CN108973162B - 一种凹槽结构工艺盖板及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种凹槽结构工艺盖板，其结构为，填充层由若干层未硫化橡胶层叠而成，在填充层的下表面设置壳体层，壳体层由若干层玻璃纤维编织预浸布层合组成；在壳体层的下表面设置平板层，平板层由底部一层未硫化橡胶与上部若干层玻璃纤维编制预浸布组成；其中工艺盖板底面设有若干个凹槽，平板层在凹槽处被断开，壳体层在凹槽处向上拱起形成凸起结构；R角填充体由未硫化橡胶阶梯组合赋型，并支撑在壳体层与平板层的过渡圆角处。该工艺盖板可以有效的衰减、分散成型过程中集中在零件中空区域的均布载荷，消除应力集中，同时又保证了所有配合区域的有效受压，最终得到均匀分布且厚度符合规范要求的胶接膜层。

Description

一种凹槽结构工艺盖板及制备方法

技术领域

本发明涉及航空器金属胶接构件制造技术领域，具体的说，是一种具有凹槽结构的复合材料工艺盖板及制备方法，应用于中空凸起结构金属胶接件的胶层厚度控制。

背景技术

工艺盖板是胶接构件制造中一种较为常见的辅助成型工具，目前，在航空器金属胶接制造技术领域中应用的工艺盖板，其作用主要在于改善或增强R角区域或异型区域的压力传导和压力分布，然而对于具备中空凸起结构的金属胶接构件来说，其成型的难点在于应力集中于狭小的区域内，造成局部应力过大，胶膜厚度过薄，现有工艺盖板无法满足此类胶接构件的制造需求。因此，针对性的开发设计具备指向性分散、宽域衰减集中应力功能的新型工艺盖板的需求较为迫切。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种凹槽结构工艺盖板，该工艺盖板可以有效的衰减、分散成型过程中集中在零件中空区域的均布载荷，消除应力集中，同时又保证了所有配合区域的有效受压，最终得到均匀分布且厚度符合规范要求的胶接膜层。

为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种凹槽结构工艺盖板，工艺盖板由填充层、壳体层、平板层及R角填充体四部分组成；填充层由若干层未硫化橡胶层叠而成，在填充层的下表面设置壳体层，壳体层由若干层玻璃纤维编织预浸布层合组成；在壳体层的下表面设置平板层，平板层由底部一层未硫化橡胶与上部若干层玻璃纤维编制预浸布组成；其中工艺盖板底面设有若干个凹槽，凹槽位置与胶接构件的中空凸起位置相对应，平板层在凹槽处被断开，壳体层在凹槽处向上拱起形成凸起结构；R角填充体由未硫化橡胶阶梯组合赋型，并支撑在壳体层与平板层的过渡圆角处。

在工艺盖板的凹槽处设置结构假件，结构假件采用未硫化橡胶阶梯递减的形式制造出边缘楔形结构，且在结构假件上下表面各放置一层隔离膜。

所述的R角填充体由外至内依次倾斜设置15mm和20mm宽的未硫化橡胶层组成。

制作工艺盖板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）提前准备胶接构件，以胶接构件充当模具以制造工艺盖板，工艺盖板凹槽对应胶接构件的中空凸起结构，模具四周设置定位孔；

2）制作结构假件：结构假件由三层未硫化橡胶层组成，结构假件上下各放置一层隔离膜；其中结构假件的第一层橡胶层完全覆盖模具的凸起结构，且底部边缘与凸起结构的边缘齐平，另外两层橡胶层以2~3mm宽度阶梯递减；

3）制作平板层：在模具上铺设一层未硫化橡胶层，并移除模具中空凸起部分覆盖的橡胶层，底部边缘齐平并预留定位孔；在已铺放的橡胶层上铺叠7~9层玻璃纤维编织预浸布，移除凸起部分的预浸布，移除的预浸布边缘与凸起的结构假件边缘切线齐平，平板层边缘整体呈楔形结构，铺放过程中每隔3~4层封真空袋，全真空压实5~10mins，并预留定位孔；

