CN114103169B

CN114103169B - 一种复合材料复杂框架整体成型工艺

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Publication number: CN114103169B
Application number: CN202111399604.4A
Authority: CN
Inventors: 李卓达; 田智立; 夏雅男; 刘雷波; 魏洪峰; 罗玲
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-11-19
Also published as: CN114103169A

Abstract

本发明涉及一种复合材料复杂框架整体成型工艺，涉及材料成型领域，包括以下步骤：通过插槽模具和连杆模具分别制作插槽部件和连杆部件的预压实件，插槽部件和连杆部件的预压实件固化度介于70％～80％；打磨插槽部件和连杆部件的预压实件；将插槽部件和连杆部件的预压实件放入整体成型模具中，并在整体成型模具内填充短切纤维预混料以制作边框部件；待短切纤维预混料和插槽部件和连杆部件的预压实件均固化后，通过脱模部件将边框部件、插槽部件和连杆部件整体顶出，本发明具有可以解决纤维树脂基复合材料复杂框架带连杆结构产品连杆难成型、机加工变形、产品整体刚度差的问题的优点。

Description

一种复合材料复杂框架整体成型工艺

技术领域

本发明涉及材料成型技术领域，尤其涉及一种复合材料复杂框架整体成型工艺。

背景技术

模压成型工艺是一种热固性复合材料成型方法，它是将一定量的模压料放入到模具型腔内，经加热、加压固化成型的方法。

纤维树脂基复合材料制品为各向异性材料，对于层合料制品，层间剪切强度差，使用短切纤维预混料可以提高器层间剪切强度，但由于缺少长连续纤维会降低弯曲模量，造成制品整体刚度指标下降。

碳纤维树脂基复合材料制品，由于基体树脂和成型金属模具的热不匹配，成型后的制品内部残余一定的内应力，机加工过程会释放一部分应力，对于非对称结构，机加工操作内应力释放不均匀，导致产品发生翘曲变形。

区别于传统金属材料，纤维树脂基复合材料在机加工过程中，纤维会对刀具产生较大磨损，对于含有连杆特征的制品，机加工铣削难以制得高精度连杆。使得复杂框架带连杆结构难以实现高精度整体成型。

因此，针对以上不足，需要提供一种复合材料复杂框架整体成型工艺。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决纤维树脂基复合材料复杂框架带连杆结构产品难成型、层间剪切强度不能与整体刚度协同调加及机加工引发的翘曲变形的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复合材料复杂框架整体成型工艺，包括以下步骤，

Ⅰ.通过插槽模具和连杆模具分别制作插槽部件和连杆部件的预压实件，插槽部件和连杆部件的预压实件固化度介于70％～80％；

II.打磨插槽部件和连杆部件的预压实件；

Ⅲ.将插槽部件和连杆部件的预压实件放入整体成型模具中，并在整体成型模具内填充短切纤维预混料以制作边框部件；

VI.待短切纤维预混料和插槽部件和连杆部件的预压实件均固化后，通过脱模部件将边框部件、插槽部件和连杆部件整体顶出。

作为对本发明的进一步说明，优选地，打磨完插槽部件和连杆部件的预压实件后，使用丙酮或无水乙醇擦拭干净。

作为对本发明的进一步说明，优选地，填充短切纤维预混料前，精确计算各区域的填料重量，并进行多步预压填充。

作为对本发明的进一步说明，优选地，短切纤维预混料选用10mm～40mm的纤维长度。

作为对本发明的进一步说明，优选地，插槽部件采用长连续纤维层合料，插槽部件的铺层序列为(45/0/0/-45)_4s。

作为对本发明的进一步说明，优选地，连杆部件采用长连续纤维层合料制作，连杆部件的铺层序列采用(0/45/90/-45)_s。

作为对本发明的进一步说明，优选地，使用插槽模具制作插槽部件时，将通槽杆放置在插槽底模上，再将插槽侧模摆放在通槽杆两侧的插槽底模上，随后将弧杆模块和插块模块分别插接在插槽侧模长度方向两端，然后将两块插槽顶模放置在插槽侧模顶部，插槽顶模长度方向两端抵接在弧杆模块和插块模块一侧，最后将插槽压模扣在插槽底模上，插槽压模包覆插槽侧模、弧杆模块、插块模块和插槽顶模；通过失蜡法或直接加压填充的方式将长连续纤维层合料填充至插槽模具的空腔内。

