CN109877993B - 一种预制体、一种复合部件以及一种复合部件的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种预制体、一种复合部件以及一种复合部件的加工方法，其中预制体用于后期加工形成部件，其包括：主体部分以及至少一个加工部分，其中主体部分包括主体纤维结构，加工部分包括加工纤维结构，所述加工纤维结构与所述主体纤维结构之间设有若干纤维互不交叉的分层开口；所述后期加工包括先后进行的复合成型工艺和机加工工艺；所述部件的外轮廓与所述主体纤维结构之间存在至少一个所述分层开口，所述外轮廓形成于所述分层开口的靠近预制体表面的外侧。

Description

一种预制体、一种复合部件以及一种复合部件的加工方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种预制体、一种复合部件以及一种复合部件的加工方法。

背景技术

现有技术中复合材料通常将预制体通过基体复合成型，三维整体机织结构的预制体作为复合材料的增强结构，具有结构整体性好，抗分层能力强等特点，其在航空航天及国防领域越来越受重视。通常预制体包括若干经纱和纬纱，纬纱之间互相并行不发生交叉，经纱方向与纬纱方向垂直，相邻的经纱之间按一定的规律互相交织而形成织物。

在复合材料制品的使用过程中，为了满足更高尺寸精度的应用需求，对复合材料制品进行机械加工不可避免，若直接对复合材料制品的整体结构进行机械加工，则常常会使得构成预制体的经纱纤维被切断，从而使得预制体的整体性被破坏，这将直接影响复合材料制品的机械强度和力学性能。因此，在对复合材料制品的机械加工过程中应当尽量避免因机械加工而造成预制体的主体纤维的断裂。

而现有技术中复合材料制品的制造，通常先通过织造形成纤维结构的预制体，再通过后期加入基体进行复合成型；由于预制体织造技术已经足够成熟，因此预制体的制造成型具有较大的塑形空间，现有技术中在也通常在预制体织造阶段即将其塑造成特定的形状(即预制体的仿形织造)，因此针对仿形预制体的后期复合成型过程中，需要针对特定形状的该仿形预制体进行开模，将仿形预制体置于相应形状的模具内并注入树脂最终复合成型形成复合材料制品。因此，针对不同形状或造型的预制体的复合成型需要开设不同形状的模具，即模具的通用性较低、且制造特定造型的模具需要花费较大的成本，因此极大地限制了复合材料制品的制造成本的降低和工艺的简化。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的复合材料制品的成本较高工艺复杂的缺陷，从而提供一种有效降低复合材料制品的制造成本和加工工艺同时提高了制造精度的一种预制体、复合部件以及一种复合部件的加工方法。

