CN112873904A - 一种防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，该复合材料成型工装用于复材零件成型；所述复合材料成型工装由复合材料铺贴模和支撑框架组装而成；所述复合材料铺贴模为以过渡模为基础，采用不同厚度的工装预浸料铺贴热压而成；并且在铺贴的过程中，在过渡模的R区和拐角区域铺贴压条，工装的边缘余量区域采用相框式铺贴工装预浸料，并在对接缝的区域铺贴补缝长条。相框式铺贴避免了切割导致的边缘缺陷向内部的扩展及搬运过程中磕碰或脱模时发生劈裂；压条、及补缝长条进一步保证了工装的高温气密性。本发明制造的工装不仅气密性能好，且有效地降低了维护成本，保证了复材零件的成型质量和制作周期，具有良好的实用及经济价值。

Description

一种防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法

技术领域

本发明涉及一种防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法。

背景技术

复合材料零件（以下简称复材零件）是由树脂基碳纤维复合材料制备而成。由于树脂基碳纤维复合材料具有比强度、比刚度高，结构一体化程度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，尺寸稳定性好等优点，目前已经成为航空、航天、交通等领域中应用十分广泛的高性能结构材料。由于复材零件的制造必须使用专门设计的工装同时完成材料的复合和零件的成型过程。复材零件固化成型后几乎不需要再作任何加工，其内部结构、力学性能需要达到设计要求，同时其表面质量、外表尺寸均应满足装配协调要求，因而复材零件成型工装的优劣对零件的外形及内部质量起着决定性作用。

目前，复材零件的成型工装主要包括采用普通钢制造的工装、采用INVAR钢制造的工装以及采用环氧树脂碳纤维等复合材料制造的工装。其中，采用普通钢制作的工装，其力学性能和加工性能好，成本较低，但其热膨胀大（1.2*10-5/℃，200℃），对零件的成型易产生不利影响；采用INVAR钢制作的工装，其力学性能好，热膨胀系数低（2.2*10-6/℃，200℃），与复材零件相当，但其可重复使用性能差，且成本高昂，成本巨大，加工周期长；而采用复合材料制造的工装，其制造周期短、热膨胀系数和制件一致（3*10-6/℃，200℃），质量轻且成本较INVAR钢工装低。因此，复合材料成型工装成为结构复杂的大型复材零件制造成型的首选。

然而，由于利用复合材料成型工装制造成型复材零件时，需进行加温、加压和抽真空等操作，一旦出现工装漏气现象，固化后的复材零件表面可能出现大面积贫胶、白斑或者烧焦等现象，并容易发生无损分层或整体疏松，最终导致复材零件报废，故复合材料成型工装的气密性对复材零件的成型质量至关重要。

传统的复合材料工装经常因为各种原因导致气密性不足的问题，而增加工装的制作和维护成本，并影响复材零件的成型质量：

首先，随着对复材零件的强度、刚度的要求日益提高，零件的结构也越来越复杂，通常含有丰富的直角和圆角区域（这些直角和圆角较多的重要几何过渡区和连接区统称为R区）；而复合材料成型工装的R区在脱模时特别容易将模具本身的材料崩裂，从而造成凹坑或劈裂，继而引发工装的高温漏气问题。

其次，通常复合材料成型工装在制造过程中，会根据材料的种类采取不同的铺贴方式。对于纤维丝数较小、厚度较薄的工装预浸料一般采取搭接的方式铺贴；而对于纤维丝数较多、厚度较厚的工装预浸料则采取对接的方式铺贴。而由于搭接或对接的连接缝处缺少纤维的支撑，特别是较厚的工装预浸料对接的连接缝处极易发生工装劈裂或漏气，进而影响工装的气密性。

另外，传统的复合材料成型工装制造过程中需要考虑工艺余量，铺贴时一般从工装边缘开始作整层铺贴，待脱模工序完成之后，采用人工修切或数控铣切的方式对工装边缘进行边缘修整；由于铺贴工装预浸料有其固定的的纤维走向，一旦进行工装的边缘修切或工装边缘受到磕碰及磨损时极容易产生细微的裂纹，这些裂纹将顺着纤维方向延伸到工装净尺寸区域，产生贯穿性裂纹，进而引发工装漏气现象，影响整个成型工装的使用。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，以过渡模为基础，采用不同厚度的工装预浸料铺贴热压成复合材料工装，并对引发工装漏气的原因进行针对性处理，以解决工装漏气现象，提高其气密性。具体技术方案如下：

