CN110815854A - 用于纵横t型加强筋制件成型的软性工装制作方法及应用 - Google Patents

用于纵横t型加强筋制件成型的软性工装制作方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法及应用，所述方法包括制作金属假件、将假件组装在模具底板上、铺贴制作软性工装的材料、封装热压等工序；制得的软性工装用于具有纵横T型加强筋的复合材料制件热压成型工艺。该软性工装本身具备一定刚性，可以保证制件成型后的外形尺寸符合要求，并可以均匀、精确地传递热压罐施加的压力，避免复合材料制件出现厚度超差的现象，可以有效保证制件的成型质量，提高生产的合格率和效率和保证了制件成型后T形筋与腹板的相对位置精度，成型后表面质量较好。另外，本发明软性工装可以重复使用，有效降低了生产成本以及制造周期。

Description

用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法及应用
技术领域
本发明涉及一种用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法及应用。
背景技术
树脂基碳纤维复合材料具有比强度、比刚度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，尺寸稳定性好等优越的性能，是目前航空、航天、交通等领域中应用十分广泛的高性能结构材料。在多种碳纤维复合材料成型工艺中，热压罐工艺具有成型温度和压力均匀，对于不同材料、外形、尺寸及结构的零件具有很好的适应性，因而成为了研究和制造航空航天高品质复合材料构件的主要工艺方法之一。
随着对复合材料零件强度、刚度要求的日益提高，零件的结构也越来越复杂，其中带有纵横向交叉T形加强筋的腹板是典型结构件之一。在制造这类零件时，T形加强筋自身的成型质量，T形加强筋之间的间距，以及加强筋与腹板的相对位置度要求通常比较严格。
目前的工艺中大多使用芯模方法成型这类零件，芯模材质一般为模具钢或者铝合金。芯模的作用是将热压罐的压力和温度传递至复合材料制件，使制件在高温高压下成型，同时芯模的刚性可以保证Ｔ形筋的外形尺寸符合设计要求。以T形加强筋腹板结构件为例，其成型方法如图1所示。芯模的作用是将热压罐的压力和温度传递至复合材料制件，使制件在高温高压下成型，同时芯模的刚性可以保证T型筋的外形尺寸符合设计要求。使用芯模法成型纵横T型加筋腹板的缺点主要有以下四个方面：1、由于芯模自身具有一定刚度，通过芯模传导外界压力就难以做到均匀和精确，容易造成制件T形筋部分厚度超差；2、由于芯模具有一定厚度，根据热传导效应，制件T形筋部分的升温速率会比其他部分滞后，从而影响制件的内部成型质量；3、由于芯模为金属材质，自重较大，操作十分不便，且在复合材料制件尺寸较大的情况下，为了保证产品尺寸精度以及定位的基准，对模具的精度要求必须高，所以金属芯模的制造和维护费用较高，返修或重新加工的制造周期较长。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种用于共固化成型纵横T型加筋腹板复材制件的高强度软性工装，该软性工装在成型过程中，对制件施加的压力均匀精确，制件各个部位的升温速率保持一致，以保证制件的成型质量和厚度符合设计要求。具体技术方案如下：
本发明提供用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法，包括步骤如下：
1）制作金属假件：通过机械制造方法制作出与具有纵横T型加强筋复合材料制件的外形尺寸完全一致的金属假件；
2）假件组装：将步骤中制作的金属假件按照复合材料制件成型要求组装在用于复合材料制件成型的模具底板上，并在模具底板的四周围设挡板；
3）铺贴制作软性工装的材料：在步骤中金属假件与挡板之间形成的腔体表面铺制作软性工装的材料，所述制作软性工装的材料主要为橡胶，并且在橡胶的中间要铺贴纤维预浸料作为增强层，以提高软性工装的整体刚度；
4）封装热压：将步骤中铺贴好的材料连同金属假件、模具底板及挡板一起封装后送入热压罐热压成型，即可获得用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装。
前述的用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法，步骤3）中，所述的制作软性工装的橡胶为硅橡胶，其中间铺贴的纤维预浸料增强层为碳纤维预浸料。
优选的，所述的用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法，所述铺贴制作软性工装的材料的铺贴顺序为：橡胶层-纤维预浸料层-橡胶层。
前述的用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法，步骤4）中，所述热压成型的工艺参数为固化压力为500～800kPa，固化温度160～200℃，固化时间120～200min。
本发明还提供一种根据前述方法制作的软性工装的应用，包括步骤如下：