为此，本发明的技术方案如下：

一种预制体，用于后期加工形成部件，其包括：

主体部分以及至少一个加工部分，其中主体部分包括主体纤维结构，加工部分包括加工纤维结构，所述加工纤维结构与所述主体纤维结构之间设有若干纤维互不交叉的分层开口；

通过机加工实现的所述部件的最终造型的外轮廓与所述主体纤维结构之间存在至少一个所述分层开口，所述外轮廓形成于所述分层开口的靠近所述主体部分的一侧。

进一步地，所述主体纤维结构和所述加工纤维结构均包括经纱和纬纱。

进一步地，位于所述分层开口两侧的经纱互不交叉。

进一步地，所述主体纤维结构和所述加工纤维结构分别独立织造成型。

进一步地，沿垂直于所述纬纱方向的所述主体纤维结构和所述加工纤维结构的纵截面均为一字型；所述分层开口沿所述经纱延伸方向设置。

进一步地，所述主体纤维结构和所述加工纤维结构一体织造成型。

进一步地，所述加工纤维结构的端部经纱由所述主体纤维结构中引出。

进一步地，沿垂直于所述纬纱方向的所述主体纤维结构的纵截面包括H形、L形、T形、U形、口字形中的任意一种或几种。

进一步地，所述预制体由碳纤维或玻璃纤维制成。

进一步地，所述预制体为三维立体结构。

进一步地，所述预制体为长方体结构。

一种复合部件，其包括：

预制体，为如上述任意一项所述的预制体；

以及基体，其与所述预制体复合成型为预加工复合件；通过对所述预加工复合件内的加工部分机加工形成复合部件的最终造型。

进一步地，所述基体为树脂。

进一步地，所述预加工复合件为长方体。

一种复合部件的加工方法，其包括如下步骤：

S1：形成预制体；

S2：对所述预制体进行复合成型；

S3：对复合成型后的预加工复合件通过机加工去除加工部分的部分纤维结构，形成最终造型。

进一步地，所述预制体通过机械织造形成。

进一步地，通过树脂传递模塑、液态树脂注塑、树脂膜熔渗、树脂浸渍或树脂渗透进行所述复合部件的复合成型。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的一种预制体，用于后期加工形成部件，其包括：主体部分以及至少一个加工部分，其中主体部分包括主体纤维结构，加工部分包括加工纤维结构，加工纤维结构与主体纤维结构之间设有若干纤维互不交叉的分层开口；后期加工包括先后进行的复合成型和机加工，部件的最终造型通过机加工实现；最终造型的外轮廓与预制体结构之间存在至少一个分层开口，外轮廓形成于分层开口的靠近预制体表面的外侧。

通过将部件的外轮廓设于分层开口的一侧，能够有效避免后期的机加工过程对预制体主体纤维结构的损伤，由此避免了因预制体主体结构的纤维损伤导致的其力学性能和机械强度不足的缺陷；

另外本发明提供的一种预制体，后期加工包括在先进行的复合成型和在后进行的机加工；不需要预制体的仿形处理，先将预制体复合成型再通过机加工实现部件的最终造型，省去了仿形的织造工艺，同时节约了针对仿形预制体的复合成型进行开模的流程和费用，节约了成本；同时由于最终造型是通过机械加工成型的能够使最终获得的复合部件具有较高精度的尺寸，还有效地提高了其与其他部件的装配精确度，提高了装配质量。

2.本发明提供的一种预制体，主体纤维结构和加工纤维结构均包括经纱和纬纱；位于分层开口两侧的经纱互不交叉。通过设置位于分层开口两侧的经纱互不交叉，避免了分层开口两侧的结构纤维产生交叉连接，尤其是避免主体部分中的纤维交叉进入加工部分，由此避免了后期机加工对预制体主体纤维的切断，确保了预制体形成的复合部件的机械强度和力学性能。

3.本发明提供的一种预制体，主体纤维结构和加工纤维结构分别独立织造成型；例如沿垂直于纬纱方向的主体纤维结构和加工纤维结构的纵截面均为一字型；分层开口沿经纱延伸方向设置；或者主体纤维结构和加工纤维结构一体织造成型，加工纤维结构的端部经纱由主体纤维结构中引出；例如沿垂直于纬纱方向的主体纤维结构的纵截面包括H形、L形、T形、U形、口字形中的任意一种或几种。

由于不需要对预制体进行仿形织造，因此该预制体在织造过程中存在更多的可变形式，可根据最终部件的结构和外形要求对预制体选择相应的合适的织造方式，仅需在需要机加工成型的部位设有加工部分以及隔离其和主体部分的分层开口，通过对复合成型后的位于分层开口一侧的加工部件内的加工纤维结构进行机加工，既可以满足部件的外形精度要求也可以避免切断主体部分的纤维，同时确保了部件的精密成型、机械强度和力学性能。

4.本发明提供的一种预制体，预制体为三维立体结构，预制体为长方体结构。与现有技术通过复合成型不同，本发明的复合部件主要通过后期机加工成型，因此预制体可织造成任意外形简单的三维结构，再通过机加工形成最终造型；通过将预制体织造为结构较为简单长方体结构，由此简化了复合成型工艺的开模要求，降低了开模费用，从而降低了制造成本。

5.本发明提供的一种复合部件，由于包括上述预制体，因此包含上述预制体带来的一切优点，由于预制体可织造成任意外形简单的三维结构，再通过机加工形成最终造型；由此可简化了复合工艺的开模要求，提高复合成型模具的通用性，降低了开模费用，从而降低了复合材料制品的制造成本，简化了其制造工艺。

6.本发明提供的一种复合部件的加工方，由于包括上述复合部件和预制体，因此包含上述预制体和复合部件所带来的一切优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例一中提供的纵截面为“H”型的预制体的主视图；

