CN109849369A - 一种复合材料裙的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及树脂基纤维增强复合材料预浸料热压罐成型技术领域，特别是一种复合材料裙的加工方法。这种加工方法包括以下步骤：准备材料；模具准备；铺叠；组装封袋；固化；脱模；模具包括模体和盖板，模体的热膨胀系数大于复合材料的热膨胀系数，盖板的热膨胀系数大于复合材料的热膨胀系数；在铺叠步骤中，将复合材料铺设到模体上，然后将盖板置于模体上端面，使得法兰端面一侧为盖板，另一侧为模体。这种方法使得法兰端面处的复合材料弯曲的情况得到改善，有利于保证法兰端面相对于柱面区轴线的垂直度。

Description

一种复合材料裙的加工方法

技术领域

本发明涉及树脂基纤维增强复合材料预浸料热压罐成型技术领域，特别是一种复合材料裙的加工方法。

背景技术

火箭/导弹发动机壳体要实现级间连接或与其它部件的连接，必须依靠壳体级间复合材料裙来实现，以有效实现级间推力的传递。复合材料裙承受轴向拉伸、轴向压缩、环向拉伸、弯曲、剪切等多种载荷，载荷工况复杂；早期的火箭/导弹发动机的级间复合材料裙均采用金属材料。随着材料科学的发展，复合材料以其较高的比强度、比模量等优异性能在固体火箭发动机壳体上得到了广泛应用，复合材料裙也逐步取代了金属材料裙，实现了复合材料壳体及复合材料裙的一体化制造技术，实现固体火箭发动机的有效减重。

在火箭/导弹发动机复合材料级间复合材料裙的成型时，通常是将复合材料铺叠到模具上，然后将复合材料和模具整体移动到热压罐中，在一定的真空、压力和温度作用下，使复合材料固化成型，最终形成复合材料裙。复合材料裙包括法兰端面和柱面区。法兰端面需要与其他部件进行连接，因此，法兰端面相对于柱面中轴线之间的垂直度要求较高。在热压罐加工的过程中，在通过热压罐固化成型得到的复合材料裙中，容易发生复合材料裙的中心线与法兰端面不垂直的现象。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的复合材料裙的中心线与法兰端面不垂直问题，提供一种复合材料裙的加工方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种复合材料裙的加工方法，包括以下步骤：准备材料；模具准备；铺叠；组装封袋；固化；脱模；模具包括模体和盖板，模体的热膨胀系数大于复合材料的热膨胀系数，盖板的热膨胀系数大于复合材料的热膨胀系数；在铺叠步骤中，将复合材料铺设到模体上，然后将盖板置于模体上端面，使得法兰端面一侧为盖板，另一侧为模体。

对于现有技术中出现的复合材料裙中心线与法兰端面不垂直的问题，申请人经过研究实践发现，复合材料裙的中心线与法兰端面不垂直的原因是，现有技术中，复合材料加工时采用的模具只有模体部分，而没有盖板部分。在加工的过程中，模体也会经历温度的变化，从而产生热胀冷缩的现象。在模体的热胀冷缩过程中，其与复合材料层之间会产生相互作用力，使得法兰端面处的复合材料单侧受力，从而发生弯板的现象，使法兰端面与复合材料裙轴心线不垂直。

因此，本发明中，法兰端面相对于模体的另一侧设置了盖板，且盖板的热膨胀系数也大于复合材料的热膨胀系数。在加工的过程中，复合材料、模体和盖板同时受热，由于模体的热膨胀系数大于复合材料，模体会对复合材料产生向一个方向的力，使复合材料具有弯曲的趋势。而盖板的设置，将对复合材料产生向另一个的方向的力，使复合材料具有向相反方向弯曲的趋势。从而使得法兰端面处的复合材料弯曲的情况得到改善，有利于保证法兰端面相对于柱面区轴线的垂直度。

作为本发明的优选方案，模体的热膨胀系数与盖板的热膨胀系数相等。通过上述方式，模体与盖板对复合材料的作用力大小相等、方向相反，有利于进一步提高法兰端面相对于柱面区轴线的垂直度。