4）制作R角填充体：裁剪15mm和20mm宽度的未硫化橡胶层，先窄后宽的铺放在凸起结构的侧边一周，一端搭接在结构假件上，另一端搭接在7层玻璃纤维编制预浸布的顶层，封真空袋全真空压实5~10mins；

5）制作壳体层：铺放13~15层玻璃纤维预浸布整铺层，铺放过程中，每隔3~4层，封真空袋，全真空压实5~10mins，注意擀压R角区域，防止架桥、空腔，并预留定位孔；

6）制作填充层：铺放4~5层未硫化的橡胶层，移除凸起结构周围的橡胶层，第一层橡胶层的移除边缘与外露的凸起边缘齐平，其余橡胶层以每层4~6mm宽度阶梯递增，直至橡胶层与凸起区域齐平，最后铺放一层未硫化橡胶层整铺层，并预留定位孔；

7）整体移入热压罐中，固化成型，移除模具及结构假件，得到最终的工艺盖板。

该具有凹槽结构的复合材料工艺盖板通过填充层、壳体层、平板层和R角填充体的有效组合，充分发挥玻璃纤维编织预浸布的刚性、韧性和未硫化橡胶层的柔性的材料特性，可以有效的将原本直接施加在中空结构上的均布载荷转移、分散、衰减，消除中空结构边缘的应力集中，得到分布均匀、厚度符合规范要求的膜层。

在该具有凹槽结构的复合材料工艺盖板制造过程中，在凹槽处设置结构假件，其优点在于可以增加盖板与胶接构件之间的空间余量，防止胶接构件正式胶接成型过程中，因壳体层受压产生弹性形变而与胶接构件相接触。

使用玻璃纤维编织预浸布层叠制成曲度较胶接构件外形更加平滑的壳体层，其优点在于可以使壳体层受到的载荷更易于向水平方向转移分散，另外，玻璃纤维编制预浸布层合板具有良好的韧性，即表观弹性，受压形变较大，可以将壳体层底部边缘的集中载荷在一个较宽的区域内衰减，有效改善承压边缘的应力集中情况。

倾斜设置两层未硫化橡胶构成三角形的R角填充体，其优点在于，首先未硫化橡胶属于柔性介质，可以辅助壳体层成型，拉伸延展壳体层曲度，但不参与壳体层的压力传递；其次未硫化橡胶具有十分优异的热膨胀特性，在胶接构件成型过程中，可以对余量区进行辅助加压，保证了所有配合区域的有效受压。

使用未硫化橡胶层及玻璃纤维编织预浸布组合而成的平板层，其优点在于，首先橡胶层可以改善工艺盖板与胶接构件的贴合状态，增加工艺盖板对胶接构件外形的容差，其次玻璃纤维编织预浸布层合板具备良好的刚性，可以将壳体层边缘传递的宽域应力进行二次分配，最后，平板层内侧边缘的楔形结构可以将R角填充体传递的压力均匀传递，避免弯边趋势造成的应力集中。

采用上述工艺制造具有凹槽结构的复合材料工艺盖板可以有效保证具备中空凸起结构胶接件的胶接质量。

附图说明

图1为制备凹槽结构工艺盖板成型的结构示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为成型后的凹槽结构工艺盖板。

图4为凹槽结构工艺盖板在胶接工序中的使用示意图。

其中，1为模具、2为整铺的玻璃纤维编织预浸布的壳体层、3为部分移除的玻璃纤维编织预浸布的平板层、4为未硫化橡胶组成的R角填充体、5为结构假件、6为隔离膜、7为未硫化橡胶组成的填充层、11为胶接零件下蒙皮、12为胶膜、13为胶接零件上蒙皮、14为凹槽结构工艺盖板。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种凹槽结构工艺盖板，工艺盖板由填充层、壳体层、平板层及R角填充体四部分组成；填充层由若干层未硫化橡胶层叠而成，在填充层的下表面设置壳体层，壳体层由若干层玻璃纤维编织预浸布层合组成；在壳体层的下表面设置平板层，平板层由底部一层未硫化橡胶与上部若干层玻璃纤维编制预浸布组成；其中工艺盖板底面设有若干个凹槽，凹槽位置与胶接构件的中空凸起位置相对应，平板层在凹槽处被断开，壳体层在凹槽处向上拱起形成凸起结构；R角填充体由未硫化橡胶阶梯组合赋型，并支撑在壳体层与平板层的过渡圆角处。

