CN112109348A - 一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，属于框架式复合材料结构制造技术领域。本发明首先合理将框架进行拆解和再组合。产品在高度方向拆成上壳体、中间部分和下平板三部分。为了保证数量多、尺寸大、构型复杂的多个盒体单元能够合模到位，合模过程中纤维无错动，无损伤，将每个盒体的铺层模具由两部分组成。外面是硅橡胶软模“外套”，内侧夹裹一个金属芯模。芯模有两套。铺层时使用“大芯模”，芯模和软模贴合固定，保证单元铺层精度。合模时，拆下“大芯模”，换上四周与软模中间有间隙的“小芯模”。这样合模过程中，为预制体单元受压“缩身”提供一定的合模间隙，为整体预成型体组合到位降低困难。

Description

一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法
技术领域
本发明涉及一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，属于框架式复合材料结构制造技术领域。
背景技术
为了满足遥感平台卫星高分辨相机等有效载荷的高稳定性，需要为其提供一个高稳、高精的结构支撑。传统的铸镁合金载荷支撑构架研制周期长、成品率低，且无法满足日益提高的卫星相机等载荷的高稳定和高精度需求。由多个框格组成的碳纤维复合材料框架通过近零膨胀预浸料铺层设计满足高稳高精的在轨需求，通过框格构型及尺寸适应性设计可以为载荷和卫星舱体提供满足要求的连接接口。某卫星一体化支架是为载荷舱顶端安装双线阵立体相机及舱内的激光测距仪以及星敏支架等载荷提供安装的支撑结构，该结构由多个半封闭盒体组成，尺寸大，构型复杂，结构不对称，角度多样，各单元预成型和整体合模预成型困难。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，解决了由形状多样、大小不一的多角度盒体组成的框架构型复杂、铺层工艺性差、多个盒体合模不易到位以及合模过程会带来纤维损伤等问题。
本发明的技术解决方案是：一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，包括如下步骤：
步骤1：制作多功能模具；所述多功能模具用于盒体单元软模的制备，以及为盒体单元预压后提供外轮廓形状的维持功能；
步骤2：制作整体支架的合模定位板，用于对盒体单元进行定位；
步骤3：组装每个盒体单元的多功能模具；所述软模成型模具中间放置第一芯模；
步骤4：配置R10301硅橡胶液，注入盒体单元软模成型模具内腔；
步骤5：对盒体单元软模成型模具进行抽真空去气泡，室温静置固化；
步骤6：将盒体单元软模成型模具放入烘箱进行高温后处理；
步骤7：拆除盒体单元软模成型模具上的软模成型外模，并取出软模和第一芯模构成的组合体，形成各盒体单元铺层模具；
步骤8：在所有盒体单元铺层模具上完成盒体单元铺层；
步骤9：将盒体单元分别放入热压罐，进行预压和除气处理；
步骤10：去除多功能模具内侧的蜡片，并用酒精绵纱清理干净；
步骤11：将每个盒体单元装入对应的多功能模具中，保持形状；
步骤12：利用一体化支架下平板铺层模具完成一体化支架下平板铺层及预压，形成下平板坯件；
步骤13：对齐下平板模具与合模底板轮廓刻线，将下平板坯件放置到合模底板上；
步骤14：选取一个盒体单元，拆除该盒体单元对应的多功能模具，并取出该盒体单元；
步骤15：用定位销将第一芯模和合模定位板上销孔对齐，安装该盒体单元；
步骤16：取下第一芯模，放置相应的第二芯模；
步骤17：检查盒体单元外形与合模底板该盒体单元的刻线是否吻合，如有偏差，则调整盒体单元至正确位置；
步骤18：预浸料制捻，对盒体单元所有拐角处加捻处理；
步骤19：按照步骤14～18依次安装其它盒体单元，安装顺序为先中间，后四周，完成框架整体预成型体坯件的预成型。
进一步地，所述多功能模具包括软模成型外模、软模和芯模；
所述芯模位于软模的内腔中，软模成型外模内侧贴有一层厚度2mm的蜡片，用于垫出软模外形尺寸与盒体单元外形尺寸的厚度差；
软模成型外模内侧铺贴蜡片后为软模的外包络；软模成型外模内侧去除垫厚用蜡片后为盒体单元外包络，为预压后的盒体单元提供维形功能。
进一步地，所述芯模包括第一芯模和第二芯模；所述第一芯模采用壁厚5mm的铝板焊接而成，重量低于5kg。
进一步地，所述第二芯模的四周与软模中间有间隙，用于合模过程中，为预制体单元受压缩身提供合模间隙。
进一步地，所述合模定位板上设置每个盒体单元定位销孔和每个盒体单元的外形轮廓参考线；
进一步地，所述进行预压和除气处理的条件参数为包括：预压温度为100℃，真空绝对压力不大于0.008Mpa，充气压力为0.2Mpa，保温时间为30h；高度尺寸900mm的盒体单元的预压循环次数为2～3次。
进一步地，经工艺铺层设计与分解，将框架整体预成型体坯件分成下平板和26个盒体单元；其中，底部为一个等高底座，在等高底座四个角分别安装有4个不同高度的支撑架；
定义最高的支撑架向相邻支撑架方向为X向，与X向垂直方向为Y向；