作为对本发明的进一步说明，优选地，使用连杆模具制作连杆部件时，将带有连杆模板嵌孔的连杆中模板放置在带有连杆下模块的连杆底模上，连杆下模块插入连杆模板嵌孔内；最后将带有连杆上模块的连杆顶模放置在连杆中模板上，连杆上模块插入连杆模板嵌孔内并与连杆下模块具有间隔。

作为对本发明的进一步说明，优选地，整体成型模具内设有带插槽定位杆的插槽底模，插槽部件插接在插槽定位杆上，插槽底模中部间隔插接有若干个嵌块，插槽部件和连杆部件均放置在嵌块之间的间隙内。

作为对本发明的进一步说明，优选地，脱模部件上设有若干根间隔分布的脱模杆，脱模杆底部固连有脱模底板，通过向脱模底板施压使脱模杆嵌入整体成型模具内，将固化后的边框部件、插槽部件和连杆部件顶出整体成型模具外。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明通过充分考虑铺层与脱模操作难度，将复杂框架中的连杆和插槽分别进行预压成型，最后再一体成型，能使复杂框架的成型合格率极大增加，并且保证层间剪切强度符合设计要求，相比现有的注塑成型和机加工，不仅成型难度低，而且成型合格率能够提高35％左右，更为经济实用。

附图说明

图1是本发明的边框部件结构图；

图2是本发明的插槽部件结构图；

图3是本发明的连杆部件结构图；

图4是本发明的插槽模具装配图；

图5是本发明的插槽模具分解图；

图6是本发明的连杆模具分解图；

图7是本发明的连杆顶模底面图；

图8是本发明的整体成型模具装配图；

图9是本发明的插槽侧模结构图；

图10是本发明的插槽顶模结构图；

图11是本发明的脱模部件结构图；

图12是本发明的复杂框架结构图。

图中：1、边框部件；11、插槽插口；2、插槽部件；21、插槽通槽；22、连杆插口；23、边框插块；24、弧杆；3、连杆部件；31、插槽插块；4、插槽底模；41、通槽杆；42、插槽侧模；43、弧杆模块；44、插块模块；45、插槽顶模；46、插槽压模；5、连杆底模；51、连杆下模块；52、连杆中模板；53、连杆模板嵌孔；54、连杆顶模；55、连杆上模块；6、整架底模；61、整架模具外框；62、边框顶模；63、嵌块；64、边框侧模；65、整架顶模；66、定位孔；67、边框底模；68、插槽定位杆；7、脱模底板；71、脱模杆；72、脱模顶板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动的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。

一种复合材料复杂框架整体成型工艺，结合图1-图3和图12，先根据设计的复杂框架结构特征进行分型设计，将其分成边框部件1、插槽部件2和连杆部件3，然后根据其受力特点进行铺层设计：

边框部件1为主要的框架结构，通过在侧边开设多个插槽插口11用于支撑多个插槽部件2，其侧向有打孔需求用于安装连接，层间剪切强度要求较高，采用短切纤维预混料制作，短切纤维预混料选用10mm～40mm的纤维长度,后续结合适当的填充方式，能有效提高边框部件1的层间剪切强度。

