CN113997598A - 复合材料薄壁加强筋成型模具及加强筋一体成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料薄壁加强筋成型模具及加强筋一体成型方法，该成型模具采用组合模具的结构形式，主体结构包括金属阳模、蒙皮层和加强筋成型阳模，蒙皮层是利用金属阳模作为成型表面，将纤维预浸料铺贴在金属阳模上经固化而成；加强筋成型阳模材质采用高强度泡沫，采用结构胶与纤维复材蒙皮层连接。本发明应用于复合材料成型技术领域，采用金属和泡沫组合的结构形式与传统全金属结构模具相比，其模具结构简单，加工周期短，加工精度高，加工成本低，为复杂薄壁结构的复合材料加强筋的制备提供了一条低成本、实用性高的途径。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料成型技术领域，具体是一种复合材料薄壁加强筋成型模具及加强筋一体成型方法。
背景技术
与传统的金属材料相比，纤维增强复合材料具有质量轻、可设计性强、高比模量、高比强度、耐腐蚀性，耐疲劳性能好等优点，因此其在航天航空、船舶、汽车、体育和风电等行业应用得到广泛应用。复合材料制品成型工艺与传统的金属材料制造工艺最大的区别在于，复合材料成型与制品成型同时完成，即复合材料的生产过程也是制品的成型过程。通常而言，复合材料的成型需要依靠模具来完成，模具决定了复材制件的几何外形，明确了与其他零部件的关系，在很大程度上影响着制品的内部质量和表面状态，因此模具在复合材料制品制造过程中起着非常关键的作用。
常见的复合材料成型工艺包括:真空袋压成型、热压罐成型、模压成型、缠绕成型、真空灌注成型等，不同的成型方法其模具的结构形式各不相同，常见的模具结构形式包括金属框架式模具、金属组合模具、膨胀或收缩模具。
复合材料薄壁结构的加强筋是复合材料制品中常见的结构，对于主承力复材结构件而言，通常要求加强筋整体成型，以保证结构的安全、可靠。复杂薄壁结构加强筋是一类厚度尺寸远小于其它方向尺寸的变曲率空间曲面结构的加强筋，其成型模具的制造难度非常大，主要体现在：
成型模具的结构非常复杂，综合考虑脱模、成型工艺等因素，模具结构采用组合模具的形式，对组合模具各部分的定位、配合及模具的刚度、强度、型面精度及气密性等有很高的要求；
对于传统的金属组合模具，一方面，细长金属筋条的加工过程周期长、加工成本高，加工时会出现筋条变形，导致金属筋条之间以及金属筋条和主体结构无法顺利装配的情况；另一方面，主体结构上和金属筋条的连接孔会影响模具的气密性，在制件成型过程中需专门对连接孔进行密封处理。
发明内容
基于传统的全金属材料组合模具存在加工周期长，加工成本高，金属筋条容易变形，模具连接孔需专门进行密封等不足之处，针对传统复杂薄壁结构加强筋成型模具存在的缺陷，本发明提供一种复合材料薄壁加强筋成型模具及加强筋一体成型方法，将金属筋条采用热定型泡沫材料代替，泡沫坯体采用粘接方式和金属阳模连接，因此不需要在金属阳模上设置连接孔，避免了连接孔处的密封处理操作。另外，相对金属材料而言，泡沫材料硬度低，加工效率远高于金属材料，但泡沫材料的热收缩严重，可通过一定的高温处理方式提高泡沫在高温条件下的尺寸稳定性。采用泡沫筋条和金属阳模组合方式的成型模具，加工周期短，加工成本低，成型制品质量好。
为实现上述目的，本发明提供一种复合材料薄壁加强筋成型模具，包括金属阳模、蒙皮层与加强筋成型阳模，所述金属阳模上具有弧面结构的凸起；
所述蒙皮层覆盖在所述凸起上，所述筋条成型阳模为由高强度泡沫材料制成的弧面网状结构，且所述加强筋成型阳模通过结构胶或胶膜与所述蒙皮层固定相连。
在其中一个实施例，所述加强筋成型阳模的成型过程为：
先将泡沫进行热压定形处理后，进行数控加工得到泡沫坯体，使其成为曲率符合要求的圆形曲面结构；
