CN109910328A - 一种碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装及其成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装及其成型工艺,涉及飞机技术领域，包括芯模骨架、铺放芯模、上模体、下模体、前挡板和后挡板；所述上模体和下模体相对闭合设置，上模体内部和下模体内部共同构成两端贯穿的模腔，且前挡板抵设在模腔的前端，后挡板抵设在模腔的后端；所述铺放芯模位于模腔内，且铺放芯模为中空结构，铺放芯模的小端设置有与铺放芯模内部连通的进气管，进气管贯穿前挡板向外延伸；所述铺放芯模的大端贯穿后挡板向外延伸，铺放芯模的大端端面设有开口。本发明实现了复合材料起落架支柱的制造，使起落架支柱的重量降低至原金属起落架支柱的四分之一，完全满足轻量化设计的要求，减少了飞机的能源消耗，提高了飞行载荷，增加了续航能力。
Description
技术领域
本发明涉及飞机技术领域，具体而言，涉及一种碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装及其成型工艺。
背景技术
目前大部分的飞机起落架用材均为低合金超高强度钢，如美国的300M、法国的35NCD16、俄罗斯的30XΓCH2A等，其缺点是重量较重。因此，为了从根本解决上述问题，目前提出采用碳纤维复合材料制成的起落架替换采用合金超高强度钢的起落架，不仅使起落架的强度是原来的四倍以上，且重量只有原来的四分之一，十分轻便，起到轻量化效果；同时，它的热膨胀系数低、伸长率低、抗腐蚀性强、抗疲劳性强，能更好的满足飞机设计的综合要求。
目前，翼龙ID无人机是国内首个采用碳纤维复合材料进行制造主起落架支柱的飞机，但由于其主起落架支柱结构为侧向弯曲、横向上宽下窄的双曲率变截面设计，且主起落架支柱全部由碳纤维预浸料铺叠而成，在最厚处铺层多达50余层，而常规的复合材料成型工装对结构曲率小、层数少、成型压力较小的产品还可以，但对这种形状复杂、层数较多、固化压力较大的结构就无法满足要求了。
因此，现急需提出一种能解决上述问题的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装及其成型工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装及其成型工艺，解决了起落架复材支柱铺叠、加压固化和脱模的难题，实现了双曲率变截面、多层数、大厚度特殊结构复合材料产品的成型制造。
为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装，包括芯模骨架、铺放芯模、上模体、下模体、前挡板和后挡板；所述上模体和下模体相对闭合设置，上模体内部和下模体内部共同构成两端贯穿的模腔，且前挡板抵设在模腔的前端，后挡板抵设在模腔的后端；所述铺放芯模位于模腔内，且铺放芯模为中空结构，铺放芯模的小端设置有与铺放芯模内部连通的进气管，进气管贯穿前挡板向外延伸；所述铺放芯模的大端贯穿后挡板向外延伸，铺放芯模的大端端面开设有开口；所述芯模骨架贯穿开口插设在铺放芯模内，且铺放芯模的大端与芯模骨架的大端共同设置密封固定堵头。
进一步的，所述铺放芯模的小端端面与前挡板的内侧面抵紧配合。
进一步的，所述后挡板包括呈上下相对排布的后上挡板和后下挡板，且后上挡板与后下挡板的相对面上均开设有与铺放芯模大端配合的缺口。
进一步的，所述密封固定堵头包括固定在铺放芯模大端的第一帽盖和固定在模芯骨架大端的第二帽盖，第一帽盖和第二帽盖相对扣合固定。
进一步的，所述下模体的下表面上还设置有两个相对排布的基座。