插槽部件2为长条状，其中部开设有插槽通槽21主要用于插拔模块设备，插槽通槽21的侧边及底边弯曲模量要求较高，则采用长连续纤维层合料制作，其铺层序列为(45/0/0/-45)_4s，通过选用合适的材料以及铺层序列，能够有效提高插槽部件2的刚度，相比使用同一种材料制作复杂框架，分材料的设计方式有效提高插槽部件2的使用寿命。插槽部件2两侧设有连杆插口22，用于安装连杆部件3。插槽部件2两端分别设有边框插块23和弧杆24，边框插块23和弧杆24均插接在边框部件1上以将插槽部件2固定在边框部件1上。

连杆部件3为方块状，连杆部件3两侧设有插槽插块31，插槽插块31嵌入连杆插口22内，以使连杆部件3连接在相邻的插槽部件2之间，主要起到支撑各个插槽部件2。因其受到插槽部件2的挤压和拉伸，则对其拉伸压缩强度要求较高，则采用长连续纤维层合料制作，铺层序列采用(0/45/90/-45)_s，可有效提高其抗变形能力，进而提高对插槽部件2的支撑性能。

确定分型设计后，根据边框部件1、插槽部件2和连杆部件3的结构特点制定具体的成型工艺，包括以下步骤：

Ⅰ.通过插槽模具和连杆模具分别制作插槽部件2和连杆部件3的预压实件。

结合图4、图5，插槽模具包括插槽底模4、通槽杆41、插槽侧模42、弧杆模块43、插块模块44、插槽顶模45和插槽压模46，通槽杆41放置在插槽底模4上用于产生插槽通槽21。两个插槽侧模42摆放在通槽杆41两侧的插槽底模4上，用于插槽部件2的主体和连杆插口22的成形，弧杆模块43和插块模块44分别插接在插槽侧模42长度方向两端，用于边框插块23和弧杆24的成形。两块插槽顶模45放置在插槽侧模42顶部，插槽顶模45长度方向两端抵接在弧杆模块43和插块模块44一侧，最后将插槽压模46扣在插槽底模4上避免长连续纤维层合料向上溢出。插槽压模46包覆插槽侧模42、弧杆模块43、插块模块44和插槽顶模45以使各个模具贴合紧实，避免产生缝隙使长连续纤维层合料溢出而导致插槽部件2外形不规整。最后通过直接加压填充的方式将长连续纤维层合料填充至上述模具围成的插槽模具的空腔内，待长连续纤维层合料固化度达到70％～80％时形成插槽部件2的预压实件。

其中为了保证各个模具拼接能够贴合，特别是通槽杆41与其他模具间距符合设计要求。可使用蜡模制成插槽部件2的外形放置在插槽底模4上，并使各个模具与蜡模贴合确保模具之间配合符合要求，最后通过失蜡法将长连续纤维层合料填充至上述模具围成的插槽模具的空腔内，待长连续纤维层合料固化度达到70％～80％时形成插槽部件2的预压实件。

结合图6、图7，连杆模具包括连杆底模5、连杆下模块51、连杆中模板52、连杆顶模54和连杆上模块55，若干个连杆下模块51间隔固连在连杆底模5上，连杆中模板52中部开设有若干个方形的连杆模板嵌孔53，若干个连杆上模块55间隔固连在连杆顶模54上，其中连杆下模块51和连杆上模块55中部均下陷有凹槽，用于连杆部件3的主体成型。使用连杆模具制作连杆部件时，将带有连杆模板嵌孔53的连杆中模板52放置在带有连杆下模块51的连杆底模5上，连杆下模块51插入连杆模板嵌孔53内；随后将带有连杆上模块55的连杆顶模54放置在连杆中模板52上，连杆上模块55插入连杆模板嵌孔53内并与连杆下模块51具有间隔，以用于成型插槽插块31。最后通过直接加压填充的方式将长连续纤维层合料填充至上述模具围成的连杆模具的空腔内，待长连续纤维层合料固化度达到70％～80％时形成连杆部件3的预压实件。

