CN108973172A - 变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压装置及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤柔性热压装置及成型方法，属于复合材料加工技术领域。该装置中的柔性热压模块主要由凸模、凹模和加压装置组成，凹模内表面设置硅橡胶膜，且两者间构成凹模气室，该气室通过进气/排气通道与外界相通，通道出口设置进气/排气电磁阀；本发明通过对凹模气室的充气和排气，对帽形长桁表面进行均匀加压，能够适应帽形型材中插层设计引起的型材厚度变化；此外，本发明的装置及方法通过控制间隔时间长桁制件的步进距离，保证制件满足完全固化所需时间要求，从而实现连续拉挤热压成形，实现制备较长型材；通过对较长型材的切割，可获得合适的长度，满足不同的使用需求，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料加工技术领域，具体地，涉及一种变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压装置及成型方法。
背景技术
在航空工业领域，复合材料因具有重量轻、强度大等优点而常被作为金属材料的替代品，并广泛应用于飞机的机身、机翼、尾翼等部位的加强筋壁板结构中，这些部位的加强筋壁板结构的截面一般为变厚度的帽形或其他形式。
为满足飞机结构设计的需求，帽形型材中一般设计插层，以提高局部刚度和强度，减轻结构重量。帽形长桁因插层设计需求导致长桁截面厚度沿长度方向不一致，称之为变厚度复合材料帽形长桁。
对于变厚度型材的制备，传统方法采用热压罐工艺，其存在成本较高，且型材尺寸受到严格限制，无法制备较长型材的问题。
在先技术[1]公开了一种帽形复合材料长桁热压成型的刚性模具，用于加工帽形复合材料长桁的模具包括阳模和单瓣凹模，其中阳模的凸起和单瓣凹模的腔体相一致。当复合材料型材的预料铺在阳模上时，将单瓣凹模与阳模合模，并在单瓣凹模上施加过凸起的上表面的中点的垂直力F，进而成型帽形型材。该刚性模具的问题在于，其无法对变厚度帽形长桁施加均匀压力，会导致型材的不同部位厚度不一致，进而无法满足实际的应用要求。
参考文献
[1]窦冲.帽形梁先进拉挤热压装置及制件的性能研究[D].南京：南京航空航天大学,2013.
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤柔性热压装置及成型方法，该装置及方法可用来制备较长型材，保证变厚度帽形长桁的各型面在热压成型过程中所受压力载荷均匀一致，并能适应长桁厚度因插层引起的厚度变化，保证帽形型材的成型质量。
本发明采用的技术方案为：
变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压装置,包括：依次设置的放卷模块、预成型模块、柔性热压模块和牵引模块；多种复合材料预浸料在所述牵引模块牵引下，经所述放卷模块和所述预成型模块，形成预变形的多层预浸料变厚度帽形长桁制件，接着，在所述柔性热压模块中热压成形；
所述柔性热压模块主要由凸模、凹模和加压装置组成，该加压装置与凹模相连，用于施加合模压力；
所述凹模的内表面设置硅橡胶膜，且该硅橡胶膜和所述凹模的内表面间构成凹模气室，所述凹模上开有贯通的进气/排气口，所述凹模气室通过所述进气/排气口与外部相连通；
所述进气/排气口的出口设置进气/排气电磁阀；
经所述预成型模块预变形的多层预浸料变厚度帽形长桁制件设置在所述硅橡胶膜与所述凸模之间；
所述凸模和所述凹模之间通过密封压条密封；
所述凸模和所述凹模相对的内表面沿拉挤方向均设置有加热装置。
进一步地，所述加热装置为加热板。
进一步地，所述连续拉挤热压装置还包括：设置在所述牵引模块后的切割模块。
变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压成型方法，包括如下步骤：
步骤1、确定设定保温温度T下，预浸料的完全固化时间t；
步骤2、经预成型模块预变形的变厚度帽形长桁制件在牵引模块作用下，移至柔性热压模块的凸模和硅橡胶膜之间；