进一步的，所述上模体上还固定设置有多个吊耳，且多个吊耳均匀分布在上模体的两个侧面上。
本发明还提供了一碳纤维复合材料起落架支柱的成型工艺，具体步骤如下：
(1)铺叠：将模芯骨架插设在铺放芯模内，使密封固定堵头将模芯骨架的大端与铺放芯模大端固定和密封，并将安装好铺放芯模放置在一个支架上，通过进气管向铺放芯模内抽真空，使铺放芯模内部呈负压状态，接着向铺放芯模上进行叠层，且在叠层的同时铺放芯模在支架上进行旋转，使铺放芯模上下两面同时叠层操作；
(2)固化组装：将制得的胚料与铺放芯模从支架上取下，并将带胚料的铺放芯模先放置在下模体上，然后将上模体与下模体闭合，打开进气管，使铺放芯模内保持常压，然后安装前挡板和后挡板，最后通过进气管向铺放芯模中通入正压空气；
(3)入罐固化：将步骤2中组装后的成型工装放入到固化罐内进行固化，且在固化罐内进行固化时，铺放芯模内保持恒定的正压；
(4)脱模：将成型工装从固化罐内取出，打开进气管，使铺放芯模内呈常压状态，依次拆卸前挡板、后挡板、上模体，然后将带有固化后产品的铺放芯模从下模体上取下，松开密封固定堵头，将芯模骨架抽出铺放芯模，最后将铺放芯模从固化后的产品上抽出。
进一步的，在所述步骤1中，在通过进气管对铺放芯模内抽真空时，需使用真空表检测铺放芯模内的真空度，且在叠层过程中使用激光定位仪定位铺叠。
进一步的，在所述步骤2中，在将铺放芯模放在下模体上时，检查铺放芯模准确定位，并在上模体与下模体闭合后，清理预浸料余量，检查预浸料不能在上模体与下模体之间有夹阉。
进一步的，在所述步骤3中，固化罐内以不大于1.5℃/min的升温速率升温至80℃～85℃，恒温40min～50min，且升温的同时固化罐内加压不大于0.5Bar/min；在保持15Bar±0.2Bar的压力下，固化罐内以不大于1.5℃/min的升温速率升温至130℃±5℃，并恒温90min～120min；恒温结束后以不大于2℃/min速度开始降温。
进一步的，在所述步骤3中，在打开进气管时，固化罐内温度低于60℃以下。
本发明的有益效果是,
使起落架支柱的重量降低至原金属起落架支柱的四分之一，完全满足轻量化设计的要求，减少了飞机的能源消耗，提高了飞行载荷，增加了续航能力；同时，解决了起落架支柱铺叠、加压固化和脱模的难题，实现了双曲率变截面、多层数、大厚度特殊结构复合材料产品的成型制造。
附图说明
图1是本发明提供的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装的结构图；
图2是本发明提供的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装的爆炸图；
图3是本发明的起落架支柱的产品图；
图4是本发明在入罐固化中的参数图；
图5是本发明的材料对比图。
附图中标记及相应的零部件名称：
1、芯模骨架，2、铺放芯模，3、上模体，4、下模体，5、前挡板，6、后挡板，7、模腔，8、进气管，9、开口，10、密封固定堵头，11、基座，12、吊耳；
61、后上挡板，62、后下挡板，63、缺口；
101、第一帽盖，102、第二帽盖。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
