的上、下表面一致，上盖板、下盖板成型面尺寸考虑使用过程热胀冷缩对复合材料构件尺寸影响，上盖板和下盖板边缘加工嵌入式台阶用来安装两侧侧挡板，端头挡板与上盖板、下盖板、两侧侧挡板连接且安装在组装共固化成型模具端头位置，端头侧挡板在1.2倍预设压力下能够主动卸压；所述的预设压力为硅橡胶软模在固化温度下的膨胀压力。

进一步的，主动泄压通过下述方式实现：在端头挡板与上盖板、下盖板、两侧侧挡板的每个安装位置设置主动泄压结构，该结构为在端头挡板上加工两个阶梯光孔，螺钉的螺纹部分穿过直径较小的光孔与对应侧板及盖板螺接，并通过螺钉阶梯面即螺纹部分与光面部分连接的阶梯面与端头挡板阶梯面卡紧固定，该直径较小光孔所在挡板的厚度能够保证当达到1.2倍预设压力时被断开，端头挡板向外移动并通过螺钉的螺帽进行限位。

进一步的，所述步骤(4)中预压实工艺为升温速率为25±5℃/h，预压实温度为85～90℃，保温0.5～1h，施加压力为0.2～0.4MPa。

进一步的，采用初始加压-主动卸压整体共固化工艺进行复合材料固化成型。

进一步的，控制凝胶温度130±5℃，保温至少1h充分加压；控制最高固化温度160±5℃，保温至少4h充分固化，按照1.2倍预设压力控制主动泄压。

进一步的，控制升温速率为20±5℃/h。

进一步的，制备硅橡胶软模工艺过程：首先配置硅橡胶胶液，真空脱泡处理后进行浇注，室温固化；然后将固化后的硅橡胶软模进行后处理，即得到硅橡胶软模；其中后处理为在180±5℃下保温6～8h。

本项发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本项发明通过采用“内软-外硬”芯模均压设计方法，其中硬质芯模作用为均匀压力分布，保证型面尺寸精度与平面度，硅橡胶软模作用为加热过程中施加膨胀压力，通过硬质芯模对复合材料均匀加压，解决了单一硅橡胶软模成型工艺方法局部施压不均，复合材料工形梁内腔尺寸精度低、局部呈波浪形的工艺问题，局部内腔平面度能够实现0.4以内，整体内腔平面度能够实现0.8mm以内，改善了复合材料工形梁内部尺寸精度。

(2)本项发明针对工形梁缘/腹板不等厚的结构特点，通过硅橡胶软模工艺间隙补偿设计实现X/Y/Z方向压力重新分配，各型面受压合理，降低了加压过程厚壁区减薄与薄壁区加厚的工艺风险。

(3)本项发明设计了初始加压整体共固化工艺制度，结合高粘度流动性可控预浸料，缓慢升温(20±5℃/h)过程保证硅橡胶软模充分受热膨胀，实现初始加压，温度直接升至树脂凝胶点保温充分加压，利于预制体中的空气与挥发分排出，保证了复合材料的致密程度，能够有效抑制内部缺陷的产生，此类复合材料构件内部缺陷比例能够控制在1％以内。

(4)两阶段固化制度，初始温度直接升至135±5℃，保证树脂凝胶前受压充分，利于复合材料预制体内部空气与挥发份有效排除；后固化温度160±5℃保温至少4h充分固化，相比于常用三阶段固化制度固化周期缩短约20％。

(5)本项发明在组装共固化成型模具的端头侧挡板结构中，按照1.2倍预设压力设计卸压结构，保证在固化过程中出现压力过高时复合材料构件与金属模具的安全性。另一方面，组装共固化成型模具考虑使用过程热胀冷缩对复合材料构件尺寸影响，通过模具补偿保证尺寸精度；侧挡板采用嵌入式紧密配合，减少胶液流出保证产品厚度。

(6)本项发明采用组合式铺层模具，硬质芯模与铺层模通过卡槽进行组装，既使得预制体预压实后铺层模容易脱出，又保证硬质芯模安装位置的准确性，同时赋予预制件拼接过程的尺寸稳定性。

