CN112477193A - 一种复合材料管成型工装系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料管成型工装系统，属于无人机复合材料管领域。本发明主要用于解决具有工况复杂、铺层复杂、锥形结构、大尺寸（长度超过6m）等特点的复合材料管制造难度大的问题。本发明提供的成型工装系统主要包括上模体、下模体、盖板和辅助铺贴工装，其中上模体和下模体均为阴模结构形式，采用框架焊接结构；盖板为平板结构，盖板上设计有腻子条粘贴区域和连接螺栓孔；辅助铺贴工装为L型结构，通过定位销和螺栓与上模体和下模体连接，辅助铺贴工装有铺层标识线，用于预浸料进行丢层铺层的标识。采用本发明的成型工装系统，特别适用于锥形、大尺寸（长度超过6m）碳纤维复合材料管的制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料管的成型工装系统，属于无人机复合材料管领域，主要用于解决工况复杂、铺层复杂、锥形结构、大尺寸（超过6m）等特点的复合材料管制造难度大的问题。
背景技术
碳纤维以其密度小、高比强度、高比模量的优异性能，是理想的结构设计选材；如图1所示，碳纤维复合材料管在产品结构设计中，属于典型结构，经常用于无人机的机翼梁、尾撑管、尾翼主梁、舵面主梁以及其他重要结构区域。碳纤维属于抗拉性能远远大于抗压性能的特殊材料，在碳纤维复合材料产品制造过程中，需避免碳纤维出现受压、堆积、皱折等问题，使碳纤维处于受拉的状态，才可最大限度发挥碳纤维的高比强度的性能，满足设计的要求。
常见的复合材料成型工装为金属阳模，将纤维材料缠绕或者包覆在金属阳模外表面，主要的成型工艺有拉挤工艺、缠绕工艺、热压罐工艺、卷管工艺和内胀法工艺。拉挤工艺和缠绕工艺无法实现锥形复合材料管的制造，产品在固化过程中，没有压力的保证，产品的内部易存在孔隙等质量缺陷，无法作为主承力结构件；热压罐工艺和卷管工艺因其成型设备尺寸的限制和成型工艺特点的限制，无法制造大尺寸的复合材料管，产品外观质量差；内胀法工艺受限于锥形硅橡胶气囊制作难的问题，无法实现大尺寸的锥形碳纤维复合材料管的制造。
鉴于上述各种解决方案存在以下问题：除内胀法工艺外，其余工艺的成型模具为阳模，所制造的复合材料管无法满足复杂工况的要求，产品外观易存在纤维褶皱等质量表现差的问题，如图2所示。内胀法工艺所使用的工装价格昂贵，且无法制造锥形结构的复合材料管。
发明内容
本发明提供一种复合材料管成型工装系统，目的在于解决工况复杂、铺层复杂、锥形结构、大尺寸（长度超过6m）等特点的复合材料管制造难度大的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合材料管成型工装系统，包括上模体、下模体、盖板和L型辅助铺贴工装；所述的上模体和下模体的端面设有放置第一密封条的第一密封槽，所述的下模体的法兰面上设有放置第二密封条的第二密封槽，下模体的法兰面上设有与下模体的腔体连通的若干第一排气槽，第二排气槽与第一排气槽连通，上模体的上部设有与第二排气槽连通的若干真空快速接头；所述的辅助铺贴工装的竖直面上设有若干丢层标示线，向上模体和下模体的腔体内铺设预浸料的料片时，将辅助铺贴工装安装在上模体和下模体的法兰面上，待预浸料铺贴完毕之后，拆除辅助铺贴工装，将所述的上模体、下模体上下对合，对合后第一密封槽和第二密封槽连通，盖板设于对合后的上模体、下模体的两端端面并紧固。
进一步的技术方案，所述的上所述的上模体和下模体为框架式阴模结构，采用钢焊接的框架式阴模结构。
进一步的技术方案，所述的第二排气槽与下模体的腔体的轴线平行，第一排气槽垂直设于第二排气槽的一侧；所述的第二密封槽设于第二排气槽的一侧，且位于远离下模体的腔体的方向。
进一步的技术方案， 所述的第一密封条和第二密封条采用硅胶材质密封条，且两者的胶接节点通过专用结构胶进行粘接，使第一密封条和第二密封条紧密连接。
进一步的技术方案，所述的下模体的法兰面上设有用于导向的锥形导向销，下模体的侧边设有用于限位的挡块。
