CN114872345B - 一种变截面工型复合材料制件的整体成型法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料制造领域，涉及一种变截面工型复合材料制件的整体成型法。主要包括工艺装备的设计和制造、坯料铺叠、热压实、组合、固化几个步骤。本发明提供的一种变截面工型复合材料制件的整体成型法，特别适用于铺层多、构成多、厚度跨度大和变截面的工型复合材料制件。本发明的方法在各关键点控制明确的情况下，合格率达100％。
Description
技术领域
本发明属于复合材料制造领域，涉及一种变截面工型复合材料制件的整体成型法。
背景技术
复合材料有着高性能、高强度、多功能以及智能化等多种优点，目前在我国的航空领域已开始大范围应用。使用以树脂为基体的复合材料制造的飞行器部件要比传统材料制作的零件轻20％-30％，对零件的维修和更换费用相比传统材料制作的零件轻15％-25％。国内碳纤维复合材料成型方法主要有传统的真空袋-热压罐法、RTM、液体成型法、自动铺丝法，其中应用最广泛的是传统的真空袋-热压罐法，即手工铺叠碳纤维预浸料，封真空袋后进热压罐固化。针对真空袋-热压罐法，根据制件的特点和难点，其成型方法有二次胶接法，共固化法和胶接共固化法。
传统的工型复合材料制件的特点是结构简单，一般由四个部分组成，厚度过渡区不明显，整体厚度均匀。区别于传统的工型复合材料制件的结构特点，本发明涉及的一种变截面工型复合材料制件的特点如下：变截面工型复合材料制件由碳纤维预浸料组成，该制件厚度梯度大，零件收口处尺寸小，整铺层和子铺层数量多(200层)，并含有楔形夹芯块等特殊的结构。
传统的工型复合材料制件主要以金属芯模成型法为主，组合形式为“H”或工字型，H型由工字型截面长桁的“上C部分”、“下C部分”组合而成，工字型由工字型截面长桁的“左C部分”、“右C部分”组合而成，利用传统的金属芯模成型方法不能保证零件的质量。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供的一种变截面工型复合材料制件的整体成型方法，特别适用于铺层多、构成多、厚度跨度大和变截面的工型复合材料制件。发明过程主要借助典型工艺装备实现：
一种变截面工型复合材料制件的整体成型法，具体步骤：
步骤一：工艺装备的设计和制造
1)预浸料铺叠工装设计和制造
1.1)缘条铺叠工装的设计和制造
左缘条铺叠工装1和右缘条铺叠工装2采用阳模设计，以缘条最外侧的铺层做为工装工作面提取面，采用普通钢制造；左缘条铺叠工装1由隔板3和左缘条铺叠模主体4组成，右缘条铺叠工装2由隔板3和右缘条铺叠模主体5组成，隔板3和铺叠模主体之间预留间隙，制造时在工作面标记铺层错位线，铺叠完成后转移至组合工装上。
1.2)楔形夹芯块铺叠工装的设计和制造
楔形夹芯块铺叠工装6采用阳模设计，采用普通钢制造；楔形夹芯块铺叠工装6由两部分组成，即后楔形夹芯块铺叠工装主体7和限位块8；后楔形夹芯块铺叠工装主体7用于楔形夹芯块的铺叠，限位块8用于楔形夹芯块的限位，保证净尺寸边缘，两部分用螺栓进行连接；制造时在工作面标记铺层错位线，铺叠完成后转移至组合工装上。
1.3)C型腹板铺叠组合工装的设计和制造
上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10采用殷瓦钢材质制造，制造时在工作面标记铺层错位线，铺叠完成后无需转移至组合工装上，直接利用铺叠工装组。
上C坯料铺叠组合工装9分四块制造，分别为上盖11，第一模胎12，第二模胎13和第三模胎14。其中上盖11在模体上开槽，槽内填充硅橡胶柱，第一模胎12、第二模胎13和第三模胎14无连接，其对缝阶差保持在0.05mm以下。上盖11和第一模胎12、第二模胎13、第三模胎14利用定位销19定位，螺栓连接，铺叠和组合时做为一个整体---上C坯料铺叠组合工装9使用，利用把手15实现周转。
