CN117465025A - 一种异形复合材料进气道保护罩成型方法 - Google Patents

一种异形复合材料进气道保护罩成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种异形复合材料进气道保护罩成型方法。该方法包括：根据保护罩的外形尺寸和成型要求，制造保护罩成型模具和橡胶芯模；对橡胶芯模进行铺层，得到包覆预浸料层组的前加强筋和后加强筋；将后加强筋在保护罩成型模具中进行定位；进行连接座贴膜处理，并将连接座在保护罩成型模具中进行定位；将前加强筋在保护罩成型模具中进行定位；进行保护罩罩体的蒙皮铺层，并进行抽真空预压实处理；进行合模、固化及脱模，得到异形复合材料进气道保护罩。本发明可以有效解决异形复合材料保护罩的成型、脱模难问题，在保证产品型面精度同时能保证产品内部质量，最终制品的整体性好，能够大幅降低成型制造和后期机加工成本。

Description

一种异形复合材料进气道保护罩成型方法
技术领域
本发明属于异形结构复合材料整体成型工艺技术领域，尤其涉及一种针对飞行器保护罩的成型方法。
背景技术
进气道保护罩是吸气式飞行器进气道的保护构件，位于飞行器的腹部，起着稳定流场和保护内部航天器的作用，为不规则异性复杂壳体，由耐高温、比强度大、比模量高的碳纤维热固性树脂基复合材料构成，通常用其代替飞行器上常用的结构铝合金，减轻结构重量，提高承载能力。然而耐高温复合材料通常固化温度高，复合材料固化结束后，降温到室温后，由于复合材料内部固化应力和热应力的存在以及复合材料的各向异性特点，制品易出现变形翘曲，影响制品的尺寸精度，易导致制品尺寸超差。另外，飞行器进气道保护罩属于薄壁敞口结构，斜度较大，工艺操作难度大，产品成型和脱模困难，且树脂在高温下粘度较低，流动性强，容易跑胶，造成产品内部存在分层和疏松缺陷。
对于大尺寸异形进气道罩体结构形式，产品成型、变形和分层现象仍然是亟待解决的关键技术问题，这严重制约了复合材料在飞行器领域的推广应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的上述不足，提供一种异形复合材料进气道保护罩成型方法，一体模压固化成型后可以保证进气道保护罩的整体性能、型面精度和内部质量，相比于常规方式，生产效率有大幅度的提升。
本发明的具体技术解决方案为：
一种异形复合材料进气道保护罩成型方法，包括如下步骤：
根据保护罩的外形尺寸和成型要求，制造保护罩成型模具和橡胶芯模；
对橡胶芯模进行铺层，得到包覆预浸料层组的前加强筋和后加强筋；
将后加强筋在保护罩成型模具中进行定位；
进行连接座贴膜处理，并将连接座在保护罩成型模具中进行定位；
将前加强筋在保护罩成型模具中进行定位；
进行保护罩罩体的蒙皮铺层，并进行抽真空预压实处理；
进行合模、固化及脱模，得到异形复合材料进气道保护罩。
进一步地，所述根据保护罩的外形尺寸和成型要求，制造保护罩成型模具和橡胶芯模，包括：根据保护罩的外形尺寸和成型要求，采用P20模具钢制造保护罩成型模具、橡胶芯模。保护罩成型模具为上下模结构，下模为分块结构，由下模底框、限位柱、挡块、侧边条和多个芯块组成；芯块与下模底框通过下模底框的凹槽进行限位；侧边条为折条状，安装在芯块的四周边缘，用于托住上模以及保证保护罩侧面的成型质量；限位柱为圆柱形，用于判断侧边条是否紧固到位。橡胶芯模为上下模结构，下模内有两个分别用于成型前加强筋、后加强筋的凹槽，上模的外形面留有进胶口和排胶口。
进一步地，所述对橡胶芯模进行铺层，得到包覆预浸料层组的前加强筋和后加强筋，包括：在橡胶芯模的进胶口倒入抽真空排气泡后的橡胶液(硅橡胶)，使模具中空气均匀排出，直至橡胶从排胶口溢出，室温硫化12h，脱模得到前/后橡胶芯模，然后在橡胶芯模上按照铺层顺序直接包覆预浸料层组，用真空袋密封，抽真空预压实，得到包覆预浸料层组的前/后加强筋。