S1：制作软性工装的支撑结构：在根据前述方法制作的软性工装的外表面再铺贴若干层碳纤维预浸料层并使其固化，形成一个复合材料保护壳体；随后再在复合材料保护壳体形成的空腔内灌注发泡泡沫，待发泡泡沫凝固后与复合材料保护壳体一起组成软性工装的支撑结构；
S2：填充T形筋部分预浸料：将步骤S1中的软性工装及其支撑结构从模具底板及四周的挡板中取出，将T形筋部分预浸料填充到金属假件形成的对应的加强筋空腔内；
S3：铺贴腹板部分预浸料：在步骤S2中填充好的T形筋部分预浸料上继续铺贴腹板部分预浸料；
S4：翻转封装：经步骤S3中铺贴好腹板部分预浸料后，将软性工装连同铺贴的预浸料一起翻转，使腹板部分预浸料置于模具底板上，去掉软性工装的支撑结构，并加装挡板，然后将其整体使用真空袋和密封胶条封装；
S5：热压成型：将步骤S4中封装好的软性工装及预浸料送入热压罐中进行热压成型，脱模后即可获得具有纵横T型加强筋的复合材料制件。
作为优选的技术方案的，步骤S1中，所述复合材料保护壳体，其铺贴的碳纤维预浸料层为3～5层；所述发泡胶为聚氨酯发泡胶。
作为优选的技术方案的，步骤S5中，所述热压成型的固化压力为500～800kPa，固化温度160～200℃，固化时间120～200min；所述脱模过程为在复合材料制件热压成型后，出罐、冷却，然后将四周的挡板依次去掉，再将软性工装与复合材料制件分离即完成脱模。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明具有以下几个优势：
（1）与传统芯模成型方法相比，软性工装可以均匀、精确地传递热压罐施加的压力，避免复合材料制件出现厚度超差的现象。
（2）软性工装壁厚较薄，可以避免T形筋部位的热滞后效应，以上两点可以有效保证制件的成型质量，提高生产的合格率和效率。
（3）软性工装由于碳纤维增强层和支撑结构的存在，整体刚性较大，可以实现制件整体在软性工装上进行铺贴、预压实等操作，保证了制件成型后T形筋与腹板的相对位置精度。
（4）软性工装以橡胶为主体，表面具有弹性，同时起到一个均压垫的作用，制件成型后表面质量较好。
（5）软性工装可以重复使用，再次制造也较为方便，有效降低了生产成本以及制造周期。
附图说明
图1为现有的使用芯模成型复合材料示意图；
图2为本发明的金属假件与模具底板及挡板组装结构示意图；
图3为本发明的制作软性工装的材料构层结构示意图；
图4为本发明的软性工装结构示意图；
图5为本发明的软性工装的支承结构示意图；
图6为本发明的填充T形筋部分预浸料和腹板部分预浸料示意图；
图7为本发明软性工装与制作复合材料制件预浸料封装在模具上的结构示意图。
图中：1、金属假件；2、模具底板；3、挡板；4、软性工装；5、制作软性工装的材料；51、橡胶层；52、纤维预浸料层；6、复合材料保护壳体；7、发泡胶；8、T形筋部分预浸料；9、腹板部分预浸料；10、复合材料制件；11、真空袋；12、密封胶条。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实施例，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。
实施例1
本实施例是一种用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法，包括步骤如下：
1）制作金属假件：通过机械制造方法制作出与具有纵横T型加强筋复合材料制件10的外形尺寸完全一致的金属假件1。
2）假件组装：将步骤1中制作的金属假件1按照复合材料制件10成型要求组装在用于复合材料制件10成型的模具底板2上，并在模具底板2的四周围设挡板3，该挡板3是成型模具的一部分，同时对金属假件1起限位作用，如图2所示。
3）铺贴制作软性工装的材料：在步骤2中金属假件1与挡板3之间形成的腔体表面铺制作软性工装的材料5，所述制作软性工装的材料5主要为橡胶，并且在橡胶的中间要铺贴纤维预浸料作为增强层，以提高软性工装4的整体刚度；本实施例所述的制作软性工装4的橡胶为硅橡胶，其中间铺贴的纤维预浸料增强层为碳纤维预浸料；所述铺贴制作软性工装4的材料的铺贴顺序为：橡胶层51-纤维预浸料层52-橡胶层51，如图3所示。
4）封装热压：将步骤3中铺贴好的材料连同金属假件1、模具底板2及挡板3一起封装后送入热压罐热压成型，即可获得用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装4，如图4所示；所述热压成型的工艺参数为固化压力为500～800kPa，固化温度160～200℃，固化时间120～200min。
实施例2
本实施例是一种根据实施例1方法制作的软性工装的应用，包括步骤如下：
S1：制作软性工装的支撑结构：在根据实施例1所述方法制作的软性工装4的外表面再铺贴3～5层碳纤维预浸料层并热压固化，热压成型的工艺参数为固化压力为500～800kPa，固化温度160～200℃，固化时间120～200min。，形成一个复合材料保护壳体6；随后再在复合材料保护壳体6形成的空腔内灌注聚氨酯发泡胶7，待聚氨酯发泡胶7凝固后与复合材料保护壳体6一起组成软性工装4的支撑结构，如图5所示。