图1至图3所示出了本发明提供的一种碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装，包括芯模骨架1、铺放芯模2、上模体3、下模体4、前挡板5和后挡板6；所述上模体3和下模体4相对闭合设置，上模体3内部和下模体4内部共同构成两端贯穿的模腔7，且前挡板5抵设在模腔7的前端，后挡板6抵设在模腔7的后端；所述铺放芯模2位于模腔7内，且铺放芯模2为中空结构，铺放芯模2的小端设置有与铺放芯模2内部连通的进气管8，进气管8贯穿前挡板5向外延伸；所述铺放芯模2的大端贯穿后挡板6向外延伸，铺放芯模2的大端端面开设有开口9；所述芯模骨架1贯穿开口9插设在铺放芯模2内，且铺放芯模2的大端与芯模骨架1的大端共同设置密封固定堵头10。
所述上模体3与下模体4的闭合面相对排布，模腔7是通过上模体3在下模体4在闭合状态下形成的，且模腔7的两端均贯穿上模体3与下模体4的两端端面，在上模体3与下模体4闭合后，上模体3与下模体4之间通过螺栓固定锁紧，使上模体3与下模体4在闭合后锁紧固定，防止上模体3与下模体4之间松开；所述前挡板5将模腔7的前端进行封闭，且前挡板5的上端与上模体3的前端通过螺钉固定，前挡板5的下端与下模体4的前面通过螺钉固定，使前挡板5被固定安装，且使前挡板5能将模腔7的前端完全封闭。所述后挡板6用于对模腔7的后端进行封闭，且后挡板6的上端与上模体3的后端通过螺钉固定，后挡板6的下端与下模体4的后端通过螺钉固定，使模腔7的后端被完全封闭。
所述铺放芯模2和芯模骨架1的材质均为硅橡胶材质；所述铺放芯模2的形状与模腔7的形状配合，且铺放芯模2的外壁与模腔7的内壁之间具有一定间隙，使叠层后形成的胚料卡合在模腔7内壁与铺放芯模2外壁之间；所述铺放芯模2的小端为封闭状，且进气管8位于铺放芯模2小端的端面上，使进气管8能垂直贯穿前挡板5，方便进气管8的入口端与气压设备的管道连接；通过在铺放芯模2大端的端面上开设开口9，使铺放芯模2的大端呈敞开状，方便将芯模骨架1贯穿开口9插设安装在铺放芯模2内。
所述密封固定堵头10用于将铺放芯模2的大端与芯模骨架1的大端进行固定，从而使芯模骨架1固定安装在铺放芯模2内；同时，密封固定堵头10将后挡板6卡设在密封固定堵头10与模腔7后端之间，不仅能防止后挡板6脱落，且使后挡板6与模腔7后端之间的密封性能更好。
所述铺放芯模2的小端端面与前挡板5的内侧面抵紧配合，使前挡板5能有效将模腔7的前端进行封闭，使模腔7前端的密封性更好，防止在对模腔7在抽真空或充气时，模腔7的前端漏气。
所述后挡板6包括呈上下相对排布的后上挡板61和后下挡板62，且后上挡板61与后下挡板62的相对面上均开设有与铺放芯模2大端配合的缺口63；所述后上挡板61与上模体3的后端面配合，后下挡板62与下模体4的后端面配合，从而使后上挡板61与后下挡板62能有效对模腔7的后端进行封堵；同时，通过在后上挡板61和后下挡板62上开设缺口63，使后上挡板61上的缺口63与后下挡板62上的缺口63共同与铺放芯模2的外壁卡合，使模腔7的后端完全被封闭，使模腔7后端的封闭效果更好。
所述密封固定堵头10包括固定在铺放芯模2大端的第一帽盖101和固定在模芯骨架大端的第二帽盖102，第一帽盖101和第二帽盖102相对扣合固定。所述密封固定堵头10主要用使铺放芯模2的大端与芯模骨架1的大端进行固定，从而使芯模骨架1在安装在铺放芯模2内部后，芯模骨架1被固定在铺放芯模2内；所述第一帽盖101与铺放芯模2一体设置，且铺放芯模2的大端与第一帽盖101的内表面平齐；所述第二帽盖102与芯模骨架1的大端一体设置，且芯模骨架1的大端与第二帽盖102的内壁固定；所述第一帽盖101和第二帽盖102的扣合处均安装有密封圈，使第一帽盖101和第二帽盖102在扣合后，第一帽盖101和第二帽盖102的扣合处密封性能更好；所述第一帽盖101与第二帽盖102的扣合可通过多个螺钉锁紧固定或通过卡爪锁紧固定。所述密封固定堵头10还可以为分别在铺放芯模2大端和芯模骨架1大端的两个密封法兰盘，然后通过将两个密封法兰盘固定，从而使芯模骨架1在插入到铺放芯模2内后被固定。
