CN110181835A - 一种变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，适用于各种锥角开放式回转体复合材料结构成型，突破集蒙皮成型、蜂窝定型及夹层组装多功能一体化的模具结构集成设计、开放式变截面型面蒙皮复合材料的固化变形工艺控制、双侧下陷型面双锥度结构半固化芳纶蜂窝成型工艺方法及大尺寸双锥度碳面板/金属镶嵌件/芳纶蜂窝夹层结构共固化成型等多项工艺技术，实现了变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构的低成本高精度成型制造。
Description
技术领域
本发明属于结构复合材料及工艺技术领域，尤其涉及一种变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法。
背景技术
碳纤维具有高强、质轻、耐疲劳等优异性能，以其为增强材料制备的高性能树脂基复合材料的高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳阻尼、减震性好、破损安全性好、性能可设计等优势已被世人所共识。热固性树脂基复合材料在航空航天、武器装备、工程结构、建筑机械、日常用品等领域得到了大量的应用。热固性树脂基复合材料的制品精度及生产成本在很大程度上取决于制造工艺过程，而制品的变形控制是其中的关键因素之一。芳纶纸蜂窝是芳纶纸经涂胶、叠合和蜂窝叠块的压制固化、切割、拉伸、浸胶、固化等一系列复杂工艺而制作成特殊结构的蜂窝芯材，是高强度和高模量的芳纶增强的先进复合材料，具有轻质、高强、高模、吸振、阻燃、耐腐蚀、耐高温、低介电损耗等众多优点，已经广泛应用于航空航天领域和其他多个民用领域中。芳纶蜂窝夹层结构具有突出的高比强度、耐腐蚀、吸振、透电磁波等特性。蜂窝夹层结构复合材料由一个厚且密度低的蜂窝芯材与上下两个薄且刚度高的蒙皮(根据使用环境的不同，有时也可以称为面板)粘接而成。蜂窝芯材主要有Nomex蜂窝、铝蜂窝和纸蜂窝三种，蒙皮则通常采用复合材料层压板、金属板、胶合板和硬塑料板等。蜂窝夹层结构重量轻、强度高，具有较好比强度、比刚度以及抗弯刚度较佳等性能优点，已成功应用在在需要高强度与高刚度/重量比的民用及军用等领域。变截面三锥度芳纶蜂窝夹层结构作为常用结构形式，广泛应用于航空飞行器的发动机整流罩及壁板类制件、航天飞行器整流罩、水面舰艇上层建筑及高速列车主承载件等，可满足结构的高刚度和功能化使用要求，有效减轻了结构重量，增加有效载荷，提高结构效率。
芳纶蜂窝夹层结构成型工艺方案一般采用内、外蒙皮首先在热压罐内单独成型，然后采用高温固化系列胶膜对蒙皮、芳纶蜂窝夹芯、镶嵌件等进行组装粘接，在热压罐内固化成型。
现有变截面三锥度芳纶蜂窝夹层结构成型工艺方法所需成型模具数量较多，成本较高；复合材料制件固化后会产生收口变形，精度较差；针对大弧面弯曲角度及变截面型面蜂窝的成型及加工方法尚不成熟，定型及加工的稳定程度不佳；针对不同类型预埋件的定位精度难以保证。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，基于模具结构集成设计降低整体成型工装数量，通过工艺优化方案降低制件收口变形提高制品精度，建立适用于大弧面弯曲角度及变截面型面蜂窝的成型及加工方法，解决预埋件定位精度差的难题，真正实现变截面三锥度芳纶蜂窝夹层结构成型工艺技术。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，所述方法包括如下步骤：(1)根据变截面双锥度蜂窝夹层结构特点，设计阴模及阳模；(2)将预浸料铺设在阴模的外蒙皮成型模内，把阴模放置于真空袋中，将包覆有真空袋的阴模放置于温度210-220℃、压力0.6mpa条件下，进行固化成型得到外蒙皮；将预浸料铺设在阳模的内蒙皮成型模内，把阳模放置于真空袋中，将包覆有真空袋的阳模放置于温度210-220℃、压力0.6mpa条件下，进行固化成型得到内蒙皮；(3)将半固化的芳纶蜂窝板根据第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段的长度进行分段切割得到第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板，将第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板放入烘箱中低温加热，将第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板从烘箱取出，将第一芳纶蜂窝板铺设于第一阳模锥段，将第二芳纶蜂窝板铺设于第二阳模锥段，将第三芳纶蜂窝板铺设于第三阳模锥段，其中，阳模