作为本发明的优选方案，模体的材料与盖板的材料相同。

作为本发明的优选方案，模体上设有第一台阶部，第一台阶部用于支撑复合材料裙的柱面区下端的复合材料；在按铺层方案铺设复合材料时，以所述第一台阶部，铺放复合材料片，若复合材料片的长度偏小，使得复合材料片与第一台阶部之间存在细小间隙，则固化时，树脂将填充该间隙，在第一台阶部处形成复合材料裙的最终轮廓。通过设置第一台阶部，在热压罐成型后，复合材料裙的尺寸即可以满足要求，从而不需要再进行机加工修边，能够简化工艺流程。

作为本发明的优选方案，在设计铺层方案中，复合材料裙柱面区与法兰端面交界处的区域被分为圆角区和尖角区，在尖角区中，采用条状复合材料，沿柱面区的周向铺设复合材料，进行填充。由于发动机整体气动外形的要求，复合材料裙柱面区与法兰端面区的交界处的外侧需制造成尖角。由于柱面区与法兰端面区交界处的内侧需制造成圆角，因此要求模具在柱面区与法兰端面交界处也必须是与之匹配的圆角，复合材料铺层逐层铺放在模具上将导致复合材料裙产品外侧也会形成圆角。本发明提供的加工方法将复合材料裙柱面区与法兰端面交界处的区域分为圆角区和尖角区，采用两种不同的铺层方式进行圆角区和尖角区的填充，使得在该区域的内侧能够随模具形成圆角，该区域的外侧能够根据填充的形状、在压力的作用下形成尖角。通过设计铺层方案，解决了该区域内圆外尖的加工问题。

作为本发明的优选方案，在设计铺层方案中，在复合材料裙的柱面区，复合材料片的延伸方向用于与柱面区的轴线方向一致。通过上述的方式得到的复合材料裙，在使用中，复合材料裙承受的载荷能够沿复合材料片的延伸方向进行传递，有利于提高复合材料裙的承载能力。

作为本发明的优选方案，在设计铺层方案中，在复合材料裙的柱面区内，沿柱面区的轴线方向，复合材料片连续。通过上述方式得到的复合材料裙，在使用中，复合材料裙的柱面区在传递载荷时，由于此处的复合材料片没有中断，因此能够更加顺利地传递载荷，进一步提高承载能力。

作为本发明的优选方案，在设计铺层方案中，以柱面区在径向方向上厚度的中间面为对称面，柱面区的复合材料片以对称面为中心对称设置。通过上述方式得到的复合材料裙，对称设置的复合材料铺层能够消除在加热过程中的热变形翘曲，减小内应力，从而提高成型质量。

作为本发明的优选方案，在设计铺层方案中，圆角区的复合材料片与法兰端面处的复合材料片连续。

作为本发明的优选方案，在设计铺层方案中，在所述复合材料裙的柱面区外侧设置机加工余量区，所述机加工余量区的复合材料片的延伸方向与所述柱面区的轴线方向一致。在外侧设置机加工余量区，脱模后，可以通过对柱面区外侧进行机加工，获得尺寸精度和表面质量更高的复合材料裙。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中，法兰端面相对于模体的另一侧设置了盖板，且盖板的热膨胀系数也大于复合材料的热膨胀系数。在加工的过程中，复合材料、模体和盖板同时受热，由于模体的热膨胀系数大于复合材料，模体会对复合材料产生向一个方向的力，使复合材料具有弯曲的趋势。而盖板的设置，将对复合材料产生向另一个方向的力，使复合材料具有向相反方向弯曲的趋势。从而使得法兰端面处的复合材料弯曲的情况得到改善，有利于保证法兰端面相对于柱面区轴线的垂直度。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中用于加工的复合材料裙的结构示意图。