步骤3、凹模与凸模合模，压紧凸模和凹模之间设置的密封压条，完成密封；
步骤4、打开进气/排气电磁阀，向凹模气室充气至设定压力后关闭进气/排气电磁阀，并通过加热板加热至设定保温温度T；
将完全固化时间t等分成N段，保温保压t/N时间后，打开进气/排气电磁阀使凹模气室排气至常压，并分离凹模与凸模；
变厚度帽形长桁制件在牵引模块作用下移动L/N的距离，L为柔性热压模块沿拉挤方向的长度；
重复步骤3-4，实现连续拉挤热压成形过程。
进一步地，步骤4还包括：在完成连续拉挤热压成形过程获得成品后，切割模块按照设定长度对所述成品进行切割。
进一步地，步骤4中所述的设定压力为0.6MPa-1.0MPa。
进一步地，步骤1和4中所述设定保温温度T在140℃以上。
本发明的有益效果在于：
本发明中的硅橡胶膜与刚性模具之间在凹、凸模合模后构成封闭的气室，通过向气室内充入气体，并通过该气体对帽形长桁表面进行加压的方式，可保证各方向施加的压力均一致；
并且气室加压为软模加压，与直接通过凹模加压的硬模加压不同，软模刚性较小，在帽形型材发生厚度变化时，气室加压能自适应型材的变化，因此，能够适应帽形型材中插层设计引起的型材厚度变化；
此外，本发明的装置及方法可用来制备较长型材，通过切割模块的切割，可获得合适的长度，满足不同的使用需求，适用范围广。
附图说明
图1是本发明的复合材料帽形长桁连续拉挤成形工艺流程示意图；
图2是本发明的柔性热压模块的结构示意图；
图3是柔性热压模块中，凹模内表面的结构示意图；
图4是柔性热压模块中，凸模内表面的结构示意图；
图中标号：1-背衬纸收卷轴，2-预浸料卷轴，3-过辊，4-脱模材料卷轴，5-放卷模块，6-预成型模块，7-柔性热压模块，8-牵引模块，9-切割模块，10-进气/排气电磁阀，11-进气/排气口，12-硅橡胶膜，13-密封压条，14-帽形长桁制件，15-凹模，16-凸模，17-加热板，18-热电偶安装孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的连续拉挤成形工艺流程，预浸料经放卷模块5堆叠后，依次经过预成型模块6、热压模块7、牵引模块8和切割模块9，加工成设定长度的成品；
放卷模块5包括：若干个预浸料卷轴2、背衬纸收卷轴1、过棍3和脱模材料卷轴4；铺叠好的预浸料从预浸料卷轴2展开，隔离背衬纸由收卷轴1回绕，多组预浸料层经多个过辊3贴合，并在最终预浸料层组上下表面铺贴脱模材料4；
铺贴后的最终预浸料层组进入预成型模块6，并由平直状态逐渐折弯变形成帽形型材的截面形状得帽形长桁制件14。
预成型后的帽形长桁制件14进入柔性热压模块7,参照图2，柔性热压模块7主要由凸模16和凹模15组成，凹模15为动模，其与加压装置相连，加压装置用于施加合模压力(加压装置图中未示出)；
凹模15的内表面设置硅橡胶膜12，且硅橡胶膜12和凹模15的内表面间构成凹模气室，凹模15上开有贯通的两个进气/排气口11(参见图3)，所述凹模气室通过进气/排气口11与外部相连通；
两进气/排气口11的出口均安装进气/排气电磁阀10；
经过预成型模块6预变形的变厚度帽形长桁设置在硅橡胶膜12与凸模16之间；
凸模16和凹模15之间边缘的合缝处均通过密封压条13密封，包括凹模和凸模合模后形成的帽形长桁的进口和出口；
凸模16和凹模15相对的内表面沿拉挤方向均设置有加热板17，如图3和图4所示，此外，通过凸模16和凹模15上的热电偶安装孔18可安装热电偶进行测温，参见图4，该温度与PID连锁即可控制加热板的加热温度，进而实现复合材料帽形长桁的固化所需温度。
变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压成型方法，包括如下步骤：
步骤1、确定设定保温温度T下，预浸料的固化时间t，设定保温温度T在140℃以上；
步骤2、经预成型模块6预变形的变厚度帽形长桁在牵引模块8作用下，移至柔性热压模块7的凸模16和硅橡胶膜12之间；
步骤3、凹模15与凸模16合模，压紧凸模16和凹模15之间设置的密封压条13，完成密封；
步骤4、打开进气/排气电磁阀10，向凹模气室充气至0.6MPa-1.0MPa，并通过加热板加热至设定保温温度T；
