CN115431567A - 一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置和方法，通过在湿长桁立筋区域设置第1余量区和第2余量区，增加固化过程中，湿长桁净尺寸区域的热均衡性和固化度均衡性，减少内应力差异。并且，固化过程中，湿长桁第1余量区两侧不放置保形装置，消除了零件模具相互作用，第1余量区可自由膨胀，收缩，扭曲，释放内应力，减少加筋壁板组件的固化变形。

Description

一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置和方法

技术领域

本发明涉及复合材料零(组)件制造领域，特别是一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置和方法。

背景技术

加筋壁板广泛应用于飞机蒙皮等部位。在热不均匀，固化度不均匀，铺层不对称、不均衡，零件模具相互作用等因素的综合影响下，复合材料固化过程中，会产生内应力，脱模后，在内应力的驱动下，制件会出现不同程度的固化变形。由于其凹凸起伏的复杂截面，长桁－蒙皮的耦合作用等结构因素，加筋壁板的固化变形更为显著，且不易消除。当采用湿长桁工艺制造加筋壁板，长桁和保形装置的复杂截面会加剧各类不均匀状态，进而增加固化变形的程度，影响产品质量。现有方法，主要采用控制固化参数，如降低升、降温速率，或调整铺层结构等方法减少固化变形。但是，降低升、降温速率会大幅延长固化时间，降低生产效率。调整铺层结构，会影响加筋壁板的承载特性，甚至会降低加筋壁板的力学性能。

现有基于湿长桁工艺制造加筋壁板的方法，在组合时，湿长桁立筋高度方向一般不留余量，或仅留小尺寸余量。并且，湿长桁的保形装置与湿长桁立筋高度基本一致。采用此方法，虽然能够完成加筋壁板的制造，但是，保形装置会影响加筋壁板的整体传热效率，并且，增加了零件模具相互作用，从而增大了加筋壁板的固化变形。

因此，迫切需要一种针对湿长桁工艺，能够有效降低加筋壁板固化变形的装置和方法，并且，不会影响加筋壁板的承载特性，力学性能及生产效率。

发明内容

本发明公开了一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置和方法。本申请突破了行业内湿长桁工艺应当净尺寸制造的惯例，在湿长桁立筋区域设置大尺寸余量，提高湿长桁立筋理论区域的热均匀性，固化度均匀性等。在湿长桁立筋第1余量区不放置保形装置，消除零件模具相互作用。并且，湿长桁立筋第1余量区可以自由膨胀，收缩，扭曲，释放内应力，从而减小加筋壁板的固化变形。

一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置，包括湿长桁和放置在湿长桁两侧的湿长桁固化芯模，其特征在于湿长桁立筋在高度方向上留有大尺寸余量，余量由边缘起分为第1余量区和第2余量区，第1余量区的高度不小于湿长桁立筋最大理论高度的2/3，第2余量区的高度约1mm～3mm。湿长桁固化芯模在立筋高度方向与所在区域的湿长桁立筋第2余量区等高。湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区，其长度、厚度、铺层角度、材料与湿长桁立筋理论区相同。

一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的方法，包括以下步骤：

1制造湿长桁；

2对湿长桁进行预压实，预压实时，湿长桁立筋理论区，湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区两侧放置保形装置；

