CN117774375A - 一种复合材料环框及其成型方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种复合材料环框及其成型方法和装置，属于复合材料成型技术领域。通过采用纤维连续的工艺分型方案，结合锐角区规整预压和流胶路径控制方法，采用硅橡胶辅助的热压罐成型工艺，成型出一体化复合材料环框。本发明采用的成型方法操作步骤简单，能有效实现复杂结构环框的一体化成型，既能保证产品整体性好，又可以保证环框外型面尺寸精度和成型质量，满足外型面与蒙皮的装配精度需求，同时可以实现产品的均匀加压，提高产品的成型质量，具有较好的应用前景和推广价值。

Description

一种复合材料环框及其成型方法和装置

技术领域

本发明涉及一种复合材料环框一体化成型方法和装置，属于复合材料成型技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断进步和各行业的日益发展，对结构件的轻量化提出了更高的技术要求。树脂基复合材料具有重量轻，比刚度、比强度高，可设计性强，抗疲劳断裂性好，尺寸稳定性好，耐腐蚀等优越性能，是目前航空、航天、交通等领域中应用较为广泛的高性能结构材料。

随着对复合材料零件强度、刚度及应用性要求的提高，零件的结构也越来越复杂。复合材料环框作为一种支撑加强结构，将连接点的载荷通过环框传递到蒙皮，形成整体受力，因此环框在实现轻量化需求的同时，还需要足够的刚度和强度，结构复杂，成型质量要求高。

对于复杂异型复合材料环框，通常采用胶接共固化方法成型，先将复杂构型分解成多个简单构型，单独固化后进行胶接共固化成整体，此方法特征结构之间采用结构胶粘接，难以保证纤维连续性，一体化程度不高，强度和刚度较差。也有采用金属阴阳模的成型方法，利用阳模进行铺层，铺层完成后利用阴模对其进行模压固化。该方法模具设计复杂，多处合模间隙较难控制，不适合复杂异形截面环框结构；同时内型面部分特征区域难以保证加压均匀，影响成型质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种复杂异型复合材料环框的一体化成型方法，该方法既能保证产品整体性好，满足强度刚度等力学性能的要求、又可以保证环框外型面尺寸精度和成型质量，满足外型面与蒙皮的装配精度需求，同时可以实现产品的均匀加压，提高产品的成型质量。

本发明的技术解决方案：

一种复合材料环框一体化成型方法，适用于复杂异型复合材料环框为含凹陷特征的丁型截面复杂环框，采用纤维连续的工艺分型方案，结合锐角区规整预压和流胶路径控制方法，采用硅橡胶辅助的热压罐成型工艺进行成型；所述复杂环框，包括凹陷特征(例如可以是两个半圆弧凹陷特征，或其他数量、其他形状的凹陷特征)，截面分型为U型框和L型框，U型框和L型框背对设置；该成型方法的步骤包括：

准备复合材料环框成型模具，包括L型铺层阳模和U型铺层阳模；

分别在L型铺层阳模、U型铺层阳模上进行预浸料铺层；

将铺层后的L型铺层阳模和U型铺层阳模进行组合装配，并进行共固化成型，得到具有丁型截面的复合材料环框。

优选地，所述L型铺层阳模和U型铺层阳模均包含硅橡胶软模和金属硬模；在成型过程中，预浸料的一侧接触硅橡胶软模，另一侧接触金属硬模，硬模面固定不动以提供支撑，软模面通过硅橡胶的膨胀力将预浸料压实，保证产品的尺寸、位置精度和装配精度，并保证产品各部位均匀受压。

