CN112405953B - 一种复合材料机身一体化成型装配模具及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种复合材料机身一体化成型装配模具及制造方法，属于飞行器制造领域。该模具包括用于制造左机身和右机身的两件模具，每件模具包括支架和由该支架支撑的蒙皮成型装配模具和框肋定位卡板，该框肋定位卡板包括机身主体框肋定位卡板和垂尾框肋定位卡板。该制造方法利用左右机身的蒙皮成型装配模具成型左右机身蒙皮；预制左框肋角片，再制作右框肋角片，然后用外型面框肋定位卡板装配左右机身；从装配好的机身上切下垂尾和尾椎，垂尾通过铰链与机身连接，尾椎通过角片与机身连接。本发明可以在一套工装上完成机身主体、垂尾、尾椎的成型、装配，从而降低了制造成本。

Description

一种复合材料机身一体化成型装配模具及制造方法
技术领域
本发明属于飞行器制造领域，涉及低成本大尺寸复合材料机身制造，特别是一种一体化成型装配模具及采用该模具制造夹芯结构复合材料机身的方法。
背景技术
复材零部件以其高强高模、耐高温耐疲劳等性能在航空航天领域大量应用，从军用飞机到民用飞机都已经成功地采用大量复合材料结构。
目前，复合材料机身的制造方法一般是采用多舱段分别成型，然后再组装的方式。这种方式的装配过程多采用胶接和铆接，工序繁杂，制造时间长，需要耗费巨大的工作量，直接造成了很高的生产成本。
无人机需要实现低成本的制造，以降低制造成本，为了实现低成本大尺寸的全复合材料机身产品，需要设计一种一体化的成型及装配模具，实现所有部件的固化和装配工艺一体化。
发明内容
为了实现低成本大尺寸全复合材料机身制造，本发明提出一种复合材料机身一体化成型装配模具及基于该模具的一种复合材料机身一体化制造方法，可以在一套工装上完成机身主体、垂尾、尾椎的成型、装配，从而降低了制造成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合材料机身一体化成型装配模具，该机身包括机身主体、垂尾和尾椎，该模具包括用于制造左机身和右机身的两件模具，每件模具包括支架和由该支架支撑的蒙皮成型装配模具和框肋定位卡板，该蒙皮成型装配模具用于成型机身蒙皮，该框肋定位卡板包括机身主体框肋定位卡板和垂尾框肋定位卡板，该机身主体框肋定位卡板包括内型面机身主体定位卡板和外型面机身主体定位卡板，该垂尾框肋定位卡板包括内型面垂尾定位卡板和外型面垂尾定位卡板，该内型面机身主体定位卡板用于对机身主体框肋施压并使之完全接触于机身蒙皮的机身主体部分的内壁上，该内型面垂尾定位卡板用于对垂尾框肋施压并使之完全接触于蒙皮的垂尾部位的内壁上，该外型面机身主体定位卡板和外型面垂尾定位卡板用于对成型的左右机身进行装配。
进一步地，机身主体框肋定位卡板和垂尾框肋定位卡板的数量为若干个，根据机身制造的需求设置。
进一步地，模具材料根据机身的复合材料树脂固化体系选择，对于常温固化树脂体系，模具材料选择玻璃钢、木质或塑料，对于中高温固化树脂体系，模具材料选择碳纤维复合材料。
一种复合材料机身一体化制造方法，基于上述模具，包括以下步骤：
1)利用左右机身的蒙皮成型装配模具成型左右机身蒙皮；
2)预先成型框肋，该框肋包括机身主体框肋和垂尾框肋；
3)在左机身蒙皮成型装配模具上固定左机身蒙皮，在左机身蒙皮上框肋连接处先铺一层单面带胶脱模布，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于左机身蒙皮，预制左框肋角片，然后从左机身蒙皮上脱离；
4)在右机身蒙皮成型装配模具上固定右机身蒙皮，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于右机身蒙皮，制作右框肋角片，将右机身蒙皮和框肋连接；
5)在预制的左框肋角片上涂胶，然后盖上左机身蒙皮，用外型面框肋定位卡板装配左右机身；
6)从装配好的机身上切下垂尾和尾椎，垂尾通过铰链与机身连接，尾椎通过角片与机身连接。
进一步地，步骤3)改为：在右机身蒙皮成型装配模具上固定右机身蒙皮，在右机身蒙皮上框肋连接处先铺一层单面带胶脱模布，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于右机身蒙皮，预制右框肋角片，然后从右机身蒙皮上脱离；步骤4)改为：在左机身蒙皮成型装配模具上固定左机身蒙皮，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于左机身蒙皮，制作左框肋角片，将左机身蒙皮和框肋连接。
进一步地，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于机身蒙皮的具体方法为：通过内型面机身主体定位卡板对机身主体框肋施压并使之完全接触于机身蒙皮的机身主体部分的内壁上，通过内型面垂尾定位卡板对垂尾框肋施压并使之完全接触于蒙皮的垂尾部位的内壁上。