所述下模体4的下表面上还设置有两个相对排布的基座11，两个所述机座与下模体4通过螺钉固定，通过在下模体4上设置两个基座11，使发明在从固化罐内取出后，两个机座能对下模体4进行支撑，从而方便对上模体3打开。所述上模体3上还固定设置有多个吊耳12，且多个吊耳12均匀分布在上模体3的两个侧面上，吊耳12主要是方便在对上模体3安装或拆卸过程中的搬运。
本发明还提供了一碳纤维复合材料起落架支柱的成型工艺，具体步骤如下：
(1)铺叠：将模芯骨架插设在铺放芯模2内，使密封固定堵头10将模芯骨架的大端与铺放芯模2大端固定和密封，并将安装好铺放芯模2放置在一个支架上，通过进气管8向铺放芯模2内抽真空，使铺放芯模2内部呈负压状态，接着向铺放芯模2上进行叠层，且在叠层的同时铺放芯模2在支架上进行旋转，使铺放芯模2上下两面同时叠层操作。
模芯骨架通过开设在铺放芯模2大端的开口9顺利的插设在铺放芯模2内，且在芯模骨架1插设在铺放芯模2内时，将芯模骨架1的小端与铺放芯模2的小端对应，使芯模骨架1的小端被限位固定；当芯模骨架1插设在铺放芯模2内后，密封固定堵头10中固定在铺放芯模2上的第一帽盖101与密封固定堵头10中固定在芯模骨架1上的第二帽盖102相对排出，此时将第一帽盖101与第二帽盖102相对扣紧，不仅使芯模骨架1的大端与铺放芯模2的大端固定，且使铺放芯模2的内部被封闭；此时，将装配好的铺放芯模2放置在一个机架上，且使装配好的铺放芯模2在机架上可以进行转动。
将进气管8与抽真空设备连接，此时抽真空设备通过进气管8向铺放芯模2内部进行抽真空，使铺放芯模2内呈负压状态，此时铺放芯模2收缩，铺放芯模2贴合在芯模骨架1上；当铺放芯模2内达到固定值时，抽真空设备停止对铺放芯模2内部进行抽真空，使铺放芯模2内部保持真空压力；然后，向铺放芯模2上进行叠层，且在叠层过程中可通过人为或驱动设备驱动装配好的铺放芯模2在机架上进行旋转，不仅使铺放芯模2的外壁上均匀的叠层，且使铺放芯模2的上下两面能同时进行叠层，使形成的胚料质量更好。
(2)固化组装：将制得的胚料与铺放芯模2从支架上取下，并将带胚料的铺放芯模2先放置在下模体4上，然后将上模体3与下模体4闭合，打开进气管8，使铺放芯模2内保持常压，然后安装前挡板5和后挡板6，最后通过进气管8向铺放芯模2中通入正压空气。
经过步骤1中的铺叠后，将完成叠层成型的胚料随装配好的铺放芯模2取下放置在下模体4上，然后通过吊具将移动至下模体4上的上方，并使上模体3与下模体4相对排布，从而使上模体3和下模体4精准闭合，此时完成叠层成型的胚料随装配好的铺放芯模2位于模腔7内，而铺放芯模2小端的进气管8延伸出模腔7的前端，铺放芯模2的大端延伸出模腔7的后端；断开抽空控设备与进气管8的连接，从而对铺放芯模2进行泄压，从而使铺放芯模2内保持常压，使铺放芯模2恢复弹力。
将前挡板5的上端通过螺钉固定安装在上模体3的前端，将前挡板5的下端通过螺钉固定安装在下模体4的前端，此时进气管8贯穿前挡板5延伸至外，使前挡板5将模腔7的前端被封闭；将后挡板6中的后上挡板61卡设在铺放芯模2的上方，并使后上挡板61与上模体3的后端面贴合，并使后上挡板61通过螺钉与上模体3的后端面固定；将后挡板6中的后下挡板62卡设在铺放芯模2的下方，并使后下挡板62与下模体4的后端面贴合，并使后下挡板62通过螺钉与下模体4的后端面固定，从而使后挡板6将模腔7的后端被封闭，最终使整个模腔7呈封闭状态。最后，将高压气源与进气管8连接，并通过进气管8向铺放芯模2内通入高压空气，使铺放芯模2内保持正压。