S2：填充T形筋部分预浸料：将步骤S1中的软性工装4及其支撑结构从模具底板2及四周的挡板3中取出，将T形筋部分预浸料8填充到金属假件1形成的对应的加强筋空腔内；
S3：铺贴腹板部分预浸料：在步骤S2中填充好的T形筋部分预浸料8上继续铺贴腹板部分预浸料9，如图6所示。
S4：翻转封装：经步骤S3中铺贴好腹板部分预浸料9后，将软性工装4连同铺贴的预浸料一起翻转，使腹板部分预浸料9置于模具底板2上，去掉软性工装4的支撑结构，并加装挡板3，由于软性工装4本身也具备一定刚性，可以保证复合材料制件10成型后的外形尺寸符合要求。然后将其整体使用真空袋11和密封胶条12封装，如图7所示。
S5：热压成型：将步骤S4中封装好的软性工装4及预浸料送入热压罐中进行热压成型，热压成型的工艺参数为固化压力为500～800kPa，固化温度160～200℃，固化时间120～200min。复合材料制件10热压成型后，出罐、冷却，然后将四周的挡板3依次去掉，再将软性工装4与复合材料制件10分离，即可获得具有纵横T型加强筋的复合材料制件10。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。此外，应当理解，以上所述的仅是本发明的一个较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法，其特征在于：包括步骤如下：
1）制作金属假件：通过机械制造方法制作出与具有纵横T型加强筋复合材料制件（10）的外形尺寸完全一致的金属假件（1）；
2）假件组装：将步骤1）中制作的金属假件（1）按照复合材料制件（10）成型要求组装在用于复合材料制件（10）成型的模具底板（2）上，并在模具底板（2）的四周围设挡板（3）；
3）铺贴制作软性工装的材料：在步骤2）中金属假件（1）与挡板（3）之间形成的腔体表面铺制作软性工装的材料（5），所述制作软性工装的材料（5）主要为橡胶，并且在橡胶的中间要铺贴纤维预浸料作为增强层，以提高软性工装（4）的整体刚度；
4）封装热压：将步骤3）中铺贴好的材料连同金属假件（1）、模具底板（2）及挡板（3）一起封装后送入热压罐热压成型，即可获得用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装（4）。
2.根据权利要求1所述的用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法，其特征在于：步骤3）中，所述的制作软性工装（4）的橡胶为硅橡胶，其中间铺贴的纤维预浸料增强层为碳纤维预浸料。
3.根据权利要求1所述的用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法，其特征在于：所述铺贴制作软性工装（4）的材料的铺贴顺序为：橡胶层（51）-纤维预浸料层（52）-橡胶层（51）。
4.根据权利要求1所述的用于纵横T型加强筋制件成型的软性工装制作方法，其特征在于：步骤4）中，所述热压成型的固化参数为：固化压力为500～800kPa，固化温度160～200℃，固化时间120～200min。
5.一种根据权利要求1～4方法制作的软性工装的应用，其特征在于：包括步骤如下：
S1：制作软性工装的支撑结构：在根据权利要求1～4方法制作的软性工装（4）的外表面再铺贴若干层碳纤维预浸料层并使其固化，形成一个复合材料保护壳体（6）；随后再在复合材料保护壳体（6）形成的空腔内灌注发泡胶（7），待发泡胶（7）凝固后与复合材料保护壳体（6）一起组成软性工装（4）的支撑结构；
S2：填充T形筋部分预浸料：将步骤S1中的软性工装（4）及其支撑结构从模具底板（2）及四周的挡板（3）中取出，将T形筋部分预浸料（8）填充到金属假件（1）形成的对应的加强筋空腔内；
S3：铺贴腹板部分预浸料：在步骤S2中填充好的T形筋部分预浸料（8）上继续铺贴腹板部分预浸料（9）；
S4：翻转封装：经步骤S3中铺贴好腹板部分预浸料（9）后，将软性工装（4）连同铺贴的预浸料一起翻转，使腹板部分预浸料（9）置于模具底板（2）上，去掉软性工装（4）的支撑结构，并加装挡板（3），然后将其整体使用真空袋（11）和密封胶条（12）封装；
S5：热压成型：将步骤S4中封装好的软性工装（4）及预浸料送入热压罐中进行热压成型，脱模后即可获得具有纵横T型加强筋的复合材料制件（10）。
6.根据权利要求5所述的软性工装的应用，其特征在于：步骤S1中，所述复合材料保护壳体（6），其铺贴的碳纤维预浸料层为3～5层。
7.根据权利要求5所述的软性工装的应用，其特征在于：步骤S1中，所述发泡胶（7）为聚氨酯发泡胶。
8.根据权利要求5所述的软性工装的应用，其特征在于：步骤S5中，所述热压成型固化压力为500～800kPa，固化温度160～200℃，固化时间120～200min。
9.根据权利要求5所述的软性工装的应用，其特征在于：步骤S5中，所述脱模过程为在复合材料制件（10）热压成型后，出罐、冷却，然后将四周的挡板（3）依次去掉，再将软性工装（4）与复合材料制件（10）分离即完成脱模。
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