进一步地，所述将后加强筋在保护罩成型模具中进行定位，包括：将模具大端的金属芯块组装在下模底框的定位凹槽内；将后加强筋底部的金属芯块装到下模底框的定位凹槽内，在金属芯块上端面铺一层平纹碳布预浸料，然后将包覆预浸料层组后的后加强筋放置在金属芯块上的平纹碳布预浸料上。
进一步地，所述进行连接座贴膜处理，并将连接座在保护罩成型模具中进行定位，包括：对连接座与复合材料罩体所有的接触区域都贴上多层胶膜，并将装有连接座的中部金属芯块装在下模底框的定位凹槽内，同时将中部剩余的金属芯块装在下模底框的定位凹槽内。
进一步地，所述将前加强筋在保护罩成型模具中进行定位，包括：将前加强筋底部的金属芯块装到下模底框定位凹槽内，在金属芯块上端面铺一层平纹碳布预浸料，将包覆预浸料层组后的前加强筋放置在金属芯块上的平纹碳布预浸料上。
进一步地，所述进行保护罩罩体的蒙皮铺层，并进行抽真空预压实处理，包括：
1)将模具小端的金属芯块依次组装在下模底框的定位凹槽内。
2)将包覆有前/后加强筋的平纹碳布预浸料沿模具方向翻折上来，翻折的过程中不能裁断，在剩下的模具表面铺一层平纹碳布预浸料，然后依次进行罩体加厚区、蒙皮区铺层，用真空袋密封，并进行第一次抽真空预压实处理；
3)再次铺制保护罩蒙皮之前，沿侧边模具边缘刻线对预浸料进行修剪，并进行剩余蒙皮铺层和进行第二次抽真空预压实，预压结束后对周边多余飞边进行修剪；
4)对蒙皮整体表面进行清理后，铺覆最后一层平纹碳布预浸料，按照模具边缘刻线修剪到位。
进一步地，所述合模、固化及脱模，包括：
1)锁紧模具金属芯块与下模底框之间的紧固螺钉，将连接座上端的压块放置到位后，锁紧压块上的紧固螺钉，确保连接座安装到位；
2)将模具前端挡块和左右后端三个边条组装在下模对应位置，用加压螺钉推动边条贴紧芯块；
3)合上上模，根据预浸料工艺参数设置温度和压力，然后分三至四次逐渐加压至合严模，确保上、下模间隙不大于0.1mm后，锁紧侧边条的加压螺钉，以确保两侧的限位柱不突出于模具外侧，保护罩整个升温固化过程中需保证模具在设定温度±5℃范围内；
4)固化结束后冷却脱模：冷循环冷却气动脱模，拔掉下模和芯块，可得到所述的异性复合材料进气道保护罩。
进一步地，在前/后加强筋铺层过程中，同层相邻的预浸料带之间采用对接方式铺层，不同层之间的对接缝错开5～10mm铺层。
进一步地，在前/后加强筋铺层过程中抽真空预压实处理的方式为：将铺覆好层组的加强筋橡胶芯模外表面依次包裹无孔膜、透气毡、真空袋，并通过密封胶条粘贴保证气密性，放入烘箱中，保温温度70～90℃，保温时间60～80min，抽真空，空度达到-0.09MPa以上。
进一步地，在进行保护罩罩体的蒙皮铺层后进行抽真空预压实的处理方式为：将保护罩下模放置在钢板上，在铺覆好罩体的模具外表面依次包裹无孔膜、透气毡、真空袋，用真空袋粘接在钢板上，密封整个保护罩下模，并通过密封胶条粘贴保证气密性，放入烘箱中，保温温度50～90℃，保温时间50～80min，抽真空，空度达到-0.09MPa以上。
本发明还提供一种采用上述方法成型的异形复合材料进气道保护罩。
本发明与现有技术相比有益效果在于：
本发明采取一体模压成型的成型工艺，通过预压工序以及侧边条和限位柱的紧密配合方式，同时采用硅橡胶进行辅助加压前后加强筋，可以有效解决异形复合材料保护罩的成型、脱模难问题，在保证产品型面精度同时，能保证产品内部质量(探伤缺陷所占面积小于5％)，工艺稳定，最终制品的整体性好，大幅降低成型制造和后期机加工成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明的异形复合材料进气道保护罩示意图；
图3为本发明的异形复合材料进气道保护罩成型模具俯视图；
图4为本发明的异形复合材料进气道保护罩成型模具剖视图；
图5为本发明的压块示意图；