优选地，上述成型方法可以进一步包括以下步骤：

1)模具准备步骤：将模具进行清洗，并在表面涂刷脱模剂，然后将不同区域单元的硅橡胶软模分别与对应的芯模组块进行组装，得到不同内型面相对应的阳模模具；

2)铺层步骤：将裁剪好的预浸料铺贴在步骤1)得到的不同内型面相对应的阳模模具表面，依据铺层设计完成不同单元内型面结构特征区域的铺层；铺层过程中进行预压实。

3)模具对接组合步骤：将步骤2)完成铺层的不同单元阳模模具进行对接装配，标识好模具的上下面，组合成为环框整体模具结构，再抽真空预压实；

4)封装和固化步骤：将预先制备的挡胶条贴在产品周围一圈，封装后采用热压罐进行固化；

5)脱模步骤：将步骤4)固化后的模具从热压罐中取出，待产品冷却后，对其进行脱模，标识好脱模的上下面，完成复合材料环框的一体化成型。

优选地，步骤1)中模具的组成零件包括硅橡胶、金属芯模、边条、底板、螺钉和销钉；组装过程中，分别用预先成型好的三角形截面硅橡胶与对应的芯模进行定位组装，得到L型内型面相对应的阳模铺层模具，用预先成型好的U型截面硅橡胶与对应的芯模进行定位组装，得到U型内型面相对应的阳模铺层模具。

优选地，步骤2)中进行铺层时，分别对L型铺层阳模和U型铺层阳模进行预浸料铺放，L型铺层阳模上，预浸料的铺贴位置为硅橡胶侧边和金属芯模侧边，两者形成L型；U型铺层阳模上，预浸料的铺贴位置为硅橡胶的三个侧边，三边形成U型；第一层铺层后进行抽真空预压实，后面每铺层不大于三层时均进行一次抽真空预压实(例如每铺层一层时进行一次抽真空预压实，或者每铺层两层时进行一次抽真空预压实，或者每铺层三层时进行一次抽真空预压实)，预压实过程中，用两片厚度小于1.5mm的铝片放入凹陷棱边的两侧，转角处用高温胶带进行连接固定；铺放0度纤维时采用小于10mm宽的窄条沿着环框的弧线进行铺放。

优选地，步骤2)中预浸料为单向纤维或纤维织物，所用树脂为环氧树脂、氰酸脂树脂或双马来酰亚胺树脂，树脂的固化温度不超过250度。

优选地，步骤3)中，将铺放好预浸料的L型铺层阳模和U型铺层阳模进行组合装配，U型铺层阳模在上方，L型铺层阳模在下方，使U型预浸料的横边和L型预浸料的竖边背对紧贴，截面形成横放的丁型结构。在L型物料与U型物料的接缝处，填上0度纤维捻丝，在环框的凹陷特征处，放置预先制备的工艺盖板，此工艺盖板为带翻边的半圆弧，翻边长度为3cm～8cm，半圆弧形状与产品上的凹陷特征形状一致，此工艺盖板可以为金属、复合材料。再进行抽真空预压实。

优选地，步骤4)中，在模具上方漏出产品的周围，贴一圈预先制备的挡胶条，挡胶条由无孔模包裹密封胶条组成，封装后采用热压罐进行固化。

优选地，步骤5)中，脱模时，将L型铺层阳模置于上方，先脱出凹陷特征区域的边条，再依次脱出两侧边条；先脱出L型阳模的硅橡胶块和芯块，再脱出U型阳模芯块，然后将U型硅橡胶和产品一起脱出，最后取出U型硅橡胶得到一体化成型的含凹陷特征的丁型截面复合材料环框。

本发明还提供一种根据上述本发明方法成型的复合材料环框。

本发明还提供一种复合材料环框一体化成型装置，其包括L型铺层阳模和U型铺层阳模；所述L型铺层阳模包含三角形截面硅橡胶与对应的金属芯模，三角形截面硅橡胶与对应的金属芯模进行定位组装形成L型内型面相对应的的阳模铺层模具；所述U型铺层阳模包含U型截面硅橡胶与对应的金属芯模，U型截面硅橡胶与对应的金属芯模进行定位组装形成U型内型面相对应的的阳模铺层模具。