一种防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，该复合材料成型工装用于复材零件成型；所述复合材料成型工装由复合材料铺贴模和支撑框架组装而成；所述复合材料铺贴模为以过渡模为基础，采用不同厚度的工装预浸料铺贴热压而成；并且在铺贴的过程中，在过渡模的R区和拐角区域铺贴压条，工装的边缘余量区域采用相框式铺贴工装预浸料，并在对接缝的区域铺贴补缝长条。

前述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，所述复合材料铺贴模的具体制备方法，包括如下步骤：

1）准备过渡模：通过机械加工的方式，制备一个上型面与复材零件型面完全一致并带有余量的过渡模，备用；

2）铺贴预浸料：先在步骤1）中准备的过渡模上型面涂一层脱模剂或覆盖一层脱模布，然后将剪裁成型的用于制备复合材料成型工装的工装预浸料按照预定的铺层顺序及层数铺贴在过渡模上；

3）预固化成型：待步骤2）中的工装预浸料铺贴完毕后，采用真空袋将其封装，并送入热压罐进行预固化成型；

4）边缘修整：将步骤3）中预固化成型的复合材料铺贴模脱模，在边缘划线标记，并覆盖背衬对产品表面防护，然后使用切割机或砂纸进行边缘打磨修整；

5）后固化成型：将步骤4）中边缘修整后得到的复合材料铺贴模再次送入热压罐或烘箱中，进行后固化成型；

6）安装框架：将经步骤5）后固化成型得到的复合材料铺贴模与支撑框架进行组装，即得到用于复材零件成型的复合材料成型工装。

其中，步骤2）中所述铺贴预浸料的具体内容包括：

a）铺贴压条：铺贴首层预浸料前，以过渡模的R角及拐角的楞线作为中线铺贴一条压条，以降低该区域的架桥和漏气风险；

b）铺贴边缘长条：铺贴每层工装预浸料时，先采用与该层同样厚度的工装预浸料制成的边缘长条沿余量区边缘线进行相框式铺贴，然后再进行内部的蒙皮区域铺贴；

c）铺贴工装预浸料片：复合材料铺贴模的蒙皮区域上下表层选用较薄的工装预浸料片进行铺贴，以保证型面；其上下表层之间的内部采用较厚的工装预浸料片进行铺贴；

d）铺贴补缝长条：在铺贴复合材料铺贴模内部较厚的工装预浸料时，在其对接缝的区域铺贴补缝长条，填补对接缝。

作为优选的技术方案的，a）项所述铺贴压条，该压条为较薄的工装预浸料制成的±45°压条，其宽度为20～60mm，压条的长度视R角及拐角长度而定，并保证图案美观。铺贴时尽量将料片延展与工装面完全贴合，曲率较大处可手工剪口，但剪口须错开。

作为优选的技术方案的，b）项所述铺贴边缘长条，该边缘长条的宽度为20～80mm，每层至少铺贴两圈，相邻的边缘长条之间不允许搭接，其对接缝长度为≤1.5mm；且相邻两层间的边缘长条对接缝须至少错开20mm，允许每三层重复。

作为优选的技术方案的，c）项所述铺贴工装预浸料片，蒙皮区域的上下表层工装预浸料为1～3层，其总厚度为0.2～0.6mm；蒙皮区域铺贴的工装预浸料总厚度为4～6mm；所述预浸料片尺寸为250mm×250mm，铺贴方式为以铺贴面的中轴线为起始铺贴基准，由内向外进行铺贴；所述较薄的工装预浸料片为3k型预浸料制成，所述较厚的工装预浸料片为12k型预浸料制成；铺贴时第一层进行预压实，然后每增加3～5层进行压实一次，且压实的真空度不低于80kPa。

作为优选的技术方案的，d）项所述铺贴补缝长条，该补缝长条宽度为20~60mm，其为选用较薄的工装预浸料制作而成。

前述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，步骤3）中所述预固化成型的压力为：0.41MPa～0.62MPa；温度为：升温速率为0.3～0.4℃/min，升温到65℃，保温12h。

前述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，步骤5）中所述后固化成型的固化温度为：0.3℃～0.4℃/min升温到190℃，保温6h，降温到30℃开罐，总计18h。

优选的，前述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，所述支撑框架为Q235钢或碳纤维方管材质制成；所述过渡模为金属过渡模，其为Q235钢制成。

本发明方法的有益效果：

（1）本发明复合材料铺贴模的表层采用较薄的预浸料铺贴，其内部采用较厚的预浸料铺贴，薄厚料相结合的铺贴方式，既保证了工装型面又保证了工装刚度和内部质量。

（2）本发明复合材料铺贴模的边缘采用边缘长条进行相框式铺贴，避免了复合材料工装成型边缘或边缘切割导致的边缘缺陷向内部的扩展；且若在搬运过程中造成工装边缘的磕碰或脱模时发生劈裂，相框式铺贴方式可以将裂痕阻断在余量区。