图6为本发明的异形复合材料进气道保护罩橡胶成型模具示意图；
图7为本发明的异形复合材料进气道保护罩SEM图。
附图标记列表：
0、进气道保护罩；1、连接座；M1、限位柱；M2、加压螺钉；M3、紧固螺钉；M4、定位凹槽；M5、上模；M6、下模底框；M7、侧边条；M8、金属芯块；M9、挡块；M10、压板；M11、压板紧固螺钉；M12、用于成型前加强筋的凹槽；M13、用于成型后加强筋的凹槽；M14、进胶口；M15、出胶口。
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、完整的描述，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。
本发明的异形复合材料保护罩整体成型工艺方法，其总体流程如图1所示，主要步骤包括：模具设计制造及组装、前后加强筋铺层、后加强筋定位、连接座贴膜处理及连接座定位、前加强筋定位、罩体蒙皮铺层、多次产品预压实、合模、固化、脱模及CT检测等。图2是本发明的异形复合材料进气道保护罩示意图，其中两处虚线所示为加强筋所在位置。
本发明的一个实施例中，采用的异形复合材料进气道保护罩成型方法具体包括以下步骤：
(1)根据保护罩的外形尺寸和成型要求，采用P20模具钢制造保护罩成型模具、橡胶芯模。保护罩成型模具分为上模M5、下模，下模为分块结构，由下模底框M6、限位柱M1、挡块M9、侧边条M7和多个金属芯块M8组成，如图3、图4所示。橡胶芯模为上下模结构，如图6所示，下模内有用于成型前加强筋的凹槽M12、用于成型后加强筋的凹槽M13，上模的外形面留有进胶口M14和排胶口M15。
(2)在橡胶芯模的进胶口M14倒入抽真空排气泡后的橡胶液，使模具中空气均匀排出，直至橡胶从排胶口M15溢出，室温硫化12h，脱模得到前/后橡胶芯模，然后在橡胶芯模上按照铺层顺序直接包覆预浸料层组。预浸料单层厚度为0.5mm，铺层数为3～6层，用真空袋密封，抽真空预压实处理，直至得到预定层数，得到包覆预浸料的前/后加强筋。
(3)将模具大端(如图3所示)的5个分瓣金属芯块组装在下模底框M6的定位凹槽M4内；
(4)将后加强筋底部的金属芯块装到下模的定位凹槽M4内，在金属芯块上端面铺一层0.2mm厚的平纹碳布预浸料，然后将步骤(2)中包覆预浸料层组的后加强筋放置在金属芯块上的平纹碳布预浸料上。
(5)对连接座1与复合材料罩体所有的接触区域都贴上2～4层胶膜，并将装有连接座1的中部金属芯块装在下模的定位凹槽M4内，同时将中部剩余的金属芯块装在下模的定位凹槽M4内。连接座1用于将进气道保护罩与飞行器的其他部分实现固定连接。
(6)将前加强筋底部的金属芯块装到下模的定位凹槽M4内，在金属芯块上端面铺一层0.2mm厚的平纹碳布预浸料，将步骤(2)中的前加强筋放置在金属芯块上的平纹碳布预浸料上；
(7)将模具小端(如图3所示)的大金属芯块依次组装在下模的定位凹槽M4内；
(8)将包覆有前/后加强筋的平纹碳布预浸料沿模具方向翻折上来(将前/后加强筋包住)，翻折的过程中不能裁断，在剩下的模具表面铺一层0.2mm厚的平纹碳布预浸料，然后依次进行罩体3～8mm加厚区、1～4mm蒙皮区铺层，用真空袋密封，并进行第一次抽真空预压实处理，直至达到预定层数。
(9)再次铺制保护罩蒙皮之前，沿侧边模具边缘刻线对预浸料进行修剪，并进行剩余蒙皮铺层，用真空袋密封，并进行第二次抽真空预压实，直至达到蒙皮区厚度，预压结束后对周边多余飞边进行修剪。
(10)对蒙皮整体表面进行清理后，铺覆最后一层0.2mm厚的平纹碳布预浸料，按照模具边缘刻线修剪到位。
(11)锁紧模具金属芯块与下模底框M6之间的紧固螺钉M3，将连接座1上端的压块M10放置到位后，锁紧压块上的紧固螺钉M11，如图5所示，确保连接座安装到位；
