CN110625861A - 一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法 - Google Patents

一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，具体方法为：1)采用数控机床将母模加工出成型表面；2)采用模具预浸料在步骤一的母模表面进行铺放，预浸料铺放完成后，根据模具预浸料树脂体系的固化制度，在热压罐或烘箱中完成复合材料模具的固化成型；3)将复合材料模具在母模上脱出，对复合材料模进行冷热循环处理，获取产品型面的点云信息，并传递给数控磨抛加工系统；4)对高点材料进行去除，待型面精度收敛到模具型面精度阈值后，采用抛光设备依据型面最终精度要求进行循环抛光；5)采用三维测量方法对其成型表面的性能进行综合评估。本发明解决了碳纤维复材成型模具通过磨抛加工手段进一步提高型面精度后表面性能的综合评价问题。

Description

一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法
技术领域
本发明属于碳纤维增强树脂基复合材料结构成型技术，应用于航天器复合材料天线反射器结构产品的研制。
背景技术
星载大口径复合材料天线反射器为典型的碳纤维蒙皮蜂窝夹层结构，具有轻量化、高精度、高热稳定性等特点，且随着星载天线向着高频段发展，反射器的口径和型面精度也逐步提升。
树脂基碳纤维复合材料天线反射器成型主要指碳蒙皮蜂窝夹层结构，通过成型模具在高温、高压条件下将两张碳纤维蒙皮与蜂窝芯端面胶接固化，形成稳定结构，同时通过设计专门的机械接口与馈源和安装支架连接，确保满足发射段的力学性能要求和在轨的电性能要求。
碳纤维复合材料蜂窝夹层结构天线反射器的成型模具材料主要包括铸铁、殷钢、碳纤维等，其中铸铁模具适合于成型型面精度在0.1mm RMS的反射器；殷钢模具线膨胀系数较低，适于成型型面精度在0.05mm～0.1mm RMS的反射器；碳纤维模具的线膨胀系数在保持较低的线膨胀系数的同时兼具与产品线膨胀系数一致性较好的优势。
但目前碳纤维成型模具的型面精度主要靠母模翻模得到，其直接成型能够达到的极限精度约0.05mm RMS，仍无法满足大口径高精度复材天线反射器的研制需求，因此需要在直接成型精度的基础上进行磨抛加工进一步提高精度。复材模具表面状态对于其成型性能、精度保持性、脱模精度损失控制等有较大影响，而目前确认对于复材成型模具表面状态的综合评估标准，已有的诸如表面粗糙度的评估方法也较为单一，无法实现对复材磨抛加工后表面的综合评估。
发明内容
本发明解决的技术方案是：目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种碳纤维复合材料模具表面成型性能综合评价方法，解决了碳纤维复材成型模具通过磨抛加工手段进一步提高型面精度后表面性能的综合评价问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，步骤如下：
(1)：采用数控机床将母模按照抛物面方程加工出一定型面精度和表面粗糙度的成型表面；
(2)：采用模具预浸料在步骤一的母模表面进行铺放，在预浸料铺放过程中，根据模具预浸料树脂体系的预压制度，对预浸料进行预压处理；预浸料铺放完成后，根据模具预浸料树脂体系的固化制度，在热压罐或烘箱中完成复合材料模具的固化成型；
(3)：复合材料模具在母模上完成步骤二的固化成型后，将复合材料模具在母模上脱出，保证复合材料模具脱模过程无分层开裂损伤，脱模完成后对复合材料模具在能承受的高低温温度范围内进行冷热循环处理，然后对模具成型面采用三坐标测量机进行测量，获取产品型面的点云信息，即高低点坐标值，并对点云分布情况进行拟合处理，将满足模具型面精度阈值的点确定为低点，其余点确定为高点，得到点云信息；将高点区域的点云信息传递给数控磨抛加工系统；
(4)：数控磨抛加工系统根据收到的点云信息生成数控加工程序，磨具按照程序设定的运行轨迹对高点材料进行去除，待型面精度收敛到模具型面精度阈值后，采用抛光设备依据型面最终精度要求进行循环抛光，即抛光一次测量一次，直至收敛到目标型面精度；
