CN109795135A - 一种软性工装实现大尺寸工字梁加强蒙皮结构复合材料制件共胶结成型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软性工装实现工字梁加强蒙皮结构复合材料制件共胶结成型的方法，通过金属模具来成型纤维增强的橡胶制软性工装，在软性工装成型后，作为共胶结模具的一部分，完成工字梁加强蒙皮的共胶结过程。与传统芯模成型方法相比，本申请软性工装可以均匀、精确地传递热压罐施加的压力，避免复合材料制件出现厚度超差的现象，同时均衡的压力有利于维持产品的型面，防止产品扭曲变形，使用软性工装可以避免热滞后效应，以上两点可以有效保证制件的成型质量，提高生产的合格率和效率。

Description

一种软性工装实现大尺寸工字梁加强蒙皮结构复合材料制件 共胶结成型的方法

技术领域

本发明属于先进复合材料制造技术领域，尤其涉及航空器、航天器、汽车行业中的高性能碳纤维复合材料结构件制造，特别涉及一种软性工装实现大尺寸工字梁加强蒙皮结构复合材料制件共胶结成型的方法。

背景技术

树脂基碳纤维复合材料具有比强度、比刚度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，尺寸稳定性好等优越的性能，是目前航空、航天、交通等领域中应用十分广泛的高性能结构材料。在多种碳纤维复合材料成型工艺中，热压罐工艺具有成型温度和压力均匀，对于不同材料、外形、尺寸及结构的零件具有很好的适应性，因而成为了研究和制造航空航天高品质复合材料构件的主要工艺方法之一。

工字梁加强蒙皮是复合材料制件中较为常见的加强结构件，通常作为主承力结构件使用，其特点是零件尺寸较大、工字型加强梁较多，部分制件还带有双曲面结构。

共胶结作为目前热压罐工艺中十分常见的制造方式和手段，相比于机械铆接，具有结构强度高、比重小、成本低等特点；但是同时，共胶结工艺要求零件在成型过程中始终保持压力均衡、加强梁位置度精确、零件整体变形量小，这给大尺寸复合材料零件的共胶结提出了很严苛的工艺要求。

工字梁加强蒙皮复合材料结构件，要求工字型加强梁单独先进行固化，然后与未固化状态的蒙皮进行共胶结。零件整体尺寸较大(长度＞2m)，工字型加强梁间距较小且数量较多(＞3个)，同时蒙皮带有一定的双曲面，给成型工艺带来了较大的难度。

对于工字梁加强蒙皮复合材料结构件，目前业内基于热压罐工艺的成型方法基本为金属芯模成型。芯模成型工艺中，芯模材质一般为模具钢或者铝合金。

虽然工字型加强梁在固化后结构强度有所提高，但是在高温高压环境下，工字梁的立筋部分由于承载力矩较大，仍然存在扭曲、位置度偏移、蒙皮与长桁底面接触区域出现凹陷等风险，因此金属芯模的作用是维持工字型加强梁的外形尺寸和位置度，保证产品成型质量。

使用金属芯模法成型工字梁的缺点主要有以下五个方面：(1)由于芯模自身具有一定刚度，且金属芯模与模具底板必须通过孔销进行精确定位，这样通过芯模传导外界压力就难以做到均匀和精确，容易造成制件的蒙皮部分厚度和无损检测超差；(2)由于芯模具有一定厚度且厚度不均一，根据热传递效应，制件的蒙皮部分不同区域的升温速率会有所不同，从而影响制件的内部成型质量，导致制件冷却脱模后产生较大的变形量；(3)由于工字型加强梁在共胶结时为固化后状态，具备一定的结构刚性，同时复合材料零件在成型后不可避免的会出现微小的变形，因此工字梁与金属芯模很难做到严密配合，如果强行装配必然使工字型加强梁内部产生应力，会导致产品固化后出现轮廓度和无损缺陷；(4)由于芯模为金属材质，自重较大，操作十分不便，且在长度方向尺寸较大时容易产生变形，影响产品的外形尺寸；(5)基于金属芯模的共胶结工艺，其模具设计较为复杂，对模具加工精度要求较高，大幅提高了模具的制造、返修以及后期维护保养的成本和周期。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种软性工装实现工字梁加强蒙皮结构复合材料制件共胶结成型的方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种软性工装实现工字梁加强蒙皮结构复合材料制件共胶结成型的方法，包括以下步骤：

(1)通过机械制造的方法，加工一个与工字梁加强蒙皮制件外形尺寸完全一致的金属假件，作为软性工装的成型模具；

(2)在金属假件上工字梁之间形成的腔体内铺贴软性工装，之后在整个金属假件和软性工装外部用真空袋真空密封，进入热压罐成型软性工装；

(3)软性工装成型后，去除真空袋，取出金属假件，将成型的工字梁和软性工装进行匹配并固定相对位置；同时在共胶结模具上铺贴蒙皮部分的预浸料，最后将软性工装连同工字梁一起定位到共胶结模具上，封装后进入热压罐，完成复合材料制件的共胶结；