3将湿长桁与蒙皮组合，湿长桁两侧放置湿长桁固化芯模；

4制作真空袋，湿长桁立筋第1余量区两侧不放置保形装置；

5固化；

6拆除真空袋，将加筋壁板脱模；

7分层铣切长桁立筋顶部的余量，直至达到所需外形和尺寸。

步骤7中，湿长桁制造完成后，预压实的压力不小于加筋壁板的固化压力。

步骤4中，湿长桁立筋理论区与湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区的封装方案一致。

本发明的装置和方法具备如下优点：1)湿长桁立筋第1余量区的高度与湿长桁立筋的理论高度接近，第1余量区的固化变形能够有效影响加筋壁板整体的固化变形，通过第1余量区释放内应力，从而减小加筋壁板的固化变形；2)湿长桁立筋第1余量区和第2余量区充当了温度，固化度的不均匀过渡区，湿长桁理论区域的热均匀性，固化度均匀性更好，内应力更小；3)湿长桁立筋第1余量区两侧不放置保形装置，能充分发挥自由端作用，固化过程中，湿长桁立筋第1余量区可自由膨胀，收缩，扭曲，释放内应力；4)湿长桁立筋第1余量区的封装方案与湿长桁立筋理论区域一致，湿长桁整体的外部热环境一致。但是，湿长桁立筋理论区域两侧的保形装置阻碍了热量的逸出。预浸料的固化是由热引发的放热反应。因此，固化时，湿长桁立筋第1余量区先开始固化，但是，湿长桁立筋理论区域先完成固化，从而将内应力传递至尚未完全固化的湿长桁立筋第1余量区，实时驱动湿长桁立筋第1余量区发生外形变化，释放内应力，从而降低加筋壁板的固化变形；5)湿长桁立筋第2余量区起到了缓冲作用，湿长桁立筋理论区域与湿长桁立筋第1余量区不直接接触，内部残余应力较小，提高了湿长桁理论区的外形精度。湿长桁立筋理论区两侧放置保形装置，湿长桁立筋第1余量区两侧不放置保形装置，湿长桁立筋第2余量区两侧放置保形装置。由此，湿长桁立筋第1余量区在内应力驱动下的膨胀，收缩，扭曲，传递至湿长桁立筋第2余量区时，由于其两侧湿长桁固化芯模的约束作用，无法自由膨胀，收缩，扭曲，从而产生残余内应力。固化后，湿长桁立筋第2余量区被铣切掉，残余内应力消失；6)不需要额外调整工艺参数，铺层结构等设计、工艺重要参数，对制件综合性能无附加影响。

附图说明

图1降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置示意图

图2降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置剖视图

图中编号说明：1－蒙皮，2－湿长桁立筋第1余量区，3－湿长桁立筋第2余量区，4－湿长桁固化芯模，5－湿长桁。

具体实施方式

实施例1

如图1～图2，本发明以共固化工艺制造T型加筋壁板为例，湿长桁立筋最大理论高度30mm，一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置，包括湿长桁5和放置在湿长桁两侧的湿长桁固化芯模4，湿长桁立筋在高度方向上留有大尺寸余量，余量由边缘起分为湿长桁立筋第1余量区2和湿长桁立筋第2余量区3，湿长桁立筋第1余量区2的高度为约20mm，湿长桁立筋第2余量区3的高度约1mm，湿长桁固化芯模4在立筋高度方向上与湿长桁立筋第2余量区3等高，湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区，其长度、厚度、铺层角度、材料与湿长桁立筋理论区相同。

一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的方法，包括以下步骤：

1制造湿长桁5；

2制造湿蒙皮1；

3对湿长桁5进行预压实，预压实时，湿长桁立筋理论区，湿长桁立筋第1余量区2和湿长桁立筋第2余量区3两侧放置保形装置。预压实压力为0.6Mpa；

4将湿长桁5与蒙皮1组合，湿长桁5两侧放置湿长桁固化芯模4；

5制作真空袋，湿长桁立筋第1余量区2两侧不放置保形装置。湿长桁立筋理论区与湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区的封装方案一致；

6固化。固化压力为0.6Mpa；

7拆除真空袋，将加筋壁板脱模；

8分层铣切长桁立筋顶部的余量，直至达到所需外形和尺寸。

采用上述方法，加筋壁板的固化变形降低约40％。

实施例2

如图1～图2，本发明以共胶接工艺制造T型加筋壁板为例，湿长桁立筋最大理论高度50mm，一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置，包括湿长桁5和放置在湿长桁两侧的湿长桁固化芯模4，湿长桁立筋在高度方向上留有大尺寸余量，余量由边缘起分为湿长桁立筋第1余量区2和湿长桁立筋第2余量区3，湿长桁立筋第1余量区2的高度为60mm，湿长桁立筋第2余量区3的高度约3mm，湿长桁固化芯模4在立筋高度方向上与所在区域湿长桁立筋第2余量区3等高，湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区，其长度、厚度、铺层角度、材料与湿长桁立筋理论区相同。

一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的方法，包括以下步骤：

1制造湿蒙皮1；

2湿蒙皮1固化；

3制造湿长桁5；

4对湿长桁5进行预压实，预压实时，湿长桁立筋理论区，湿长桁立筋第1余量区2和湿长桁立筋第2余量区3两侧放置保形装置。预压实压力为0.65Mpa；

5将湿长桁5与蒙皮1组合，湿长桁5两侧放置湿长桁固化芯模4；

6制作真空袋，湿长桁立筋第1余量区2两侧不放置保形装置。湿长桁立筋理论区域与湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区的封装方案一致；