的内蒙皮成型模的轴中心线、第一芳纶蜂窝板的轴中心线、第二芳纶蜂窝板的轴中心线与第三芳纶蜂窝板的轴中心线均重合；将第一芳纶蜂窝板弯曲使得其贴合到第一阳模锥段的表面得到第一芳纶蜂窝，将第二芳纶蜂窝板弯曲使得其贴合到第二阳模锥段的表面得到第二芳纶蜂窝，将第三芳纶蜂窝板弯曲使得其贴合到第三阳模锥段的表面得到第三芳纶蜂窝，然后将阳模放入烘箱中固化得到双锥度结构的芳纶蜂窝；(4)标出双锥度结构的芳纶蜂窝内表面相对应的内蒙皮的加厚区的位置和双锥度结构的芳纶蜂窝外表面相对应的外蒙皮的加厚区的位置，采用角磨机进行磨切；(5)用砂纸将内蒙皮和外蒙皮粘接面均匀打磨出粗糙的新表面，用丙酮将内蒙皮和外蒙皮粘接面上的粉末擦拭干净；(6)将金属预埋件的粘接面涂抹底胶，并将涂好底胶的各金属预埋件在室温下晾置30min；(7)将内蒙皮和外蒙皮涂刷底胶后，在室温晾置30min后，在内蒙皮和外蒙皮的粘接面粘贴一层胶膜，将步骤(4)加工后的双锥度结构的芳纶蜂窝贴合在外蒙皮的内表面，将金属预埋件设置于双锥度结构的芳纶蜂窝内；(8)将发泡胶填充于金属预埋件与双锥度结构的芳纶蜂窝连接位置处，将内蒙皮的外表面和步骤(4)加工后的双锥度结构的芳纶蜂窝相粘结，将定位工装与预埋件相连接，得到未固化的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构；(9)将未固化的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构铺设在阴模的外蒙皮成型模内，把阴模放置于真空袋中，将包覆有真空袋的阴模放置于温度180-200℃、压力0.2mpa条件下，进行固化成型得到变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构。
上述变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法中，在步骤(1)中，所述阴模包括若干个挡条、框架式阴模底板、第一阴模锥段、第二阴模锥段、第三阴模锥段和吊耳加强部；其中，第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段均设置于框架式阴模底板；第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段依次相连接；第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段的两个侧端均设置有挡条；所述吊耳加强部与所述框架式阴模底板相连接；所述第一阴模锥段的锥角为8.5°，小端半径为112.5mm，大端半径180mm；所述第二阴模锥段的锥角为8°，小端半径为180mm，大端半径为238mm；所述第三阴模锥段的锥角为1°，小端半径为238mm，大端半径为266mm。
上述变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法中，在步骤(1)中，所述阳模包括框架式阳模底板、第一阳模锥段、第二阳模锥段、第三阳模锥段和第二吊耳加强部；其中，所述框架式阳模底板的两侧开设有若干个蜂窝拉伸定位孔；第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段设置于框架式阳模底板；第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段依次相连接；第二吊耳加强部设置于框架式阳模底板；所述第一阳模锥段的锥角为8.5°，小端半径为91.5mm，大端半径159mm；所述第二阳模锥段的锥角为8°，小端半径为159mm，大端半径为217mm；所述第三阳模锥段的锥角由1°转变为9.5°后转变为1°，小端半径为217mm，大端半径为260mm。
上述变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法中，在步骤(2)中，将预浸料铺设在阴模的外蒙皮成型模内包括如下步骤：(1)采用0.20mm厚度碳纤维平纹织物预浸料和0.15mm厚度的碳纤维单向预浸料组成预浸料；其中，树脂基体为双马树脂，增强纤维为高强型或高模型碳纤维；(2)定义第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段的母线方向为0°方向，圆周方向为90°方向，碳纤维单向预浸料铺设的角度与0°方向沿逆时针方向的夹角代表碳纤维单向预浸料的铺层方向；首先将碳纤维平纹织物预浸料铺设在第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段表面，其次将碳纤维单向预浸料按照[90° /+45° /-45° /0° /0° /0° /-45° /+45° /90°]的顺序将预浸料在第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段表面一层一层依次进行铺设，再将碳纤维平纹织物预浸料铺设在第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段表面。加厚区采用碳纤维单向预浸料按照[+45° /-45° /0° /0° /0° /-45° /+45°]的顺序进行铺设。
