CN114506095B - 一种用于制作帽型增强构件的芯模 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制作帽型增强构件的芯模。芯模能够被铺设在长桁的长桁内腔中，使得所述长桁和贴附在长桁内腔开口处的蒙皮能够成型为所述帽型增强构件。该芯模包括形成芯模内腔的真空袋层和设置于真空袋层外表面之外的隔离层，其中，所述真空袋层的厚度被配置成能够在常温状态下维持所述芯模的形状，并且所述隔离层由不粘连所述长桁内腔的弹性材料制成。本发明的芯模无须借助外物就能够维持截面形状，同时在长度方向又有足够的随形能力。固化完成后，芯模所具备的弹性使其便于脱模。
Description
技术领域
本发明涉及飞机结构件成型领域，涉及一种用于制作帽型增强构件的芯模。
背景技术
碳纤维树脂基复合材料具有优异的性能。随着飞机相关构件的性能要求的不断提高，航空航天领域的结构件越来越多采用碳纤维树脂基复合材料来制造。由于帽型(或Ω型)结构件的稳定性好，轴线载荷传递效率高，因此其被广泛运用于航空航天领域。特别地，大型客机的机身桶段基本都采用帽型长桁加筋壁板结构。
帽型长桁加筋壁板一般采用热压罐工艺制成。具体而言，未固化或部分固化的长桁与蒙皮首先进行组合以形成具有封闭空间的预制品。其中，根据不同情况，工作人员可以在长桁与蒙皮组合前或组合后，在长桁内腔中放置能够填充封闭内腔的芯模。随后，利用芯模对于封闭空间的内部加压以使得封闭空间的内、外环境都处于高压环境，从而对预制品加压、加热以将预制品固化成帽型长桁加筋壁板。
预制品的封闭空内的加压方式含有两种，一种方案是利用芯模升温后的膨胀力对帽型长桁内腔实现加压；另一种方案是将芯模与热压罐连接，热压罐提供的高压空气能够对帽型长桁内腔实现加压。
现有的芯模被分成三类：金属芯模(含合金芯模)、橡胶芯模(含实心或中空结构的橡胶芯模)、管状真空袋。
金属芯模通过热膨胀对帽型长桁内腔进行固化加压。橡胶芯模的优点在于，其可保证制得的零件的成型表面质量好；缺点在于，当零件固化成形后，其难以从零件的内腔中抽出，同时其在抽出过程中容易损伤零件。因此，该类型的芯模在实际生产中越来越少被应用。
实心橡胶芯模也是利用热膨胀对零件进行加压。由于实心橡胶芯模的热膨胀系数难以预测，且在多个制造周期后膨胀特性还会发生改变，因此工作人员难以准确控制实心橡胶芯模所能提供的压力环境。除此之外，实心橡胶芯模也难以从固化后的零件的内腔中抽出。
空心橡胶芯模应用较为广泛，其两端与热压罐提供的高压空气环境连通。空心橡胶芯模的优点在于，其能够保证零件内腔的各处固化压力均匀；缺点在于，该类型的芯模的制造成本较高，可靠性差，重复利用率极低，在使用过程中存在破损泄露的风险。对于大尺寸或结构复杂的帽型构件，其内腔较为复杂，因此该类芯模也难以被抽出。对于有机硅橡胶芯模，还可能污染复合材料，对粘接和涂装产生不利影响。
管状真空袋是将高分子薄膜封闭成管状，并通过与具有高压气体的热压罐连通而对帽型长桁内腔实现加压目的。该类芯模的优点是成本低、零件固化压力均匀。缺点是真空袋较薄，自身气密很难保证，后续与零件组装过程中也容易发生破损，零件固化时易出现真空泄漏。此外，由于管状真空袋非常柔软，无法维持形状，为了与帽型长桁内腔较好匹配，通常需借助外物将管状真空袋支撑并对真空袋进行整理，以避免真空袋在帽型长桁腔内发生架桥或扭折。在此情况下，管状真空袋的芯模方案操作较复杂且风险较大，零件制造难以转化为自动化作业。
发明内容
鉴于芯模的上述现状，本发明的目的之一在于提供一种用于制作帽型增强构件的芯模，其能够有效简化零件制造过程，降低零件制造成本。
该目的通过本发明以下形式的设备来实现。其中，所述芯模能够被铺设在长桁的长桁内腔中，使得所述长桁和贴附在长桁内腔开口处的蒙皮能够成型为所述帽型增强构件。该芯模包括形成芯模内腔的真空袋层和设置于真空袋层外表面之外的隔离层，其中，所述真空袋层的厚度被配置成能够在常温状态下维持所述芯模的形状，并且所述隔离层由不粘连所述长桁内腔的弹性材料制成。