(5)：待复材模具成型表面收敛到要求的型面精度后，采用三维测量方法对其成型表面的性能进行综合评估；对综合评估后成型表面综合性能不符合要求的复合材料模具，采用封孔剂修复局部微孔缺陷，然后采用机械抛光方法进行模具局部修整，使其满足天线产品成型要求；综合评估后满足要求的复合材料成型模具直接用于复合材料天线反射器的成型。
所述步骤(1)中一定型面精度和表面粗糙度具体为：型面精度满足RMS0.5，表面粗糙度满足3.2μm。
所述步骤(2)中进行铺放的具体过程为：设置预浸料铺放角度和层数，进行对称铺层单元为[0°/±45°/90°]S，即根据复合材料模具的厚度分成若干铺层单元，每个铺层单元的预浸料依次铺放顺序为0°铺层、+45°铺层、-45°铺层、90°铺层、90°铺层、-45°铺层、+45°铺层、0°铺层。
所述步骤(2)中进行预压处理过程中，保证升降温速率为(0.5℃～1℃)/min，最大温差控制在5℃，预压压力控制精度为0.05MPa。
所述步骤(2)中进行冷热循环处理时，升降温速率为(1℃～2℃)/min，循环次数为7次。
所述步骤(2)中进行复合材料模具的固化成型时，保证升降温速率为(0.5℃～1℃)/min，最大温差控制在5℃，固化压力控制精度为0.05MPa。
所述步骤(3)中进行冷热循环处理时，升降温速率为(1℃～2℃)/min，循环次数为7次。
所述模具型面精度阈值为RMS0.1mm。
所述评估的要素包括型面精度、表面光洁度和局部微孔缺陷，对应的值分别为包括表面粗糙度Ra值、均方根误差RMS值以及局部微孔最大直径值。
所述步骤五的具体评估方法如下：
(5.1)测量磨抛加工后的表面性能，包括表面粗糙度Ra值、均方根误差RMS值以及局部微孔最大直径值；
(5.2)对步骤(5.1)得到的三项指标进行综合评估，其中均方根误差值在目标值以下的，该项得分为3，否则为0；表面粗糙度值在目标值以下的，该项得分为1，否则得分为0.5；局部微孔最大直径值在0.5mm以下的，得分为1，否则得分为0.5；
(5.3)对三项评估得分进行求和处理，其中总分4.5分以上的直接用于产品研制，总分低于4.5分的，模具表面则需要重新进行磨抛加工处理。
本发明与现有技术相比具有如下优点：现有复合材料模具表面性能仅考虑型面精度一项指标，按现有方法确定的复合材料模具无具体量化指标，对工艺技术人员的经验要求较高，首先需要进行产品试制，根据产品试制效果，在对模具进行返修，迭代周期较长，模具加工综合成本较高，并且易造成产品的超差报废，模具性能可靠度较低。本专利明确提出了复合材料模具的评价指标并进行量化打分，利用定量的数据评价复合材料模具的性能，不过分依赖工艺技术人员的经验，模具性能可靠度较高。
使用本发明对复材模具表面状态进行综合评估，评估结果达到该方法要求的分值的模具表面直接用于产品成型，成型过程中产品型面精度保持性、脱模性能、表面质量均满足要求。通过该表面成型性能综合评估方法主要优势包括以下2个方面：
(1)提供一种复材模具表面成型性能的综合评估方法，该方法以大量的工程经验为基础，结合了三种因素对成型过程的影响机理分析，考虑了不同影响因素的权重，避免单一因素评估带来的不足；
(2)该评估方法已经得到了实践验证，避免了以往对模具表面采用成型产品样件的途径，该方法可以大大压缩产品研制周期、降低成本且可以实现模具在磨抛现场的在线评估。
附图说明
图1为本发明复合材料模具表观性能筛选流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，步骤如下：
(1)：采用数控机床将母模按照抛物面方程加工出一定型面精度和表面粗糙度的成型表面；
(2)：采用模具预浸料在步骤一的母模表面进行铺放，在预浸料铺放过程中，根据模具预浸料树脂体系的预压制度，对预浸料进行预压处理；预浸料铺放完成后，根据模具预浸料树脂体系的固化制度，在热压罐或烘箱中完成复合材料模具的固化成型；
(3)：复合材料模具在母模上完成步骤二的固化成型后，将复合材料模具在母模上脱出，保证复合材料模具脱模过程无分层开裂损伤，脱模完成后对复合材料模具在能承受的高低温温度范围内进行冷热循环处理，然后对模具成型面采用三坐标测量机进行测量，获取产品型面的点云信息，即高低点坐标值，并对点云分布情况进行拟合处理，将满足模具型面精度阈值的点确定为低点，其余点确定为高点，得到点云信息；将高点区域的点云信息传递给数控磨抛加工系统；