因连杆部件3外形较为规整，可应用到其他结构中，因此将连杆下模块51直接固连在连杆底模51上，以及将连杆上模块55固连在连杆顶模54上，减少模具数量的情况下使连杆部件3生产更为便捷，且单组连杆模具能同时制造多个连杆部件3，极大地节约工时，提高制造效率。

II.插槽部件2和连杆部件3的预压实件制成后，拆掉模具，打磨插槽部件2和连杆部件3的预压实件，去除毛边等使插槽部件2和连杆部件3表面光洁平整。然后使用丙酮或无水乙醇擦拭干净，避免残留杂质影响后续与边框部件1的连接强度，确保边框部件1和插槽部件2、插槽部件2和连杆部件3之间具有较高的胶粘质量。

Ⅲ.将插槽部件2和连杆部件3的预压实件放入整体成型模具中，并在整体成型模具内填充短切纤维预混料以制作边框部件1。

结合图8-图10，整体成型模具包括整架底模6、整架模具外框61、边框顶模62、嵌块63、边框侧模64、整架顶模65、边框底模67和插槽定位杆68，整架模具外框61放置在整架底模6上，边框底模67放置在整架模具外框61内并与整架底模6抵接，若干个嵌块63间隔插接在边框底模67上，边框底模67位于嵌块63之间插接有插槽定位杆68，插槽定位杆68可插入插槽通槽21内以固定插槽部件2。连杆部件3在插入插槽部件2的同时也嵌入在嵌块63之间，以进一步稳定连杆部件3的位置。边框顶模65放置在边框底模67上，边框侧模64放置在整架模具外框61内腔中，边框侧模64与边框顶模65顶端面抵接并将边框顶模65压向边框底模67，边框侧模64内侧面与边框底模67外侧面抵接，避免材料外溢。最后将整架顶模65放置在整架模具外框61上，整架顶模65上开设有若干个定位孔66，嵌块63可穿过边框顶模65插入定位孔66内，以进一步稳定各个嵌块63的位置，进而确保插槽部件2和连杆部件3摆放位置稳定。

在组好整体成型模具后，填充短切纤维预混料前，还需要精确计算各区域的填料重量，并进行多步预压填充，保证边框部件1各处密度的均一性。

VI.待短切纤维预混料和插槽部件2和连杆部件3的预压实件均固化后，通过脱模部件将边框部件1、插槽部件2和连杆部件3整体顶出，以形成如图12的复杂框架结构。

结合图10、图11，脱模部件包括脱模底板7、脱模杆71和脱模顶板73，若干根细长的脱模杆71间隔分布在脱模底板7上，脱模顶板73抵接在整架底模6底部，脱模杆71可穿过脱模顶板73和整架底模6与复杂框架接触。通过向脱模底板7施压使脱模杆71嵌入整体成型模具内，将固化后的边框部件1、插槽部件2和连杆部件3顶出整体成型模具外避免分块脱模造成产品脱模伤。

通过常规的整体成型方式，实验10件仅合格1件，其余有6件出现了结构弯曲的情况，有3件结构强度不足，不能满足设计要求。而本发明的方案实验10件合格8件，其余2件仅是因某几个插槽部件2和连杆部件3固化度超过80％而未粘连完全，或是低于70％在打磨时产生了一些形变。后续可在实际生产中更易掌握固化度的范围，进而提高实际生产的合格率。此外10件中未出现边框部件1或插槽部件2结构弯曲的情况，说明采用该成型方式，避免框架内部产生气泡或凹陷，有效去除了材料内应力，结合材料自身的物料性质，确保复杂框架具有符合设计要求的结构强度和刚度。