从四个角上的高度最高的盒体单元开始编号，先沿X向，后沿Y向，呈S形顺序排列，依次编号为1#盒体单元～24#盒体单元，25#盒体单元和26#盒体单元为沿Y向中间一分为二的两个外框单元；
1#盒体单元～24#盒体单元在Y向上共分成六排，所述安装顺序具体为：先安装中间一排等高的四个盒体单元，安装顺序依次为10#～11#～9#～12#，然后在安装好的一排盒体单元两侧沿X方向加连续纤维料补强；然后按照先中间后四周的顺序依次安装剩下的五排盒体单元，在每排安装完成后，都增加一层沿X方向的连续纤维料进行补强，最后安装25#和26#外框盒体单元。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.本发明采用垂直及面内等多个方向的工艺拆解，并重新组合的手段，形成了框架整体预成型坯件，取得了构型复杂的盒体式结构框架可以整体成型并满足产品热稳定性和结构力学性能的技术效果；
2.本发明采用一种同时具备软模成型，单元预压维形，提供合模间隙的“多功能”的模具保证26个异形、半封闭盒体单元能够位置精准、纤维无损伤的组合到位，达到此类大尺寸复杂复合材料框架整体坯件预成形低成本、操作便捷、精度可控的技术效果。
附图说明
图1为一体化支架中间部分26个盒体单元工艺分解示意图；
图2为盒体单元多功能模具夹心式铺层模具示意图；
图3为盒体单元多功能模具夹心式铺层模具芯模和软模示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步解释和说明。
一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，首先根据框架盒体高低不同、角度不同，形状各异、结构铺层不对称，纤维连续性差，会带来接口精度超差和力学性能无法满足的问题，合理将框架进行拆解和再组合。产品在高度方向拆成上壳体、中间部分和下平板三部分。对于中间部分再在面内进行分解，如图2、3示，每个盒体为一个单元，再加上两个外框，共分解成26个单元。
其中下平板和26个图1所示的盒体单元先分别在各自的铺层模具上完成预浸料铺层，然后各盒体单元进行预压处理，再合模到位形成一次固化的框架结构坯件。
为了保证数量多、尺寸大、构型复杂的多个盒体单元能够合模到位，合模过程中纤维无错动，无损伤，本发明采取了以下措施：
首先，每个盒体的铺层模具由两部分组成。外面是硅橡胶软模“外套”，内侧夹裹一个金属芯模。芯模有两套。铺层时使用“大芯模”，芯模和软模贴合固定，保证单元铺层精度。合模时，拆下“大芯模”，换上四周与软模中间有间隙的“小芯模”。这样合模过程中，为预制体单元受压“缩身”提供一定的合模间隙，为整体预成型体组合到位降低困难。
框架单元盒体数量多，单元盒体预压回到室温后合模前等待时间长，外形会有反弹，尺寸和形状维持不好，组合过程中经常出现盒体单元合模不到位，单元之间干涉，纤维受挤压损伤等问题，对最后产品的固化成型尺寸精度和成型质量带来很大的隐患。本发明对各单元软模成型的模具进行创新性设计，用蜡片垫料厚的方式调整内腔尺寸，使其兼具单元预压维形的功能，将每个盒体单元预压后装入维形模具中，合模前再取出，使整体预制体合模顺利到位。
实施例
在一种可能的实现方式中，本发明包括如下步骤：
步骤1：设计多功能模具，同一套模具即可以用于盒体单元软模的制备，又具备为盒体单元预压后提供外轮廓形状的维持功能；
步骤2：设计整体支架合模定位板，定位板上设置每个盒体单元定位销孔和每个盒体单元的外形轮廓参考线；
步骤3：完成上述模具的生产；
步骤4：组装每个盒体单元的软模成型模具，中间放置“大芯模”占位。大芯模采用壁厚5mm的铝板焊接而成，重量较轻，控制在5kg以下，操作方便。在模具内侧贴一层厚度2mm的蜡片，用来垫出软模外形尺寸与盒体单元外形尺寸的厚度差；
步骤5：配置R10301硅橡胶液，注入盒体单元软模成型模具内腔；
步骤6：抽真空去气泡，室温静置固化；
步骤7：入烘箱高温后处理；
步骤8：拆除软模成型外模，取出软模和“大芯模”组合体，形成各盒体单元铺层模具；
步骤9：在盒体单元铺层模具上完成26个盒体单元铺层；
步骤10：盒体单元分别入热压罐，进行预压、除气处理：预压温度100℃，真空绝对压力不大于0.008Mpa，充气压力0.2Mpa，保温时间30h。其中高度尺寸900mm的两个盒体单元预压循环2～3次，保证大面积表面除气彻底；
步骤11：去除盒体单元维形工装内侧的蜡片，并用酒精面纱清理干净；
步骤12：将每个盒体单元装入对应的维形模具中，保持形状；
步骤13：利用一体化支架下平板铺层模具完成一体化支架下平板铺层及预压；
步骤14：对其下平板模具与合模底板轮廓刻线，将下平板坯件放置到合模底板上；
步骤15：拆除10#盒体单元维形模具，取出10#盒体单元；
步骤16：用定位销将“大芯模”和合模板上销孔对齐，安装10#盒体单元；
步骤17：取下“大芯模”，放置相应的“小芯模”；
步骤18：检查盒体单元外形与合模底板该单元的刻线是否吻合，如有偏差，调整盒体单元位置；
步骤19：预浸料制捻，对所有拐角处加捻处理；