上述变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法中，在步骤(2)中，将预浸料铺设在阳模的内蒙皮成型模内包括如下步骤：(1)采用0.20mm厚度碳纤维平纹织物预浸料和0.15mm厚度的碳纤维单向预浸料组成预浸料；其中，树脂基体为双马树脂，增强纤维为高强型或高模型碳纤维；(2)定义第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段的母线方向为0°方向，圆周方向为90°方向，碳纤维单向预浸料铺设的角度与0°方向沿逆时针方向的夹角代表碳纤维单向预浸料的铺层方向；首先将碳纤维平纹织物预浸料铺设在第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段表面，其次将碳纤维单向预浸料按照[90° /+45° /-45° /0° /0° /0° /-45° /+45° /90°]的顺序将预浸料在第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段表面一层一层依次进行铺设，再将碳纤维平纹织物预浸料铺设在第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段表面。加厚区采用碳纤维单向预浸料按照[+45° /-45° /0° /0° /0° /-45° /+45°]的顺序进行铺设。
上述变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法中，在步骤(2)中，真空袋中的压力为-0.1mpa。
上述变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法中，在步骤(3)中，将第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板放入烘箱中40-60℃加热。
上述变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法中，在步骤(3)中，将阳模放入烘箱中固化得到双锥度结构的芳纶蜂窝；其中，烘箱的温度为160℃，持续时间为3个小时。
上述变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法中，在步骤(4)中，磨切厚度为1.2mm。
上述变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法中，在步骤(9)中，真空袋中的压力为-0.1mpa。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过根据变截面三锥度蜂窝夹层结构特点设计阴模及阳模特征，达到的效果为：实现集蒙皮成型、蜂窝定型及夹层组装多功能一体化的模具结构集成设计技术，有效减少模具数量，节约生产场地空间使用量，大幅降低产品制造成本，提升产品经济效益；
(2)本发明通过内蒙皮、外蒙皮的铺层设计及加厚区设计特征，达到的效果为：建立开放式变截面型面复合材料蒙皮的固化变形工艺控制技术，通过结构优化及工艺优化设计有效降低开放式半回转体复合材料结构的固化变形量，有效提高制品尺寸精度，大幅提升复合材料制件的制造质量；
(3)本发明通过变截面三锥度芳纶蜂窝夹芯定型及精细模切特征，达到的效果为：针对双面下陷型面三锥度结构建立半固化芳纶蜂窝成型工艺方法，芳纶蜂窝的弯曲形态贴合曲面，大幅降低曲面蜂窝的蜂格畸变，有效提高蜂窝结构的力学性能，且将机器打磨代替传统手工打磨，提升产品制造的工作效率及制品精度；
(4)本发明通过针对预埋件设计高精度定位工装特征，达到的效果为实现镶嵌件高精度定位组装，改善产品的刚度、定位精度及平面度。
(5)本发明通过大尺寸三锥度碳面板/金属预埋件/芳纶蜂窝夹层结构共固化成型工艺技术，达到的效果为：实现变截面三锥度蜂窝夹层结构高质量、高精度成型。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的阴模的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的阳模的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的涉及内蒙皮、外蒙皮的加厚区结构示意图；