7固化。固化压力为0.5Mpa；

8拆除真空袋，将加筋壁板脱模；

9分层铣切长桁立筋顶部的余量，直至达到所需外形和尺寸。

采用上述方法，加筋壁板的固化变形，降低约60％。

需要指出的是，本申请仅示意出了梯形结构的湿长桁固化芯模。湿长桁固化芯模的结构可以依据实际进行调整，可以是矩形、梯形或L形等多种结构。

本申请中，湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区发挥的作用不同。湿长桁立筋第1余量区的主要作用有3点：(1)发挥自由端效应。外形自由变化，释放内应力；(2)发挥调节作用。使湿长桁立筋理论区成为核心区域，热均匀性和固化度均匀性更好；(3)释放内应力。湿长桁立筋第1余量区最后完成固化反应，其他已固化区域的内应力最终传递至此，得到释放，减小了加筋壁板的残余内应力，从而降低了加筋壁板的固化变形。

基于上述原因，表面质量，孔隙率等常用复合材料零件的评价指标不适用于湿长桁立筋第1余量区。两侧无束缚，与湿长桁立筋理论区的封装方案一致，最后完成固化反应等是需要关注的指标。原则上，湿长桁立筋第1余量区越大，其减小固化变形的效果越好。

湿长桁立筋第2余量区的主要作用有2点：(1)发挥缓冲作用。湿长桁立筋第1余量区的膨胀，收缩等不会直接影响湿长桁立筋理论区的外形精度。(2)发挥正常余量区的作用。由于湿长桁立筋第1余量区未控制表面质量，孔隙率等内外部质量指标，因此，与常规余量区的作用类似，湿长桁立筋第2余量区可以消除复合材料的边缘效应。

基于上述原因，湿长桁立筋第2余量区的保形装置，封装方案应当与湿长桁立筋理论区一致。原则上，湿长桁立筋第2余量区越小越好。

需要强调的是，边缘留余量是复合材料零件制造的常用方法，但是：(1)此方法的目标是为了消除边缘效应。即复合材料零件边缘区域的厚度，树脂含量，力学性能等指标，与中间区域相比，存在明显差异。(2)余量区的尺寸大幅小于零件理论尺寸。(3)余量区与零件理论区的工装结构一致。

本申请中湿长桁立筋第1余量区与湿长桁立筋理论区高度接近，甚至大于湿长桁立筋理论区高度，湿长桁立筋第1余量区已足以影响加筋壁板整体固化变形。

本申请中湿长桁立筋第1余量区与消除边缘效应的余量区目标截然不同，因此，不需要考虑湿长桁立筋第1余量区的表面质量，内部质量，厚度，重量等指标。

基于上述原因，湿长桁立筋第1余量区两侧不放置保形装置。在此条件下，湿长桁立筋第1余量区才能在内应力驱动下，发生形变，从而减小加筋壁板的固化变形。

Claims (6)

1.一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置，包括湿长桁和放置在湿长桁两侧的湿长桁固化芯模，其特征在于湿长桁立筋在高度方向上留有大尺寸余量，余量由边缘起分为第1余量区和第2余量区，第1余量区的高度不小于湿长桁立筋最大理论高度的2/3，第2余量区的高度约1mm～3mm，湿长桁固化芯模在立筋高度方向与湿长桁立筋不等高，高于所在区域湿长桁立筋的理论高度，低于所在区域湿长桁立筋的实际高度。

2.根据权利要求1所述的一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置，其特征在于湿长桁固化芯模在立筋高度方向与所在区域的湿长桁立筋第2余量区等高。

3.根据权利要求1所述的一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的装置，其特征在于湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区，其长度、厚度、铺层角度、材料与湿长桁立筋理论区相同。

4.一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的方法，其特征包括以下步骤：

4－1制造湿长桁；

4－2对湿长桁进行预压实，预压实时，湿长桁立筋理论区，湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区两侧放置保形装置；

4－3将湿长桁与蒙皮组合，湿长桁两侧放置湿长桁固化芯模；

4－4制作真空袋，湿长桁立筋第1余量区两侧不放置保形装置；

4－5固化；

4－6拆除真空袋，将加筋壁板脱模；

4－7分层铣切长桁立筋顶部的余量，直至达到所需外形和尺寸。

5.根据权利要求4所述的一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的方法，其特征在于湿长桁制造完成后，预压实的压力不小于加筋壁板的固化压力。

6.根据权利要求4所述的一种降低湿长桁工艺加筋壁板固化变形的方法，其特征在于步骤4－4中，湿长桁立筋理论区与湿长桁立筋第1余量区和湿长桁立筋第2余量区的封装方案一致。

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