图2为图1所示的预制体的机加工示意图；

图3－4为实施例一中提供的另一种纵截面为“H”型的预制体的主视图；

图5为实施例一中提供的纵截面为“L”型的预制体的主视图；

图6为实施例一中提供的纵截面为“T”型的预制体的主视图；图6为

图7为实施例一中提供的纵截面为“U”型的预制体的主视图；

图8为实施例一中提供的纵截面为“口”字型的预制体的主视图；

图9－10为实施例二中的纵截面为“一”字型的预制体的主视图。

附图标记说明：

1－主体部分；11－主体纤维结构；2－加工部分；21－加工纤维结构；3－分层开口；31－辅助分层开口；4－经纱；5－纬纱；6－外轮廓；7－预制体。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例公开了一种复合部件，例如航天器械或者其他需要精密制造加工的复合部件；其中复合部件包括：预制体和基体(未在图中示出)，其中基体用于对预制体复合成型；本实施例中的基体为树脂，预制体由碳纤维或玻璃纤维等增强纤维制成。通过对预加工复合件内的与加工纤维结构21对应的部分进行后期机加工形成最终复合部件。

本实施例中的预制体为一种三维机织立体结构，其中预制体为长方体结构，因此预加工复合件也为长方体结构。当然，预制体也可为其他常见的立体结构，例如圆柱体、多棱柱体、球体等。考虑到降低开模的成本和难度优选为长方体结构。

与现有技术通过复合成型不同，本发明的复合部件主要通过后期机加工成型，因此预制体可织造成任意外形简单的三维结构，再通过机加工形成最终造型；通过将预制体织造为结构较为简单长方体结构，由此简化了复合工艺的开模要求，降低了开模费用，从而降低了制造成本。

如图1所示，预制体包括主体部分1和至少一个加工部分2，其中主体部分1包括主体纤维结构11；加工部分2包括加工纤维结构21。每列包含8层经纱、9层纬纱。加工纤维结构2和主体纤维结构1之间在厚度上无纱线连接，从而形成分层开口。其中分层开口的位置可根据实际加工厚度需求设计，加工区纬纱层数≥2时，加工部分2采用二维机织结构叠层或三维机织结构，预制体可通过平纹结构叠层。

其中加工纤维结构21与主体纤维结构11之间设有若干纤维互不交叉的分层开口3，分层开口3沿经纱4延伸的方向设置。

预制体通过后期加工形成复合部件，其中后期加工包括在先进行的复合成型和在后进行的机加工，复合部件的最终造型通过机加工实现，即预制体不需要进行仿形制造工艺，复合部件通过后期机加工成型。其中最终造型的外轮廓6与主体纤维结构11之间存在至少一个分层开口，外轮廓6形成于分层开口3的靠近预制体表面的外侧。

通过将复合部件的外轮廓设于分层开口的外侧，能够有效避免后期的机加工过程对预制体主体纤维结构的损伤，由此避免了因预制体主体结构的纤维损伤导致的其力学性能和机械强度不足的缺陷；另外本发明提供的一种预制体，后期加工包括在先进行的复合成型和在后进行的机加工；不需要预制体的仿形处理，先将预制体复合成型再通过机加工实现部件的最终造型，省去了仿形的织造工艺，同时节约了针对仿形预制体的复合成型进行开模的流程和费用，节约了成本。

其中分层开口既可以如图1－2所示只设置一个主分层开口3，也可以如图3－8所示包括主分层开口3和辅助分层开口31，如图3－8所示，除了加工纤维结构21与主体纤维结构11之间设有分隔外轮廓6和主体纤维结构11的主分层开口3外，在加工纤维结构21内还可设有若干便于进行多次机加工的辅助分层开口31，因此最终造型的外轮廓6与加工纤维结构21之间存在至少一个用于分隔外轮廓6和主体部分1的分层开口即可；通过设置若干位于加工纤维结构21内的辅助分层开口31，可满足对加工部分2进行多种机加工的要求。

如图1－8所示，主体纤维结构11和加工纤维结构21均包括经纱4和纬纱5。其中位于分层开口3两侧的经纱4互不交叉，其中经纱互不交叉指位于分层开口3一侧的经纱不与另一侧的纬纱交织。

例如如图1－2所示，当只存在一个主分层开口3时，位于主分层开口3一侧的主体纤维结构11中的经纱4不与位于主分层开口3另一侧的加工纤维结构21中的纬纱交织，同样的加工纤维结构21中的经纱不与主体纤维结构11中的纬纱交织。