下C坯料铺叠组合工装10分两部分组成，分别为第四模胎16和底座17。第四模胎16用螺栓和底座17连接，利用吊环18实现周转。
上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10之间具有定位功能，实现上下模之间的精确组合，在下C坯料铺叠组合模上配备定位销19，用以固定复材盖板20。
2)复材盖板的设计和制造
复材盖板20采用工装预浸料A、B叠层的层压结构制造，其中工装预浸料A和B的树脂含量不同，工装预浸料A的树脂含量高于B，表层选用树脂含量高的工装预浸料A，内部选用树脂含量低的工装预浸料B，复材盖板20成型后的厚度为8-9mm。复材盖板20固化成型后，沿着复材盖板20的边缘切割线进行外形加工，外形加工的线轮廓度精度控制在±1mm以内；复材盖板20成型后在工作面粘贴1层硅橡胶，用于压力的传导。
复材盖板的成型工装21采用殷瓦钢材质制造，阴模成型方法，纵向挡板22、横向挡板23和底板24组成了复材盖板的成型工装21的主体，用螺栓进行连接，其中工装成型面基于复材盖板20的成型面提取并制造；利用隔板3将复材盖板的成型工装21组成变截面工型复合材料肋的左缘条侧、右缘条侧，左缘条侧与右缘条侧的构型和制造方法相同。定位销19用于制造变截面工型复合材料肋时复材盖板20的定位；
3)组合工装的设计
上C坯料和下C坯料在铺叠完成后无需进行转移，上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10在实现铺叠功能的同时也实现组合，上C坯料铺叠组合模和下C坯料铺叠组合模之间具有定位功能，实现上、下模之间的精确组合，在上C坯料铺叠组合模和下C坯料铺叠组合模上配备定位装置，用以固定盖板。
步骤二：坯料铺叠
将左缘条铺层、右缘条铺层、楔形夹芯块铺层、上C铺层和下C铺层五部分分别铺叠在左缘条铺叠工装1、右缘条铺叠工装2、楔形夹芯块铺叠工装6、上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10上。
步骤三：热压实
左缘条铺叠工装1、右缘条铺叠工装2、楔形夹芯块铺叠工装6、上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10放置在平板25上，按顺序放置吸胶材料、无孔膜、透气材料和真空袋，进热压罐进行热压实，压实的参数(压实参数包括：升温速率在2℃/min以下，升温至110℃，加压280kpa；温度在110±5℃，保温15min；降温速率不大于1.5℃/min，降至90℃泄压)随预浸料的固化参数(固化参数包括：升温速率在2℃/min以下，升温至115℃，加压780kpa；温度在115±5℃，保温15min，通大气；升温速率在1.5℃/min以下，升温至185℃；温度在185±5℃，保温120min；降温速率不大于1℃/min，降至60℃泄压)设定。
步骤四：组合
将限位块8、上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10进行组合，填充0度纤维(0度纤维的填充宽度和顺序为:20-30-50-100，依次填充，保证外观平整)，填充后将左右缘条铺层放置在两侧的0度纤维上，利用定位销19放置盖板；按顺序放置无孔膜、透气材料和真空袋。
步骤五：固化
将组合工装封装在平板25上，进热压罐固化，固化参数(固化参数包括：升温速率在2℃/min以下，升温至115℃，加压780kpa；温度在115±5℃，保温15min，通大气；升温速率在1.5℃/min以下，升温至185℃；温度在185±5℃，保温120min；降温速率不大于1℃/min，降至60℃泄压)可根据零件质量适当调整。
