CN111203996A - 一种带有弯折截面预制体的制备设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于树脂基复合材料成型技术领域，涉及一种带有弯折截面预制体的制备设备及方法。对于不可展的复杂曲面的铺敷过程，手施加的外力不可控，随机性大，纤维实际取向难以预测，造成复合材料力学性能分散性大，且性能值偏离预期设计值。本发明带有弯折截面预制体的制备设备，用于将平面带料成型为截面为“П”型的预制体，该设备包括依次连接的送料及平带对辊导向区域I、几何截面辊压成型区域Ⅱ以及弯折辊压成型及导向输出区域Ⅲ。纤维变性可控，可靠性和重复性好；操作连续，即不断重复此流程进而可得到长度不受限制的预制体，生产效率高；成型过程中切损少，可降低材料成本，满足不同截面预制体的成型。

Description

一种带有弯折截面预制体的制备设备及方法

技术领域

本发明属于树脂基复合材料成型技术领域，涉及一种带有弯折截面预制体的制备设备及方法。

背景技术

飞机上有带曲率的“П”型、“L”型、“Z”型等多弯折拐角类树脂基复合材料零件。这类零件往往存在装配关系，其外形尺寸和表面精度要求高。这类基于织物铺层的复合材料零件，在铺覆阶段需要使用外力将织物贴在模具工装表面。对于不可展的复杂曲面来说，铺覆要求织物通过变形和工装面一致贴合。

目前这类预制体制备均采用手工铺覆方式，该方式目前存在以下几个问题：(1)手施加的外力不可控，随机性大，导致纤维变形不可控，易出现纤维屈曲、褶皱、纤维实际取向偏离理论取向等缺陷；(2)纤维实际取向难以预测，造成复合材料力学性能分散性大，且性能值偏离预期设计值，甚至无法在正常的条件下使用；(3)构件研制的重复性完全依赖于工人的熟练程度，可靠性差，废品率高。

发明内容

本发明的目的是：针对现有树脂基复合材料成型技术的不足，提出一种可靠性和稳定性更高的带有弯折截面预制体的制备设备及方法。

本发明带有弯折截面预制体的制备设备，用于将平面带料成型为截面为“П”型的预制体，该设备包括依次连接的送料及平带对辊导向区域I、几何截面辊压成型区域Ⅱ以及弯折辊压成型及导向输出区域Ⅲ，其中

所述几何截面辊压成型区域Ⅱ包括截面为“П”型且整体呈直线延伸的第一模板、以及沿第一模板按送料方向设置的倾斜挤压传送结构、水平挤压传送结构以及竖直挤压传送结构,该区域还具有红外加热装置；

所述弯折辊压成型及导向输出区域Ⅲ包括截面为“П”型且外形面与预制体内型面一致的、具有弧度的第二模板、以及沿第二模板按送料方向设置的差速挤压传送结构。

进一步地，所述倾斜挤压传送结构包括在第一模板的直角位置成对设置且具有一定夹角的辅助压辊。

进一步地，所述水平挤压传送结构包括首端水平上压辊。

进一步地，所述第一模板在两侧竖壁板上具有若干豁口；所述竖直挤压传送结构包括设置在豁口两侧的立式辊轮对。

进一步地，所述第二模板在两侧竖壁板上相对的位置具有豁口；所述差速挤压传送结构包括在前侧豁口两侧的立式辊轮对，以及后侧豁口两侧的环形传送带对，其中外弧位置立式辊轮对的转速大于内弧位置立式辊轮对的转速，外弧位置环形传送带对的转速大于内弧位置环形传送带对的转速。

进一步地，在所述几何截面辊压成型区域Ⅱ具有多对竖直挤压传送结构，以及尾端水平上压辊。

进一步地，在送料及平带对辊导向区域I具有首端水平对辊和尾端水平对辊，首端水平对辊包含水平上辊轮和水平下辊轮，尾端水平对辊包含水平上辊轮和水平下辊轮。

进一步地，通过更换所述第一模板和第二模板，以及调整挤压传送结构的角度，实现对截面为L型、V型或Z型的预制体制备。

本发明还提供一种带有弯折截面预制体的制备方法，该方法利用上述制备设备，并包括以下步骤：

S1、根据复合材料预制体的尺寸，计算预成型体带料尺寸，准备带料；

S2、设置好各类挤压传送结构的工作速度以及工作温度，将带料装入设备中进行挤压传送，获得连续预制体。

进一步地，通过更换所述第一模板(9)和第二模板(42)，以及调整挤压传送结构的角度，实现对截面为L型、U型、v型或Z型的预制体制备。

进一步地，平面带料可为预浸料叠层也可为含定型剂的干态纤维叠层；所述的增强纤维织物形式包括单向纤维织物或平纹织物或缎纹织物或斜纹织物或无屈曲织物。

本发明的有益效果是：可使织物由平直状态连续变形转化为带曲率、多弯折截面(“V”型、“L”型、“Z”型)并实现自动控制，可极大提高制件质量的可靠性和稳定性，并实现复合材料构件的高性能制造。