如图3－8所示，当存在若干辅助分层开口31时，此时，不仅位于主分层开口3一侧的主体纤维结构11中的经纱4不与位于主分层开口3另一侧的加工纤维结构21中的纬纱交织，同时位于该辅助分层开口31一侧的经纱4也不与位于该辅助分层开口31另一侧的纬纱相交织，即位于该辅助分层开口31两侧的经纱互不交叉。

通过设置位于分层开口两侧的经纱互不交叉，避免了分层开口两侧的结构纤维产生交叉连接，尤其是避免主体部分中的纤维交叉进入加工部分，由此避免了后期机加工对预制体主体纤维的切断，确保了预制体形成的复合部件的机械强度和力学性能。

其中本实施例中的主体纤维结构11和加工纤维结构21通过一体织造成型，即同时织造成型；如图1－8所示，加工纤维结构21的端部经纱为由主体纤维结构11中引出。本实施例中的主体纤维结构11的纵截面(纵截面指垂直于纬纱方向的截面)为H形，即加工纤维结构21分别设于预制体中间部位的顶部(其中顶部指图1－3中的上方)和底部(其中底部指图1－3中的下方)。

当然，主体纤维结构11的纵截面的设置形式不限于以上方式，沿垂直于纬纱方向的主体纤维结构11的纵截面可设置为包括图5所示的L形、图6所示的T形、图7所示的U形、图8所示的口字形中的任意一种或几种。需要说明的是，以上各种形式的预制体中均可设置为包括若干个辅助分层开口31，也可设置为仅有一个主分层开口3。

本实施例中由于不需要对预制体进行仿形织造，因此该预制体在织造过程中存在更多的可变形式，可根据最终部件的结构和外形要求对预制体选择相应的合适的织造方式，仅需在需要机加工成型的部位设有加工部分以及隔离其和主体部分的分层开口，通过对复合成型后的位于分层开口外侧的加工部件内的加工纤维结构进行机加工，既可以满足部件的外形精度要求也可以避免切断主体部分的纤维，同时确保了部件的精密成型、机械强度和力学性能。

本实施例的复合部件的加工方法，主要包括如下步骤：

S1：形成预制体；预制体通过机械织造形成三维立体结构，其中该三维立体结构优选为长方体结构，当然，预制体也可为其他常见的立体结构。

S2：对预制体进行复合成型处理；本实施例通过树脂传递模塑(RTM)进行复合成型。当然，也可通过其他各种复合方法，例如液态树脂注塑、树脂膜熔渗、树脂浸渍或树脂渗透进行部件复合成型。

S3：对经过复合成型的预加工复合件的加工纤维结构部分通过机加工形成复合部件的最终造型。

本实施例的复合部件由于预制体可织造成任意外形简单的三维结构，再通过机加工形成最终造型；由此可简化了复合成型工艺的开模要求，提高复合成型模具的通用性，降低了开模费用，从而降低了复合材料制品的制造成本，简化了其制造工艺。

实施例2

实施例2中的复合部件也包括预制体和基体，其与实施例1不同之处在于，本实施例2的主体纤维结构11和加工纤维结构21也可通过独立织造成型，即分别织造成型；分层开口3沿经纱延伸方向设置。如图5－6所示，沿垂直于纬纱方向的主体纤维结构11和加工纤维结构21的纵截面均为一字型。

其中，如图5所示，加工纤维结构21包括设于预制体顶部(其中顶部指图1－3中的上方)的一层纬纱以及于其交织的两层经纱，即加工纤维结构21与主体纤维结构11之间仅设置有主分层开口3。

通过将复合部件的外轮廓设于分层开口的外侧，能够有效避免后期的机加工过程对预制体主体纤维结构的损伤，由此避免了因预制体主体结构的纤维损伤导致的其力学性能和机械强度不足的缺陷；另外本发明提供的一种预制体，后期加工包括在先进行的复合成型处理和在后进行的机加工；不需要预制体的仿形处理，先将预制体复合成型再通过机加工实现部件的最终造型，省去了仿形的织造工艺，同时节约了针对仿形预制体的复合成型进行开模的流程和费用，节约了成本。