(12)将模具前端的挡块M9和左右后端三个侧边条M7组装在下模的对应位置，用加压螺钉M2(如图3所示)推动边条贴紧芯块；
(13)合上上模，将装配好后的模具放置于压机上，在模具温度为140℃时分三至四次逐渐加压至合严模，确保上模、下模的间隙不大于0.1mm后，锁紧侧边条的加压螺钉M2，以确保两侧的限位柱不突出于模具外侧，保温保压2h，模具升温至180℃时保温保压2h，保护罩整个升温固化过程中需保证模具在设定温度±5℃范围内。
(14)固化结束后冷却脱模：冷循环冷却气动脱模，拔掉下模和芯块，可得到所述的异性复合材料进气道保护罩。
根据一些优选的实施方式，步骤(2)的前/后加强筋铺层过程中，同层相邻的预浸料带之间采用对接方式铺层，不同层之间的对接缝错开5～10mm铺层。步骤(2)中抽真空预压实处理的方式为：将铺覆好层组的加强筋橡胶芯模外表面依次包裹无孔膜、透气毡、真空袋，并通过密封胶条粘贴保证气密性，放入烘箱中，保温温度70～90℃，保温时间60～80min，抽真空，真空度达到-0.09MPa以上。
根据一些优选的实施方式，步骤(8)和(9)中，抽真空预压实的处理方式为：将保护罩下模放置在钢板上，在铺覆好罩体的模具外表面依次包裹无孔膜、透气毡、真空袋，用真空袋粘接在钢板上，密封整个保护罩下模，并通过密封胶条粘贴保证气密性，放入烘箱中，保温温度50～90℃，保温时间50～80min，抽真空，真空度达到-0.09MPa以上。
根据一些优选的实施方式，所述预浸料为碳纤维增强树脂基环氧预浸料(例如T700/8522高温环氧预浸料)，8522指的是一种高温环氧树脂，用该树脂与单向层组或碳布加工出来的料叫做T700/8522高温环氧预浸料层组或T700/8522高温环氧平纹碳布预浸料。
图7为本发明的异形复合材料进气道保护罩SEM图，位于图2中的中间位置，可以看出，碳纤维被基体紧密包裹，无间隙和分层现象，表明成型后的进气道保护罩内部质量稳定。
值得说明的是：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：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，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，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 (10)

1.一种异形复合材料进气道保护罩成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据保护罩的外形尺寸和成型要求，制造保护罩成型模具和橡胶芯模；
对橡胶芯模进行铺层，得到包覆预浸料层组的前加强筋和后加强筋；
将后加强筋在保护罩成型模具中进行定位；
进行连接座贴膜处理，并将连接座在保护罩成型模具中进行定位；
将前加强筋在保护罩成型模具中进行定位；
进行保护罩的罩体的蒙皮铺层，并进行抽真空预压实处理；
进行合模、固化及脱模，得到异形复合材料进气道保护罩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护罩成型模具为上下模结构，下模包括下模底框、限位柱、挡块、侧边条和多个芯块，芯块与下模底框通过凹槽进行限位；所述侧边条为折条状，安装在芯块的四周边缘，用于托住上模以及保证保护罩侧面的成型质量；所述限位柱为圆柱形，用于判断侧边条是否紧固到位；所述橡胶芯模为上下模结构，下模内有两个分别用于成型前加强筋、后加强筋的凹槽，上模的外形面留有进胶口和排胶口。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对橡胶芯模进行铺层，得到包覆预浸料层组的前加强筋和后加强筋，包括：在橡胶芯模的进胶口倒入抽真空排气泡后的橡胶液，使模具中空气均匀排出，直至橡胶从排胶口溢出，进行室温硫化，脱模得到前橡胶芯模和后橡胶芯模，然后在橡胶芯模上按照铺层顺序直接包覆预浸料层组，用真空袋密封，抽真空预压实，得到包覆预浸料层组的前加强筋和后加强筋。