步骤20：按照步骤15～19依次安装其它盒体单元，安装顺序为先中间，后四周；
步骤21：将外框模安装到外，拧紧连接螺钉，完成框架整体预成型体坯件的预成型。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
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 (7)

1.一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：制作多功能模具；所述多功能模具用于盒体单元软模的制备，以及为盒体单元预压后提供外轮廓形状的维持功能；
步骤2：制作整体支架的合模定位板，用于对盒体单元进行定位；
步骤3：组装每个盒体单元的多功能模具；所述软模成型模具中间放置第一芯模；
步骤4：配置R10301硅橡胶液，注入盒体单元软模成型模具内腔；
步骤5：对盒体单元软模成型模具进行抽真空去气泡，室温静置固化；
步骤6：将盒体单元软模成型模具放入烘箱进行高温后处理；
步骤7：拆除盒体单元软模成型模具上的软模成型外模，并取出软模和第一芯模构成的组合体，形成各盒体单元铺层模具；
步骤8：在所有盒体单元铺层模具上完成盒体单元铺层；
步骤9：将盒体单元分别放入热压罐，进行预压和除气处理；
步骤10：去除多功能模具内侧的蜡片，并用酒精绵纱清理干净；
步骤11：将每个盒体单元装入对应的多功能模具中，保持形状；
步骤12：利用一体化支架下平板铺层模具完成一体化支架下平板铺层及预压，形成下平板坯件；
步骤13：对齐下平板模具与合模底板轮廓刻线，将下平板坯件放置到合模底板上；
步骤14：选取一个盒体单元，拆除该盒体单元对应的多功能模具，并取出该盒体单元；
步骤15：用定位销将第一芯模和合模定位板上销孔对齐，安装该盒体单元；
步骤16：取下第一芯模，放置相应的第二芯模；
步骤17：检查盒体单元外形与合模底板该盒体单元的刻线是否吻合，如有偏差，则调整盒体单元至正确位置；
步骤18：预浸料制捻，对盒体单元所有拐角处加捻处理；
步骤19：按照步骤14～18依次安装其它盒体单元，安装顺序为先中间，后四周，完成框架整体预成型体坯件的预成型。
2.根据权利要求1所述的一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，其特征在于：所述多功能模具包括软模成型外模、软模和芯模；
所述芯模位于软模的内腔中，软模成型外模内侧贴有一层厚度2mm的蜡片，用于垫出软模外形尺寸与盒体单元外形尺寸的厚度差；
软模成型外模内侧铺贴蜡片后为软模的外包络；软模成型外模内侧去除垫厚用蜡片后为盒体单元外包络，为预压后的盒体单元提供维形功能。
3.根据权利要求2所述的一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，其特征在于：所述芯模包括第一芯模和第二芯模；所述第一芯模采用壁厚5mm的铝板焊接而成，重量低于5kg。
4.根据权利要求3所述的一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，其特征在于：所述第二芯模的四周与软模中间有间隙，用于合模过程中，为预制体单元受压缩身提供合模间隙。
5.根据权利要求1所述的一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，其特征在于：所述合模定位板上设置每个盒体单元定位销孔和每个盒体单元的外形轮廓参考线。
6.根据权利要求1所述的一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，其特征在于：所述进行预压和除气处理的条件参数为包括：预压温度为100℃，真空绝对压力不大于0.008Mpa，充气压力为0.2Mpa，保温时间为30h；高度尺寸900mm的盒体单元的预压循环次数为2～3次。
7.根据权利要求1所述的一种由多个异形盒体组成的复合材料框架坯件预成形方法，其特征在于，经工艺铺层设计与分解，将框架整体预成型体坯件分成下平板和26个盒体单元；其中，底部为一个等高底座，在等高底座四个角分别安装有4个不同高度的支撑架；
定义最高的支撑架向相邻支撑架方向为X向，与X向垂直方向为Y向；
从四个角上的高度最高的盒体单元开始编号，先沿X向，后沿Y向，呈S形顺序排列，依次编号为1#盒体单元～24#盒体单元，25#盒体单元和26#盒体单元为沿Y向中间一分为二的两个外框单元；
1#盒体单元～24#盒体单元在Y向上共分成六排，所述安装顺序具体为：先安装中间一排等高的四个盒体单元，安装顺序依次为10#～11#～9#～12#，然后在安装好的一排盒体单元两侧沿X方向加连续纤维料补强；然后按照先中间后四周的顺序依次安装剩下的五排盒体单元，在每排安装完成后，都增加一层沿X方向的连续纤维料进行补强，最后安装25#和26#外框盒体单元。
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