进一步地，上述装置还包括工艺盖板，其形状与复合材料环框上的凹陷特征的形状一致，用于成型复合材料环框上的凹陷特征。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明采用的模具为硅橡胶软模与金属硬模组成，一方面给预浸料铺层提供了铺层支撑面，另一方面使预浸料两侧，总有一侧接触硅橡胶软模，另一侧接触金属硬模，在成型过程中，硬模面固定不动提供支撑，软模面通过硅橡胶的膨胀力，将中间的预浸料压密实，即保证了产品的尺寸位置精度和贴硬模面的装配精度，又保证了产品所有部位都能均匀受压，提高产品的成型质量。

(2)本发明铺层过程中将丁型截面结构环框分成U型结构单元和L型结构单元，保证了纤维的连续性，再将U型和L型结构单元背靠放置，一体共固化成型，保证了产品的整体性和一体化，提高了产品的传载能力。

(3)本发明铺层过程中将0度纤维采用小于10mm宽的窄条进行铺放，在变曲率变弧长平面上，避免纤维出现褶皱，保证了纤维铺放的平整性，提高了产品的成型质量。

(4)本发明预压实过程中，并用两片厚度小于1.5mm的铝片放入凹陷棱边的两侧作为辅助工装定位，可保证凹陷棱边的直角特征，提高棱边的成型质量。同时分体式薄铝片即可随形，又可随着铺层数量增多，曲率变化而随意调整，实现柔性工装的多功能性。铺层不大于三层进行多次预压，可充分有效的排出铺层过程中的空气，提高产品的成型质量。

(5)本发明合模固化时，将U型结构单元放在上方，L型结构单元放在下方，形成的丁型截面产品，在固化过程中，气路通道比较多，产品的每个边均有气路通道，排气更顺畅，可以大大提高产品的成型质量。

(6)本发明在合模时，环框的凹陷特征处，放置与凹陷特征一致的带翻边的工艺盖板作为预压辅助工装，可以有效保证凹陷特征的形状精度，提高成型质量。

(7)本发明在产品固化成型时，在漏出产品的周围贴一圈挡胶条，可以防止预浸料中的树脂流失，使预浸料中的树脂全保存在产品内部，大大提高了产品的成型质量。

(8)本发明脱模时将L型铺层阳模置于上方，先脱出凹陷特征区域的边条，最后按照顺序取出组块，完成脱模。该方式充分利用模具组块上的斜边和脱模角，脱模方便顺畅，提高了一体化整体环框脱模的可操作性。

(9)本发明可完成含凹陷等复杂特征结构的异型截面复合材料环框的一体化成型，减少了后续粘接、装配等工序的工作量，在有效提高产品生产效率的同时，提高了产品成型质量，实现了一体化制造。

附图说明

图1为本发明的一种复合材料环框结构示意图(俯视图)；

图2为图1中的复合材料环框的部分环框的立体结构图及丁型结构的截面示意图。

图3为图2中丁型结构的放大图。

图4为本发明的复合材料环框的成型模具示意图。

图5为本发明使用的一种复合材料环框成型模具截面的U型和L型拼接成丁型的示意图。

图6为工艺盖板结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

本发明的一个实施例中，待成型的复合材料环框的形状如图1、图2所示，复合材料环框10的截面为丁型结构11，其放大图如图3所示。复合材料环框10上还设有两个半圆弧形的凹陷特征12，

本发明提供一种上述复杂结构的复合材料环框的一体化成型方法，通过以下步骤实现：

1、模具准备：将模具进行清洗，并在表面涂刷脱模剂，然后将不同区域单元的硅橡胶软模分别与对应的芯模组块进行组装，得到不同内型面相对应的阳模模具。

本步骤中模具的组成零件包括硅橡胶(包括三角形截面硅橡胶21和U型截面硅橡胶22)、金属芯模23、边条24、金属底板25、螺钉和销钉，如图4所示(该图中未示意螺钉和销钉)。组装过程中，分别用预先成型好的三角形截面硅橡胶与对应的金属芯模进行定位组装，得到L型内型面相对应的阳模铺层模具，即L型铺层阳模；用预先成型好的U型截面硅橡胶与对应的金属芯模进行定位组装，得到U型内型面相对应的阳模铺层模具，即U型铺层阳模。金属底板25起支撑定位作用，金属芯模23、边条24等都嵌在金属底板25中。