真空袋层由具有弹性的隔离层包裹，使得芯模具有类似于空心橡胶芯模的弹性。真空袋层具有较大的厚度，因此其可足以维持芯模的形状，便于将芯模的运输，以及在固化作用完成的脱模作业。同时，真空袋层本身还具有一定的弹性作用，其内部受压力作用后可以发生变形，，芯模因此可以保证在芯模内腔加压后，芯模的外表面能够良好地贴附在长桁的内表面上，避免芯模在长桁内腔中发生架桥或扭折。
此外，得益于不会与长桁内腔发生粘连的隔离层，在固化作业完成后，降温到常规温度的真空袋层自然收缩并带动隔离层自然地从长桁内腔上脱离，因此芯模容易被抽离。
综上，在使用过程中，本申请的芯模不需借助外物就能够维持截面形状，同时在长度方向又有足够的随形能力，在成型厚度有变化或有曲率的壁板时，芯模可以随着壁板型面上下起伏或扭转。
根据本发明的一种优选实施方式，所述芯模的芯模侧壁朝内形成为凹陷部，使得当所述芯模内腔处于高压环境时，所述芯模侧壁能够发生变形而紧密贴合于所述帽型增强构件的内表面。该凹陷部使得帽型增强构件固化过程中，芯模有一定的延伸余量，进一步避免芯模产生架桥的风险。
根据本发明的一种优选实施方式，所述芯模的横截面小于所述长桁内腔的横截面，使得当芯模被铺设在长桁内腔后，所述芯模的外表面和长桁内腔之间能够形成间隙。
根据本发明的一种优选实施方式，所述凹陷部沿所述芯模侧壁的长度方向延伸。
根据本发明的一种优选实施方式，所述芯模的两个相对的芯模侧壁上均设有所述凹陷部。
根据本发明的一种优选实施方式，所述凹陷部彼此对称地设置在所述芯模的两个芯模侧壁上。
根据本发明的一种优选实施方式，所述凹陷部呈弧形构造或折角构造。
根据本发明的一种优选实施方式，所述真空袋层由尼龙或热塑性弹性体制成。
根据本发明的一种优选实施方式，所述隔离层由氟化乙烯丙烯共聚物或氟化乙烯丙烯共聚物制成。
根据本发明的一种优选实施方式，所述芯模的壁厚在0.1mm到0.3mm的范围内。
本发明此外还涉及一种利用上述任一项芯模制作帽型增强构件的方法，该方法包括以下步骤：
铺设蒙皮，将蒙皮贴合地铺设在成型工装上；
铺设长桁，倒扣长桁使长桁的开口朝上，并在所述长桁用于与蒙皮接触的底面添加胶膜；
铺设芯模，在长桁的长桁内腔中铺设芯模；
定位胶接，将铺设了芯模的长桁和蒙皮进行定位并胶接，使得铺设了芯模的长桁贴附在蒙皮而与所述蒙皮共同形成帽型增强构件预成品；
封装，对蒙皮与以及长桁进行打袋封装，并将芯模内腔与外界真空袋密封地对接以对芯模内腔进行加压，使得芯模侧壁发生变形而紧密贴合在所述长桁内腔的内壁上；
热压固化，保持所述芯模内腔的高压环境，并对所述帽型增强构件预成品进行热压固化；
脱模，待所述帽型增强构件预成品固化、降压、冷却而使得所述芯模恢复原状后，将所述芯模从所述内腔中抽离。
根据本发明的一种优选实施方式，所述方法还包括介于铺设芯模步骤和定位胶接步骤之间的铺设捻子条，其中，在铺设捻子条的步骤中，捻子条被铺设在在所述长桁内腔的开口处使得长桁在开口处于蒙皮之间不形成间隙。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选实施方式，可任意组合，即得本发明各较佳实例。通过阅读下列的附图和详细描述本领域技术人员可理解本发明的其他系统、方法、特征和优点。目的是所有这种额外的系统、方法、特征和优点包括在本说明书中和本发明内容中，且包括在本发明的范围内，并被所附权利要求保护。
附图说明
为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。
图1是长桁的结构示意图。
图2是根据本发明的优选实施方式的芯模的截面示意图。
图3是将铺设了图2所示芯模的帽型增强构件的结构示意图。
图4是图3的截面示意图。
