CN116353098A - 一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆模具及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆模具及成型方法，铺贴模具准备，模具端部设有若干环向沟槽，环向沟槽的轴向截面为倒等腰梯形结构；铺贴预浸料、热压罐固化、加工脱模、胶接、干法缠绕、固化、修磨、表面处理工序。本发明采用热压罐与干法缠绕相结合工艺，效率高，工序量化，外观质量高，重量可控；热压罐与干法缠绕可严格控制树脂含量、操作环境干燥且无原材料浪费、能够准确地控制产品的重量并且生产效率高，纤维缠绕制品品类丰富，应用广泛，可应用于航空航天及武器装备高尖端领域的神舟飞船承力构件等。
Description
技术领域
本发明涉及复材拉杆成型技术领域，特别涉及一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆模具及成型方法。
背景技术
现有的复合材料拉杆成型工艺，大部分采用热压罐成型工艺及预浸布搓管工艺。热压罐铺贴工艺是将碳纤维预浸料按铺层要求铺放于模具上，将毛坯密封在真空袋后放置于碳纤维热压罐中。在真空状态下，经过热压罐设备升温、加压、保温、降温和卸压等程序，利用热压罐内同时提供的均匀温度和均布压力实现固化，从而可以形成表面与内部质量高、形状复杂的碳纤维复合材料制件。但是，常规的热压罐铺贴工艺效率低，工序复杂，成型的复合材料拉杆外观质量差。
搓管工艺是采用卷管机上的热辊，使预浸料软化，熔化预浸料上面的树脂胶粘剂。在一定张力下，在辊的旋转操作过程中，利用辊和心轴之间的摩擦，将预浸料连续卷到管芯上，直至所要求的厚度，然后通过冷辊冷却定型，从卷绕机取出，然后缠上热收缩膜，在烤箱中固化。管材固化后，去除热收缩膜和内芯模具，即可以得到复合材料卷管管材。而搓管工艺虽然效率高，但无法收口，无法满足不同拉杆的生产要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆模具及成型方法，工作效率高，工序量化，外观质量高，且重量可控。
为此，本发明的技术方案是：一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆模具，包括杆状主体，杆状主体两端端部的直径小于杆状主体，且通过圆锥段与杆状主体过渡连接；杆状主体端部和圆锥段上均设有若干环向沟槽，所述环向沟槽的轴向截面为倒等腰梯形结构。
本发明的另一技术方案是：一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，使用上述模具，包括以下步骤：
1)铺贴模具准备：在模具上刷涂脱模剂；
2)铺贴预浸料：在模具上进行预浸料的人工铺贴，铺贴分为三个区域，模具端部的环向沟槽为第一区域，圆锥段上的环向沟槽为第二区域，模具其余部位为第三区域；三个区域各自采用0度、45度或90度交替进行铺贴，形成纤维层；
3)热压罐固化：完成铺贴之后，通过加压装置对纤维层进行加压固化成型；
4)加工脱模：沿轴线将固化后的纤维层分为两瓣，从模具上脱模；
5)胶接：使用结构胶将衬套及两瓣纤维层进行胶接；所述衬套包括平直段和第二锥形段，平直段侧面设有挡圈，平直段和第二锥形段上均设有环向设置的沟槽，且沟槽的轴向截面为倒等腰梯形结构；所述纤维层套装在衬套外侧，纤维层内壁与衬套外壁相贴合，且纤维层的端部抵在挡圈上；
6)干法缠绕：将预浸丝/预浸带在模具表面进行缠绕，在缠绕过程使用加热装置进行在线加热；
7)固化：完成缠绕之后，复合材料拉杆通过阶梯升温加热固化成型；
8)修磨：对复合材料拉杆的表面进行打磨，消除表面的胶瘤；
9)表面处理：修磨完之后，利用环氧树脂胶对复合材料拉杆的表面进行刷涂。
优选地，所述步骤2)中采取的铺贴方式如下：
第1层：第一区域、第二区域、第三区域均沿0度进行铺贴；
第2层：第一区域、第二区域均沿90度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；第3层：第一区域、第二区域均沿90度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；第4层：第一区域、第二区域、第三区域均沿+45度进行铺贴；
第5层：第二区域沿90度进行铺贴，第一区域、第三区域不进行铺贴；
第6层：第一区域、第二区域均沿0度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；
第7层：第一区域、第二区域、第三区域均沿0度进行铺贴；
第8层：第二区域沿+45度进行铺贴，第一区域、第三区域不进行铺贴；