进一步的技术方案，所述的真空快速接头的间距为200mm-300mm。
进一步的技术方案，所述的上模体和下模体的两端端面均设有2道第一螺栓孔；所述的盖板为平板结构，其中心处设有与上模体和下模体的腔体相对的圆形开口，圆形开口的外侧设有2道第二螺栓孔，通过高强螺栓连接第一螺栓孔和第二螺栓孔实现盖板和上模体、下模体间的紧固，盖板上2道第二螺栓孔间为腻子条粘贴区，真空袋膜从盖板的圆形开口处向外延伸粘贴于腻子条粘贴区上，封装真空袋膜，保证系统的密封性。
进一步的技术方案，所述的第一螺栓孔、第二螺栓孔呈环形布局，上模体和下模体端面的第一密封槽位于2道第一螺栓孔之间。
进一步的技术方案，所述的辅助铺贴工装上的丢层标示线的间距是由产品厚度、铺层设计的丢层比例确定，一般为5mm-20mm。
进一步的技术方案，所述的上模体和下模体的底部、外侧壁均设有纵横交错的加强筋，用于提升上模体和下模体的刚度。
进一步的技术方案，所述的上模体和下模体上下对合后，盖板与上模体、下模体之间的间隙小于0.05mm；上模体、下模体之间的间隙小于0.05mm。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1、本发明提供的成型工装是采用预浸料成型工艺制备复合材料管，适用于成型锥形结构的、大尺寸复合材料管，尤其是铺层复杂、尺寸在6m以上的锥形碳纤维复合材料管。
2、本发明的成型工装，在固化加压过程中，碳纤维等纤维处于受拉的状态，纤维不易褶皱，纤维不易屈曲，充分发挥碳纤维等纤维的拉伸性能等优异特点。制备的产品的外表面为模具面，表面质量光滑，无褶皱，表面质量高。
3、本发明通过多重密封结构的设置，保证了工装系统的密封性，进而保证了产品的成型质量。
附图说明
图1是碳纤维复合材料管的示意图；
图2是现有技术中的复合材料管的示意图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是上模体的结构示意图。
图5是下模体的结构示意图。
图6 是上模体的端面示意图。
图7 是盖板的结构示意图。
图8是辅助铺贴工装的结构示意图。
图9是上模体与辅助铺贴工装安装示意图。
图10 是下模体与辅助铺贴工装安装示意图。
图11 是第一密封胶条和第二密封胶条的连接示意图。
图12 是下模体的法兰面示意图。
图13是下模体的铺层示意图。
图14是辅助材料的铺放示意图。
图15本发明制备的复合材料管的示意图。
图中标记：1-上模体，2-第一密封槽，3-真空快递接头，4-下模体，5-第二密封槽，6-导向销，7-挡块，8-螺栓孔，9-盖板，10-腻子条粘贴区，11-螺栓孔，12-辅助铺贴工装，13-丢层标识线，14-定位销，15-第一密封胶条，16-第二密封胶条，17-胶接节点，18-第一排气槽，19-第二排气槽，20-碳纤维单向带预浸料片，21-脱模布、22-无孔隔离膜、23-条状透气毡，24-真空袋膜。
具体实施方式
下面通过附图和实施例进一步详细地描述本发明。
实施例
如图3-14所示，一种复合材料管成型工装系统，包括上模体1、下模体4、盖板9和L型辅助铺贴工装12；所述的上模体1和下模体4的端面设有放置第一密封条15的第一密封槽2，所述的下模体4的法兰面上设有放置第二密封条16的第二密封槽5，下模体4的法兰面上设有与下模体4的腔体连通的若干第一排气槽18，第二排气槽19与第一排气槽18连通，上模体1的上部设有与第二排气槽19连通的若干真空快速接头3；所述的辅助铺贴工装12的竖直面上设有若干丢层标示线13，向上模体1和下模体4的腔体内铺设预浸料的料片时，将辅助铺贴工装12安装在上模体1和下模体4的法兰面上，待预浸料铺贴完毕之后，拆除辅助铺贴工装12，将所述的上模体1、下模体4上下对合，对合后第一密封槽2和第二密封槽5连通，盖板9设于对合后的上模体1、下模体4的两端端面并紧固。
所述的上所述的上模体1和下模体4为框架式阴模结构，可以是钢焊接的框架式阴模结构。
