CN111152483A - 一种扭转变厚度复合材料结构的成型装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于树脂基复合材料预制体成型技术，具体涉及一种扭转变厚度复合材料结构的成型装置和方法。由于预制体的加工精度不足，同时受编织工艺的限制，叶片编织预制体的厚度与叶片的理论厚度存在差异，在合模过程中存在预制体的与型面二次贴合及压实的现象。本发明扭转变厚度复合材料结构的成型装置，该装置包括底座、横向压块及纵向压块，该底座的上表面与扭转后预制体的下表面一致，所述横向压块及纵向压块组合后的下表面与扭转后预制体的上表面一致，实现了变厚度叶片预制体从平面状态到扭转状态的精确变形控制，显著提升了变形精度，并且变形过程可控；避免了不同厚度区域预制体同时压缩带来的局部挤压或滑移变形问题。

Description

一种扭转变厚度复合材料结构的成型装置和方法

技术领域

本发明属于树脂基复合材料预制体成型技术，具体涉及一种扭转变厚度复合材料结构的成型装置和方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、便于大面积整体成形等独特的优点，已广泛应用于航空飞行器和发动机结构，成为航空装备的关键材料，其用量也已成为航空装备先进性的标志之一。复合材料叶片是广泛应用于航空发动机的一种具有高精度要求的复合材料制件，复合材料叶片直接影响发动机的气动性能和噪音指标，同时还需要承受高速旋转产生的巨大的离心力、高速气流产生的气动力、叶片振动产生的疲劳载荷以及砂石、飞鸟等外来物的冲击等，对材料性能、成型质量和成型精度具有极高的要求。

树脂转移模塑成型技术，简称RTM成型技术(Resin Transfer Molding)是近年来在航空、航天等领域广泛应用的一种液态成型复合材料制造技术。其原理是在刚性模具型腔内铺放按性能和结构要求设计好的干态纤维预成型体，在特定的耐压容器即树脂贮存罐内将树脂加热到设定的注射温度，然后采用注射设备将低粘度树脂注入到模具型腔内，使树脂与纤维充分浸润，最后按照树脂的工艺规范进行升温固化，最后得到与模具型腔形状一致的复合材料零件。由于RTM成型技术的高精度成型优势，目前已在异形复杂结构的复合材料零件。特别是发动机复合材料叶片上得到广泛应用。

预制体是RTM技术合模前的中间体，其精度决定了成型复合材料构件的最终成型质量，由于发动机复合材料叶片具有较高的抗冲击要求，因此需采用2.5D/3D编织结构成型预制体。然而采用碳纤维整体织造成型的2.5D/3D编织预制体，其预制体采用数千根碳纤维纱线相互交织而成，内部结构无法完全致密，使预制体的厚度较理论厚度偏厚，尤其针对大变厚度的发动机复合材料叶片，其厚度变化可从1.5mm变化至60mm，形状复杂。

编织复合材料风扇叶片的成型工序流程为编织预制体展平态编织-预制体扭转-预制体模具定位-成型合模-RTM工艺注射-固化-脱模。其中，预制体在模具中的定位方法已通过专利CN201711345855.8公开，然而，由于复合材料风扇叶片的结构复杂性，在合模前，即使预制体与模具进行了定位处理，由于预制体的加工精度不足，预制体与模具型面是无法完全贴合到位的；同时，而受编织工艺的限制，叶片编织预制体的厚度与叶片的理论厚度存在差异，通常较理论厚度偏厚，在合模过程中存在预制体的与型面二次贴合及压实的现象。因此，在合模过程中，预制体与光滑的模具型面的二次贴合和预制体局部压实产生的结构变形会导致预制体在合模过程中出现滑移的现象，从而出现成型后的叶片编织结构位置与理论位置不符的现象，导致零件报废。另外，因叶片结构的复杂性，编织叶片内部结构存在不同分区，有的结构交织点较少结构稳定性不够好，导致在树脂注射时易受压力产生冲刷变形，从而出现成型后叶片的结构变形现象，导致零件报废。

发明内容

本发明的目的是：针对传统成型扭转变厚度复合材料结构的不足，提出一种扭转变厚度复合材料结构的成型装置和方法。

本发明扭转变厚度复合材料结构的成型装置，该装置包括底座、横向压块及纵向压块，该底座的上表面与扭转后预制体的下表面一致，所述横向压块及纵向压块组合后的下表面与扭转后预制体的上表面一致，且横向压块覆盖预制体的端部，纵向压块覆盖预制体的其他区域。