进一步地，内型面机身主体定位卡板垂直于机身主体框肋，内型面垂尾定位卡板垂直于垂尾框肋。
进一步地，用外型面框肋定位卡板装配左右机身的具体方法为：通过外型面机身主体定位卡板和外型面垂尾定位卡板对成型的左右机身进行装配。
进一步地，预先成型框肋的方法为采用热压罐、模压或手糊工艺。
进一步地，左右框肋角片通过手糊工艺将蒙皮和框肋连接。
进一步地，制造机身蒙皮的预浸料由增强纤维和树脂组成，增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维等；基体树脂一般采用环氧树脂。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：本发明采用复合材料机身一体化成型装配模具，该模具基于蒙皮成型装配模具和框肋定位卡板的独特设计，可以实现全复合材料机身的成型和装配，而且模具可根据机身复合材料的树脂体系的不同选择不同的模具材料制成，适用范围光。由于利用一套模具实现了多部件的成型和装配，因此可以节省多套模具的费用，实现更低的制造成本。
附图说明
图1为本发明的一体化成型装配模具结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案能更明显易懂，特举实施例并结合附图详细说明如下。
本发明提出的一体化成型装配模具分左右两件模具，左右对称，分别用来制造左右机身，图1所示为左机身的成型装配模具，本模具包括：蒙皮成型装配模具1、支架2、内(外)型面机身框肋定位卡板3和内(外)型面垂尾框肋定位卡板4。
对于蒙皮成型装配模具，机身选用不同的复合材料树脂固化体系，则对应地可选用不同的材料制作该模具。对于中高温固化树脂体系(对于复合材料，60～100℃为中温，100℃以上为高温)，模具材料选用膨胀系数很小的碳纤维复合材料，这样蒙皮成型后膨胀量很小，本发明成型和装配共用一套模具。对于常温固化树脂体系，因蒙皮成型后没有热膨胀，不需要考虑模具的变形及耐温要求，因此该模具可选用玻璃钢、木质、塑料等。
在定位框肋时采用内型面框肋定位卡板，蒙皮组合时采用外型面框肋定位卡板。
框肋(包括机身主体框肋和垂尾框肋)作为承力件先提前采用热压、模压或手糊工艺成型，然后通过内型面框肋定位卡板3、4固定在蒙皮成型装配模具1上。
内型面框肋定位卡板3、4固定在蒙皮成型装配模具1上时垂直对框肋加压，保证框肋和成型装配模具1中的蒙皮完全接触。框肋和蒙皮完全接触后，用手糊角片将蒙皮和框肋连接。
先在左机身蒙皮上预制左框肋角片，预制时在左机身蒙皮上框肋连接处先铺一层单面带胶脱模布，以便于预成型的框肋角片和蒙皮分离。左框肋角片预制后，从左机身蒙皮上脱离。
然后在右机身的成型装配模具上定位到右机身蒙皮上，采用内型面定位卡板3、4加压，用手糊角片将蒙皮和框肋直接连接。
框肋固定在右机身蒙皮后，在左框肋预制角片上涂胶后盖上左机身蒙皮，用外型面定位卡板3、4固定在蒙皮成型装配型模具1上，保证足够的压力。
机身装配后可从上切下垂尾和尾椎，后续垂尾可通过铰链和机身连接，尾椎可通过角片和机身连接。
以下以制造一种大尺寸复合材料机身为例来说明，该机身长度为8m，由于选用的树脂体系为130℃，需要考虑热膨胀，因此模具材料选用膨胀系数很小的碳纤维复合材料。制造过程如下：
步骤一，在左右机身的蒙皮成型装配模具上蒙皮上分别成型左右机身蒙皮；
步骤二，在另外的平板工装上压制出框肋零件并机加到最终尺寸；
步骤三，在左机身的蒙皮成型装配模具上固定左机身蒙皮，在左机身蒙皮上框肋连接处先铺一层单面带胶脱模布，将框肋通过一框～九框的机身主体框肋定位卡板和垂尾框肋定位卡板固定在模具上，框肋和蒙皮完全接触后，用手糊左框肋角片将蒙皮和框肋连接。
步骤四，左框肋角片预制后，从左机身蒙皮上脱离。然后在右机身的蒙皮成型装配模具上定位右机身蒙皮上，采用一框～九框的机身主体框肋定位卡板和垂尾框肋定位卡板固定并对框肋加压，用手糊角片将蒙皮和框肋直接连接。
步骤五，框肋固定在右机身蒙皮后，在左框肋预制角片上涂胶后盖上左机身蒙皮，用型面卡板固定在成型装配型模具上，保证足够的压力。
步骤六，机身装配后可从上切下垂尾和尾椎，后续垂尾可通过铰链和机身连接，尾椎可通过角片和机身连接。