所述的第二排气槽19与下模体1的腔体的轴线平行，第一排气槽18垂直设于第二排气槽19的一侧。所述的第二密封槽5设于第二排气槽19的一侧，且位于远离下模体1的腔体的方向。
所述的第一密封条15和第二密封条16采用硅胶材质密封条，且两者的胶接节点17通过专用结构胶进行粘接，使第一密封条15和第二密封条16紧密连接，进一步保证系统的密封性。
所述的下模体4的法兰面上设有用于导向的锥形导向销6，下模体4的侧边设有用于限位的挡块7。便于上模体1能够快速、高效地与下模体4对合安装。
所述的真空快速接头3的间距为200mm-300mm。
所述的上模体1和下模体4的两端端面均设有2道第一螺栓孔8；所述的盖板9为平板结构，其中心处设有与上模体1和下模体4的腔体相对的圆形开口，圆形开口的外侧设有2道第二螺栓孔11，通过高强螺栓连接第一螺栓孔8和第二螺栓孔11实现盖板和上模体1、下模体4间的紧固，盖板9上2道第二螺栓孔11间为腻子条粘贴区，真空袋膜从盖板的圆形开口处向外延伸粘贴于腻子条粘贴区上，封装真空袋膜，保证系统的密封性。
所述的第一螺栓孔、第二螺栓孔呈环形布局。上模体1和下模体4端面的第一密封槽位于2道螺栓孔8之间，这样可保证通过盖板9与上模体1、下模体4之间的紧密连接，避免盖板9与模体之间漏气，实现整套成型工装系统的真空密封性。
所述的辅助铺贴工装12上的丢层标示线13的间距是由产品厚度、铺层设计的丢层比例确定，一般为5mm-20mm。
所述的上模体1和下模体4的底部、外侧壁均设有纵横交错的加强筋，用于提升上模体1和下模体4的刚度。
所述的上模体1和下模体4上下对合后，盖板9与上模体1、下模体4之间的间隙小于0.05mm；上模体1、下模体4之间的间隙小于0.05mm。
本发明的工作过程如下：
步骤一：使用丙酮或者模具清洗剂清洗上模体1、下模体4、辅助铺贴工装12至洁净，并涂抹脱模剂；在辅助铺贴工装12表面分别粘贴带胶脱模布，使用刀具沿着辅助铺贴工装12表面的标示线13划断带胶脱模布，使铺贴标示线13更加明显；
步骤二：通过定位销14将辅助铺贴工装12分别紧固于上模体1和下模体4的法兰上；辅助铺贴工装12对称式的设置于上模体1和下模体4的腔体的法兰上。
步骤三：按照设计的铺层角度和铺层顺序，铺层角度为0°、45°、-45°、90°，将裁剪好的高模量碳纤维单向带预浸料片20分别铺贴在上模体1的型腔内，根据辅助铺贴工装12上的标示线13进行丢层铺层，并进行预压实；
步骤四：按照设计的铺层角度和铺层顺序，铺层角度为0°、45°、-45°、90°，将裁剪好的高模量碳纤维单向带预浸料片20分别铺贴在下模体4的型腔表面，根据辅助铺贴工装12上的标示线13进行丢层铺层，并进行预压实；
步骤五：将辅助铺贴工装12分别从上模体1、下模体4上拆下，拆除过程中，避免已铺贴完毕的预浸料的料片被损坏，从下而上地依次将脱模布21、无孔隔离膜22、条状透气毡23分别铺放在上模体1、下模体4型腔内的预浸料表面，并进行固定；
步骤六：在下模体4型腔内的预浸料表面放置筒状真空袋膜24，在下模体4的两侧法兰面的第二密封槽5内放置第二密封条16，将上模体1翻转吊装，安装在下模体4上面，并使用螺栓将上模体1和下模体4进行锁紧连接，可使用风暴等气动工具，拧紧上模体1和下模体4之间的螺栓，测量上模体1和下模体4之间的间隙，间隙小于0.05mm。
步骤七：将多余的第二密封条16沿着上模体1、下模体4的端面进行切割，保证第二密封条16与上模体1、下模体4的端面齐平，在上模体1、下模体4端面的第一密封槽2内放置第一密封条15；使用专用结构胶在第一密封条15和第二密封条16的胶接节点17进行粘接，使第一密封条15和第二密封条16紧密的连接在一起。
步骤八：将盖板9分别安装至上模体1、下模体4的两端，使用螺栓进行固定，在盖板9上粘贴腻子条的位置粘贴腻子条，抽负压，检测真空度，检测合格后，将成型模具系统送入热压罐中，上模体1上的真空快速接头3连接热压罐的真空管路、热电偶，按照固化工艺参数设置固化曲线，关闭罐门，启动固化程序，全程监控固化温度和固化压力；
步骤九：保温结束后，待模具温度降20℃-40℃，停止固化程序，开启罐门，取出上模体1、下模体4，取出碳纤维复合材料管；
