CN109795136A - 一种敞开式气囊实现大尺寸细长薄壁工字梁结构复合材料制件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种敞开式气囊实现大尺寸细长薄壁((3m以上)工字梁结构复合材料制件的方法，通过金属模具来成型纤维增强的橡胶制端头敞开式气囊，气囊成型后将作为大尺寸细长工字梁结构复合材料制件成型模具的一部分，完成工字梁结构复合材料制件的成型过程。本申请与传统芯模成型方法相比，气囊可以均匀、精确地传递热压罐施加的压力，避免复合材料制件由于尺寸较大且是薄壁结构而出现的厚度超差以及型面超差的现象，提高生产的合格率和效率，保证了制件成型后型面和尺寸厚度精度，同时气囊可以重复使用，并可以根据需要再次制造，制造成本较低，生产周期较短，制造成功率较高。

Description

一种敞开式气囊实现大尺寸细长薄壁工字梁结构复合材料制 件的方法

技术领域

本发明属于先进复合材料制造技术领域，特别涉及航空器、航天器、汽车行业中的高性能碳纤维复合材料结构件制造。

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。

工字梁是复合材料制件中较为常见的加强结构件，分为等截面工字梁和变截面工字梁等结构形式，其特点通常为尺寸较大、壁厚较薄，部分工字梁制件还带有双曲面结构。

复合材料制件容易因压力不均衡出现一定程度的变形，大尺寸零件尤为明显，因此大尺寸细长工字梁(3米以上)成型的技术难点在于如何控制制件的轮廓度、厚度以及变形量，同时尽可能降低制造周期和成本，提高产品合格率。

对于大尺寸细长工字梁复合材料结构件，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或传统气囊成型。芯模成型工艺中，芯模材质一般为模具钢或者铝合金。芯模的作用是将热压罐的压力和温度传递至复合材料制件，使制件在高温高压下成型，同时芯模的刚性可以保证工字梁的外形尺寸符合设计要求。

而在传统气囊成型工艺中，气囊材质一般为橡胶，传统的橡胶制气囊通过两端或侧面的气嘴与外界连通，将压力均匀传递至复合材料制件，左右侧气囊压力均衡可以保证工字梁的厚度和外形尺寸符合设计要求。

使用芯模法成型工字梁的缺点主要有以下四个方面：(1)由于芯模自身具有一定刚度，且金属芯模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，容易造成复合材料制件厚度超差及出现内部质量缺陷；(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)在零件尺寸较大的情况下，金属芯模的整体长度也较大，在使用过程中很容易发生变形，影响产品成型后的轮廓度；(4)由于芯模为金属材质，自重较大，操作十分不便，且在复合材料制件尺寸较大的情况下，为了保证产品尺寸精度以及定位的基准，对模具的精度要求必须高，所以金属芯模的制造和维护费用较高，返修或重新加工的制造周期较长。

而使用气囊法成型工字梁，虽然可以保证外界压力和热量均匀传递，但气囊本身的制造过程较为复杂，在气嘴附近容易出现气囊开裂或破损，制造合格率较低；同时该工艺方法对于气囊有严苛的气密性要求，一旦发生漏气，通常无法修补，这就导致气囊的使用寿命和可靠性降低，这一点在大尺寸复合材料制件成型过程中体现的尤为明显。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种通过使用端头敞开式气囊，完成大尺寸细长工字梁(3米以上)复合材料结构件的制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种敞开式气囊实现大尺寸细长薄壁工字梁结构复合材料制件的方法，包括以下步骤：

(1)通过机械制造的方法，加工两个与工字梁结构复合材料成型模具左右内腔尺寸完全一致的组合式槽型敞开式气囊成型模具，两槽型模具之间通过相应定位销进行配合定位；

(2)在组合式槽型敞开式气囊成型模具组合后形成的腔内铺贴槽型敞开式气囊，之后封制真空袋，并按照固化工艺，在高温高压条件下成型槽型敞开式气囊；

(3)气囊成型后，去除真空袋，取出成型槽型敞开式气囊，作为工字梁结构复合材料成型模具的一部分，填充入复合材料，再在外层用真空袋真空密封，进入热压罐成型，即获得工字梁结构复合材料制件。

进一步的，步骤1的工字梁结构复合材料成型模具包括上、下底板和左、右侧板，所述上、下底板和左、右侧板与工字梁制件形成在工字梁制件左、右具有两个矩形内腔的成型模具。

进一步的，步骤2的槽型敞开式气囊是将橡胶层逐层铺贴在组合式槽型敞开式气囊成型模具的空腔内，在两层橡胶层之间铺贴碳纤维预浸料作为增强层。

进一步的，橡胶层的层数为2～5层。

进一步的，尺寸细长薄壁工字梁结构复合材料制件的长度大于3m。

本发明的目的是通过使用端头敞开式气囊，完成大尺寸细长工字梁复合材料结构件的制造过程，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，制件各个部位的升温速率保持一致，以保证制件的成型质量和厚度符合设计要求；(2)通过纤维增强结构提高气囊的整体刚性，使其具备一定的赋形能力，保证制件成型后外形尺寸及型面符合设计要求；(3)该气囊应具备较长的使用寿命，较好的可靠性，同时具备一定的可修补性；(4)该气囊可以重复使用，并可以根据需要再次制造，制造成本较低，生产周期较短，制造成功率较高；(5)该气囊具有操作简便、易于维护保养的特性。