将固化时间t等分成N段，保温保压t/N时间后，打开进气/排气电磁阀10使凹模气室排气至常压，并分离凹模15与凸模16；变厚度帽形长桁在牵引模块8作用下移动L/N的距离，L为柔性热压模块7沿拉挤方向的长度；
重复步骤3-4，实现连续拉挤热压成形过程；
完成连续拉挤热压成形过程获得成品后，牵引模块8后的切割模块9按照设定长度对所述成品进行切割。
下面给出确定保温温度T和预浸料的固化时间t的方法。
在复合材料的诸多成型工艺中，热压罐成型技术是较为稳定和成熟的。因此，在初步选定保温温度T和预浸料固化时间t时，参考同种预浸料热压罐成型的技术参数。随后进行验证试验，使用初步选定的参数制作制件，在制件不同部位截取实验样品进行DSC实验，测定样品的固化度。若固化度到达95％以上，则说明初步选定的参数可行；若固化度低于95％，则适当增大固化时间t即可。
应当指出的是，可以在拉挤方向上串联多个柔性热压模块，以满足行程长度和工艺需求。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压装置,包括：依次设置的放卷模块(5)、预成型模块(6)、柔性热压模块(7)和牵引模块(8)，其中，柔性热压模块(7)主要由凹模(15)、凸模(16)和与凹模(15)相连的加压装置组成，其特征在于，
凹模(15)的内表面设置硅橡胶膜(12)，且硅橡胶膜(12)和凹模(15)的内表面间构成凹模气室，凹模(15)上开有贯通的进气/排气口(11)，所述凹模气室通过进气/排气口(11)与外部相连通；
进气/排气口(11)的出口设置进气/排气电磁阀(10)；
经预成型模块(6)预变形的变厚度帽形长桁制件(14)设置在硅橡胶膜(12)与凸模(16)之间；
凸模(16)和凹模(15)之间通过密封压条(13)密封；
凸模(16)和凹模(15)相对的内表面沿拉挤方向均设置有加热装置。
2.根据权利要求1所述的变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压装置，其特征在于，所述加热装置为加热板(17)。
3.根据权利要求1或2所述的变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压装置，其特征在于，所述连续拉挤热压装置还包括：设置在牵引模块(8)后的切割模块(9)。
4.变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、确定设定保温温度T下，预浸料的完全固化时间t；
步骤2、经预成型模块(6)预变形的变厚度帽形长桁制件(14)在牵引模块(8)作用下，移至柔性热压模块(7)的凸模(16)和硅橡胶膜(12)之间；
步骤3、凹模(15)与凸模(16)合模，压紧凸模(16)和凹模(15)之间设置的密封压条(13)，完成密封；
步骤4、打开进气/排气电磁阀(10)，向凹模气室充气至设定压力后关闭进气/排气电磁阀(10)，通过加热板(17)加热至设定保温温度T；
将完全固化时间t等分成N段，保温保压t/N时间后，打开进气/排气电磁阀(10)使凹模气室排气至常压，并分离凹模(15)与凸模(16)；
变厚度帽形长桁制件(14)在牵引模块(8)作用下移动L/N的距离，L为柔性热压模块(7)沿拉挤方向的长度；
重复步骤3-4，实现连续拉挤热压成形过程。
5.根据权利要求4所述的变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压成型方法，其特征在于，步骤4还包括：在完成连续拉挤热压成形过程获得成品后，切割模块(9)按照设定长度对所述成品进行切割。
6.根据权利要求4或5所述的变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压成型方法，其特征在于，步骤4所述的设定压力为0.6MPa-1.0MPa。
7.根据权利要求6所述的变厚度复合材料帽形长桁连续拉挤热压成型方法，其特征在于，步骤1和4中所述设定保温温度T在140℃以上。
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