图4是本发明实施例提供的预埋件外形及分布位置的示意图；
图5是本发明实施例提供的第一镶嵌件粘接定位工装结构的示意图；
图6是本发明实施例提供的第二镶嵌件粘接定位工装结构的示意图；
图7是本发明实施例提供的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图7是本发明实施例提供的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法的流程图。如图7所示，该方法包括如下步骤：
(1)根据变截面三锥度蜂窝夹层结构特点，设计阴模及阳模。
如图1(a)和图1(b)所示，阴模用于外蒙皮成型及变截面双锥度三锥度芳纶蜂窝夹层结构成型，包括：
挡条1：共有10根，分别与第一阴模锥段3、第二阴模锥段4、第三阴模锥段5采用M5螺钉连接。在外蒙皮固化成型过程中，挡条起到限制外蒙皮位置、控制外蒙皮尺寸精度的作用。在变截面三锥度蜂窝夹层结构成型过程中，挡条起到限制夹层结构位置、控制夹层结构尺寸精度的作用。
框架式阴模底板2：底板由平台、带有通风孔的横向支撑隔板及纵向支撑隔板构成，框架式阴模底板2与第一阴模锥段3、第二阴模锥段4、第三阴模锥段5、吊耳加强部6采用焊接的方式连接。框架式阴模底板能够减轻模具总重量，横向及纵向分布的支撑隔板起到支撑作用，通风孔并在固化过程中有利于外蒙皮及变截面三锥度蜂窝夹层结构表面温度场的均匀分布，提高产品的固化质量和尺寸精度。
第一阴模锥段3：锥角为8.5°，小端半径为112.5mm，大端半径180mm。用于外蒙皮第一锥段及蜂窝夹层结构第一锥段成型。
第二阴模锥段4：锥角为8°，小端半径为180mm，大端半径为238mm。用于外蒙皮第二锥段及蜂窝夹层结构第二锥段成型。
第三阴模锥段5：锥角为1°，小端半径为238mm，大端半径为266mm。用于外蒙皮第三锥段及蜂窝夹层结构第三锥段成型。
吊耳加强部6：安装吊耳，共4件，与框架式阴模底板焊接。
如图2(a)和图2(b)所示，阳模用于内蒙皮成型及芳纶蜂窝定型，包括：
蜂窝拉伸定位孔21：共有12个，分布于平台两侧，在蜂窝定型中将芳纶蜂窝拉伸固定于蜂窝拉伸定位孔处，将蜂窝芯格拉伸至规则正六边形，提高定型后芳纶蜂窝尺寸精度及型面精度。
框架式阳模底板22：底板由平台、带有通风孔的横向支撑隔板及纵向支撑隔板构成，框架式阳模底板22与第一阳模锥段23、第二阳模锥段24、第三阳模锥段25、第二吊耳加强部26采用焊接的方式连接。框架式阳模底板能够减轻模具总重量，横向及纵向分布的支撑隔板起到支撑作用，通风孔并在固化过程中有利于内蒙皮及芳纶蜂窝表面温度场的均匀分布，提高产品的固化质量和尺寸精度。
第一阳模锥段23：锥角为8.5°，小端半径为91.5mm，大端半径159mm。用于外蒙皮第一锥段及蜂窝夹层结构第一锥段成型。
第二阳模锥段24：锥角为8°，小端半径为159mm，大端半径为217mm。用于外蒙皮第二锥段及蜂窝夹层结构第二锥段成型。
第三阳模锥段25：第三阳模锥段25的锥角为连续变化的，从锥角为1°变化为锥角9.5°再变化为1°，小端半径为217mm，大端半径为260mm。用于外蒙皮第三锥段及蜂窝夹层结构第三锥段成型。
第二吊耳加强部26：安装吊耳，共4件，与框架式阴模底板焊接。
刻线27：深度为0.3mm*0.3mm，与内蒙皮的外型一致，作为内蒙皮成型的产品尺寸依据，提高成型的尺寸精度。
(2)将预浸料铺设在阴模的外蒙皮成型模内，把阴模放置于真空袋中(压力为-0.1mpa)，将包覆有真空袋的阴模放置于温度210-220℃、压力0.6mpa条件下，进行固化成型得到外蒙皮；
将预浸料铺设在阴模的外蒙皮成型模内具体包括如下步骤：
1.采用0.20mm厚度碳纤维平纹织物预浸料(后文用C表示)和0.15mm厚度的碳纤维单向预浸料(后文采用铺层角度表示)，其中树脂基体为双马树脂，增强纤维为高强型或高模型碳纤维；
2.定义第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段母线方向为0°方向，圆周方向为90°方向。按照[C/90° /+45° /-45° /0° /0° /0° /-45° /+45° /90° /C]的顺序将预浸料在第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段表面一层一层依次进行铺设。加厚区按照[+45° /-45° /0° /0° /0° /-45° /+45°]的顺序铺覆，加厚区铺覆位置见图3，为变锥线两侧5°范围内、小端向内120mm及大端向内150mm尺寸范围。