(7)本项发明实现了多内腔工形梁高精度软模成型与缺陷控制，解决了复杂多内腔工形梁内腔尺寸精度不易控制的技术难题，大幅降低了复杂多内腔工形梁内部缺陷比例。相比于传统软模成型复合材料构件，该工艺方法提升了制品的质量稳定性与一致性，具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本项发明涉及多内腔工形梁典型结构示意图；

图2为本项发明工艺流程图；

图3为本项发明涉及“内软-外硬”芯模结构示意图；

图4为本项发明涉及组装铺层模示意图；

图5为本项发明涉及组装固化截面示意图；

图6为本项发明涉及端头卸压结构；

具体实施方式

多内腔工形梁是由连续贯通的主梁和分段拼接的副梁组成，横截面为工字形，每段工形梁均是由左右两件半工形预制体和两件底板料组合而成，主要结构特征为多内腔多型面、缘/腹板不等厚、腔内型面精度高，其典型结构如图1所示，对应浇注模具、铺层模具及组装固化模具均是按照工形梁结构特点进行设计与制造。

结合附图详细说明本项发明涉及的具体内容，本项发明工艺流程如图2所示，分为模具设计制造流程与复合材料构件制造流程，通过以下步骤实现：

1、“内软-外硬”芯模设计与制造

本项发明对传统硅橡胶软模进行优化设计，采用“内软-外硬”芯模设计方案，如图3所示，硬质芯模4与硅橡胶软模5配合使用，硅橡胶软模通过浇注模制备，具体制造过程如下：

(1)硅橡胶软模设计与浇注模具制造

硅橡胶软模尺寸根据固化压力进行设计，复合材料构件固化压力设计按照2.0～4.0MPa，根据所用硅橡胶的体膨胀参数按照下式进行计算：

其中，P_gel为树脂基体凝胶时芯模的膨胀压力；k为芯模弹性模量；ΔV为凝胶温度下芯模加压有效体积膨胀量；V_gel为硅橡胶芯模从室温t_rt至凝胶温度t_gel产生的自由热膨胀量。V_gel和ΔV可以表示为：

V_gel＝V_rt·[1+α·(t_gel-t_rt)]

ΔV＝V_gel-ε·V_rt

其中，V_rt为室温下芯模体积；α为芯模体膨胀系数；ε为内腔设计体积与室温下芯模体积比值，即ε＝V_D/V_rt。

进一步考虑硬质芯模厚度影响，硅橡胶软模X/Y/Z方向尺寸小于工字形内腔尺寸的3％～10％。缘板与腹板硬质芯模的材质为硬质钢，厚度1～2mm；浇注模具的材质为硬铝，尺寸与对应的硅橡胶软模一致。

(2)硅橡胶软模浇注

根据硅橡胶牌号配置胶液，真空脱泡处理后进行浇注，室温固化。

(3)硅橡胶软模后处理

固化后的硅橡胶软模进行后处理工序，后处理工艺为在180±5℃下保温6～8h，降至室温即得到硅橡胶软模。

2、预浸料铺层模具设计与制造

基于多内腔工形梁结构特点与承载要求，进行主、副梁结构分解，确定各分解部位的结构形式与尺寸，每段工形梁均是由左右两件半工形预制体2和两件底板料6组合而成，半工形预浸料铺层模具与半工形内腔形状一致，预留硬质芯模安装槽，将硬质芯模组装至预浸料铺层模具，组合后其X/Y/Z方向尺寸与半工形内腔设计尺寸一致，如图4所示；缘板预浸料铺层模具为普通平板模，尺寸根据上、下底板预制体所需尺寸确定。

3、组装共固化成型模具设计与制造

组装共固化成型模具包括上盖板1、下盖板7和侧挡板3，上盖板/下盖板成型面形状与多内腔工形梁的上/下表面一致，材质为钢，需要考虑使用过程热胀冷缩对复合材料构件尺寸影响，钢制模具热膨胀系数一般为12×10^-6/℃，碳纤维复合材料热膨胀系数一般为1～4×10^-6/℃。上盖板和下盖板边缘加工嵌入式台阶用来安装侧挡板，防止固化过程树脂胶液过度流出，截面如图5所示；各端头侧挡板按照1.2倍预设压力设计主动卸压结构，如图6所示。