图2是本发明具体实施方式中提供的加工模具的剖视图。

图3是本发明实施例1提供的模具与复合材料裙的剖面示意图。

图4是图3中A部的局部放大图。

图5是图3中E部的局部放大图。

图6是本发明实施例1提供的加工方法中的复合材料铺层的示意图。

图7是图6中B部的局部放大图。

图8为本发明提供的加工方法中预压实步骤的示意图。

图9为图8中C部的局部放大图。

图10为本发明提供的加工方法中的组装封袋时的示意图。

图11为图10中D部的局部放大图。

图标：1-复合材料裙；11-柱面区；14-机加工余量区；13-加强筋；12-法兰端面；21-模体；22-盖板；4-有孔隔离膜；5-透气毡；6-真空袋；7-无孔隔离膜；3-复合材料层；2-加工模具；211-成型面；216-框架；212-凹槽；213-成型空间；214-中心柱；215-加强板；2152-减重孔；2111-第一台阶部；2112-第二台阶部；2113-第三台阶部。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参阅图1-图9。本发明实施例提供了一种复合材料裙1的加工方法。

请参阅图1。这种复合材料裙1采用复合材料制成。该复合材料裙1包括呈柱面形状的柱面区11、呈环状的法兰端面12，法兰端面12的外侧与柱面区11一端相连。柱面一端的厚度小于另一端的厚度。法兰端面12与柱面交界的区域上，内侧形成圆角，外侧形成尖角。法兰端面12与柱面交界的区域内侧还设有加强筋13。

针对这种复合材料裙1，本发明提供了一种加工方法，这种加工方法使用加工模具2。这种加工模具2包括模体21和盖板22。

模体21包括框架216和成型面211。

框架216包括中心柱214和加强板215。加强板215的数量为至少两个。加强板215上设有减重孔2152。

成型面211呈柱状结构，成型面211内表面与中心柱214通过加强板215相连，中心柱214位于成型面211的中轴线上。成型面211外表面上用于铺设复合材料。

成型面211上还设有凹槽212。

成型面211上设有第一台阶部2111、第二台阶部2112和第三台阶部2113。

第一台阶部2111设于模体21的下部，第一台阶部2111用于支撑复合材料裙1下端处的复合材料。第一台阶部2111的宽度小于复合材料裙1下端处的复合材料厚度。

第二台阶部2112位于模体21的上端面，第二台阶部2112用于与盖板22配合。将盖板22置于第二台阶部2112上时，盖板22与模体21之间形成一个用于容纳复合材料的成型空间213。该成型空间213用于复合材料裙1的法兰端面12成型。在加工的过程中，在成型空间213处铺设的复合材料厚度高于第二台阶部2112的高度。

第三台阶部2113位于模体21的上端面。第三台阶部2113用于与盖板22的内径端面配合，从而实现对盖板22的定位。

在常温下，模体21的外径小于连接结构1的设计内径。且，常温下模体21的外径与连接结构1的设计内径之间的差值这样设置：使得在热压罐的温度载荷作用下，模体21发生膨胀，模体21膨胀后的外径值在连接结构1设计内径公差的正公差范围内。即：使常温下，模体21的外径与连接结构1的设计内径之间的差值，等于模体21在热压罐内受热后的膨胀量。盖板22呈环状结构。盖板22用于与成型面211的上表面相连。本实施例中所述的，成型面211的上表面，是指加工模具2和复合材料一起在热压罐中进行热压成型时，成型面211所摆放方位的上表面。

本实施例中，盖板22与模体21采用热膨胀系数相同的材料制成。进一步的，盖板22与模体21采用同种材料制成。

该加工方法包括以下步骤：

S1.准备材料：将复合材料片解冻，并进行复合材料片的裁切。

S2.准备模具2：清理模具2，在模具2上施工脱模剂。使得在加工完成后，能够方便地进行脱模处理。

S3.铺叠。

铺叠步骤包括：

S31.设计铺层方案；

S32.按铺层方案将复合材料铺设到模具上。

请参阅图4及图5。在S31.设计铺层方案中：

复合材料裙1柱面区11与法兰端面12交界处的区域被分为圆角区和尖角区，在尖角区中，设置复合材料碎片进行填充。进一步的，圆角区的铺层与法兰端面12的铺层之间连续设置，使得圆角区的铺层与法兰端面12区的铺层之间具有良好的过渡。而尖角区中，采用条状复合材料，沿柱面区的周向铺设复合材料，进行填充至需要的尖角形状。