(3)将预浸料铺设在阳模的内蒙皮成型模内，把阳模放置于真空袋中(压力为-0.1mpa)，将包覆有真空袋的阳模放置于温度210-220℃、压力0.6mpa条件下，进行固化成型得到内蒙皮；
将预浸料铺设在阳模的内蒙皮成型模内具体包括如下步骤：……
1.采用0.20mm厚度碳纤维平纹织物预浸料(后文用C表示)和0.15mm厚度的碳纤维单向预浸料(后文采用铺层角度表示)，其中树脂基体为双马树脂，增强纤维为高强型或高模型碳纤维；
2.定义第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段母线方向为0°方向，圆周方向为90°方向。按照[C/90° /+45° /-45° /0° /0° /0° /-45° /+45° /90° /C]的顺序将预浸料在第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段表面一层一层依次进行铺设。加厚区按照[+45° /-45° /0° /0° /0° /-45° /+45°]的顺序铺覆，加厚区铺覆位置见图3，为变锥线两侧5°范围内、小端向内120mm及大端向内150mm尺寸范围。
(3)将半固化的芳纶蜂窝板根据第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段的长度进行分段切割得到第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板，将第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板放入烘箱中低温(40-60℃)加热，将第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板从烘箱取出，将第一芳纶蜂窝板铺设于第一阳模锥段，将第二芳纶蜂窝板铺设于第二阳模锥段，将第三芳纶蜂窝板铺设于第三阳模锥段，，其中，阳模的内蒙皮成型模的轴中心线、第一芳纶蜂窝板的轴中心线、第二芳纶蜂窝板的轴中心线与第三芳纶蜂窝板的轴中心线均重合；将第一芳纶蜂窝板弯曲使得其贴合到第一阳模锥段的表面得到第一芳纶蜂窝，将第二芳纶蜂窝板弯曲使得其贴合到第二阳模锥段的表面得到第二芳纶蜂窝，将第三芳纶蜂窝板弯曲使得其贴合到第三阳模锥段的表面得到第三芳纶蜂窝，然后将阳模放入烘箱(160℃，3个小时)中固化得到三锥度结构的芳纶蜂窝；
，按照内外蒙皮的锥角弯曲至合适曲面。将芳纶蜂窝及模具一起放入烘箱中固化，实现三锥度结构的芳纶蜂窝定型。
(4)标出三锥度结构的芳纶蜂窝内表面相对应的内蒙皮的加厚区的位置和三锥度结构的芳纶蜂窝外表面相对应的外蒙皮的加厚区的位置，采用角磨机进行磨切(磨切厚度为1.2mm)，得到带有下陷区域的三锥度结构的芳纶蜂窝。三锥度结构的芳纶蜂窝被磨切的区域为蜂窝下陷区域。
(5)用砂纸将内蒙皮和外蒙皮粘接面均匀打磨出粗糙的新表面，用丙酮将内蒙皮和外蒙皮粘接面上的粉末擦拭干净。在第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段依次放置外蒙皮、三锥度结构的芳纶蜂窝、内蒙皮。将三者尽可能贴合，检查蜂窝下陷区域及内外蒙皮加厚区是否匹配，局部不匹配处可用砂纸或角磨机进一步修整，直至蜂窝下陷区域与内外蒙皮加厚区完全重合。
(6)将第一镶嵌件(如图5所示)和第二镶嵌件(如图6所示)均匀涂抹底胶，底胶为双马树脂与四氢呋喃溶剂按照1:2质量比进行配置。将涂好底胶的各零件在室温下晾置30min。在将步骤(4)加工后的三锥度结构的芳纶蜂窝贴合在外蒙皮的内表面，将第一镶嵌件和第二镶嵌件设置于三锥度结构的芳纶蜂窝内。
(7)将发泡胶填充于预埋件与三锥度结构的芳纶蜂窝连接位置处，将内蒙皮的外表面和步骤(4)加工后的三锥度结构的芳纶蜂窝相粘结，将定位工装与预埋件1、预埋件2分别相连接，得到未固化的变截面三锥度芳纶蜂窝夹层结构；
(8)将未固化的变截面三锥度芳纶蜂窝夹层结构铺设在阴模的外蒙皮成型模内，把阴模放置于真空袋中(压力为-0.1mpa)，将包覆有真空袋的阴模放置于温度180-200℃、压力0.2mpa条件下，进行固化成型得到变截面三锥度芳纶蜂窝夹层结构。
下面根据实施例具体介绍：
1、成型工装设计及制造
(1)集蒙皮成型、蜂窝定型及夹层组装多功能一体化的集成化模具结构集成设计
根据变截面三锥度蜂窝夹层结构特点及成型工序，进行多功能一体化模具结构集成设计，模具包括阴模及阳模两部分(图1及图2)，集成模具表面刻有0.3mm*0.3mm的产品轮廓刻线，下底座多处镂空以减轻整体重量。