4、预浸料制备

(1)预浸料选材

预浸料选择满足初始加压工艺要求的高粘度预浸料，技术指标见表1。

表1复合材料热熔法预浸料的质量指标

预浸料厚度/mm	树脂含量/％	挥发份含量/％	纤维面密度/g·m<sup>-2</sup>
				0.10～0.50	34±2	≤1	130～220

(2)预浸料裁切

根据模具尺寸进行预浸料裁切，可采用自动下料机或手工裁切。

5、复合材料预制体制备

(1)半工形预制体2铺层

将硬质芯模组装至预浸料铺层模具，按照预设铺层顺序在铺层模上进行铺层，铺层完毕后包覆隔胶材料、隔离材料、整形压板、透气毡及真空袋。

(2)底板预浸料6铺层

按照预设铺层顺序在平板模上进行铺层，铺层完毕后包覆隔胶材料、隔离材料、整形压板、透气毡及真空袋。

(3)预压实工序

预压实工艺为升温速率为25±5℃/h，预压实温度为85～90℃，保温0.5～1h，施加压力为0.2～0.4MPa。

(4)半工形预制体2脱模

室温脱模，注意硬质芯模保留在复合材料预制体内腔中，装入硅橡胶软模。

(5)底板预制体6裁切

平板预制体6料块按照主梁和副梁上/下表面的形状和尺寸进行裁切，按相应铺层顺序进行标记。

6、复合材料预制件组装

(1)底板模具组装及下底板预制体组装

在下盖板7相应位置单侧组装侧挡板3，在下盖板7上按顺序放置主梁和副梁的下表面底板料预制件。

(2)半工形预制体2组装

将对应位置的半工形预制体2拼接为工形预制件，在主梁和副梁的下表面底板料预制件对应位置放置工形预制件，检查预制体内硅橡胶软模与硬质芯模位置。

(3)侧挡板3组装

在下盖板未组装侧挡板位置组装相应侧挡板3。

(4)上底板预制体组装及固化模具组装

在工形预制件上放置主梁和副梁的上表面底板料预制件，完成复合材料预制件组装，将侧挡板3安装在下盖板7上后，安装上盖板1及端头卸压板，注意模块之间对接缝以不能插入0.05mm塞尺为宜。

7、整体共固化

采用初始加压整体共固化工艺进行固化成型，控制升温速率为20±5℃/h，升温过程保证硅橡胶软模充分受热膨胀实现初始加压，控制凝胶温度135±5℃，保温1h充分加压；控制最高固化温度160±5℃，保温4h充分固化，按照1.2倍预设压力控制主动泄压。

8、制件脱模清理

依次拆除上盖板、侧挡板和下盖板，将硅橡胶软模与硬质芯模取出，清理余胶，即得到多内腔工形梁。

实施例1

产品名称：多内腔支撑梁

结构描述：如图1所示，多内腔多型面(30个内腔，100多个内型面)、缘/腹板不等厚(缘板6mm，腹板8mm)、腔内型面精度高(装配部位平面度0.5mm)，主梁总长820mm，中段副梁总长900mm，侧段副梁总长860mm，总高度64mm。

实施步骤：

(1)模具形式设计为“内软-外硬”膨胀芯模、组合式铺层模、主动泄压式组装固化模，硅橡胶软模后处理温度180±5℃，保温8h。

(2)预浸料选择初始加压预浸料，预浸料单层厚度0.15mm，幅宽1000mm。主要技术指标：树脂含量34±2％，挥发份含量≤1％，纤维面密度165±5g/m²。

(3)采用自动下料机进行预浸料裁切，在铺层模具上进行C形预制体及底板预制体铺层，按照工艺要求进行包覆。

(4)在热压罐内进行预压实，预压实工艺为升温速率为25±5℃/h，预压实温度为85～90℃，保温0.5～1h，施加压力为0.2～0.4MPa，室温脱模，涂有脱模剂的硬质芯模留在预制体内并装入硅橡胶软模。

(5)在下盖板相应位置单侧组装侧挡板，按顺序放置主梁和副梁的下表面底板料预制件；将对应位置的半工形预制件拼接为工形预制件，在主梁和副梁的下表面底板料预制件对应位置放置工形预制件；在下盖板未组装侧挡板位置组装相应侧挡板；在工形预制件上放置主梁和副梁的上表面底板料预制件，完成模具组装。