本发明的优点还在于，

1.纤维变性可控，可靠性和重复性好；

2.操作连续，即不断重复此流程进而可得到长度不受限制的预制体，生产效率高

3.成型过程中切损少，可降低材料成本。

4.所使用的辊轮的种类、间距和速度可调，可满足不同截面预制体的成型。

附图说明

图1为本发明制备设备的整体结构示意图；

图2为本发明制备设备的俯视示意图；

图3为导向输出区域Ⅲ的传送成型结构示意图。

具体实施方式

带有弯折截面预制体的制备设备,所成型的轴向弯曲П型复合材料毛坯的结构是：它的截面形状为П型，该П型复合材料毛坯是由腹板和两侧的缘条组成，厚度为δ，腹板的宽度为b,外侧缘条的宽度为L1,内侧缘条的宽度为L2，两侧的缘条为同心圆环的一部分，其中内侧缘条所在圆环的圆弧半径为R,外侧缘条所在圆环的圆弧半径为R+b，内侧缘条与腹板之间的R角为R1,外侧缘条与腹板之间的R角为R2。

该带有弯折截面预制体的制备设备分为三个区域：送料及平带对辊导向区域I、几何截面辊压成型区域Ⅱ以及弯折辊压成型及导向输出区域Ⅲ。

其中I区依次设置料带送给卷轴1，首端水平对辊，水平上压辊8，尾端水平对辊，首端水平对辊和尾端水平对辊之间为红外加热区域。首端水平对辊包含水平上辊轮2和水平下辊轮3，尾端水平对辊包含水平上辊轮5和水平下辊轮6，水平下辊轮3、6为固定式,水平上辊轮2，5采用可调气缸升降,对辊间隙可调。水平上压辊8为被动式。

Ⅱ区设有截面为等截面П型的第一模板9,从紧挨I区的地方往后设有在第一模板9两侧对称分布且具有夹角的辅助压辊10和辅助压辊11,往后是首端水平上压辊12，接着是对称分布的前立式对辊、后立式对辊和尾端水平上压辊17。整个支板自身带有加热装置。其中第一模板9的宽度为b，支板两侧竖壁的宽度为L3，且L3比L1、L2略大。辅助压辊10和辅助压辊11为被动式采用可调气缸升降。首端水平上压辊12为被动式采用可调气缸升降。前立式对辊包含外侧立式辊轮18、21和内侧立式辊轮19、20，其中内侧立式辊轮19、20嵌在第一模板9内部，为被动轮，外侧立式辊轮18、21为主动轮采用可调气缸移动。后立式对辊包含外侧立式辊轮22、25和内侧立式辊轮23、24，其中内侧立式辊轮23、24嵌在第一模板9内部，为被动轮，外侧立式辊轮22、25为主动轮采用可调气缸移动。

Ⅲ区设有截面为П型的第二模板42,从紧挨Ⅱ区的地方往后设有在第二模板42两侧对称分布有外侧立式辊轮28、31和内侧立式辊轮29、30，内侧立式辊轮29、30嵌在第二模板42内部，为被动轮，外侧立式辊轮28、31为主动轮采用可调气缸移动。在第二模板42外侧分布有环形传送带32、33，在第二模板42内嵌有环形传送带34、35，环形传送带32内含立式辊轮36、37,环形传送带35内含立式辊轮29、38,环形传送带33内含立式辊轮39、40,环形传送带34内含立式辊轮30、41。其中第二模板42的外形面取至复合材料毛胚的内型面。

在Ⅰ区首端水平对辊和尾端水平对辊之间还可以依据待制备预成型体的长度增设有水平对辊和水平上压辊；

在Ⅱ区还可以依据待制备预成型体的长度增设有立式对辊；在Ⅱ区首端水平上压辊12和尾端水平上压辊17之间还可以依据待制备预成型体的长度增设水平上压辊。

在立式辊轮36和立式辊轮37之间可以依据待制备预成型体的长度增设立式辊轮，在立式辊轮39和立式辊轮40之间可以依据待制备预成型体的长度增设立式辊轮。

外侧立式辊轮18，21，22，25，31,28的转速可独立控制，且可调。

利用上述制备设备的制备方法，成型步骤是：根据复合材料П型梁的尺寸，计算预成型体带料的尺寸，计算方法是预成型体带料的宽度B略大于L2+1/2πR1+b+L1+1/2πR2,然后在卷轴1上放置宽度为B的料卷。