第9层：第二区域沿+45度进行铺贴，第一区域、第三区域不进行铺贴；
第10层：第一区域、第二区域、第三区域均沿0度进行铺贴；
第11层：第一区域、第二区域均沿0度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；第12层：第二区域沿90度进行铺贴，第一区域、第三区域不进行铺贴；
第13层：第一区域、第二区域、第三区域均沿+45度进行铺贴；
第14层：第一区域、第二区域均沿90度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；
第15层：第一区域、第二区域均沿90度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；
第16层：第一区域、第二区域、第三区域均沿0度进行铺贴。
优选地，所述步骤1)中，采用的脱模剂为RM-1937，在脱模剂刷涂完成后，晾置15min以上，且反复刷涂3遍。
优选地，所述步骤3)中，加压前依次在拉杆表面包裹脱模布、无孔隔离膜、透气毡、真空袋薄膜，采用压敏胶带封装真空袋，加压压力为1bar～20bar,同时其固化温度为100～150℃，固化时间为1～15h。
优选地，所述步骤6)中，预浸丝/预浸带为碳纤维与环氧树脂预浸而成，预浸丝/预浸带宽度为5-12mm；缠绕时的张力为20-30N，加热装置的加热温度为50-60℃，加热方式为热风、红外、超声或热辊，并且安装有温度的加测控制系统。
优选地，所述步骤6)中，在衬套接头位置进行85-89度的局部纤维缠绕增厚，厚度为2-3mm，缠绕测地线角度及铺层为[±45]2s。
优选地，所述步骤7)中，固化温度为100-150℃，升温速率为2℃/min，固化时间为4-6h。
优选地，所述步骤8)中，利用砂纸进行打磨，砂纸的目数为50-200目。
优选地，所述步骤9)中，在打磨完之后需要进行清洗，清洗剂采用的是乙酸乙酯或丙酮进行清洗，清洗后将表面刷涂环氧树脂胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用热压罐与干法缠绕相结合工艺，效率高，工序量化，外观质量高，重量可控；
2、热压罐与干法缠绕可严格控制树脂含量(精确到2％以内)、操作环境干燥且无原材料浪费、能够准确地控制产品的重量并且生产效率高；
3、衬套上设置锥形结构和倒等腰梯形结构的沟槽，与复材拉杆的收口部分相贴合，可以保证在拉压载荷试验时，衬套不会脱离及拉脱；衬套端部设有挡圈，挡圈直径大于复材拉杆的直径，在压缩载荷试验时不会将衬套压入纤维层内，避免衬套与复材拉杆脱离；
4、纤维缠绕制品品类丰富，应用广泛，可应用于航空航天及武器装备高尖端领域的神舟飞船承力构件等。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1为本发明模具的结构示意图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本发明的方法流程图；
图4为本发明复材拉杆的结构示意图；
图5为本发明衬套的结构示意图；
图6为本发明衬套与复材拉杆的结构剖视图。
图中标记为：杆状主体1、端部2、第一环向沟槽21、倒等腰梯形结构22、圆锥段3、第二环向沟槽31、衬套4、平直段41、第二锥形段42、挡圈43、第三沟槽44、第四沟槽45、纤维层5。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参见附图。本实施例所述复材拉杆模具，包括杆状主体1，杆状主体两端端部2的直径小于杆状主体1，且端部2通过圆锥段3与杆状主体1过渡连接；杆状主体端部和圆锥段上均设有若干环向沟槽，端部2上设有第一环向沟槽21，圆锥段3上设有第二环向沟槽31，所述环向沟槽的轴向截面为倒等腰梯形结构22，即环形沟槽的两侧壁为对称的倾斜面，形成等腰的凹陷部。
本实施例所要生产的复材拉杆，长度612mm，直径32.5mm，壁厚1.25mm，重量215g，设计拉伸极限载荷大于3吨。
而复材拉杆的成型方法，包括以下步骤：
1)铺贴模具准备：在模具上刷涂脱模剂，采用的脱模剂为RM-1937，在脱模剂刷涂完成后，晾置15min以上，且反复刷涂3遍。
2)铺贴预浸料：在模具上进行预浸料的人工铺贴，铺贴分为三个区域，模具端部的第一环向沟槽为第一区域S1，圆锥段上的第二环向沟槽为第二区域S2，模具其余部位为第三区域S3；三个区域各自采用0度、45度或90度交替进行铺贴；
采取的铺贴方式如表1所示：
表1铺贴方案
具体是：
第1层：第一区域S1、第二区域S2、第三区域S3均沿0度进行铺贴；
第2层：第一区域S1、第二区域S2均沿90度进行铺贴，第三区域S3不进行铺贴；