（3）本发明在R区及拐角铺贴压条、铺贴边缘长条以内区域以铺贴面中轴线为铺贴基准，中间的厚料对接缝处采用不封长条进行补缝处理，进一步保证了工装的高温气密性。

（4）本发明方法制造的工装不仅气密性能好，且有效地降低了工装的维护成本，保证了零件的成型质量和制作周期，具有良好的实用及经济价值。

附图说明

图1为本发明防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法的过渡模平面示意图；

图2为本发明制造方法中的压铺贴要求示意图；

图3为本发明制造方法中的边缘长条的贴要求示意图；

图4为本发明制造方法中边缘长条方式俯视图；

图5为本发明制造方法中边缘长条方式侧视图；

图6为本发明方法制造的复合材料成型工装俯视图；

图7为本发明方法制造的复合材料成型工装侧视图。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明较佳实施例，而不是全部的实施例，亦并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用所揭示的技术内容加以变更或改型等同变化。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本实施例是制造一种用于成型某型号复材零件的复合材料成型工装。该复合材料成型工装由复合材料铺贴模和支撑框架组装而成，其制造方法具体包括如下步骤：

（1）准备过渡模：首先通过机械加工的方式，采用Q235钢制备一个上型面与该复材零件型面完全一致带有帽型筋并带有余量的金属过渡模，如图1所示，备用。

（2）铺贴预浸料：在步骤（1）中的金属过渡模表面涂刷一层脱模剂或者铺一层脱模布，用于将工装预浸料与过渡模隔开；然后将剪裁成型的碳纤维工装预浸料按照预定的铺层顺序及层数铺贴成型。本实施例中工装预浸料的层数为12层，其铺层角度和铺层顺序为（0/90/0/45/-45/90）s。贴近过渡模和贴近真空袋的上下表层铺层均为2层；且均采用3k型的较薄的预浸料制成的料片进行铺贴，铺贴的搭接长度为13～25mm。上下表层铺层的中间层采用12k型的较厚的预浸料铺贴，且不允许搭接。铺贴过程如下：

在铺贴第一层预浸料前，在过渡模的R区及拐角处铺贴一条由3k型预浸料制成的±45°的压条，该压条宽度为20～60mm，长度视R角及拐角长度而定，以降低该区域的架桥和漏气风险；压条铺贴方式，如图2所示：以过渡模的R角及拐角的楞线作为中线铺贴，尽量将料片延展与工装面完全贴合，压条需覆盖工装R角及拐角，曲率较大处可手工剪口，但剪口须错开，并证图案美观。

然后，沿金属过度模余量区的边缘线采用3k型的较薄的预浸料制成的边缘长条作相框式铺贴，铺贴两圈，边缘长条的宽度设置为60mm、40mm、20mm，长度均为1m，相邻边缘长条之间不允许搭接，要求对接缝≤1.5mm；相邻两层间边缘长条对接缝须至少错开20mm以上，且允许每三层重复，如图3至图5所示。

然后进行边缘长条以内的蒙皮区域铺贴。蒙皮区域采用尺寸为250mm×250mm的方形料片进行铺贴，料片以铺贴面的中轴线为起始铺贴基准，由内向外进行铺贴。对于上下表层铺层的中间的12k型预浸料铺贴时，对接缝处采用由3k型预浸料制成的补缝长条进行补缝处理；此外，除首层进行预压实外，每增加3～5层进行压实一次，且真空度不低于80kPa。

（3）预固化成型：待步骤（2）中预浸料铺贴完毕后，采用真空袋将其封装，并送入热压罐进行初始固化成型；固化参数：压力0.62MPa，并且在压力达到0.14MPa时，将真空袋与大气连通，温度65℃，保持12h，获得预成型的复合材料铺贴模。

（4）边缘修整：将步骤（3）中预成型的复合材料铺贴模脱模后进行边缘划线标记，并覆盖背衬进行产品表面防护，采用切割机或砂纸进行边缘打磨修整。

（5）后固化成型：将步骤（4）中边缘修整得到的复合材料铺贴模进行后固化成型；固化温度：0.3℃-0.4℃/min升温到190℃，保温6h，降温到30℃开罐，总计约18h，即得到预成型的复合材料铺贴模。