设置好权利要求1所述的装置运行所用到的工艺参数各个主动轮的速度，依据预成型体带料的特性设置好I区、Ⅱ区和Ⅲ区的温度。

确认各路气缸均为打开状态，开启加热，人工辅助将预成型带料向前慢慢推送，保证加热的效果。带料经过I区到达Ⅱ区首端立式对辊时，压好所有气缸，并调整好各对辊间隙。启动电机运转，随着辊轮的回转，带料不断向前送进，连续地被弯曲，从而获得连续所需截面的预制体。

带料可为预浸料叠层也可为含定型剂的干态纤维叠层；所述的增强纤维织物形式包括单向纤维织物或平纹织物或缎纹织物或斜纹织物或无屈曲织物。

实施例1：CF3031/EP定型剂制备П型梁预制体

该实施例中П型梁的内外缘条直径分别为2300mm和2500mm,厚度为3mm,所用的带料为CF3031织物叠层，定型剂为EP。将卷轴上的CF3031/EP定型织物带料放置在截面为П且沿直线延伸的第一模板上，根据EP定型剂树脂的粘温测试，选用70～90℃为成型温度。将Ⅱ区各外侧立式辊轮的速度设为0.5m/min,将Ⅲ区内缘条外侧的立式辊轮的速度设为0.54m/min,将将Ⅲ区外缘条外侧的立式辊轮的速度设为0.6m/min，将立式辊轮对之间的间隙调为3mm。压好气缸，开启加热，待带料温度达到成型温度时，启动电机运转，随着辊轮的回转，预制体带料不断向前送进连续地被弯曲，从而获得连续所需截面的预制体。

实施例2：CFF3031/EP定型剂制备Z型梁预制体

该实施例与实施例1的不同在于预制体结构由П型更换为Z型，第一模板更换为截面为Z型且沿直线延伸的模板，第二模板的外形面与Z型预制体的内形面一致，其他操作与实施例1相同，获得Z型的预制体质量良好。

Claims (10)

1.一种带有弯折截面预制体的制备设备，用于将平面带料成型为截面为“П”型的预制体，其特征在于：该设备包括依次连接的送料及平带对辊导向区域I、几何截面辊压成型区域Ⅱ以及弯折辊压成型及导向输出区域Ⅲ，其中

所述几何截面辊压成型区域Ⅱ包括截面为“П”型且整体呈直线延伸的第一模板(9)、以及沿第一模板(9)按送料方向设置的倾斜挤压传送结构、水平挤压传送结构以及竖直挤压传送结构,该区域还具有加热装置；

所述弯折辊压成型及导向输出区域Ⅲ包括截面为“П”型且外形面与预制体内型面一致的、具有弧度的第二模板(42)、以及沿第二模板(42)按送料方向设置的差速挤压传送结构，该区域还具有加热装置。

2.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：所述倾斜挤压传送结构包括在第一模板(9)的直角位置成对设置且具有一定夹角的辅助压辊(10、11)。

3.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：所述水平挤压传送结构包括首端水平上压辊(12)。

4.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：所述第一模板(9)在两侧竖壁板上具有若干豁口；所述竖直挤压传送结构包括设置在豁口两侧的立式辊轮对。

5.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：所述第二模板(42)在两侧竖壁板上相对的位置具有豁口；所述差速挤压传送结构包括在前侧豁口两侧的立式辊轮对，以及后侧豁口两侧的环形传送带对，其中外弧位置立式辊轮对的转速大于内弧位置立式辊轮对的转速，外弧位置环形传送带对的转速大于内弧位置环形传送带对的转速。

6.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：在所述几何截面辊压成型区域Ⅱ具有多对竖直挤压传送结构，以及尾端水平上压辊(17)。

7.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：在送料及平带对辊导向区域I具有首端水平对辊和尾端水平对辊，首端水平对辊包含水平上辊轮(2)和水平下辊轮(3)，尾端水平对辊包含水平上辊轮(5)和水平下辊轮(6)。

8.根据权利要求1所述的制备设备，其特征在于：通过更换所述第一模板(9)和第二模板(42)，以及调整挤压传送结构的角度，实现对截面为L型、V型或Z型的预制体制备。

9.一种带有弯折截面预制体的制备方法，其特征在于：该方法利用权利要求1-8任一项所述的制备设备，并包括以下步骤：

S1、根据复合材料预制体的尺寸，计算平面带料尺寸，准备带料；

S2、设置好各类挤压传送结构的工作速度以及工作温度，将带料装入设备中进行挤压传送，获得连续预制体。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：通过更换所述第一模板(9)和第二模板(42)，以及调整挤压传送结构的角度，实现对截面为L型、U型、v型或Z型的预制体制备。

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