(3)入罐固化：将步骤2中组装后的成型工装放入到固化罐内进行固化，且在固化罐内进行固化时，铺放芯模2内保持恒定的正压，在固化罐内固化时，铺放芯模2内的压力始终保持不变，且铺放芯模2内为正压，使固化效果更好，有效防止铺放芯模2上的胚料产生形变。
(4)脱模：将成型工装从固化罐内取出，打开进气管8，使铺放芯模2内呈常压状态，依次拆卸前挡板5、后挡板6、上模体3，然后将带有固化后产品的铺放芯模2从下模体4上取下，松开密封固定堵头10，将芯模骨架1抽出铺放芯模2，最后将铺放芯模2从固化后的产品上抽出。
将成型工装从固化罐内取出后，断开高压气源与进气管8之间的连接，并打开进气管8，从而对铺放芯模2内进行泄压，使铺放芯模2内为常压状态，然后拆下前挡板5、后上挡板61、后下挡板62，松开上模体3与下模体4之间的固定，并采用吊具将上模体3移开下模体4，使上模体3与下模体4分开；然后将铺放芯模2从下模体4上取下，打开第一帽盖101和第二帽盖102之间的固定，从而使铺放芯模2的大端与芯模骨架1的大端分开，并将芯模骨架1从铺放芯模2中抽出；最后，将铺放芯模2从固化后的产品中抽出，从而实现对起落架支柱的生产。
在所述步骤1中，在通过进气管8对铺放芯模2内抽真空时，需使用真空表检测铺放芯模2内的真空度，且在叠层过程中使用激光定位仪定位铺叠；所述真空表可嵌装在芯模骨架1的外壁上，使真空表整个过程中对铺放芯模2内的真空度进行实时监控，同时能通过真空表检测的真空度确认铺放芯模2内的气密性；当真空表嵌装在芯模骨架1上时，真空表还可采用真空传感器替代；所述激光定位仪用于对叠层过程中进行定位，使叠层的精度更高，从而使最终成型的起落架支柱质量更好。
在所述步骤2中，在将铺放芯模2放在下模体4上时，检查铺放芯模2准确定位，并在上模体3与下模体4闭合后，清理预浸料余量，检查预浸料不能在上模体3与下模体4之间有夹阉；为了方便上模体3与下模体4在闭合过程中能精准定位，可在下模体4的闭合面上设置定位销，在上模体3的闭合面上开设与定位销配合的定位孔，通过定位销与定位孔的配合，使上模体3与下模体4在闭合时能精准闭合，有效防止上模体3与下模体4闭合过程中产生倾斜；在上模体3与下模体4闭合后，可将叠层形成的胚料上多余的预浸料进行清理，防止最终形成的起落架支柱上产生毛刺，从而使生产出的起落架支柱质量更好；在清理胚料上多余的预浸料时，观察上模体3与下模体4在闭合后两者的闭合面之间是否存在缝隙，从而保证上模体3在下模体4闭合后的密封性。
如图4所示，在所述步骤3中，固化罐内以不大于1.5℃/min的升温速率升温至80℃～85℃，恒温40min～50min，且升温的同时固化罐内加压不大于0.5Bar/min；在保持15Bar±0.2Bar的压力下，固化罐内以不大于1.5℃/min的升温速率升温至130℃±5℃，并恒温90min～120min；恒温结束后以不大于2℃/min速度开始降温；同时，在打开进气管8时，固化罐内温度低于60℃以下。
从图5所示，选用碳纤维复合材料生产的起落架支柱相对于选用中碳钢生产的起落架支柱具有热膨胀系数低、伸长率低、抗腐蚀性强、抗疲劳性强。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装，其特征在于，包括芯模骨架、铺放芯模、上模体、下模体、前挡板和后挡板；所述上模体和下模体相对闭合设置，上模体内部和下模体内部共同构成两端贯穿的模腔，且前挡板抵设在模腔的前端，后挡板抵设在模腔的后端；所述铺放芯模位于模腔内，且铺放芯模为中空结构，铺放芯模的小端设置有与铺放芯模内部连通的进气管，进气管贯穿前挡板向外延伸；所述铺放芯模的大端贯穿后挡板向外延伸，铺放芯模的大端端面开设有开口；所述芯模骨架贯穿开口插设在铺放芯模内，且铺放芯模的大端与芯模骨架的大端共同设置密封固定堵头。