（6）框架安装：最后将经步骤（5）得到的复合材料铺贴模与材质为Q235钢制成的支撑框架进行组装连接，得到用于成型某型号复材零件的复合材料成型工装，如图6和图7所示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，该复合材料成型工装用于复材零件成型；其特征在于：所述复合材料成型工装由复合材料铺贴模和支撑框架组装而成；所述复合材料铺贴模为以过渡模为基础，采用不同厚度的工装预浸料铺贴热压而成；并且在铺贴的过程中，在过渡模的R区和拐角区域铺贴压条，工装的边缘余量区域采用相框式铺贴工装预浸料，并在对接缝的区域铺贴补缝长条。

2.根据权利要求1所述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，其特征在于：所述复合材料铺贴模的具体制备方法，包括如下步骤：

1）准备过渡模：通过机械加工的方式，制备一个上型面与复材零件型面完全一致并带有余量的过渡模，备用；

2）铺贴预浸料：先在步骤1）中准备的过渡模上型面涂一层脱模剂或覆盖一层脱模布，然后将剪裁成型的用于制备复合材料成型工装的工装预浸料按照预定的铺层顺序及层数铺贴在过渡模上；

3）预固化成型：待步骤2）中的工装预浸料铺贴完毕后，采用真空袋将其封装，并送入热压罐进行预固化成型；

4）边缘修整：将步骤3）中预固化成型的复合材料铺贴模脱模，在边缘划线标记，并覆盖背衬对产品表面防护，然后进行边缘打磨修整；

5）后固化成型：将步骤4）中边缘修整后得到的复合材料铺贴模再次送入热压罐或烘箱中，进行后固化成型；

6）安装框架：将经步骤5）后固化成型得到的复合材料铺贴模与支撑框架进行组装，即得到用于复材零件成型的复合材料成型工装。

3.根据权利要求2所述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，其特征在于：步骤2）中所述铺贴预浸料的具体内容包括：

a）铺贴压条：铺贴首层预浸料前，以过渡模的R角及拐角的楞线作为中线铺贴一条压条，以降低该区域的架桥和漏气风险；

b）铺贴边缘长条：铺贴每层工装预浸料时，先采用与该层同样厚度的工装预浸料制成的边缘长条沿余量区边缘线进行相框式铺贴，然后再进行内部的蒙皮区域铺贴；

c）铺贴工装预浸料片：复合材料铺贴模的蒙皮区域上下表层选用较薄的工装预浸料片进行铺贴，以保证型面；其上下表层之间的内部采用较厚的工装预浸料片进行铺贴；

d）铺贴补缝长条：在铺贴复合材料铺贴模内部较厚的工装预浸料时，在其对接缝的区域铺贴补缝长条，填补对接缝。

4.根据权利要求3所述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，其特征在于：a）项所述铺贴压条，该压条为较薄的工装预浸料制成的±45°压条，其宽度为20～60mm。

5.根据权利要求3所述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，其特征在于：b）项所述铺贴边缘长条，该边缘长条的宽度为20～80mm，每层至少铺贴两圈，相邻的边缘长条之间不允许搭接，其对接缝长度为≤1.5mm；且相邻两层间的边缘长条对接缝须至少错开20mm，允许每三层重复。

6.根据权利要求3所述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，其特征在于：c）项所述铺贴工装预浸料片，蒙皮区域的上下表层工装预浸料为1～3层，其总厚度为0.2～0.6mm；蒙皮区域铺贴的工装预浸料总厚度为4～6mm；所述预浸料片尺寸为250mm×250mm，铺贴方式为以铺贴面的中轴线为起始铺贴基准，由内向外进行铺贴；所述较薄的工装预浸料片为3k型预浸料制成，所述较厚的工装预浸料片为12k型预浸料制成；铺贴时第一层进行预压实，然后每增加3～5层进行压实一次，且压实的真空度不低于80kPa。

7.根据权利要求3所述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，其特征在于：d）项所述铺贴补缝长条，该补缝长条宽度为20~60mm，其为选用较薄的工装预浸料制作而成。

8.根据权利要求2所述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，其特征在于：步骤3）中所述预固化成型的压力为：0.41MPa～0.62MPa；温度为：升温速率为0.3～0.4℃/min，升温到65℃，保温12h。

9.根据权利要求2所述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，其特征在于：步骤5）中所述后固化成型的固化温度为：0.3℃～0.4℃/min升温到190℃，保温6h，降温到30℃开罐，总计18h。

10.根据权利要求2所述的防止复合材料成型工装漏气的工装制造方法，其特征在于：所述支撑框架为Q235钢或碳纤维方管材质制成；所述过渡模为金属过渡模，其为Q235钢制成。

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