内蒙皮成型模具采用阳模形式，主要分为主体阳模和挡条两部分，主要功能为内蒙皮成型及蜂窝定型模具。平台边缘距离产品轮廓线10-50mm两侧(由制品尺寸大小决定)均匀排布两行M5螺纹孔，呈盲孔形式，既保证模具高温下气密性要求，又起到蜂窝定型时曲面固定功能。外蒙皮成型模具采用阴模形式，主要分为主体阴模和挡条两部分，主要功能为外蒙皮成型及夹层组装固化。平台边缘挡条起到组装限位作用，保证组装内外蒙皮、蜂芯及封边的准直度，保证多种材料对齐后的尺寸及位置精度。
(2)镶嵌件粘接定位工装设计
针对不同尺寸及结构形式的预埋镶嵌件，设计定位模板、定位镶块及定位销等工装(图3)，将蒙皮、预埋件及定位模板固定在一起，组装模具采用沉头定位螺钉，使其既能保证预埋件的位置精度而自身又可以嵌入定位模板中，使得定位模板的一面完全平整，可以实现曲面模具的密封固化，以此保证产品的刚度、定位精度及平面度。
2.开放式变截面型面复合材料蒙皮成型
(1)预浸料准备
碳纤维蒙皮厚度一般设计为1.0～3.0mm，考虑铺层可设计性可采用0.15mm标准预浸料，为提高制品表面质量蒙皮内外两侧采用0.20mm碳纤维平纹织物预浸料，其中树脂基体为环氧树脂或双马树脂，增强纤维为高强型或高模型碳纤维。开放式变截面型面蒙皮因树脂基体的固化收缩及制品-模具热膨胀匹配性等因素，在固化后内蒙皮呈现收口，外蒙皮呈现扩口。在满足结构承载要求的前提下，将整体铺层设置为对称铺层，且增加0°方向铺层数量，可降低结构固化变形趋势。通过结构优化，在外形四周5％整体结构尺寸范围增设加厚区，加厚区层数设置为整体结构的1.75倍，可有效抑制结构固化变形(如图4所示)。
(2)模具及蜂芯准备
清理模具，依次用汽油和丙酮进行清洗，并在模具表面刷3～5遍脱模剂。涂刷脱膜剂间隔时间为30min，待脱模剂充分晾干后，方可使用。根据产品力学性能及质量要求，选取合适的芳纶蜂窝芯子规格。基于变截面三锥度的蒙皮结构特征，选取半固化芳纶蜂窝芯子，便于后期进行曲面定型及加工。
(3)内、外蒙皮固化成型
在集成化成型模具上按设计铺层顺序进行预浸料铺放，锥形轴向为0°方向。阳模刻线及挡条保证预浸料铺层的尺寸及位置精度。加厚区位置通过模具定位保证，过渡区采用递减错层式进行预浸料铺放。内、外蒙皮均采用自由加压的方式在高温、一定压力下固化成型。
3.双侧下陷型面三锥度结构半固化芳纶蜂窝成型
(1)蜂窝定型
蜂窝芯子采用半固化芳纶纸蜂窝。将蜂窝根据锥段长度进行分段切割，将分段后的蜂窝芯子放入烘箱中低温加热，使得蜂窝变软。将蜂窝从烘箱取出后在阳模进行蜂窝铺放，轴中心线为模具-蜂芯定位线，按照内外蒙皮的锥角弯曲至合适曲面。采用蜂窝定型卡具将蜂窝与曲面贴合，成型模上挡板不安装，蜂窝拼接面要大于成型模上的产品轮廓线区域，并将边缘处采用尼龙带或细铁丝等连接工具与螺钉绑定，使芳纶蜂窝实现保持对应锥角的弯曲固定。模具曲率较大处的蜂窝可采用吹风机局部加热，使蜂窝紧贴模具表面。将芳纶蜂窝及模具一起放入烘箱中固化，实现三锥度结构的芳纶蜂窝定型。检查定型后的蜂窝拼接缝处是否有脱粘现象，若出现脱粘，可用室温固化胶进行修补。定型后的蜂窝尽可能放在外蒙皮成型模上，保持蜂窝形状。
(2)蜂窝加工
芳纶蜂窝因放置于内外蒙皮之间，在变厚度区存在蜂芯双侧型面下陷的结构特征。在蜂窝芯子厚度方向截面处划出厚度减薄的位置和角度，采角磨机根据蜂窝的加强区及过渡区位置按照厚度要求磨切，提高打磨的精度和效率。
4.大尺寸三锥度碳面板/金属镶嵌件/芳纶蜂窝夹层结构共固化成型
(1)大尺寸蒙皮、芳纶蜂窝芯子试配工艺
用砂纸将内外蒙皮粘接面均匀打磨出粗糙的新表面，以利于胶膜的粘接，注意不能打磨断纤维，磨出新表面即可；用丙酮将粘接面上的粉末等擦拭干净。将组件按照外蒙皮/芳纶蜂窝及镶嵌件/内蒙皮的顺序放置于阴模中并将三者尽可能贴合，检查芳纶蜂窝及内外蒙皮加强区的下限部位是否匹配，局部不匹配处可用砂纸或角磨机进一步修整，直至蜂窝与内外蒙皮试装完全匹配。
(2)预埋件高精度定位及组装
将金属预埋件的粘接面均匀的涂抹底胶，并将涂好底胶的各零件在室温下晾置30min，方可进行胶膜粘贴。针对不同尺寸及结构形式的高密度分布镶嵌件，设计定位模板、定位镶块及定位螺钉等工装，将面板、预埋件及定位模板固定在一起，组装模具采用沉头定位螺钉，使其既能保证预埋件的位置精度而自身又可以嵌入定位模板中，使得定位模板的一面完全平整，可以放置在实现产品与模具密封固化，以此保证产品的平面度。针对干涉零件合理设计安装角度及修挫位置，保证位置精度、产品平面度及刚度要求。
(3)碳面板/金属镶嵌件/芳纶蜂窝夹层结构组装及固化