2、结构单元铺层：将裁剪好的预浸料铺贴在不同内型面相对应的阳模模具表面，依据铺层设计完成不同单元的内型面结构特征区域的铺层；铺层过程中进行预压实。

本步骤中进行铺层时，分别对L型铺层阳模和U型铺层阳模进行预浸料铺放，L型铺层阳模上，预浸料的铺贴位置为硅橡胶侧边和金属芯模侧边，两者形成L型；U型铺层阳模上，预浸料的铺贴位置为硅橡胶的三个侧边，三边形成U型。第一层铺层后进行抽真空预压实，后面每铺层不大于三层时均进行一次抽真空预压实。预压实过程中，用两片厚度小于1.5mm的铝片放入凹陷棱边的两侧，转角处用高温胶带进行连接固定；铺放0度纤维时采用小于10mm宽的窄条沿着环框的弧线进行铺放。

本步骤中预浸料为单向纤维或纤维织物，所用树脂为环氧树脂、氰酸脂树脂或双马来酰亚胺树脂，树脂的固化温度不超过250度。

3、模具对接组合：将完成铺层的不同单元阳模模具进行对接装配，标识好模具的上下面，组合成为环框整体模具结构，如图4所示，再抽真空预压实；

本步骤中，将铺放好预浸料的L型铺层阳模和U型铺层阳模进行组合装配，U型铺层阳模在上方，L型铺层阳模在下方，使U型预浸料的横边和L型预浸料的竖边背对紧贴，截面形成横放的丁型结构，如图5所示。在L型物料与U型物料的接缝处，填上0度纤维捻丝，在环框的凹陷特征11处，放置预先制备的工艺盖板。此工艺盖板如图6所示，为带翻边的半圆弧，翻边长度为3cm～8cm，半圆弧形状与产品上的凹陷特征形状一致，此工艺盖板可以为金属、复合材料。再进行抽真空预压实。

4、封装和固化：在模具上方漏出产品的周围，贴一圈预先制备的挡胶条，挡胶条由无孔模包裹密封胶条组成，封装后采用热压罐进行固化。

5、脱模：将固化后的模具从热压罐中取出，待产品冷却后，对其进行脱模，标识好脱模的上下面，完成复合材料环框的一体化成型。

本步骤脱模时，将L型铺层阳模置于上方，先脱出凹陷特征区域的边条，再依次脱出两侧边条；先脱出L型阳模的硅橡胶块和芯块，再脱出U型阳模芯块，然后将U型硅橡胶和产品一起脱出，最后取出U型硅橡胶得到一体化成型的含凹陷特征的丁型截面复合材料环框。

进一步，本发明提供一种采用上述方法制备的复合材料环框。

本发明的一个实施例中，提供一种复合材料环框为含两个凹陷结构的四分之三圆环，其截面为丁形结构(如图1、图2、图3所示)，本实施例的具体实施步骤如下：

1、模具准备：将模具进行清洗，并在表面涂刷脱模剂，然后将预先成型好的三角形截面硅橡胶与对应的芯模进行定位组装，得到L型内型面相对应的阳模铺层模具，用预先成型好的U型截面硅橡胶与对应的芯模进行定位组装，得到U型内型面相对应的阳模铺层模具。