(4)：数控磨抛加工系统根据收到的点云信息生成数控加工程序，磨具按照程序设定的运行轨迹对高点材料进行去除，待型面精度收敛到模具型面精度阈值后，采用抛光设备依据型面最终精度要求进行循环抛光，即抛光一次测量一次，直至收敛到目标型面精度；
(5)：待复材模具成型表面收敛到要求的型面精度后，采用三维测量方法对其成型表面的性能进行综合评估；对综合评估后成型表面综合性能不符合要求的复合材料模具，采用封孔剂修复局部微孔缺陷，然后采用机械抛光方法进行模具局部修整，使其满足天线产品成型要求；综合评估后满足要求的复合材料成型模具直接用于复合材料天线反射器的成型。
所述步骤(1)中一定型面精度和表面粗糙度具体为：型面精度满足RMS0.5，表面粗糙度满足3.2μm。
所述步骤(2)中进行铺放的具体过程为：设置预浸料铺放角度和层数，进行对称铺层单元为[0°/±45°/90°]S，即根据复合材料模具的厚度分成若干铺层单元，每个铺层单元的预浸料依次铺放顺序为0°铺层、+45°铺层、-45°铺层、90°铺层、90°铺层、-45°铺层、+45°铺层、0°铺层。
所述步骤(2)中进行预压处理过程中，保证升降温速率为(0.5℃～1℃)/min，最大温差控制在5℃，预压压力控制精度为0.05MPa。
所述步骤(2)中进行冷热循环处理时，升降温速率为(1℃～2℃)/min，循环次数为7次。
所述步骤(2)中进行复合材料模具的固化成型时，保证升降温速率为(0.5℃～1℃)/min，最大温差控制在5℃，固化压力控制精度为0.05MPa。
所述步骤(3)中进行冷热循环处理时，升降温速率为(1℃～2℃)/min，循环次数为7次。
所述模具型面精度阈值为RMS0.1mm。
所述评估的要素包括型面精度、表面光洁度和局部微孔缺陷，对应的值分别为包括表面粗糙度Ra值、均方根误差RMS值以及局部微孔最大直径值。
所述步骤五的具体评估方法如下：
(5.1)测量磨抛加工后的表面性能，包括表面粗糙度Ra值、均方根误差RMS值以及局部微孔最大直径值；
(5.2)对步骤(5.1)得到的三项指标进行综合评估，其中均方根误差值在目标值以下的，该项得分为3，否则为0；表面粗糙度值在目标值以下的，该项得分为1，否则得分为0.5；局部微孔最大直径值在0.5mm以下的，得分为1，否则得分为0.5；
(5.3)对三项评估得分进行求和处理，其中总分4.5分以上的直接用于产品研制，总分低于4.5分的，模具表面则需要重新进行磨抛加工处理。
下面进行具体实施例的介绍，本发明实施例具体步骤如下：
步骤一：.采用数控机床将母模按照抛物面方程加工出一定型面精度和光洁度的成型表面，通过三坐标测量结果和对比块确认母模型面和表面满足碳纤维模具翻模要求。
步骤二：采用模具预浸料在加工后满足要求的母模表面进行铺放，预浸料铺放角度和层数参照低膨胀系数优化设计的结果，预浸料铺放过程中需要进行预压处理以提高成型质量。预浸料铺放完成后，根据模具预浸料树脂体系的固化制度，完成复材模具的固化成型。
步骤三：复材模具在母模上完成固化成型后进行脱模处理，脱模完成后对产品成型面采用三坐标进行测量，确定复材模具直接翻模成型后的型面精度，并对误差分布进行处理，将高点区域的点云信息传递给磨抛加工系统。
步骤四：根据型面精度测量的结果和误差分布图，采用砂轮对高点材料进行大余量去除，待型面精度收敛到一定精度后，采用抛光设备依据去除函数进行抛光时间和压力的匹配，逐步收敛到目标型面精度。
步骤五：待复材模具成型表面收敛到需要的型面精度后，采用本发明所述方法对其成型表面的性能进行综合评估，评估要素包括型面精度3分、表面光洁度0.5分，局部微孔缺陷0.5分。综合评估后得分为4分，未达到直接使用的标准，因此复合材料模具成型表面进行重新抛光后模具表面粗糙度为1.6μm满足要求，得分1分,局部微孔喷涂封孔剂进行处理，处理完成后重新评估微孔直径小于0.5mm，得分1分。
步骤六：重新评估后复材成型模具得分为5分，可以直接用于复材天线反射器的成型，并对成型后的产品性能进行验证，确保复合材料模具满足要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于步骤如下：
(1)：采用数控机床将母模按照抛物面方程加工出一定型面精度和表面粗糙度的成型表面；