再将圆形曲面结构的泡沫坯体分割成若干扇形曲面结构的分瓣坯体，并将各所述分瓣坯体在蒙皮层上拼接成圆形曲面结构，其中，每一所述分瓣坯体通过结构胶或胶膜与所述蒙皮层固定相连；
对蒙皮层上的各分瓣坯体进行数控加工，得到所需构型的加强筋成型阳模。
在其中一个实施例，所述泡沫坯体的材料为聚氯乙烯、聚氨酯、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酰亚胺，其泡沫密度60-200kg/m3。
在其中一个实施例，所述热压定形处理过程中的温度为100-150℃，压力为0.5-0.7Mpa。
在其中一个实施例，所述蒙皮层的厚度为0.3-1mm；
在其中一个实施例，所述蒙皮层为由纤维增强环氧树脂预浸料、纤维增强不饱和聚酯树脂预浸料、纤维增强氰酸酯预浸料、纤维增强酚醛树脂预浸料中的一种或多种在所述凸起表面铺叠后，采用袋压成型工艺、热压罐成型工艺或模压工艺固化制得，其中，在材料铺叠过程中采用单向、正交或准各向同性进行铺层。
在其中一个实施例，所述加强筋成型阳模与所述蒙皮层之间粘接的结构胶为环氧结构胶、氰酸酯结构胶或酚醛结构胶中的一种或多种；
所述加强筋成型阳模和所述蒙皮层之间的粘接固化与所述蒙皮层的成型一起共固化，或所述加强筋成型阳模和所述蒙皮层之间的粘接固化在蒙皮层成型后进行单独固化。
在其中一个实施例，所述金属阳模材质为Q235钢或45#钢或P20钢及铝合金，其模具型面精度RMS＜0.5mm，表面粗糙度Ra＜3.2。
为实现上述目的，本发明还提供一种复合材料薄壁加强筋一体成型方法，所述复合材料薄壁加强筋为由若干弧形杆组成的弧形网状结构，每一所述弧形杆的截面为拱状结构且底部两侧具有向外延伸的翻边，拱状区的截面为三角形、矩形、多边形或半圆形中的一种，其中开口尺寸b大于等于水平截面最大弦长a，翻边宽度c为5-20mm，典型壁厚T≤5mm。采用上述复合材料薄壁加强筋成型模具，具体包括以下步骤；
模具准备：在加强筋成型模具上预先铺覆一层脱模布，脱模布材质为铁氟龙或聚酯，脱模布厚度为0.01-0.1mm；
铺叠：将加强筋成型预浸料按照铺层设计要求逐层铺叠在加强筋成型模具表面，其中，每铺叠3-10层对加强筋成型预浸料抽一次真空，抽真空时间为10-20min；
封装：在加强筋成型预浸料上依次铺放有孔隔离膜、透气毡、真空抽嘴和真空袋，利用密封胶条将真空袋粘附在金属阳模上，通过外接的真空系统将加强筋成型预浸料抽实，关闭真空后，袋内真空度在10min内真空度下降不超过0.015Mpa；
固化：根据加强筋成型预浸料中树脂的固化特性选择固化参数，其中，固化温度为70-200℃，成型压力为0.1-4MPa，固化时间为0.5-8h，采用多段保温保压的方式进行固化；
脱模：固化后去除辅助材料后将蒙皮层从金属阳模脱出，再沿着蒙皮层径向将其和制件分开，最后去除加强筋成型阳模的泡沫筋条后即可得到一体固化的所述复合材料薄壁加强筋。
在其中一个实施例，所述复合材料薄壁加强筋与所述与蒙皮层的材料一致。
相较于现有技术，本发明提供的一种复合材料薄壁加强筋成型模具及加强筋一体成型方法，具有如下有益技术效果：
1.可解决产品一体成型工艺中脱模困难的问题，产品的外形通过泡沫材质的加强筋成型阳模及金属阳模型面保证，利用抽真空及施加外部气压均匀压实加强筋成型预浸料铺层，保证了产品良好内部质量，可达到GJB 2895-97中所规定的内部缺陷B级及以上的要求；
2.对于不同厚度及各类异形截面的复杂薄壁加强筋均可以一次成型，工艺可实施性强，模具结构形式简单，模具制造效率高、成本低，产品质量稳定性好；
3.对于真空袋压成型工艺、热压罐成型工艺和真空灌注工艺均有较好的适用性；
4.具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中复合材料薄壁加强筋成型模具的结构示意图；
图2为本发明实施例中复合材料薄壁加强筋的结构示意图；
图3为本发明实施例1中复合材料薄壁加强筋的拱形截面剖视图；