本发明提供了一种变截面工型复合材料制件的整体成型法，特别适用于铺层多、构成多、厚度跨度大和变截面的工型复合材料制件。本发明的方法在各关键点控制明确的情况下，合格率达100％。
附图说明
图1为缘条铺叠工装示意图。
图2为楔形夹芯块铺叠工装示意图。
图3为上C坯料铺叠组合工装示意图。
图4为下C坯料铺叠组合工装示意图。
图5为复材盖板示意图。
图6为复材盖板的成型工装示意图。
图7为铺叠后压实示意图。
图8为组合成型示意图。
图中：1左缘条铺叠工装；2右缘条铺叠工装；3隔板；4左缘条铺叠模主体；5右缘条铺叠模主体；6楔形夹芯块铺叠工装；7后楔形夹芯块铺叠工装主体；8限位块；9上C坯料铺叠组合工装；10下C坯料铺叠组合工装；11上盖；12第一模胎；13第二模胎；14第三模胎；15把手；16第四模胎；17底座；18吊环；19定位销；20复材盖板；21复材盖板的成型工装；22纵向挡板；23横向挡板；24底板；25平板。
具体实施方式
下面结合附图对一种变截面工型复合材料制件的整体成型法的具体实施方式加以说明，如图所示，其步骤如下：
步骤一：工艺装备的设计和制造
1)预浸料铺叠工装设计和制造
1.1)缘条铺叠工装的设计和制造
左缘条铺叠工装1和右缘条铺叠工装2采用阳模设计，以缘条最外侧的铺层做为工装工作面提取面，采用普通钢制造；左缘条铺叠工装1由隔板3和左缘条铺叠模主体4组成，右缘条铺叠工装2由隔板3和右缘条铺叠模主体5组成，隔板3和铺叠模主体之间预留间隙，制造时在工作面标记铺层错位线，铺叠完成后转移至组合工装上。
1.2)楔形夹芯块铺叠工装的设计和制造
楔形夹芯块铺叠工装6采用阳模设计，采用普通钢制造；楔形夹芯块铺叠工装6由两部分组成，即后楔形夹芯块铺叠工装主体7和限位块8；后楔形夹芯块铺叠工装主体7用于楔形夹芯块的铺叠，限位块8用于楔形夹芯块的限位，保证净尺寸边缘，两部分用螺栓进行连接；制造时在工作面标记铺层错位线，铺叠完成后转移至组合工装上。
1.3)C型腹板铺叠组合工装的设计和制造
上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10采用殷瓦钢材质制造，制造时在工作面标记铺层错位线，铺叠完成后无需转移至组合工装上，直接利用铺叠工装组。
上C坯料铺叠组合工装9分四块制造，分别为上盖11，第一模胎12，第二模胎13和第三模胎14。其中上盖11在模体上开槽，槽内填充硅橡胶柱，第一模胎12、第二模胎13和第三模胎14无连接，其对缝阶差保持在0.05mm以下。上盖11和第一模胎12、第二模胎13、第三模胎14利用定位销19定位，螺栓连接，铺叠和组合时做为一个整体---上C坯料铺叠组合工装9使用，利用把手15实现周转。
下C坯料铺叠组合工装10分两部分组成，分别为第四模胎16和底座17。第四模胎16用螺栓和底座17连接，利用吊环18实现周转。
上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10之间具有定位功能，实现上下模之间的精确组合，在下C坯料铺叠组合模上配备定位销19，用以固定复材盖板20。
2)复材盖板的设计和制造
复材盖板20采用工装预浸料A、B叠层的层压结构制造，其中工装预浸料A和B的树脂含量不同，工装预浸料A的树脂含量高于B，表层选用树脂含量高的工装预浸料A，内部选用树脂含量低的工装预浸料B，复材盖板成型后的厚度为8-9mm。复材盖板固化成型后，沿着复材盖板的边缘切割线进行外形加工，外形加工的线轮廓度精度控制在±1mm以内；复材盖板成型后在工作面粘贴1层硅橡胶，用于压力的传导。
复材盖板的成型工装21采用殷瓦钢材质制造，阴模成型方法，纵向挡板22、横向挡板23和底板24组成了复材盖板的成型工装21的主体，用螺栓进行连接，其中工装成型面基于复材盖板20的成型面提取并制造；利用隔板3将复材盖板的成型工装21组成变截面工型复合材料肋的左缘条侧、右缘条侧，左缘条侧与右缘条侧的构型和制造方法相同。定位销19用于制造变截面工型复合材料肋时复材盖板20的定位；