图5、6是以图4的截面方向的示出铺设了其他替代性芯模的帽型增强构件的截面示意图。
图7、8是处于铺设芯模步骤的长桁的截面示意图，其中图7、8中的长桁内腔中铺设了不同形式的芯模。
图9示出了处于铺设蒙皮步骤的蒙皮的示意图。
图10示出了封装完毕后的飞机壁板的结构示意图。
具体实施方式
接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。在以下的具体描述中，例如“上”、“下”、“内”、“外”、“纵”、“横”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
为了便于展示，图1示出了开口朝上的长桁10。图1所示长桁10用于形成根据本公开的一种帽型增强构件。长桁10为大致呈“Ω”形的帽型长桁10。长桁10的板材限定用于放置本公开的芯模20的长桁内腔11以及由长桁内腔11的开口处向两侧延伸的长桁底边12。
在图1的示例中，长桁内腔11形成为底边为开口的等边梯形形状。
参见图2，其示出了用于与图1的长桁10配合的芯模20。该芯模20包括形成芯模内腔23的真空袋层21和设置于真空袋层21外表面之外的隔离层22，其中，隔离层22由不粘连所述长桁内腔11的弹性材料制成。
可选地，真空袋层21的具有较大的厚度，使得真空袋层21能够在常温状态下维持芯模20的形状。真空袋层21由尼龙或热塑性弹性体(TPE)制成，其具有一定的弹性。真空袋层21的壁厚优选地设置成不低于0.075mm，例如0.08mm、0.2mm等等，最优选地，该壁厚被设定为0.15mm。相较于现有技术中的管状真空袋，根据本公开的真空袋层21具有更大的厚度，因而具有一定的刚度，使得真空袋层21的内部无须借助额外的支撑物也能维持其形状。
隔离层22由氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)或氟化乙烯丙烯共聚物(ETFE)制成。该材料可使得芯模20在其表面未进行额外处理的情况下易于从帽型增强构件的内腔中脱离，从而便于芯模20的脱模。
根据本发明，隔离层22的壁厚具有较小的厚度(低于真空袋层21的壁厚)。优选地，隔离层22的壁厚尺寸应使得芯模20的总体壁厚在0.025mm到0.05mm的范围内。有利的是，在该壁厚尺寸范围内，芯模20能够保有合适的刚度。在使用过程中，芯模20无须借助外物就能够维持截面形状，同时在长度方向又有足够的随形能力。在成型厚度有变化或有曲率的帽型增强构件时，芯模20可以随着帽型增强构件的内腔型面上下起伏或扭转，从而便于成型帽型增强构件并在固化完成后从帽型增强构件的内腔中抽出。
芯模20的真空袋层20和隔离层22之间可通过树脂类的粘合剂进行粘接。真空袋层20和隔离层22之间的粘合剂树脂层具有较小厚度，其可以最大限度上避免对真空袋层20、隔离层22的原有性能造成影响。
根据本公开，真空袋层20的拉伸延伸率和拉伸强度在设置在较高水平。具体地，拉伸延伸率被设置成不低于400％，拉伸强度被设置成不低于50MPa以上，由此可以有效保证芯模20的强度，使用过程不易破损。
通过以上设置，芯模20能够综合各真空袋层21、隔离层22的性能优势，保证芯模20易于具有适当的支撑强度，同时具有良好的弹性变形能力。
芯模20的横截面应小于长桁内腔11的横截面。在芯模20被放置在长桁内腔11后，芯模20和长桁内腔11之间还留有些许如图4所示的间隙D。芯模20和长桁内腔11之间的间隙D允许芯模内腔23加压后膨胀。
有利地，芯模20的芯模侧壁22A、22B朝内形成为凹陷部24。当芯模内腔23处于高压环境时，芯模侧壁22A、22B能够发生变形而紧密贴合于帽型增强构件的内表面。该凹陷部24使得帽型增强构件固化过程中，芯模20有一定的延伸余量，进一步避免芯模20产生架桥的风险。