将内外蒙皮涂刷底胶后，在室温晾置30min后，进行胶膜粘贴。在内外蒙皮的粘接面粘贴一层胶膜，将蜂窝芯子贴合在外蒙皮内侧，注意蜂窝下陷处与蒙皮加厚区相对应。用电吹风机边加热，边将外蒙皮按实在蜂芯上，注意不能有未贴实的部分。将发泡胶放入铁桶内，倒入适量液氮，然后用粉碎机粉碎，颗粒直径小于2mm。首先用橡皮膏将填充区域进行标记，填充区域为靠近框边缘区域、开孔及口框处3个蜂窝孔格内。取发泡胶粉末进行填充，填平蜂格即可，不要超出蜂格高度。将挡条放置在产品侧面，并用橡皮膏固定。用两层透气毡包覆产品上表面，并用密封胶带和尼龙薄膜将产品密封在平板模上，安装真空嘴和热电偶。工件抽真空，待真空表压≤-0.097MPa方可固化，根据产品的原材料提供工艺参数进行固化。固化后对产品进行脱模。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)根据变截面双锥度蜂窝夹层结构特点，设计阴模及阳模；
(2)将预浸料铺设在阴模的外蒙皮成型模内，把阴模放置于真空袋中，将包覆有真空袋的阴模放置于温度210-220℃、压力0.6mpa条件下，进行固化成型得到外蒙皮；
将预浸料铺设在阳模的内蒙皮成型模内，把阳模放置于真空袋中，将包覆有真空袋的阳模放置于温度210-220℃、压力0.6mpa条件下，进行固化成型得到内蒙皮；
(3)将半固化的芳纶蜂窝板根据第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段的长度进行分段切割得到第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板，将第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板放入烘箱中低温加热，将第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板从烘箱取出，将第一芳纶蜂窝板铺设于第一阳模锥段，将第二芳纶蜂窝板铺设于第二阳模锥段，将第三芳纶蜂窝板铺设于第三阳模锥段，其中，阳模的内蒙皮成型模的轴中心线、第一芳纶蜂窝板的轴中心线、第二芳纶蜂窝板的轴中心线与第三芳纶蜂窝板的轴中心线均重合；将第一芳纶蜂窝板弯曲使得其贴合到第一阳模锥段的表面得到第一芳纶蜂窝，将第二芳纶蜂窝板弯曲使得其贴合到第二阳模锥段的表面得到第二芳纶蜂窝，将第三芳纶蜂窝板弯曲使得其贴合到第三阳模锥段的表面得到第三芳纶蜂窝，然后将阳模放入烘箱中固化得到双锥度结构的芳纶蜂窝；
(4)标出双锥度结构的芳纶蜂窝内表面相对应的内蒙皮的加厚区的位置和双锥度结构的芳纶蜂窝外表面相对应的外蒙皮的加厚区的位置，采用角磨机进行磨切；
(5)用砂纸将内蒙皮和外蒙皮粘接面均匀打磨出粗糙的新表面，用丙酮将内蒙皮和外蒙皮粘接面上的粉末擦拭干净；
(6)将金属预埋件的粘接面涂抹底胶，并将涂好底胶的各金属预埋件在室温下晾置30min；
(7)将内蒙皮和外蒙皮涂刷底胶后，在室温晾置30min后，在内蒙皮和外蒙皮的粘接面粘贴一层胶膜，将步骤(4)加工后的双锥度结构的芳纶蜂窝贴合在外蒙皮的内表面，将金属预埋件设置于双锥度结构的芳纶蜂窝内；
(8)将发泡胶填充于金属预埋件与双锥度结构的芳纶蜂窝连接位置处，将内蒙皮的外表面和步骤(4)加工后的双锥度结构的芳纶蜂窝相粘结，将定位工装与预埋件相连接，得到未固化的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构；
(9)将未固化的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构铺设在阴模的外蒙皮成型模内，把阴模放置于真空袋中，将包覆有真空袋的阴模放置于温度180-200℃、压力0.2mpa条件下，进行固化成型得到变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构。
2.根据权利要求1所述的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述阴模包括若干个挡条(1)、框架式阴模底板(2)、第一阴模锥段(3)、第二阴模锥段(4)、第三阴模锥段(5)和吊耳加强部(6)；其中，
第一阴模锥段(3)、第二阴模锥段(4)和第三阴模锥段(5)均设置于框架式阴模底板(2)；
第一阴模锥段(3)、第二阴模锥段(4)和第三阴模锥段(5)依次相连接；
第一阴模锥段(3)、第二阴模锥段(4)和第三阴模锥段(5)的两个侧端均设置有挡条(1)；
所述吊耳加强部(6)与所述框架式阴模底板(2)相连接；
所述第一阴模锥段(3)的锥角为8.5°，小端半径为112.5mm，大端半径180mm；
所述第二阴模锥段(4)的锥角为8°，小端半径为180mm，大端半径为238mm；
所述第三阴模锥段(5)的锥角为1°，小端半径为238mm，大端半径为266mm。
3.根据权利要求1所述的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述阳模包括框架式阳模底板(22)、第一阳模锥段(23)、第二阳模锥段(24)、第三阳模锥段(25)和第二吊耳加强部(26)；其中，