对于柱面区11的铺层设计，柱面区11的复合材料片的延伸方向用于与柱面区11的轴线方向一致。即：复合材料铺层的0°方向用于与柱面区11的轴线方向一致。复合材料裙1在使用时，载荷沿柱面区11的轴线方向传播，因此，使柱面区11的复合材料片的延伸方向与柱面区11的轴线方向一致，有利于使载荷沿复合材料片的延伸方向传递，从而提高复合材料裙1的承载能力。需要说明的是，本实施例中所述的“柱面区11的复合材料片的延伸方向用于与柱面区11的轴线方向一致”是指，以一个与柱面区11的轴线方向平行的虚拟截面剖开复合材料裙1，在截断面上，柱面区11的复合材料片的长度方向与柱面区11的轴线方向一致。另外，此处的一致，既包括完全一致的情形，也包括基本一致的情形，即柱面区11的复合材料片的延伸方向也可以与柱面区11的轴线方向之间具有一定的夹角，或在柱面区11的轴线方向附近具有一定的角度变化。

对于柱面区11内的复合材料片，沿柱面区11的轴线方向上，复合材料片连续。即在柱面区11的轴线方向上，复合材料片的长度与柱面区11的长度相符。亦即：若以一个与柱面区11的轴线方向平行的虚拟截面剖开复合材料裙1，在截断面上，柱面区11的复合材料片呈现出一条完整的线段，而没有断开。

以所述柱面区11在径向方向上厚度的中间面为对称面，所述柱面区11的复合材料片以所述对称面为中心对称设置。需要说明的是，此处所谓的对称设置是指，对于柱面区11内的复合材料层3，在对称面的两侧，复合材料的层数相等；在对称面的两侧，与对称面距离相等的两个复合材料层3的面积相等或相当。

圆角区的复合材料片与法兰端面12处的复合材料片连续。进一步的，复合材料裙1的法兰端面12区域的厚度往往大于柱面区11的厚度，因此，在设置铺层方案时，使柱面区11的铺层与圆角区的铺层连续，圆角区的铺层与法兰端面12处的连续，即对于柱面区11内的每一层复合材料层3，其均与圆角区和法兰端面12处的材料连续。

为了在法兰断面处形成更厚的结构，且使法兰端面12与柱面区11能够具有良好的过渡，在上述的连续铺层中，夹设局部铺层，局部铺层覆盖圆角区和法兰端面12，从而使得法兰端面12处能够具有足够的厚度，且使得圆角区的厚度能够满足载荷要求。

在柱面结构的外侧设置机加工余量区14。即，使铺层的厚度大于复合材料裙1成品所需要的厚度，便于在脱模后进行进一步的加工。在机加工余量区14内，以机加工余量区14在径向方向上的厚度的中心面为对称面。局加工余量区内，复合材料铺层沿对称面对称设置。机加工余量区14的复合材料片的延伸方向与柱面区11的轴线方向一致。

在复合材料裙1的厚度具有变化的部分，例如，在锥段处，复合材料铺层的长度逐渐变化，使得复合材料裙1的厚度逐渐变化。

请参阅图6及图7。在步骤S32.按铺层方案将复合材料铺设到模具上中：

如果复合材料片的大小存在误差，使得铺设时，复合材料片与模具上的第一台阶部或第二台阶部之间存在间隙，则固化时，树脂将填充该间隙。

铺设过程中，还可对铺层进行预压实操作。预压实操作包括：

在铺叠过程中，首次铺层结束后，采用抽真空方式进行预压实。后续每隔三层铺层，进行一次预压实操作。

请参阅图8及图9。进一步的，在预压实操作中，在模具2表面粘接密封胶条，此时的密封胶条与复合材料坯料错开设置，用有孔隔离膜4覆盖该复合材料裙，在有孔隔离膜4上放置透气毡5，然后用真空袋膜6覆盖复合材料裙1并与密封胶条粘接，在复合材料裙1以外区域安装真空快换接头，组装封袋后形成良好的真空系统；对真空系统进行抽真空，直至系统内的真空度大于-0.90bar，通过抽真空形成的压力对复合材料裙1复合材料坯料的各铺层进行压实将复合材料铺贴在模具2上，以对复合材料进行压实。