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在前加强筋和后加强筋的铺层过程中，同层相邻的预浸料带之间采用对接方式铺层，不同层之间的对接缝错开5～10mm；在前加强筋和后加强筋的铺层过程中抽真空预压实处理的方式为：将铺覆好层组的加强筋的橡胶芯模外表面依次包裹无孔膜、透气毡、真空袋，并通过密封胶条粘贴保证气密性，放入烘箱中，保温温度70～90℃，保温时间60～80min，抽真空，空度达到-0.09MPa以上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将后加强筋在保护罩成型模具中进行定位，包括：将后加强筋底部的金属芯块装到下模底框的定位凹槽内，在金属芯块上端面铺一层平纹碳布预浸料，然后将包覆预浸料层组后的后加强筋放置在金属芯块上的平纹碳布预浸料上。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行连接座贴膜处理，并将连接座在保护罩成型模具中进行定位，包括：对连接座与复合材料罩体所有的接触区域都贴上多层胶膜，并将装有连接座的中部金属芯块装在下模底框的定位凹槽内，同时将中部剩余的金属芯块装在下模底框的定位凹槽内。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将前加强筋在保护罩成型模具中进行定位，包括：将前加强筋底部的金属芯块装到下模底框定位凹槽内，在金属芯块上端面铺一层平纹碳布预浸料，将包覆预浸料层组后的前加强筋放置在金属芯块上的平纹碳布预浸料上。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行保护罩的罩体的蒙皮铺层，并进行抽真空预压实处理，包括：
将包覆有前/后加强筋的平纹碳布预浸料沿模具方向翻折上来，翻折的过程中不能裁断，在剩下的模具表面铺一层平纹碳布预浸料，然后依次进行罩体加厚区、蒙皮区铺层，用真空袋密封，并进行第一次抽真空预压实处理；
再次铺制保护罩蒙皮之前，沿侧边模具边缘刻线对预浸料进行修剪，并进行剩余蒙皮铺层和进行第二次抽真空预压实，预压结束后对周边多余飞边进行修剪；
对蒙皮整体表面进行清理后，铺覆最后一层平纹碳布预浸料，按照模具边缘刻线修剪到位；
其中，进行抽真空预压实的处理方式为：将保护罩下模放置在钢板上，在铺覆好罩体的模具外表面依次包裹无孔膜、透气毡、真空袋，用真空袋粘接在钢板上，密封整个保护罩下模，并通过密封胶条粘贴保证气密性，放入烘箱中，保温温度50～90℃，保温时间50～80min，抽真空，空度达到-0.09MPa以上。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合模、固化及脱模，包括：
锁紧模具金属芯块与下模底框之间的紧固螺钉，将连接座上端的压块放置到位后，锁紧压块上的紧固螺钉，确保连接座安装到位；
将模具前端挡块和左右后端三个边条组装在下模对应位置，用加压螺钉推动边条贴紧芯块；
合上上模，根据预浸料工艺参数设置温度和压力，然后分三至四次逐渐加压至合严模，确保上、下模间隙不大于0.1mm后，锁紧侧边条的加压螺钉，以确保两侧的限位柱不突出于模具外侧，保护罩整个升温固化过程中需保证模具在设定温度±5℃范围内；
固化结束后进行冷却脱模，得到异性复合材料进气道保护罩。
10.根据权利要求1～9中任一项所述方法成型的异形复合材料进气道保护罩。
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