在工艺盖板的凹槽处设置结构假件，结构假件采用未硫化橡胶阶梯递减的形式制造出边缘楔形结构，且在结构假件上下表面各放置一层隔离膜。

所述的R角填充体由外至内依次倾斜设置15mm和20mm宽的未硫化橡胶层组成。

制作工艺盖板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）提前准备胶接构件，以胶接构件充当模具以制造工艺盖板，工艺盖板凹槽对应胶接构件的中空凸起结构，模具四周设置定位孔；

2）制作结构假件：结构假件由三层未硫化橡胶层组成，结构假件上下各放置一层隔离膜；其中结构假件的第一层橡胶层完全覆盖模具的凸起结构，且底部边缘与凸起结构的边缘齐平，另外两层橡胶层以2~3mm宽度阶梯递减；

3）制作平板层：在模具（1）上铺设一层未硫化橡胶层，并移除模具中空凸起部分覆盖的橡胶层，底部边缘齐平并预留定位孔；在已铺放的橡胶层上铺叠7~9层玻璃纤维编织预浸布，移除凸起部分的预浸布，移除的预浸布边缘与凸起的结构假件边缘切线齐平，平板层边缘整体呈楔形结构，铺放过程中每隔3~4层封真空袋，全真空压实5~10mins，并预留定位孔；

4）制作R角填充体：裁剪15mm和20mm宽度的未硫化橡胶层，先窄后宽的铺放在凸起结构的侧边一周，一端搭接在结构假件上，另一端搭接在7层玻璃纤维编制预浸布的顶层，构成120°~150°的钝角，封真空袋全真空压实5~10mins；

5）制作壳体层：铺放13~15层玻璃纤维预浸布整铺层，铺放过程中，每隔3~4层，封真空袋，全真空压实5~10mins，注意擀压R角区域，防止架桥、空腔，并预留定位孔；

6）制作填充层：铺放4~5层未硫化的橡胶层，移除凸起结构周围的橡胶层，第一层橡胶层的移除边缘与外露的凸起边缘齐平，其余橡胶层以每层4~6mm宽度阶梯递增，直至橡胶层与凸起区域齐平，最后铺放一层未硫化橡胶层整铺层，并预留定位孔；

7）整体移入热压罐中，固化成型，移除模具及结构假件，得到最终的工艺盖板，如图3所示，其中工艺盖板固化参数如下：

(1)测漏：抽真空至75KPa，保持10min，关闭真空源，检测10分钟，观察10min内真空度数下降不超过14KPa；

(2) 测漏结束后真空通大气，当压力达到103KPa时，重新加压；

(3)罐内达到310KPa时，开始加热升温，升温速率为2.5℃/min；

(4)保温温度176℃，保温时间2h；

(5)最大降温速率不超过2.7℃/min；

(6)温度降至50℃后，卸压出罐。

本申请的工艺盖板在航空部件金属胶接工艺中的应用：如图4所示，在胶接工序中，在胶接零件上下蒙皮之间铺放一层胶膜，胶接零件按工程要求组装成型后，通过定位孔将工艺盖板固定在胶接零件上，在工艺盖板上按胶接规范要求铺放工艺辅助材料，封真空袋，固化；校验膜试验表明，使用工艺盖板后，其胶膜厚度在0.0165英寸～0.004英寸之间，且胶膜薄厚均匀，无明显的明亮区和阴暗区。