第3层：第一区域S1、第二区域S2均沿90度进行铺贴，第三区域S3不进行铺贴；
第4层：第一区域S1、第二区域S2、第三区域S3均沿+45度进行铺贴；
第5层：第二区域S2沿90度进行铺贴，第一区域S1、第三区域S3不进行铺贴；
第6层：第一区域S1、第二区域S2均沿0度进行铺贴，第三区域S3不进行铺贴；
第7层：第一区域S1、第二区域S2、第三区域S3均沿0度进行铺贴；
第8层：第二区域S2沿+45度进行铺贴，第一区域S1、第三区域S3不进行铺贴；
第9层：第二区域S2沿+45度进行铺贴，第一区域S1、第三区域S3不进行铺贴；
第10层：第一区域S1、第二区域S2、第三区域S3均沿0度进行铺贴；
第11层：第一区域S1、第二区域S2均沿0度进行铺贴，第三区域S3不进行铺贴；
第12层：第二区域S2沿90度进行铺贴，第一区域S1、第三区域S3不进行铺贴；
第13层：第一区域S1、第二区域S2、第三区域S3均沿+45度进行铺贴；
第14层：第一区域S1、第二区域S2均沿90度进行铺贴，第三区域S3不进行铺贴；
第15层：第一区域S1、第二区域S2均沿90度进行铺贴，第三区域S3不进行铺贴；
第16层：第一区域S1、第二区域S2、第三区域S3均沿0度进行铺贴。
3)热压罐固化：铺贴完成后，在复材拉杆表面依次包裹脱模布、无孔隔离膜、透气毡、真空袋薄膜，采用亚敏胶带封装真空袋，封装完成后，进行抽真空至0.7-0.9bar，然后关闭电源5-20min，手动检测真空度降低不超过0.05bar，然后将复材拉杆进入热压罐固化，固化制度为：125±5℃，保温时间为120min，全程抽真空，真空袋内真空度不低于-0.05MPa。
4)加工脱模：沿轴线将固化后的纤维层5分为两瓣，从模具上脱模；
5)胶接：使用结构胶将衬套4及两瓣纤维层5进行胶接；将两瓣纤维层5与衬套4胶接在一起，并保证产品尺寸。所述衬套4内部设有中空，包括平直段41和第二锥形段42，平直段41侧面设有挡圈43，挡圈43直径大于纤维层5端部直径，纤维层5的端部抵在挡圈43上，在压缩载荷试验时不会将衬套压入纤维层内，导致衬套与纤维层脱离。
平直段41上设有环向设置的第三沟槽44，第二锥形段42上设有环向设置的第四沟槽45，且第三沟槽44、第四沟槽45的轴向截面为倒等腰梯形结构；所述纤维层5套装在衬套4外侧，纤维层的收口部分与衬套外壁相贴合，衬套上倒置等腰梯形结构的沟槽，可以保证在拉压载荷试验时衬套不会脱离及拉脱。
6)干法缠绕：通过张力控制装置和导纱轮将预浸丝/预浸带在模具表面进行缠绕，预浸丝/预浸带为碳纤维与环氧树脂预浸而成，预浸丝/预浸带宽度为5-12mm；干法缠绕采用1股预浸丝进行缠绕并控制预浸丝温度为45-85℃，缠绕方式为螺旋缠绕，缠绕角度为45度，同时在进行缠绕时，缠绕的张力为30-40N，缠绕速度为80-120m/min。
在缠绕过程使用加热装置进行在线加热，加热装置的加热温度为50-60℃，加热方式为热风、红外、超声或热辊，并且安装有温度的加测控制系统。
在衬套接头位置进行85-89度的局部纤维缠绕增厚，厚度为2-3mm，缠绕测地线角度及铺层为[±45]2s。
7)固化：完成缠绕之后，复合材料拉杆通过阶梯升温加热固化成型；固化制度为：115-125℃，保温时间为3-5h。
8)修磨：对复合材料拉杆的表面进行打磨，消除表面的胶瘤；利用砂纸进行打磨，砂纸的目数为50-200目。
9)表面处理：修磨完之后，需要进行清洗，清洗剂采用的是乙酸乙酯或丙酮进行清洗，清洗后将表面刷涂环氧树脂胶。
经拉伸极限载荷试验，本实施例复材拉杆拉伸载荷为8.5吨，破坏形式为衬套断裂；分别使用预浸料热压罐工艺、预浸布错管工艺，未增加防脱落预埋区制得的复材拉杆拉伸载荷分别为3.6吨和3.8吨，破坏形式均为衬套脱落。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆模具，其特征在于：包括杆状主体，杆状主体两端端部的直径小于杆状主体，且通过圆锥段与杆状主体过渡连接；杆状主体端部和圆锥段上均设有若干环向沟槽，所述环向沟槽的轴向截面为倒等腰梯形结构。
2.一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，使用权利要求1所述模具，其特征在于：包括以下步骤：
1)铺贴模具准备：在模具上刷涂脱模剂；
2)铺贴预浸料：在模具上进行预浸料的人工铺贴，铺贴分为三个区域，模具端部的环向沟槽为第一区域，圆锥段上的环向沟槽为第二区域，模具其余部位为第三区域；三个区域各自采用0度、45度或90度交替进行铺贴，形成纤维层；
3)热压罐固化：完成铺贴之后，通过加压装置对纤维层进行加压固化成型；
4)加工脱模：沿轴线将固化后的纤维层分为两瓣，从模具上脱模；