在一些优选实施例中，芯模侧壁22A、22B上的凹陷部24的形状应保证芯模20的横截面的周长不小于对应的帽型增强构件内腔截面的周长。
优选地，如图3所示，芯模侧壁22A、22B上的凹陷部24沿芯模侧壁22A、22B的长度方向延伸而形成连续的条状凹陷部24。图3所示的凹陷部24为直线形的条状凹陷部24，事实上，其可替换为波浪形凹陷部等总体上沿芯模侧壁22A、22B的长度方向延伸的其他形状。
参见图4所示的铺设了芯模20的帽型增强构件的横截面示意图，凹陷部24被设置在芯模20的两个相对的芯模侧壁22A、22B上，并且优选地，凹陷部24彼此对称地设置在芯模20的两个芯模侧壁22A、22B上。
芯模侧壁22A、22B的凹陷部24可选地设置为如图2、4所示的弧形构造、图5所示的弧形构造24A或者图6所示的折角构造24B。图2-5的弧形构造的中心线优选与对应侧的长桁侧壁所在平面垂直。在芯模内腔23注入高压气体后，形成凹陷部24、24A、24B的两侧侧壁(第一芯模侧壁22A)能被高压气体挤压，使得紧邻第一芯模侧壁22A的侧壁(第二芯模侧壁22B)朝向长桁内腔11的内表面，并顺着长桁10侧壁移动而使得芯模20的上表面贴合长桁10的顶部，下表面贴合蒙皮30。
优选地，凹陷部采用图2、4所示的喇叭口形式的凹陷部24，也即，由开口至底部渐缩且圆滑过渡的凹陷部24。结合图2，在芯模20被铺设在长桁内腔11后，位于上侧的第一芯模侧壁22A更快速、均衡将上侧的第二芯模侧壁22B、芯模20的上表面挤向长桁内腔11的上表面，而下侧的第一芯模侧壁22A则将下侧的第二芯模侧壁22B、芯模20的下表面挤向蒙皮30的上表面。
可选地，芯模20朝向蒙皮30的底部的拐角部位25可设置成图4-7所示的尖角形式，或者如图5所示的弧形形式。
以下以成形飞机的机身壁板为例，结合附图说明帽型增强构件的成形过程。帽型增强构件的成形过程可按照以下步骤进行：
1.铺设蒙皮30：如图将蒙皮30贴合地铺设在成型工装50上。对于飞机机身而言，成型工装50上用于铺设蒙皮30的表面大致呈圆弧形。蒙皮30可通过常规的铺丝设备来铺设。在该步骤中的蒙皮30为未经过固化处理的材料，其具有易弯曲的特性。
2.铺设长桁10，倒扣长桁10使其开口如图1所示朝上，并在长桁10用于与蒙皮30接触的底面(即长桁底边12的表面)添加胶膜。需要说明的是，该步骤中的长桁10事先经过固化处理，其具有较强的结构强度。
3.铺设芯模20，在图1所示的开口朝上的长桁10的长桁内腔11中铺设芯模20。长桁10及芯模20此时如图7所示，二者之间留有些许间隙。所铺设的芯模20长度长于对应的长桁10。芯模20铺设完成后，其两端从长桁10的两端外露。
一般地，如图10所示，单块蒙皮30上铺设有多个长桁10。
4.定位胶接，将铺设了芯模20的长桁10和蒙皮30进行定位并胶接，使得铺设了芯模20的长桁10贴附在蒙皮30而进入图4、10状态。可以理解，长桁10此时与蒙皮30共同形成帽型增强构件预成品。
5.封装，对蒙皮30与以及长桁10进行打袋封装，并将芯模内腔23与外界真空袋(未示出)密封地对接以对芯模内腔23进行加压，使得芯模侧壁22A、22B发生变形而紧密贴合在长桁内腔11的内壁上。外界真空袋可通过图3所示的从长桁10外露的芯模20部分密封连接。打袋封装后，芯模内腔23和真空袋之间形成封闭空间。
6.热压固化，保持芯模内腔23的高压环境，并对帽型增强构件预成品进行热压固化。热压固化步骤中，经过封装的机身壁板被放置在热压罐中进行固化。
7.脱模，待帽型增强构件预成品固化、降压、冷却而使得芯模20恢复原状后，将芯模20从内腔中抽离。由于本发明的芯模20具有一定的弹性，当芯模内腔23的高压空气被释放后，芯模20会自然恢复到原始状态，芯模20和长桁内腔11之间再次出现间隙。芯模20自身所具备的弹性，以及芯模20和长桁内腔11之间的间隙使得工作人员在将芯模20抽离长桁内腔11时不会对帽型增强构件造成损伤。