对于大尺寸的复合材料机身，选用这种成型、制造一体化多功能模具工装可节省一套装配工装，一套垂尾工装，一套尾椎工装，模具费用能够节省60％；在成型机身的同时将垂尾和尾椎同步成型出来，工时能够节省30％；检测时只需检测一套工装，工装的检测时间能够节省60％；采用这种制造方法，工艺难度降低50％，因此是一种低成本的制造方法。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，本发明的保护范围以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种复合材料机身一体化成型装配模具，该机身包括机身主体、垂尾和尾椎，其特征在于，该模具包括用于制造左机身和右机身的两件模具，每件模具包括支架和由该支架支撑的蒙皮成型装配模具和框肋定位卡板，该蒙皮成型装配模具用于成型机身蒙皮，该框肋定位卡板包括机身主体框肋定位卡板和垂尾框肋定位卡板，该机身主体框肋定位卡板包括内型面机身主体定位卡板和外型面机身主体定位卡板，该垂尾框肋定位卡板包括内型面垂尾定位卡板和外型面垂尾定位卡板，该内型面机身主体定位卡板用于对机身主体框肋施压并使之完全接触于机身蒙皮的机身主体部分的内壁上，该内型面垂尾定位卡板用于对垂尾框肋施压并使之完全接触于蒙皮的垂尾部位的内壁上，该外型面机身主体定位卡板和外型面垂尾定位卡板用于对成型的左右机身进行装配。
2.如权利要求1所述的复合材料机身一体化成型装配模具，其特征在于，机身主体框肋定位卡板和垂尾框肋定位卡板的数量为若干个。
3.如权利要求1所述的复合材料机身一体化成型装配模具，其特征在于，模具材料根据机身的复合材料树脂固化体系选择，对于常温固化树脂体系，模具材料选择玻璃钢、木质或塑料，对于中高温固化树脂体系，模具材料选择碳纤维复合材料。
4.一种复合材料机身一体化制造方法，基于权利要求1所述的复合材料机身一体化成型装配模具，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用左右机身的蒙皮成型装配模具成型左右机身蒙皮；
2)预先成型框肋，该框肋包括机身主体框肋和垂尾框肋；
3)在左机身蒙皮成型装配模具上固定左机身蒙皮，在左机身蒙皮上框肋连接处先铺一层单面带胶脱模布，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于左机身蒙皮，预制左框肋角片，然后从左机身蒙皮上脱离；
4)在右机身蒙皮成型装配模具上固定右机身蒙皮，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于右机身蒙皮，制作右框肋角片，将右机身蒙皮和框肋连接；
5)在预制的左框肋角片上涂胶，然后盖上左机身蒙皮，用外型面框肋定位卡板装配左右机身；
6)从装配好的机身上切下垂尾和尾椎，垂尾通过铰链与机身连接，尾椎通过角片与机身连接。
5.如权利要求4所述的复合材料机身一体化制造方法，其特征在于，步骤3)改为：在右机身蒙皮成型装配模具上固定右机身蒙皮，在右机身蒙皮上框肋连接处先铺一层单面带胶脱模布，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于右机身蒙皮，预制右框肋角片，然后从右机身蒙皮上脱离；步骤4)改为：在左机身蒙皮成型装配模具上固定左机身蒙皮，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于左机身蒙皮，制作左框肋角片，将左机身蒙皮和框肋连接。
6.如权利要求4所述的复合材料机身一体化制造方法，其特征在于，通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于左机身蒙皮的具体方法为：通过内型面机身主体定位卡板对机身主体框肋施压并使之完全接触于左机身蒙皮的机身主体部分的内壁上，通过内型面垂尾定位卡板对垂尾框肋施压并使之完全接触于蒙皮的垂尾部位的内壁上；其中，内型面机身主体定位卡板垂直于机身主体框肋，内型面垂尾定位卡板垂直于垂尾框肋；通过内型面框肋定位卡板将框肋完全接触于右机身蒙皮的具体方法为：通过内型面机身主体定位卡板对机身主体框肋施压并使之完全接触于右机身蒙皮的机身主体部分的内壁上，通过内型面垂尾定位卡板对垂尾框肋施压并使之完全接触于蒙皮的垂尾部位的内壁上；其中，内型面机身主体定位卡板垂直于机身主体框肋，内型面垂尾定位卡板垂直于垂尾框肋。
7.如权利要求4所述的复合材料机身一体化制造方法，其特征在于，用外型面框肋定位卡板装配左右机身的具体方法为：通过外型面机身主体定位卡板和外型面垂尾定位卡板对成型的左右机身进行装配。
8.如权利要求4所述的复合材料机身一体化制造方法，其特征在于，预先成型框肋的方法为采用热压罐、模压或手糊工艺。
9.如权利要求4所述的复合材料机身一体化制造方法，其特征在于，左右框肋角片通过手糊工艺将蒙皮和框肋连接。
10.如权利要求4所述的复合材料机身一体化制造方法，其特征在于，制造机身蒙皮的预浸料由增强纤维和树脂组成，增强纤维包括碳纤维或玻璃纤维，树脂包括环氧树脂。
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