(2)：采用模具预浸料在步骤一的母模表面进行铺放，在预浸料铺放过程中，根据模具预浸料树脂体系的预压制度，对预浸料进行预压处理；预浸料铺放完成后，根据模具预浸料树脂体系的固化制度，在热压罐或烘箱中完成复合材料模具的固化成型；
(3)：复合材料模具在母模上完成步骤二的固化成型后，将复合材料模具在母模上脱出，保证复合材料模具脱模过程无分层开裂损伤，脱模完成后对复合材料模具在能承受的高低温温度范围内进行冷热循环处理，然后对模具成型面采用三坐标测量机进行测量，获取产品型面的点云信息，即高低点坐标值，并对点云分布情况进行拟合处理，将满足模具型面精度阈值的点确定为低点，其余点确定为高点，得到点云信息；将高点区域的点云信息传递给数控磨抛加工系统；
(4)：数控磨抛加工系统根据收到的点云信息生成数控加工程序，磨具按照程序设定的运行轨迹对高点材料进行去除，待型面精度收敛到模具型面精度阈值后，采用抛光设备依据型面最终精度要求进行循环抛光，即抛光一次测量一次，直至收敛到目标型面精度；
(5)：待复材模具成型表面收敛到要求的型面精度后，采用三维测量方法对其成型表面的性能进行综合评估；对综合评估后成型表面综合性能不符合要求的复合材料模具，采用封孔剂修复局部微孔缺陷，然后采用机械抛光方法进行模具局部修整，使其满足天线产品成型要求；综合评估后满足要求的复合材料成型模具直接用于复合材料天线反射器的成型。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于：所述步骤(1)中一定型面精度和表面粗糙度具体为：型面精度满足RMS0.5，表面粗糙度满足3.2μm。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于：所述步骤(2)中进行铺放的具体过程为：设置预浸料铺放角度和层数，进行对称铺层单元为[0°/±45°/90°]S，即根据复合材料模具的厚度分成若干铺层单元，每个铺层单元的预浸料依次铺放顺序为0°铺层、+45°铺层、-45°铺层、90°铺层、90°铺层、-45°铺层、+45°铺层、0°铺层。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于：所述步骤(2)中进行预压处理过程中，保证升降温速率为(0.5℃～1℃)/min，最大温差控制在5℃，预压压力控制精度为0.05MPa。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于：所述步骤(2)中进行冷热循环处理时，升降温速率为(1℃～2℃)/min，循环次数为7次。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于：所述步骤(2)中进行复合材料模具的固化成型时，保证升降温速率为(0.5℃～1℃)/min，最大温差控制在5℃，固化压力控制精度为0.05MPa。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于：所述步骤(3)中进行冷热循环处理时，升降温速率为(1℃～2℃)/min，循环次数为7次。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于：所述模具型面精度阈值为RMS0.1mm。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于：所述评估的要素包括型面精度、表面光洁度和局部微孔缺陷，对应的值分别为包括表面粗糙度Ra值、均方根误差RMS值以及局部微孔最大直径值。
10.根据权利要求9所述的一种碳纤维复合材料模具表面成型性能筛选方法，其特征在于：所述步骤五的具体评估方法如下：
(5.1)测量磨抛加工后的表面性能，包括表面粗糙度Ra值、均方根误差RMS值以及局部微孔最大直径值；
(5.2)对步骤(5.1)得到的三项指标进行综合评估，其中均方根误差值在目标值以下的，该项得分为3，否则为0；表面粗糙度值在目标值以下的，该项得分为1，否则得分为0.5；局部微孔最大直径值在0.5mm以下的，得分为1，否则得分为0.5；
(5.3)对三项评估得分进行求和处理，其中总分4.5分以上的直接用于产品研制，总分低于4.5分的，模具表面则需要重新进行磨抛加工处理。
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