本发明通过金属模具来成型纤维增强的橡胶制端头敞开式气囊，气囊成型后将作为工字梁结构复合材料制件成型模具的一部分，完成工字梁结构复合材料制件的成型过程。

气囊以橡胶为主要材料，将橡胶逐层铺贴在组合式槽型敞开式气囊成型模具空腔内，在橡胶层中间铺贴碳纤维预浸料作为增强层，以提高气囊的整体刚度，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。

传统气囊的结构形式，一般为气囊本体，两端带有气嘴，通过气嘴保证气囊内部压力与外界保持一致，而申请的端头敞开式气囊摒弃了气嘴的结构形式，将气囊两端改为开口式结构，在保证气囊内部压力与外界一致的同时，降低了气囊的制造难度，同时提高了气囊的可靠性，延长了气囊的使用寿命，降低了制造成本。

气囊成型后，将作为工字梁结构复合材料制件成型模具的一部分，配合模具其他模板，完成复合材料制件的制造过程。成型过程中，气囊可以均匀传递外界环境的压力和热量，保证制件的成型质量。

制件成型后，将各部分挡板依次去掉，然后将气囊与复合材料制件分离即完成脱模。根据使用材料和工艺的不同，气囊可以重复使用数次至数十次，若气囊损坏或变形，可使用气囊成型模具再次制造气囊。

本发明有益效果：(1)与传统芯模成型方法相比，气囊可以均匀、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；(2)气囊壁厚较薄，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)气囊由于碳纤维增强层的存在，具备一定刚性和赋形能力，保证了制件成型后型面和尺寸精度；(4)敞开式气囊放弃了传统的气嘴结构，气密性要求降低，因此具有较长的使用寿命和较高的可靠性，气囊制造流程得到简化，降低了制造周期和原材料成本；(5)气囊不会因自身变形而影响产品成型质量，同时气囊在现场使用、后期维护保养方面都较为简便。

附图说明

图1是与工字梁结构复合材料成型模具左右内腔尺寸完全一致的组合式槽型敞开式气囊成型模具。

图2是在组合式槽型敞开式气囊成型模具铺贴槽型敞开式气囊的示意图。

图3是工字梁结构复合材料成型模具和成型槽型敞开式气囊进行工字梁结构复合材料制件的成型示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明。

图1是与工字梁结构复合材料成型模具左右内腔尺寸完全一致的组合式槽型敞开式气囊成型模具，首先通过机械制造的方法加工两个组合式槽型敞开式气囊成型模具，两槽型模具之间通过相应定位销进行配合定位。

图2是在组合式槽型敞开式气囊成型模具铺贴槽型敞开式气囊的示意图，利用两槽型模具组合后形成的腔体，铺贴气囊。气囊以橡胶为主要材料，将橡胶逐层铺贴在空腔内，在橡胶层中间铺贴碳纤维预浸料作为增强层，以提高气囊的整体刚度，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，并按照橡胶的固化工艺，在高温高压条件下成型气囊。橡胶层的层数为5层。

图3是工字梁结构复合材料成型模具和成型槽型敞开式气囊进行工字梁结构复合材料制件的成型示意图。气囊成型后，去除真空袋，取出成型槽型敞开式气囊，作为工字梁结构复合材料成型模具的一部分，填充入复合材料，再在外层用真空袋真空密封，进入热压罐成型，即获得工字梁结构复合材料制件。成型过程中，气囊可以均匀传递外界环境的压力和热量，保证制件的成型质量。

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 (5)

1.一种敞开式气囊实现大尺寸细长薄壁工字梁结构复合材料制件的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)通过机械制造的方法，加工两个与细长工字梁结构复合材料成型模具左右内腔尺寸完全一致的组合式槽型敞开式气囊成型模具，两槽型模具之间通过相应定位销进行配合定位；

(2)在组合式槽型敞开式气囊成型模具组合后形成的腔内铺贴槽型敞开式气囊，之后封制真空袋，并按照固化工艺，在高温高压条件下成型槽型敞开式气囊；

(3)气囊成型后，去除真空袋，取出成型槽型敞开式气囊，作为工字梁结构复合材料成型模具的一部分，填充入复合材料，再在外层用真空袋真空密封，进入热压罐成型，即获得工字梁结构复合材料制件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1的工字梁结构复合材料成型模具包括上、下底板和左、右侧板，所述上、下底板和左、右侧板与工字梁制件形成在工字梁制件左、右具有两个矩形内腔的成型模具。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2的槽型敞开式气囊是将橡胶层逐层铺贴在组合式槽型敞开式气囊成型模具的空腔内，在两层橡胶层之间铺贴碳纤维预浸料作为增强层。

4.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。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述大尺寸细长薄壁工字梁结构复合材料制件的长度大于3m。