当然作为可替换的实施方式，加工纤维结构21中也可设置有包含若干层纬纱以及与其交织的经纱。当然，进一步地，加工纤维结构21中也可包含若干辅助分层开口31，其中位于辅助分层开口31两侧的经纱互不交叉(即位于辅助分层开口31一侧的经纱不与辅助分层开口另一侧的纬纱交织)。

通过设置位于分层开口两侧的经纱互不交叉，避免了分层开口两侧的结构纤维产生交叉连接，尤其是避免主体部分中的纤维交叉进入加工部分，由此避免了后期机加工对预制体主体纤维的切断，确保了预制体形成的复合部件的机械强度和力学性能。

本实施例2中的复合部件的加工方法与实施例1中的相同。

本实施例中由于不需要对预制体进行仿形织造，因此该预制体在织造过程中存在更多的可变形式，可根据最终部件的结构和外形要求对预制体选择相应的合适的织造方式，仅需在需要机加工成型的部位设有加工部分以及隔离其和主体部分的分层开口，通过对复合成型后的位于分层开口外侧的加工部件内的加工纤维结构进行机加工，既可以满足部件的外形精度要求也可以避免切断主体部分的纤维，同时确保了部件的精密成型、机械强度和力学性能。

本实施例的复合部件由于预制体可织造成任意外形简单的三维结构，再通过机加工形成最终造型；由此可简化了复合成型工艺的开模要求，提高复合成型模具的通用性，降低了开模费用，从而降低了复合材料制品的制造成本，简化了其制造工艺。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (17)

1.一种预制体，用于后期加工形成部件，其特征在于包括：

主体部分以及至少一个加工部分，其中主体部分包括主体纤维结构，加工部分包括加工纤维结构，所述加工纤维结构与所述主体纤维结构之间设有若干纤维互不交叉的分层开口；

通过机加工实现的所述部件的最终造型的外轮廓与所述主体纤维结构之间存在至少一个所述分层开口，所述外轮廓形成于所述分层开口的靠近所述主体部分的一侧。

2.根据权利要求1所述的预制体，其特征在于：所述主体纤维结构和所述加工纤维结构均包括经纱和纬纱。

3.根据权利要求2所述的预制体，其特征在于：位于所述分层开口两侧的经纱互不交叉。

4.根据权利要求2或3所述的预制体，其特征在于：所述主体纤维结构和所述加工纤维结构分别独立织造成型。

5.根据权利要求4所述的预制体，其特征在于：沿垂直于所述纬纱方向的所述主体纤维结构和所述加工纤维结构的纵截面均为一字型；所述分层开口沿所述经纱延伸方向设置。

6.根据权利要求2或3所述的预制体，其特征在于：所述主体纤维结构和所述加工纤维结构一体织造成型。

7.根据权利要求6所述的预制体，其特征在于：所述加工纤维结构的端部经纱由所述主体纤维结构中引出。

8.根据权利要求7所述的预制体，其特征在于：沿垂直于所述纬纱方向的所述主体纤维结构的纵截面包括H形、L形、T形、U形、口字形中的任意一种或几种。

9.根据权利要求1－3任意一项所述的预制体，其特征在于：所述预制体由增强纤维制成。

10.根据权利要求9所述的预制体，其特征在于：所述预制体为三维立体结构。

11.根据权利要求10所述的预制体，其特征在于：所述预制体为长方体结构。

12.一种复合部件，其特征在于包括：

预制体，为如权利要求1－11任意一项所述的预制体；

以及基体，其与所述预制体复合成型为预加工复合件；通过对所述预加工复合件内的加工部分机加工形成复合部件的最终造型。

13.根据权利要求12所述的复合部件，其特征在于：所述基体为树脂。

14.根据权利要求12或13所述的复合部件，其特征在于：所述预加工复合件为长方体。

15.一种复合部件的加工方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：形成预制体；

S2：对所述预制体进行复合成型；

S3：对复合成型后的预加工复合件通过机加工去除加工部分的部分纤维结构，形成最终造型。

16.根据权利要求15所述的复合部件的加工方法，其特征在于：所述预制体通过机械织造形成。

17.根据权利要求16所述的复合部件的加工方法，其特征在于：通过树脂传递模塑、液态树脂注塑、树脂膜熔渗、树脂浸渍或树脂渗透进行所述复合部件的复合成型。

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