进一步地，在每个压块上都设置有定位栓，其与气动或液压装置连接。

进一步地，每种压块的数量根据扭转后预制体的型面复杂程度进行增加或减少。

进一步地，底座、横向压块及纵向压块的材料为金属。

进一步地，在特定位置带有定位装置，使各压块在特定位置被限位。

本发明还提供一种扭转变厚度复合材料结构的成型方法，该方法利用上述的成型装置，且包括以下步骤：

S1、将编织好的展平态预制体定位放置在底座上；

S2、依次移动横向压块下压在预制体的端部，并逐渐压紧至理论厚度；

S3、依次移动中间区域的纵向压块下压在预制体上，并逐渐压紧至理论厚度；

S4、依次移动边缘区域的纵向压块下压在预制体上，并逐渐压紧至理论厚度；

S5、保持压块处于压紧状态2h以上；

S6、向上移动各压块，使预制体处于松弛状态；

S7、重复步骤2-6并循环3-5次，完成扭转变形压实，并得到扭转后的近净尺寸的预制体。

进一步地，步骤S1中，展平态预制体通过自身的定位线与压块上的刻线对其进行定位。

进一步地，步骤S7中，循环4次。

本发明的工作原理为：

1、本发明通过设计整体底座模具，为叶片预制体变形的型面基准；依据叶片预制体的变厚度区域和扭转变形程度对上半模进行分体设计；

2、本发明先对叶片预制体榫头区域(即压块3)进行压实处理，其原理为榫头区域较平整，扭转趋势小，既易于进行变形控制，且对预制体2在底座1和压块3制件实现初始定位，防止预制体2在底座1上进行移动；另外，榫头区域为叶片预制体厚度最厚的区域，其压实量最大，因此需要最先进行压实处理；

3、本发明在对叶片预制体榫头进行压实定位处理后，再次沿叶身长度方向中部对叶片预制体进行压实处理(即压块5和6)，其原理为叶身中部区域的变形量较叶身边缘区域小，较易进行变形控制；此外，对叶片预制体叶身中部进行压实后，叶片预制体在宽度方向(压块3)和长度方向(压块5和6)就实现了完全定位，利于对叶片预制体进行叶片变形最大的区域(即压块4和7)进行扭转形变控制。

4、本发明通过在叶片预制体宽度方向(压块3)和长度方向(压块5和6)实现完全定位后，先后放置压块4和压块7，进行叶片变形最大的区域进行扭转变形，由于此时叶片预制体的型面已控制到位，不会出现压块4或压块7扭转压实叶片预制体时影响其他区域的现象。

5、本发明通过循环多次压实-松弛-压实的过程，逐步消除叶片干态预制体的回弹变形现象，使最终扭转变形并压实的叶片预制体更接近理论型面尺寸。

本发明的有益效果是：

1、本发明是通过特定装置控制叶片由展平态到扭转态的变形过程，实现叶片预制体的近净尺寸精确成型；

2、本发明通过整体式底座和分体式上压块设计，实现了变厚度叶片预制体从平面状态到扭转状态的精确变形控制，显著提升了变形精度，并且变形过程可控；

3、本发明通过分区域依次放置压块，实现了变厚度预制体不同厚度的区域分别进行压实控制，不同厚度区域的厚度控制更加精确，而且也避免了不同厚度区域预制体同时压缩带来的局部挤压或滑移变形问题；

4、本发明通过多次压实-松弛-压实的过程，克服了干态预制体的回弹变形现象，使最终压实到位的预制体更接近理论型面尺寸，在成型合模过程中不会产生预制体褶皱、不受控变形和位置滑移的现象；

5、本发明实施简单，不需对现有的RTM工艺设备和模具进行大规模改造，具有良好的RTM工艺普适性。

综上所述，本发明提出了一种提高扭转变厚度复合材料结构RTM成型质量的装置和方法，避免了扭转变厚度结构预制体在扭转变形和合模过程中的异常变形、褶皱、滑移现象，显著提高了RTM成型复杂的扭转变厚度复合材料制件的成品率。