3)组合工装的设计
上C坯料和下C坯料在铺叠完成后无需进行转移，上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10在实现铺叠功能的同时也实现组合，上C坯料铺叠组合模和下C坯料铺叠组合模之间具有定位功能，实现上、下模之间的精确组合，在上C坯料铺叠组合模和下C坯料铺叠组合模上配备定位装置，用以固定盖板。
步骤二：坯料铺叠
将左缘条铺层、右缘条铺层、楔形夹芯块铺层、上C铺层和下C铺层五部分分别铺叠在左缘条铺叠工装1、右缘条铺叠工装2、楔形夹芯块铺叠工装6、上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10上。
步骤三：热压实
左缘条铺叠工装1、右缘条铺叠工装2、楔形夹芯块铺叠工装6、上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10放置在平板25上，按顺序放置吸胶材料，无孔膜，透气材料和真空袋，进热压罐进行热压实，压实的参数(压实参数包括：升温速率在2℃/min以下，升温至110℃，加压280kpa；温度在110±5℃，保温15min；降温速率不大于1.5℃/min，降至90℃泄压)随预浸料的固化参数(固化参数包括：升温速率在2℃/min以下，升温至115℃，加压780kpa；温度在115±5℃，保温15min，通大气；升温速率在1.5℃/min以下，升温至185℃；温度在185±5℃，保温120min；降温速率不大于1℃/min，降至60℃泄压)设定。
步骤四：组合
将限位块8、上C坯料铺叠组合工装9和下C坯料铺叠组合工装10进行组合，填充0度纤维(0度纤维的填充宽度和顺序为:20-30-50-100，依次填充，保证外观平整)，填充后将左右缘条铺层放置在两侧的0度纤维上，利用定位销19放置盖板；按顺序放置无孔膜，透气材料和真空袋。
步骤五：固化
将组合工装封装在平板25上，进热压罐固化，固化参数(固化参数包括：升温速率在2℃/min以下，升温至115℃，加压780kpa；温度在115±5℃，保温15min，通大气；升温速率在1.5℃/min以下，升温至185℃；温度在185±5℃，保温120min；降温速率不大于1℃/min，降至60℃泄压)可根据零件质量适当调整。
Claims (1)
1.一种变截面工型复合材料制件的整体成型法，其特征在于，具体步骤：
步骤一：工艺装备的设计和制造
1)预浸料铺叠工装设计和制造
1.1)缘条铺叠工装的设计和制造
左缘条铺叠工装(1)和右缘条铺叠工装(2)采用阳模设计，以缘条最外侧的铺层做为工装工作面提取面，采用普通钢制造；左缘条铺叠工装(1)由隔板(3)和左缘条铺叠模主体(4)组成，右缘条铺叠工装(2)由隔板(3)和右缘条铺叠模主体(5)组成，隔板(3)和铺叠模主体之间预留间隙，制造时在工作面标记铺层错位线，铺叠完成后转移至组合工装上；
1.2)楔形夹芯块铺叠工装的设计和制造
楔形夹芯块铺叠工装(6)采用阳模设计，采用普通钢制造；楔形夹芯块铺叠工装(6)由两部分组成，即后楔形夹芯块铺叠工装主体(7)和限位块(8)；后楔形夹芯块铺叠工装主体(7)用于楔形夹芯块的铺叠，限位块(8)用于楔形夹芯块的限位，保证净尺寸边缘，两部分用螺栓进行连接；制造时在工作面标记铺层错位线，铺叠完成后转移至组合工装上；
1.3)C型腹板铺叠组合工装的设计和制造
上C坯料铺叠组合工装(9)和下C坯料铺叠组合工装(10)采用殷瓦钢材质制造，制造时在工作面标记铺层错位线，铺叠完成后无需转移至组合工装上，直接利用铺叠工装组合：