当芯模20朝向蒙皮30的底部的拐角部位25为弧形形式时，可以理解，蒙皮30、长桁10以及芯模20在彼此相交的位置处将产生微小空间。为此，参见图8，在长桁内腔11铺设好芯模20后，在长桁内腔11的开口处铺设捻子条40。该捻子条40可以将上述微小空间填充完整，避免长桁10在开口处于蒙皮30之间形成间隙。
本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。
附图标记说明：
长桁：10。
长桁内腔：11。
长桁底边：12。
芯模：20。
真空袋层：21。
隔离层：22。
芯模内腔：23。
凹陷部：24、24A、24B。
第一芯模侧壁：22A。
第二芯模侧壁：22B。
拐角部位：25。
蒙皮：30。
捻子条：40。
成型工装：50。
Claims (12)
1.一种用于制作帽型增强构件的芯模，所述芯模能够被铺设在长桁的长桁内腔中，使得所述长桁和贴附在长桁内腔开口处的蒙皮能够成型为所述帽型增强构件，其特征在于，
所述芯模包括形成芯模内腔的真空袋层和设置于真空袋层外表面之外的隔离层，其中，所述真空袋层的厚度被配置成能够在常温状态下维持所述芯模的形状，并且所述隔离层由不粘连所述长桁内腔的弹性材料制成。
2.根据权利要求1所述的芯模，其特征在于，所述芯模的芯模侧壁朝内形成为凹陷部，使得当所述芯模内腔处于高压环境时，所述芯模侧壁能够发生变形而紧密贴合于所述帽型增强构件的内表面。
3.根据权利要求2所述的芯模，其特征在于，所述芯模的横截面小于所述长桁内腔的横截面，使得当芯模被铺设在长桁内腔后，所述芯模的外表面和长桁内腔之间能够形成间隙。
4.根据权利要求2所述的芯模，其特征在于，所述凹陷部沿所述芯模侧壁的长度方向延伸。
5.根据权利要求4所述的芯模，其特征在于，所述芯模的两个相对的芯模侧壁上均设有所述凹陷部。
6.根据权利要求5所述的芯模，其特征在于，所述凹陷部彼此对称地设置在所述芯模的两个芯模侧壁上。
7.根据权利要求4所述的芯模，其特征在于，所述凹陷部呈弧形构造或折角构造。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的芯模，其特征在于，所述真空袋层由尼龙或热塑性弹性体制成。
9.根据权利要求8所述的芯模，其特征在于，所述隔离层由氟化乙烯丙烯共聚物或氟化乙烯丙烯共聚物制成。
10.根据权利要求9所述的芯模，其特征在于，所述芯模的壁厚在0.1mm到0.3mm的范围内。
11.一种利用如权利要求1-10中任一项所述的芯模制作帽型增强构件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
铺设蒙皮，将蒙皮贴合地铺设在成型工装上；
铺设长桁，倒扣长桁使长桁的开口朝上，并在所述长桁用于与蒙皮接触的底面添加胶膜；
铺设芯模，在长桁的长桁内腔中铺设芯模；
定位胶接，将铺设了芯模的长桁和蒙皮进行定位并胶接，使得铺设了芯模的长桁贴附在蒙皮而与所述蒙皮共同形成帽型增强构件预成品；
封装，对蒙皮与以及长桁进行打袋封装，并将芯模内腔与外界真空袋密封地对接以对芯模内腔进行加压，使得芯模侧壁发生变形而紧密贴合在所述长桁内腔的内壁上；
热压固化，保持所述芯模内腔的高压环境，并对所述帽型增强构件预成品进行热压固化；
脱模，待所述帽型增强构件预成品固化、降压、冷却而使得所述芯模恢复原状后，将所述芯模从所述内腔中抽离。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括介于铺设芯模步骤和定位胶接步骤之间的铺设捻子条，其中，在铺设捻子条的步骤中，捻子条被铺设在在所述长桁内腔的开口处使得长桁在开口处于蒙皮之间不形成间隙。
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