综上所述，本发明通过将复杂框架进行分型设计再分别成型，待分别成型的部件具有一定合理的固化度后，再组合一起填充其他材料进行整体成型，不仅确保复杂框架各个功能部件具有合格的结构强度，而且能在整体成型时具有较高的连接强度。避免了整体模压过程中不易填料，造成表面亏料，表面成型质量差的问题。而且不会产生较大的内应力，解决了难成型、层间剪切强度不能与整体刚度协同调加及机加工引发的翘曲变形的问题。而且成型过程简单且容易操作，降低了成型难度，进一步提高成型效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种复合材料复杂框架整体成型工艺，其特征在于：包括以下步骤，

Ⅰ.通过插槽模具和连杆模具分别制作插槽部件（2）和连杆部件（3）的预压实件，使用插槽模具制作插槽部件（2）时，将通槽杆（41）放置在插槽底模（4）上，再将插槽侧模（42）摆放在通槽杆（41）两侧的插槽底模（4）上，随后将弧杆模块（43）和插块模块（44）分别插接在插槽侧模（42）长度方向两端，然后将两块插槽顶模（45）放置在插槽侧模（42）顶部，插槽顶模（45）长度方向两端抵接在弧杆模块（43）和插块模块（44）一侧，最后将插槽压模（46）扣在插槽底模（4）上，插槽压模（46）包覆插槽侧模（42）、弧杆模块（43）、插块模块（44）和插槽顶模（45）；通过失蜡法或直接加压填充的方式将长连续纤维层合料填充至插槽模具的空腔内；使用连杆模具制作连杆部件（3）时，将带有连杆模板嵌孔（53）的连杆中模板（52）放置在带有连杆下模块（51）的连杆底模（5）上，连杆下模块（51）插入连杆模板嵌孔（53）内；最后将带有连杆上模块（55）的连杆顶模（54）放置在连杆中模板（52）上，连杆上模块（55）插入连杆模板嵌孔（53）内并与连杆下模块（51）具有间隔；插槽部件（2）和连杆部件（3）的预压实件固化度介于70%～80%；

Ⅱ. 打磨插槽部件（2）和连杆部件（3）的预压实件；

Ⅲ. 将插槽部件（2）和连杆部件（3）的预压实件放入整体成型模具中，并在整体成型模具内填充短切纤维预混料以制作边框部件（1）；

Ⅵ.待短切纤维预混料和插槽部件（2）和连杆部件（3）的预压实件均固化后，通过脱模部件将边框部件（1）、插槽部件（2）和连杆部件（3）整体顶出。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料复杂框架整体成型工艺，其特征在于：打磨完插槽部件（2）和连杆部件（3）的预压实件后，使用丙酮或无水乙醇擦拭干净。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料复杂框架整体成型工艺，其特征在于：填充短切纤维预混料前，精确计算各区域的填料重量，并进行多步预压填充。

4.根据权利要求3所述的一种复合材料复杂框架整体成型工艺，其特征在于：短切纤维预混料选用10mm～40mm的纤维长度。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料复杂框架整体成型工艺，其特征在于：插槽部件（2）采用长连续纤维层合料，插槽部件（2）的铺层序列为（45/0/0/-45）_4s。

6.根据权利要求1所述的一种复合材料复杂框架整体成型工艺，其特征在于：连杆部件（3）采用长连续纤维层合料制作，连杆部件（3）的铺层序列采用（0/45/90/-45）_s。

7.根据权利要求1所述的一种复合材料复杂框架整体成型工艺，其特征在于：整体成型模具内设有带插槽定位杆（68）的边框底模（67），插槽部件（2）插接在插槽定位杆（68）上，边框底模（67）中部间隔插接有若干个嵌块（63），插槽部件（2）和连杆部件（3）均放置在嵌块（63）之间的间隙内。

8.根据权利要求1所述的一种复合材料复杂框架整体成型工艺，其特征在于：脱模部件上设有若干根间隔分布的脱模杆（71），脱模杆（71）底部固连有脱模底板（7），通过向脱模底板（7）施压使脱模杆（71）嵌入整体成型模具内，将固化后的边框部件（1）、插槽部件（2）和连杆部件（3）顶出整体成型模具外。