5)胶接：使用结构胶将衬套及两瓣纤维层进行胶接；所述衬套包括平直段和第二锥形段，平直段侧面设有挡圈，平直段和第二锥形段上均设有环向设置的沟槽，且沟槽的轴向截面为倒等腰梯形结构；所述纤维层套装在衬套外侧，纤维层内壁与衬套外壁相贴合，且纤维层的端部抵在挡圈上；
6)干法缠绕：将预浸丝/预浸带在模具表面进行缠绕，在缠绕过程使用加热装置进行在线加热；
7)固化：完成缠绕之后，复合材料拉杆通过阶梯升温加热固化成型；
8)修磨：对复合材料拉杆的表面进行打磨，消除表面的胶瘤；
9)表面处理：修磨完之后，利用环氧树脂胶对复合材料拉杆的表面进行刷涂。
3.如权利要求2所述的一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，其特征在于：所述步骤2)中采取的铺贴方式如下：
第1层：第一区域、第二区域、第三区域均沿0度进行铺贴；
第2层：第一区域、第二区域均沿90度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；
第3层：第一区域、第二区域均沿90度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；
第4层：第一区域、第二区域、第三区域均沿+45度进行铺贴；
第5层：第二区域沿90度进行铺贴，第一区域、第三区域不进行铺贴；
第6层：第一区域、第二区域均沿0度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；
第7层：第一区域、第二区域、第三区域均沿0度进行铺贴；
第8层：第二区域沿+45度进行铺贴，第一区域、第三区域不进行铺贴；
第9层：第二区域沿+45度进行铺贴，第一区域、第三区域不进行铺贴；
第10层：第一区域、第二区域、第三区域均沿0度进行铺贴；
第11层：第一区域、第二区域均沿0度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；
第12层：第二区域沿90度进行铺贴，第一区域、第三区域不进行铺贴；
第13层：第一区域、第二区域、第三区域均沿+45度进行铺贴；
第14层：第一区域、第二区域均沿90度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；
第15层：第一区域、第二区域均沿90度进行铺贴，第三区域不进行铺贴；
第16层：第一区域、第二区域、第三区域均沿0度进行铺贴。
4.如权利要求2所述的一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，其特征在于：所述步骤1)中，采用的脱模剂为RM-1937，在脱模剂刷涂完成后，晾置15min以上，且反复刷涂3遍。
5.如权利要求2所述的一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，其特征在于：所述步骤3)中，加压前依次在拉杆表面包裹脱模布、无孔隔离膜、透气毡、真空袋薄膜，采用压敏胶带封装真空袋，加压压力为1bar～20bar,同时其固化温度为100～150℃，固化时间为1～15h。
6.如权利要求2所述的一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，其特征在于：所述步骤6)中，预浸丝/预浸带为碳纤维与环氧树脂预浸而成，预浸丝/预浸带宽度为5-12mm；缠绕时的张力为20-30N，加热装置的加热温度为50-60℃，加热方式为热风、红外、超声或热辊，并且安装有温度的加测控制系统。
7.如权利要求6所述的一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，其特征在于：所述步骤6)中，在衬套接头位置进行85-89度的局部纤维缠绕增厚，厚度为2-3mm，缠绕测地线角度及铺层为[±45]2s。
8.如权利要求2所述的一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，其特征在于：所述步骤7)中，固化温度为100-150℃，升温速率为2℃/min，固化时间为4-6h。
9.如权利要求2所述的一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，其特征在于：所述步骤8)中，利用砂纸进行打磨，砂纸的目数为50-200目。
10.如权利要求2所述的一种热压罐及干法缠绕相结合的复材拉杆成型方法，其特征在于：所述步骤9)中，在打磨完之后需要进行清洗，清洗剂采用的是乙酸乙酯或丙酮进行清洗，清洗后将表面刷涂环氧树脂胶。
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