上C坯料铺叠组合工装(9)分四块制造，分别为上盖(11)，第一模胎(12)，第二模胎(13)和第三模胎(14)；其中上盖(11)在模体上开槽，槽内填充硅橡胶柱，第一模胎(12)、第二模胎(13)和第三模胎(14)无连接，其对缝阶差保持在0.05mm以下；上盖(11)和第一模胎(12)、第二模胎(13)、第三模胎(14)利用定位销(19)定位，螺栓连接，铺叠和组合时作为一个整体---上C坯料铺叠组合工装(9)使用，利用把手(15)实现周转；
下C坯料铺叠组合工装(10)分两部分组成，分别为第四模胎(16)和底座(17)；第四模胎(16)用螺栓和底座(17)连接，利用吊环(18)实现周转；
上C坯料铺叠组合工装(9)和下C坯料铺叠组合工装(10)之间具有定位功能，实现上下模之间的精确组合，在下C坯料铺叠组合模上配备定位销(19)，用以固定复材盖板(20)；
2)复材盖板的设计和制造
复材盖板(20)采用工装预浸料A、B叠层的层压结构制造，其中工装预浸料A和B的树脂含量不同，工装预浸料A的树脂含量高于B，表层选用树脂含量高的工装预浸料A，内部选用树脂含量低的工装预浸料B；复材盖板(20)成型后的厚度为8-9mm，复材盖板(20)固化成型后，沿着复材盖板(20)的边缘切割线进行外形加工，外形加工的线轮廓度精度控制在±1mm以内；复材盖板(20)成型后在工作面粘贴1层硅橡胶，用于压力的传导；
复材盖板的成型工装(21)采用殷瓦钢材质制造，阴模成型方法，纵向挡板(22)、横向挡板(23)和底板(24)组成了复材盖板的成型工装(21)的主体，用螺栓进行连接，其中工装成型面基于复材盖板(20)的成型面提取并制造；利用隔板(3)将复材盖板的成型工装(21)组成变截面工型复合材料肋的左缘条侧、右缘条侧，左缘条侧与右缘条侧的构型和制造方法相同；定位销(19)用于制造变截面工型复合材料肋时复材盖板(20)的定位；
3)组合工装的设计
上C坯料和下C坯料在铺叠完成后无需进行转移，上C坯料铺叠组合工装(9)和下C坯料铺叠组合工装(10)在实现铺叠功能的同时也实现组合，上C坯料铺叠组合模和下C坯料铺叠组合模之间具有定位功能，实现上、下模之间的精确组合，在上C坯料铺叠组合模和下C坯料铺叠组合模上配备定位装置，用以固定复材盖板(20)；
步骤二：坯料铺叠
将左缘条铺层、右缘条铺层、楔形夹芯块铺层、上C铺层和下C铺层五部分分别铺叠在左缘条铺叠工装(1)、右缘条铺叠工装(2)、楔形夹芯块铺叠工装(6)、上C坯料铺叠组合工装(9)和下C坯料铺叠组合工装(10)上；
步骤三：热压实
左缘条铺叠工装(1)、右缘条铺叠工装(2)、楔形夹芯块铺叠工装(6)、上C坯料铺叠组合工装(9)和下C坯料铺叠组合工装(10)放置在平板(25)上，按顺序放置吸胶材料、无孔膜、透气材料和真空袋，进热压罐进行热压实，压实的参数随预浸料的固化参数设定；这里的压实参数包括：升温速率在2℃/min以下，升温至110℃，加压280kpa；温度在110±5℃，保温15min；降温速率不大于1.5℃/min，降至90℃泄压；
步骤四：组合
将限位块(8)、上C坯料铺叠组合工装(9)和下C坯料铺叠组合工装(10)进行组合，填充0度纤维，填充后将左右缘条铺层放置在两侧的0度纤维上，利用定位销(19)放置复材盖板(20)；按顺序放置无孔膜、透气材料和真空袋；这里的0度纤维的填充宽度和顺序为：20-30-50-100，依次填充，保证外观平整；
步骤五：固化
将组合工装封装在平板(25)上，进热压罐固化，固化参数可根据零件质量适当调整；这里的固化参数包括：升温速率在2℃/min以下，升温至115℃，加压780kpa；温度在115±5℃，保温15min，通大气；升温速率在1.5℃/min以下，升温至185℃；温度在185±5℃，保温120min；降温速率不大于1℃/min，降至60℃泄压。
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