现有工艺中，将胶接零件上下蒙皮及胶膜按工程要求组装成型后，在胶接零件上直接铺放工艺辅助材料，封真空袋，固化；校验膜试验表明，未使用本发明的工艺盖板进行胶接后，其校验膜厚度在0～0.0065英寸之间，校验膜表现出明显的应力集中区，应力集中区胶膜几近透明破损，另有部分区域胶膜明显超厚，胶膜整体呈现明显的明暗对比，胶膜分布极不均匀。

通过采用本发明凹槽结构工艺盖板进行的金属胶接与对比例方法进行的金属胶接对比可知，应用本发明的凹槽结构工艺盖板进行胶接，可以有效的衰减、分散零件成型过程中集中在胶接零件中空区域的均布载荷，消除中空区域边缘的应力集中，同时又保证了所有配合区域的有效受压，最终得到均匀分布且厚度符合规范要求的胶接膜层，可有效改善此类具备中空结构金属胶接件的胶接质量。

Claims (4)

1.一种凹槽结构工艺盖板，其特征在于：工艺盖板由填充层、壳体层、平板层及R角填充体四部分组成；填充层由若干层未硫化橡胶层叠而成，在填充层的下表面设置壳体层，壳体层由若干层玻璃纤维编织预浸布层合组成；在壳体层的下表面设置平板层，平板层由底部一层未硫化橡胶与上部若干层玻璃纤维编制预浸布组成；其中工艺盖板底面设有若干个凹槽，凹槽位置与胶接构件的中空凸起位置相对应，平板层在凹槽处被断开，壳体层在凹槽处向上拱起形成凸起结构；R角填充体由未硫化橡胶阶梯组合赋型，并支撑在壳体层与平板层的过渡圆角处。

2.如权利要求1所述的凹槽结构工艺盖板，其特征在于：在工艺盖板的凹槽处设置结构假件，结构假件采用未硫化橡胶阶梯递减的形式制造出边缘楔形结构，且在结构假件上下表面各放置一层隔离膜。

3.如权利要求2所述的凹槽结构工艺盖板，其特征在于：所述的R角填充体由外至内依次倾斜设置15mm和20mm宽的未硫化橡胶层组成。

4.制作如权利要求2所述的工艺盖板的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）提前准备胶接构件，以胶接构件充当模具以制造工艺盖板，工艺盖板凹槽对应胶接构件的中空凸起结构，模具四周设置定位孔；

2）制作结构假件：结构假件由三层未硫化橡胶层组成，结构假件上下各放置一层隔离膜；其中结构假件的第一层橡胶层完全覆盖模具的凸起结构，且底部边缘与凸起结构的边缘齐平，另外两层橡胶层以2～3mm宽度阶梯递减；

3）制作平板层：在模具上铺设一层未硫化橡胶层，并移除模具中空凸起部分覆盖的橡胶层，底部边缘齐平并预留定位孔；在已铺放的橡胶层上铺叠7～9层玻璃纤维编织预浸布，移除凸起部分的预浸布，移除的预浸布边缘与凸起的结构假件边缘切线齐平，平板层边缘整体呈楔形结构，铺放过程中每隔3～4层封真空袋，全真空压实5～10mins，并预留定位孔；

4）制作R角填充体：裁剪15mm和20mm宽度的未硫化橡胶层，先窄后宽的铺放在凸起结构的侧边一周，一端搭接在结构假件上，另一端搭接在7层玻璃纤维编制预浸布的顶层，封真空袋全真空压实5～10mins；

5）制作壳体层：铺放13～15层玻璃纤维预浸布整铺层，铺放过程中，每隔3～4层，封真空袋，全真空压实5～10mins，注意擀压R角区域，防止架桥、空腔，并预留定位孔；

6）制作填充层：铺放4~5层未硫化的橡胶层，移除凸起结构周围的橡胶层，第一层橡胶层的移除边缘与外露的凸起边缘齐平，其余橡胶层以每层4~6mm宽度阶梯递增，直至橡胶层与凸起区域齐平，最后铺放一层未硫化橡胶层整铺层，并预留定位孔；

7）整体移入热压罐中，固化成型，移除模具及结构假件，得到最终的工艺盖板。

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