图4为本发明实施例2中复合材料薄壁加强筋的拱形截面剖视图。
附图标号：金属阳模1、蒙皮层2、加强筋成型阳模3、复合材料薄壁加强筋4、。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
如图1所示为本实施例公开的一种复合材料薄壁加强筋成型模具，为组合模具结构，其材质包括金属、纤维复材和泡沫材料。具体包括金属阳模1、蒙皮层2与加强筋成型阳模3，金属阳模1上具有弧面结构的凸起。蒙皮层2覆盖在凸起上，筋条成型阳模为由高强度泡沫材料制成的弧面网状结构，且加强筋成型阳模3通过结构胶与蒙皮层2固定相连。
加强筋成型阳模3的成型过程为：
先将泡沫进行热压定形处理后，进行数控加工得到泡沫坯体，使其成为曲率符合要求的圆形曲面结构，其中，热压定形处理过程中的温度为100-150℃，压力为0.5-0.7Mpa；
再将圆形曲面结构的泡沫坯体分割成若干扇形曲面结构的分瓣坯体，并将各分瓣坯体在蒙皮层2上拼接成圆形曲面结构，其中，每一分瓣坯体通过结构胶与蒙皮层2固定相连；
对蒙皮层2上的各分瓣坯体进行数控加工，得到所需构型的加强筋成型阳模3。
具体地，加强筋成型阳模3材质为PMI泡沫，泡沫密度110kg/m3，热定型温度为150℃，压力为0.3MPa。分瓣坯体与蒙皮层2之间的结构胶为液态的环氧树脂J-133。
蒙皮层2采用环氧树脂/T300单向预浸料体系，蒙皮层2预浸料的单层厚度为0.125mm，面密度约125g/m2，蒙皮层2厚度为0.5mm，铺层顺序为[0]2s，采用真空袋压成型工艺。
金属阳模1材质为45#钢，其模具型面精度RMS＝0.2mm，表面粗糙度Ra＝1.6。
基于上述复合材料薄壁加强筋成型模具，本实施例还公开了一种复合材料薄壁加强筋4一体成型方法，参考图2，该复合材料薄壁加强筋4为由若干弧形杆组成的弧形网状结构，每一弧形杆的截面为拱状结构且底部两侧具有向外延伸的翻边，拱状区的截面为图3所示的矩形，其中开口尺寸b等于水平截面最大弦长a，翻边宽度c为10mm，复合材料薄壁加强筋4的材料体系为上述蒙皮层2所用环氧树脂/T300单向预浸料，采用热压罐固化工艺成型典型壁厚为2mm的薄壁结构加强筋，具体包括以下步骤；
模具准备：在加强筋成型模具上预先铺覆一层脱模布，脱模布材质为铁氟龙或聚酯，脱模布厚度为0.01-0.1mm；
铺叠：将上述环氧树脂/T300单向预浸料铺覆在加强筋成型模具表面，每铺贴4层打真空袋抽一次真空，抽真空时间为20min，铺层顺序为[0/+45/90/-45]2s，总铺层数为16层；
封装：在环氧树脂/T300单向预浸料上依次铺放有孔隔离膜、透气毡、真空抽嘴和真空袋，利用密封胶条将真空袋粘附在金属阳模1上，通过外接的真空系统将加强筋成型预浸料抽实，关闭真空后，袋内真空度在10min内真空度下降0.01Mpa；
固化：将上述坯体置于热压罐固化，固化制度为：75℃保温30分钟，压力0.1Mpa+120℃保温3小时，压力0.5Mpa；
脱模：冷却至室温后，依次去除辅助材料、蒙皮层2和强筋成型阳模的泡沫筋条后得到复合材料薄壁加强筋4的毛坯制件。
本实施例制得的复合材料薄壁加强筋4，经测试，壁厚为1.83-1.92mm，内部缺陷符合GB2895中的B级要求。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：所制备的复合材料加强筋拱状区的截面为半圆形，所用的预浸料体系为环氧树脂/玻璃纤维，泡沫材质采用PM泡沫，其它的模具结构形式、模具成型步骤和制件的成型工艺与实施例1相同，具体结构如图4所示。本实施例制得的复合材料薄壁加强筋4，经测试，壁厚为2.01-2.13mm，内部缺陷符合GB2895中的B级要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种复合材料薄壁加强筋成型模具，其特征在于，包括金属阳模、蒙皮层与加强筋成型阳模，所述金属阳模上具有弧面结构的凸起；