请参阅图10及图11。S3.组装封袋：在模具2的表面粘接耐高温密封胶条，耐高温密封胶条与复合材料坯料错开设置，用无孔隔离膜7覆盖复合材料坯料，在无孔隔离膜7上放置透气毡5，最后用耐高温的真空袋膜6覆盖复合材料裙并与密封胶条粘接，在复合材料裙以外的区域安装真空快换结头，组装封袋后，形成密闭良好的真空系统。

S4.固化：将模具2及复合材料裙1转移至热压罐内，按照固化参数施加真空、压力及温度，即可对复合材料裙1进行固化。

S5.脱模：去除真空袋膜6、透气毡5、无孔隔离膜7、密封胶条，然后将复合材料裙从模具2上取下。

本发明提供的加工方式采用的模具2包括模体21和盖板22。

模体21上设有凹槽212。使用时，将复合材料片缠绕在模体21上。进一步的，模体21上设有凹槽212，凹槽212中用于容纳复合材料片。

经过成型后，凹槽212中的复合材料片形成复合材料裙1上的加强筋13。加强筋13位于柱面区11的内侧，且加强筋13既与法兰端面12相连，又与柱面区11相连。

盖板22用于覆盖在模体21上。进一步的，盖板22用于覆盖在模体21上是指：当模具2被放置于热压罐中时，盖板22位于模体21的上部。

本发明提供的加工方法的有益效果在于：

1.本发明提供的加工方法通过在法兰端面12的一侧设置盖板22，且盖板22与模体21采用相同材料制成，使得由于盖板22引起的复合材料变形，和由于模体21引起的复合材料变形能够相互抵消，从而保证法兰端面12相对于柱面区11轴线的垂直度；

2.本发明提供的加工方法将复合材料裙1柱面区11与法兰端面12交界处的区域分为圆角区和尖角区，采用两种不同的铺层方式进行圆角区和尖角区的填充，使得在该区域的内侧能够随模具2形成圆角，该区域的外侧能够根据填充的形状、在压力的作用下形成尖角。通过设计铺层方案，解决了该区域内圆外尖的加工问题；

3.本发明实施例提供的加工方法中，通过铺层方案的设计，能够提高复合材料裙1的承载能力，消除加热过程中的热变形翘曲、减小内应力，提高成型质量；

4.本发明实施例提供的加工方法中，加强筋13部分可以直接在热压罐中成型得到，加工过程较为简单。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料裙的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

准备材料；

模具准备；

铺叠；

组装封袋；

固化；

脱模；

其特征在于，所述模具包括模体和盖板，所述模体的热膨胀系数大于所述复合材料的热膨胀系数，所述盖板的热膨胀系数大于所述复合材料的热膨胀系数；

在所述铺叠步骤中，将复合材料铺设到所述模体上，然后将所述盖板置于所述模体上端面，使得法兰端面一侧为盖板，另一侧为模体。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述模体的热膨胀系数与所述盖板的热膨胀系数相等。

3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，所述模体的材料与所述盖板的材料相同。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述模体上设有第一台阶部，所述第一台阶部用于支撑所述复合材料裙的柱面区下端的复合材料。

5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在设计铺层方案中，复合材料裙柱面区与法兰端面交界处的区域被分为圆角区和尖角区，在所述尖角区中，采用条状复合材料，沿柱面区的周向铺设复合材料，进行填充。

6.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于，在设计铺层方案中，在所述复合材料裙的柱面区，所述复合材料片的延伸方向用于与所述柱面区的轴线方向一致。

7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，在设计铺层方案中，在所述复合材料裙的柱面区内，沿柱面区的轴线方向，所述复合材料片连续。

8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，在设计铺层方案中，以所述柱面区在径向方向上厚度的中间面为对称面，所述柱面区的复合材料片以所述对称面为中心对称设置。

9.根据权利要求5所述的加工方法，其特征在于，在设计铺层方案中，所述圆角区的复合材料片与所述法兰端面处的复合材料片连续。

10.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，在设计铺层方案中，在所述复合材料裙的柱面区外侧设置机加工余量区，所述机加工余量区的复合材料片的延伸方向与所述柱面区的轴线方向一致。