步骤十：取出碳纤维复合材料管后，使用保温材料对产品进行保温，待碳纤维复合材料管降至室温后，打开保温材料，对碳纤维复合材料管进行检测、加工等后道工序。
制备的锥形复合材料管如图15所示，制备的产品表面质量光滑，无褶皱，表面质量高。
Claims (10)
1.一种复合材料管成型工装系统，包括上模体(1)、下模体(4)，其特征在于：还包括盖板(9)和L型辅助铺贴工装(12)；所述的上模体(1)和下模体(4)的端面设有放置第一密封条(15)的第一密封槽(2)，所述的下模体(4)的法兰面上设有放置第二密封条(16)的第二密封槽(5)，下模体(4)的法兰面上设有与下模体(4)的腔体连通的若干第一排气槽(18)，第二排气槽(19)与第一排气槽(18)连通，上模体(1)的上部设有与第二排气槽(19)连通的若干真空快速接头(3)；所述的辅助铺贴工装(12)的竖直面上设有若干丢层标示线(13)，向上模体(1)和下模体(4)的腔体内铺设碳纤维单向带预浸料片(20)时，将辅助铺贴工装(12)安装在上模体(1)和下模体(4)的法兰面上，待预浸料片铺贴完毕之后，拆除辅助铺贴工装(12)，将所述的上模体(1)、下模体(4)上下对合固定，对合后第一密封槽(2)和第二密封槽(5)连通，盖板(9)设于对合后的上模体(1)、下模体(4)的两端端面并紧固。
2.如权利要求1所述的一种复合材料管成型工装系统，其特征在于：所述的上所述的上模体(1)和下模体(4)为框架式阴模结构。
3.如权利要求1所述的一种复合材料管成型工装系统，其特征在于：所述的第二排气槽(19)与下模体(1)的腔体的轴线平行，第一排气槽(18)垂直设于第二排气槽(19)的一侧；所述的第二密封槽(5)设于第二排气槽(19)的一侧，且位于远离下模体(1)的腔体的方向。
4.如权利要求1或3所述的一种复合材料管成型工装系统，其特征在于：所述的第一密封条(15)和第二密封条(16)采用硅胶材质密封条，且两者的胶接节点(17)通过专用结构胶进行粘接，使第一密封条(15)和第二密封条(16)紧密连接。
5.如权利要求1所述的一种复合材料管成型工装系统，其特征在于：所述的下模体(4)的法兰面上设有用于导向的锥形导向销(6)，下模体(4)的侧边设有用于限位的挡块(7)。
6.如权利要求1所述的一种复合材料管成型工装系统，其特征在于：所述的上模体(1)和下模体(4)的两端端面均设有2道第一螺栓孔(8)；所述的盖板(9)为平板结构，其中心处设有与上模体(1)和下模体(4)的腔体相对的圆形开口，圆形开口的外侧设有2道第二螺栓孔(11)，通过高强螺栓连接第一螺栓孔(8)和第二螺栓孔(11)实现盖板和上模体(1)、下模体(4)间的紧固，盖板(9)上2道第二螺栓孔(11)间为腻子条粘贴区(10)，真空袋膜从盖板的圆形开口处向外延伸粘贴于腻子条粘贴区上，封装真空袋膜，保证系统的密封性。
7.如权利要求6所述的一种复合材料管成型工装系统，其特征在于：所述的第一螺栓孔(8)、第二螺栓孔(11)呈环形布局，上模体(1)和下模体(4)端面的第一密封槽(2)位于2道第一螺栓孔(8)之间。
8.如权利要求1所述的一种复合材料管成型工装系统，其特征在于：所述的辅助铺贴工装(12)上的丢层标示线(13)的间距是由产品厚度、铺层设计的丢层比例确定，一般为5mm-20mm。
9.如权利要求1所述的一种复合材料管成型工装系统，其特征在于：所述的上模体(1)和下模体(4)的底部、外侧壁均设有纵横交错的加强筋，用于提升上模体(1)和下模体(4)的刚度。
10.如权利要求1所述的一种复合材料管成型工装系统，其特征在于：所述的上模体(1)和下模体(4)上下对合安装后，盖板(9)与上模体(1)、下模体(4)之间的间隙小于0.05mm；上模体(1)、下模体(4)之间的间隙小于0.05mm；所述的真空快速接头(3)间的间距为200mm-300mm。
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