(4)共胶结完成之后，将复合材料制件从模具上取下，将软性工装去掉，即完成产品脱模。

进一步的，软性工装是包括逐层铺贴橡胶层以及在两层橡胶层之间铺贴的作为增强层的纤维预浸料。

进一步的，橡胶层的层数为2～5层。

进一步的，软性工装成型的条件为:固化温度175～185℃,固化压力0.55～0.6MPa,固化时间2～3小时。

本发明通过使用软性工装，完成工字梁加强蒙皮复合材料结构件的共胶结成型，并实现以下几项要求：(1)在成型过程中，对制件施加的压力均匀精确，通过均衡的压力保证零件各部分的轮廓度和位置度达标，同时制件各个部位的升温速率保持一致，以保证制件的无损检测和厚度符合设计要求；(2)在共胶结过程中，固化后的工字型加强梁不会因强迫装配而产生内应力，保证产品在共胶结过程中不会出现质量缺陷；(3)该方案要避免因模具变形而导致产品轮廓度超差，同时相比于金属芯模，可以大大简化现场操作，缩短制造周期；(4)该方案要大幅降低模具设计、制造以及维护保养的成本及周期。

本发明通过金属模具来成型纤维增强的橡胶制软性工装，在软性工装成型后，作为共胶结模具的一部分，完成工字梁加强蒙皮的共胶结过程。

本发明的有益效果：(1)与传统芯模成型方法相比，软性工装可以均匀、精确地传递热压罐施加的压力，避免复合材料制件出现厚度超差的现象，同时均衡的压力有利于维持产品的型面，防止产品扭曲变形；(2)使用软性工装可以避免热滞后效应，以上两点可以有效保证制件的成型质量，提高生产的合格率和效率；(3)软性工装在与工字梁配合使用时，不会使工字梁内部产生装配应力，避免了共胶结后产品出现质量缺陷；(4)软性工装不会像金属芯模一样发生变形，故使用软性工装方案进行共胶结，可以保证产品的外形尺寸和相对位置精度；(5)相比与金属芯模，软性工装在现场使用十分简便，模具设计大大简化，降低了产品制造的成本和周期。

附图说明

图1是实施例中与工字梁加强蒙皮制件外形尺寸完全一致的金属假件。

图2是实施例中在金属假件上工字梁之间形成的腔体内铺贴软性工装的示意图。

图3是实施例中软性工装真空封装的示意图。

图4是实施例中工字梁加强蒙皮的共胶结过程的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图做进一步的说明。

软性工装实现工字梁加强蒙皮结构复合材料制件共胶结成型的方法详细流程如下：

1、通过机械制造的方法，加工一个与工字梁加强蒙皮制件外形尺寸完全一致的金属假件(如图1)，作为软性工装的成型模具；

2、在金属假件上工字梁之间形成的腔体内铺贴软性工装(如图2)。软性工装以橡胶为主要材料，将橡胶逐层铺贴在空腔内，在橡胶层中间要铺贴碳纤维预浸料作为增强层，以提高软性工装的整体刚度，铺贴橡胶和预浸料的层数主要取决于复合材料制件的尺寸和结构复杂程度。最后封制真空袋(如图3)，并按照橡胶的固化工艺，在高温高压条件下成型软性工装。软性工装成型的条件为:固化温度175～185℃,固化压力0.55～0.6MPa,固化时间2～3小时。

3、软性工装成型后，将作为模具的一部分参与工字梁加强蒙皮的共胶结过程。首先将成型好的工字梁与软性工装进行匹配并固定相对位置；同时在共胶结模具上铺贴蒙皮部分的预浸料，最后将软性工装连同工字梁一起定位到共胶结模具上(如图4)，封装后进入热压罐，完成复合材料制件的共胶结。

在共胶结过程中，由于工字梁本身为固化后的状态，因此自身刚度较大且由于工字梁为整体封装，上顶板以及腹板各面在固化过程中所受外界压力均等，故软性工装并不需要覆盖工字梁上顶板以及腹板，立筋并不会发生扭曲。

4、共胶结完成之后，将产品从模具上取下，将软性工装去掉，即完成产品脱模。根据使用材料和工艺的不同，软性工装可以重复使用数次至数十次，若软性工装损坏或变形，可使用金属假件以及成型模具再次制造软性工装。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。

Claims (4)

1.一种软性工装实现工字梁加强蒙皮结构复合材料制件共胶结成型的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过机械制造的方法，加工一个与工字梁加强蒙皮制件外形尺寸完全一致的金属假件，作为软性工装的成型模具；

(2)在金属假件上工字梁之间形成的腔体内铺贴软性工装，之后在整个金属假件和软性工装外部用真空袋真空密封，进入热压罐成型软性工装；

(3)软性工装成型后，去除真空袋，取出金属假件，将成型的工字梁和软性工装进行匹配并固定相对位置；同时在共胶结模具上铺贴蒙皮部分的预浸料，最后将软性工装连同工字梁一起定位到共胶结模具上，封装后进入热压罐，完成复合材料制件的共胶结；

(4)共胶结完成之后，将复合材料制件从模具上取下，将软性工装去掉，即完成产品脱模。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述软性工装是包括逐层铺贴橡胶层以及在两层橡胶层之间铺贴的作为增强层的纤维预浸料。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述橡胶层的层数为2～5层。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述软性工装成型的条件为:固化温度175～185℃,固化压力0.55～0.6MPa,固化时间2～3小时。