所述蒙皮层覆盖在所述凸起上，所述筋条成型阳模为由高强度泡沫材料制成的弧面网状结构，且所述加强筋成型阳模通过结构胶或胶膜与所述蒙皮层固定相连。
2.根据权利要求1所述复合材料薄壁加强筋成型模具，其特征在于，所述加强筋成型阳模的成型过程为：
先将泡沫进行热压定形处理后，进行数控加工得到泡沫坯体，使其成为曲率符合要求的圆形曲面结构；
再将圆形曲面结构的泡沫坯体分割成若干扇形曲面结构的分瓣坯体，并将各所述分瓣坯体在蒙皮层上拼接成圆形曲面结构，其中，每一所述分瓣坯体通过结构胶或胶膜与所述蒙皮层固定相连；
对蒙皮层上的各分瓣坯体进行数控加工，得到所需构型的加强筋成型阳模。
3.根据权利要求2所述复合材料薄壁加强筋成型模具，其特征在于，所述泡沫坯体的材料为聚氯乙烯、聚氨酯、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酰亚胺，其泡沫密度60-200kg/m3。
4.根据权利要求2所述复合材料薄壁加强筋成型模具，其特征在于，所述热压定形处理过程中的温度为100-150℃，压力为0.5-0.7Mpa。
5.根据权利要求1或2或3或4所述复合材料薄壁加强筋成型模具，其特征在于，所述蒙皮层的厚度为0.3-1mm。
6.根据权利要求1或2或3或4所述复合材料薄壁加强筋成型模具，其特征在于，所述蒙皮层为由纤维增强环氧树脂预浸料、纤维增强不饱和聚酯树脂预浸料、纤维增强氰酸酯预浸料、纤维增强酚醛树脂预浸料中的一种或多种在所述凸起表面铺叠后，采用袋压成型工艺、热压罐成型工艺或模压工艺固化制得，其中，在材料铺叠过程中采用单向、正交或准各向同性进行铺层。
7.根据权利要求6所述复合材料薄壁加强筋成型模具，其特征在于，所述加强筋成型阳模与所述蒙皮层之间粘接的结构胶为环氧结构胶、氰酸酯结构胶或酚醛结构胶中的一种或多种；
所述加强筋成型阳模和所述蒙皮层之间的粘接固化与所述蒙皮层的成型一起共固化，或所述加强筋成型阳模和所述蒙皮层之间的粘接固化在蒙皮层成型后进行单独固化。
8.根据权利要求1或2或3或4所述复合材料薄壁加强筋成型模具，其特征在于，所述金属阳模材质为Q235钢或45#钢或P20钢及铝合金，其模具型面精度RMS＜0.5mm，表面粗糙度Ra＜3.2。
9.一种复合材料薄壁加强筋一体成型方法，所述复合材料薄壁加强筋为由若干弧形杆组成的弧形网状结构，每一所述弧形杆的截面为拱状结构且底部两侧具有向外延伸的翻边，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述复合材料薄壁加强筋成型模具，具体包括以下步骤；
模具准备：在加强筋成型模具上预先铺覆一层脱模布，脱模布材质为铁氟龙或聚酯，脱模布厚度为0.01-0.1mm；
铺叠：将加强筋成型预浸料按照铺层设计要求逐层铺叠在加强筋成型模具表面，其中，每铺叠3-10层对加强筋成型预浸料抽一次真空，抽真空时间为10-20min；
封装：在加强筋成型预浸料上依次铺放有孔隔离膜、透气毡、真空抽嘴和真空袋，利用密封胶条将真空袋粘附在金属阳模上，通过外接的真空系统将加强筋成型预浸料抽实，关闭真空后，袋内真空度在10min内真空度下降不超过0.015Mpa；
固化：根据加强筋成型预浸料中树脂的固化特性选择固化参数，其中，固化温度为70-200℃，成型压力为0.1-4MPa，固化时间为0.5-8h，采用多段保温保压的方式进行固化；
脱模：固化后去除辅助材料后将蒙皮层从金属阳模脱出，再沿着蒙皮层径向将其和制件分开，最后去除加强筋成型阳模的泡沫筋条后即可得到一体固化的所述复合材料薄壁加强筋。
10.根据权利要求9所述复合材料薄壁加强筋一体成型方法，其特征在于，所述复合材料薄壁加强筋与所述与蒙皮层的材料一致。
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