附图说明

图1为复合材料叶片预制体展平态的示意图；

图2为复合材料叶片预制体扭转态的示意图；

图3为本发明成型装置的加工状态示意图；

图4为对榫头进行加工的示意图；

图5为对叶身进行加工的示意图。

具体实施方式

叶片预制体20为变厚度2.5D机织结构风扇叶片预制体，材料为CCF800，材料的纤维体积含量为58％±3％；其中CCF800为山东威海拓展出品的规格为12K的T800级碳纤维织物，注射用树脂采用中航复合材料有限责任公司的ACTECH1304高韧性液体成型树脂，叶片预制体20的外形尺寸为780mm×320mm(长×宽)。

加工叶片预制体变形装置10，变形装置10由底座1，压块3、4、5、6、7和定位栓8组成，底座1以预制体20的下表面为基准加工，压块3、4、5、6、7以预制体20的上表面为基准加工并组合；所述底座1，压块3、4、5、6、7和定位栓8的材料为45#钢。

在每个定位栓8上设置液压控制系统，液压装置可以使定位栓8进行上下移动，并可对压块施加压力，使压块达到叶片理论厚度位置，并通过定位销保持定位。

成型加工时包括以下步骤

(1)将编织好的展平态预制体2放置在底座1上；

(2)通过液压控制系统向下移动定位栓8，将横向的压块3移动至展平态预制体2的榫头表面，并压紧压块3直至理论厚度；

(3)通过液压控制系统向下移动定位栓8，将纵向的、中部的压块5移动至展平态预制体2的表面，并压紧压块5直至理论厚度；

(4)通过液压控制系统向下移动定位栓8，将纵向的、中部的压块6移动至展平态预制体2的表面，并压紧压块6直至理论厚度；

(5)通过液压控制系统向下移动定位栓8，将纵向的、边缘的压块4移动至展平态预制体2的表面，并压紧压块4直至理论厚度；

(6)通过液压控制系统向下移动定位栓8，将纵向的、边缘的压块7移动至展平态预制体2的表面，并压紧压块7直至理论厚度；

(7)保持压块3、4、5、6、7对展平态预制体2处于压紧状态2h以上；

(8)通过液压控制系统向上移动定位栓8，使压块3、4、5、6、7离开展平态预制体2，并使展平态预制体2处于松弛状态；

(9)重复步骤2-8并循环3-5次，使展平态预制体2完成扭转变形并压实，并得到变形后的预制体20；

(10)将扭转变形完成的预制体20放置入成型模具中，依据ACTECH1304树脂的注射及固化工艺对预制体20进行树脂转移并固化后得到最终产品。

经检测零件的外观质量、内部质量均满足设计要求。

Claims (8)

1.一种扭转变厚度复合材料结构的成型装置，其特征在于：该装置包括底座(1)、横向压块及纵向压块，该底座(1)的上表面与扭转后预制体的下表面一致，所述横向压块及纵向压块组合后的下表面与扭转后预制体的上表面一致，且横向压块覆盖预制体的端部，纵向压块覆盖预制体的其他区域。

2.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于：在每个压块上都设置有定位栓(8)，其与气动或液压装置连接。

3.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于：每种压块的数量根据扭转后预制体的型面复杂程度进行增加或减少。

4.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于：底座(1)、横向压块及纵向压块的材料为金属。

5.根据权利要求1所述的成型装置，其特征在于：在特定位置带有定位装置，使各压块在特定位置被限位。

6.一种扭转变厚度复合材料结构的成型方法，其特征在于：该方法利用权利要求1-5中任一项所述的成型装置，且包括以下步骤：

S1、将编织好的展平态预制体(2)定位放置在底座(1)上；

S2、依次移动横向压块下压在预制体(2)的端部，并逐渐压紧至理论厚度；

S3、依次移动中间区域的纵向压块下压在预制体(2)上，并逐渐压紧至理论厚度；

S4、依次移动边缘区域的纵向压块下压在预制体(2)上，并逐渐压紧至理论厚度；

S5、保持压块处于压紧状态2h以上；

S6、向上移动各压块，使预制体(2)处于松弛状态；

S7、重复步骤2-6并循环3-5次，完成扭转变形压实，并得到扭转后的近净尺寸的预制体(20)。

7.根据权利要求6所述的成型方法，其特征在于：步骤S1中，展平态预制体(2)通过自身的定位线与压块上的刻线对其进行定位。

8.根据权利要求6所述的成型方法，其特征在于：步骤S7中，循环4次。

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