(6)在烘箱内进行整体共固化，固化制度为升温速率为20±5℃/h，升温至135±5℃保温1h，升温至160±5℃保温4h，降温速率为≤25℃/h。

(7)制件脱模，清理余胶，进行无损检测。

上述说明仅为一个应用实例，在不脱离本项发明方法及原理的前提下，由附图1衍变的同类型复合材料结构的成型工艺技术，也应属于本项发明保护的范围。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种多内腔工形梁的高精度软模成型与缺陷控制工艺方法，多内腔工形梁包括至少两根主梁和至少六根副梁，主梁与副梁处于同一平面内且主梁之间不相交，位于主梁之间的副梁用于连接主梁，位于主梁外侧的副梁用于与外部连接；主梁与副梁之间整体固化成型，主梁、副梁的横截面为工字形，工字形的竖边为腹板，横边为缘板，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)根据每根主梁和副梁工字形内腔的尺寸设计硅橡胶软模和硬质芯模，通过硅橡胶软模和硬质芯模构成一个内软外硬的芯模；其中硅橡胶软模的形状与对应梁工字形内腔形状一致，三个方向的尺寸小于对应工字形内腔尺寸的5％～10％；硬质芯模包括缘板和腹板硬质芯模，材料选用硬度指标大于HRC55，厚度1～2mm；

(2)制备半工字形内腔预浸料铺层模具，将缘板和腹板硬质芯模预装至预浸料铺层模具中，保证安装后工作型面尺寸与内腔设计尺寸一致；

(3)制造组装固化成型模具，通过该模具为整体固化成型提供封闭形腔；

(4)采用初始加压预浸料利用半工字形内腔预浸料铺层模具制备复合材料预制体并进行预压实，脱预浸料铺层模具，保留硬质芯模；

(5)将步骤(4)处理后的复合材料预制体、硅橡胶软模按照所述多内腔工形梁的构型将副梁拼插在对应的主梁工字形内腔，并整体组装在组装固化成型模具中；之后进行整体固化，固化完成后脱模得到多内腔工形梁；

所述组装共固化成型模具包括上盖板、下盖板、两侧侧挡板以及端头侧挡板；上盖板、下盖板成型面形状与多内腔工形梁的上、下表面一致，上盖板、下盖板成型面尺寸考虑使用过程热胀冷缩对复合材料构件尺寸影响，上盖板和下盖板边缘加工嵌入式台阶用来安装两侧侧挡板，端头挡板与上盖板、下盖板、两侧侧挡板连接且安装在组装共固化成型模具端头位置，端头侧挡板在1.2倍预设压力下能够主动卸压；所述的预设压力为硅橡胶软模在固化温度下的膨胀压力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：主动泄压通过下述方式实现：在端头挡板与上盖板、下盖板、两侧侧挡板的每个安装位置设置主动泄压结构，该结构为在端头挡板上加工两个阶梯光孔，螺钉的螺纹部分穿过直径较小的光孔与对应侧板及盖板螺接，并通过螺钉阶梯面即螺纹部分与光面部分连接的阶梯面与端头挡板阶梯面卡紧固定，该直径较小光孔所在挡板的厚度能够保证当达到1.2倍预设压力时被断开，端头挡板向外移动并通过螺钉的螺帽进行限位。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中预压实工艺为升温速率为25±5℃/h，预压实温度为85～90℃，保温0.5～1h，施加压力为0.2～0.4MPa。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用初始加压-主动卸压整体共固化工艺进行复合材料固化成型。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：控制凝胶温度130±5℃，保温至少1h充分加压；控制最高固化温度160±5℃，保温至少4h充分固化，按照1.2倍预设压力控制主动泄压。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：控制升温速率为20±5℃/h。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：制备硅橡胶软模工艺过程：首先配置硅橡胶胶液，真空脱泡处理后进行浇注，室温固化；然后将固化后的硅橡胶软模进行后处理，即得到硅橡胶软模；其中后处理为在180±5℃下保温6～8h。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：工字形内腔平面度0.4～0.8mm，复合材料整体缺陷比例≤1％。

Images