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装，其特征在于，所述后挡板包括呈上下相对排布的后上挡板和后下挡板，且后上挡板与后下挡板的相对面上均开设有与铺放芯模大端配合的缺口。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装，其特征在于，所述密封固定堵头包括固定在铺放芯模大端的第一帽盖和固定在模芯骨架大端的第二帽盖，第一帽盖和第二帽盖相对扣合固定。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装，其特征在于，所述下模体的下表面上还设置有两个相对排布的基座。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工装，其特征在于，所述上模体上还固定设置有多个吊耳，且多个吊耳均匀分布在上模体的两个侧面上。
6.一碳纤维复合材料起落架支柱的成型工艺，具体步骤如下：
(1)铺叠：将模芯骨架插设在铺放芯模内，使密封固定堵头将模芯骨架的大端与铺放芯模大端固定和密封，并将安装好铺放芯模放置在一个支架上，通过进气管向铺放芯模内抽真空，使铺放芯模内部呈负压状态，接着向铺放芯模上进行叠层，且在叠层的同时铺放芯模在支架上进行旋转，使铺放芯模上下两面同时叠层操作；
(2)固化组装：将制得的胚料与铺放芯模从支架上取下，并将带胚料的铺放芯模先放置在下模体上，然后将上模体与下模体闭合，打开进气管，使铺放芯模内保持常压，然后安装前挡板和后挡板，最后通过进气管向铺放芯模中通入正压空气；
(3)入罐固化：将步骤2中组装后的成型工装放入到固化罐内进行固化，且在固化罐内进行固化时，铺放芯模内保持恒定的正压；
(4)脱模：将成型工装从固化罐内取出，打开进气管，使铺放芯模内呈常压状态，依次拆卸前挡板、后挡板、上模体，然后将带有固化后产品的铺放芯模从下模体上取下，松开密封固定堵头，将芯模骨架抽出铺放芯模，最后将铺放芯模从固化后的产品上抽出。
7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工艺，其特征在于，在所述步骤1中，在通过进气管对铺放芯模内抽真空时，需使用真空表检测铺放芯模内的真空度，且在叠层过程中使用激光定位仪定位铺叠。
8.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工艺，其特征在于，在所述步骤2中，在将铺放芯模放在下模体上时，检查铺放芯模准确定位，并在上模体与下模体闭合后，清理预浸料余量，检查预浸料不能在上模体与下模体之间有夹阉。
9.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工艺，其特征在于，在所述步骤3中，固化罐内以不大于1.5℃/min的升温速率升温至80℃～85℃，恒温40min～50min，且升温的同时固化罐内加压不大于0.5Bar/min；在保持15Bar±0.2Bar的压力下，固化罐内以不大于1.5℃/min的升温速率升温至130℃±5℃，并恒温90min～120min；恒温结束后以不大于2℃/min速度开始降温。
10.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料起落架支柱的成型工艺，其特征在于，在所述步骤3中，在打开进气管时，固化罐内温度低于60℃以下。
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