所述框架式阳模底板(22)的两侧开设有若干个蜂窝拉伸定位孔(21)；
第一阳模锥段(23)、第二阳模锥段(24)和第三阳模锥段(25)设置于框架式阳模底板(22)；
第一阳模锥段(23)、第二阳模锥段(24)和第三阳模锥段(25)依次相连接；
第二吊耳加强部(26)设置于框架式阳模底板(22)；
所述第一阳模锥段(23)的锥角为8.5°，小端半径为91.5mm，大端半径159mm；
所述第二阳模锥段(24)的锥角为8°，小端半径为159mm，大端半径为217mm；
所述第三阳模锥段(25)的锥角由1°转变为9.5°后转变为1°，小端半径为217mm，大端半径为260mm。
4.根据权利要求1所述的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于：在步骤(2)中，将预浸料铺设在阴模的外蒙皮成型模内包括如下步骤：
(1)采用0.20mm厚度碳纤维平纹织物预浸料和0.15mm厚度的碳纤维单向预浸料组成预浸料；其中，树脂基体为双马树脂，增强纤维为高强型或高模型碳纤维；
(2)定义第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段的母线方向为0°方向，圆周方向为90°方向，碳纤维单向预浸料铺设的角度与0°方向沿逆时针方向的夹角代表碳纤维单向预浸料的铺层方向；首先将碳纤维平纹织物预浸料铺设在第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段表面，其次将碳纤维单向预浸料按照[90°/+45°/-45°/0°/0°/0°/-45°/+45°/90°]的顺序将预浸料在第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段表面一层一层依次进行铺设，再将碳纤维平纹织物预浸料铺设在第一阴模锥段、第二阴模锥段和第三阴模锥段表面。加厚区采用碳纤维单向预浸料按照[+45°/-45°/0°/0°/0°/-45°/+45°]的顺序进行铺设。
5.根据权利要求1所述的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于：在步骤(2)中，将预浸料铺设在阳模的内蒙皮成型模内包括如下步骤：
(1)采用0.20mm厚度碳纤维平纹织物预浸料和0.15mm厚度的碳纤维单向预浸料组成预浸料；其中，树脂基体为双马树脂，增强纤维为高强型或高模型碳纤维；
(2)定义第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段的母线方向为0°方向，圆周方向为90°方向，碳纤维单向预浸料铺设的角度与0°方向沿逆时针方向的夹角代表碳纤维单向预浸料的铺层方向；首先将碳纤维平纹织物预浸料铺设在第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段表面，其次将碳纤维单向预浸料按照[90°/+45°/-45°/0°/0°/0°/-45°/+45°/90°]的顺序将预浸料在第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段表面一层一层依次进行铺设，再将碳纤维平纹织物预浸料铺设在第一阳模锥段、第二阳模锥段和第三阳模锥段表面。加厚区采用碳纤维单向预浸料按照[+45°/-45°/0°/0°/0°/-45°/+45°]的顺序进行铺设。
6.根据权利要求1所述的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于：在步骤(2)中，真空袋中的压力为-0.1mpa。
7.根据权利要求1所述的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于：在步骤(3)中，将第一芳纶蜂窝板、第二芳纶蜂窝板和第三芳纶蜂窝板放入烘箱中40-60℃加热。
8.根据权利要求1所述的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于：在步骤(3)中，将阳模放入烘箱中固化得到双锥度结构的芳纶蜂窝；其中，烘箱的温度为160℃，持续时间为3个小时。
9.根据权利要求1所述的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于：在步骤(4)中，磨切厚度为1.2mm。
10.根据权利要求1所述的变截面双锥度芳纶蜂窝夹层结构成型方法，其特征在于：在步骤(9)中，真空袋中的压力为-0.1mpa。
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