2、结构单元铺层：将裁剪好的单向预浸料铺贴在L型内型面模具表面和U型内型面模具表面，依据铺层设计完成L型结构单元和U型结构单元的铺层；铺层过程中进行预压实。

本步骤中所用纤维为单向纤维，所用的树脂为双马来酰亚胺树脂。预浸料厚度为0.125mm。预浸料用树脂的固化温度为230度。

本步骤中进行铺层时，分别对L型铺层阳模和U型铺层阳模进行预浸料铺放，L型铺层阳模上，预浸料的铺贴位置为硅橡胶侧边和金属芯模侧边，两者形成L型；U型铺层阳模上，预浸料的铺贴位置全为硅橡胶的三个侧边，三边形成U型；第一层铺层后进行抽真空预压实，后面每铺层三层时均进行一次抽真空预压实，预压实过程中，用两片厚度1.0mm的铝片放入凹陷棱边的两侧，转角处用高温胶带进行连接固定；铺放0度纤维时采用8mm宽的窄条沿着环框的弧线进行铺放。

3、模具对接组合：将铺放好预浸料的L型铺层阳模和U型铺层阳模进行组合装配，U型铺层阳模在上方，L型铺层阳模在下方，使U型预浸料的横边和L型预浸料的竖边背对紧贴，截面形成横放的丁型结构。在L型物料与U型物料的接缝处，填上0度纤维捻丝，在环框的凹陷特征处，放置预先制备的复合材料工艺盖板，此工艺盖板为带翻边的半圆弧，翻边长度为3cm～8cm，半圆弧形状与产品上的凹陷特征形状一致。再进行抽真空预压实。

4、封装和固化：在模具上方漏出产品的周围，贴一圈预先制备的挡胶条，挡胶条由无孔模包裹密封胶条组成，封装后采用热压罐进行固化，升温过程为升温到130度保温2小时，升温到180度保温4小时，升温到230度保温4小时，压力为0.6MPa.

5、脱模：将固化后的模具从热压罐中取出，待产品冷却后，对其进行脱模，脱模时，将L型铺层阳模置于上方，先脱出凹陷特征区域的边条，再依次脱出两侧边条；先脱出L型阳模的硅橡胶块和芯块，再脱出U型阳模芯块，然后将U型硅橡胶和产品一起脱出，最后取出U型硅橡胶得到一体化成型的含凹陷特征的丁型截面复合材料环框。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。

Claims (10)

1.一种复合材料环框一体化成型方法，其特征在于，所述复合材料环框具有丁型截面，所述方法包括以下步骤：

准备复合材料环框成型模具，包括L型铺层阳模和U型铺层阳模；

分别在L型铺层阳模、U型铺层阳模上进行预浸料铺层；

将铺层后的L型铺层阳模和U型铺层阳模进行组合装配，并进行共固化成型，得到具有丁型截面的复合材料环框。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述L型铺层阳模和U型铺层阳模均包含硅橡胶软模和金属硬模；在成型过程中，预浸料的一侧接触硅橡胶软模，另一侧接触金属硬模，硬模面固定不动以提供支撑，软模面通过硅橡胶的膨胀力将预浸料压实，保证产品的尺寸、位置精度和装配精度，并保证产品各部位均匀受压。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述L型铺层阳模包含三角形截面硅橡胶与对应的金属芯模，三角形截面硅橡胶与对应的金属芯模进行定位组装形成L型内型面相对应的的阳模铺层模具；所述U型铺层阳模包含U型截面硅橡胶与对应的金属芯模，U型截面硅橡胶与对应的金属芯模进行定位组装形成U型内型面相对应的的阳模铺层模具。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在L型铺层阳模上，预浸料的铺贴位置为硅橡胶侧边和金属芯模侧边，两者形成L型；在U型铺层阳模上，预浸料的铺贴位置为硅橡胶的三个侧边，三边形成U型；第一层铺层后进行抽真空预压实，后面每铺层不大于三层时均进行一次抽真空预压实，预压实过程中，用两片厚度小于1.5mm的铝片放入凹陷棱边的两侧，转角处用高温胶带进行连接固定；铺放0度纤维时采用小于10mm宽的窄条沿着环框的弧线进行铺放；所述预浸料为单向纤维或纤维织物，其所用树脂为环氧树脂、氰酸脂树脂或双马来酰亚胺树脂，树脂的固化温度不超过250度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将铺层后的L型铺层阳模和U型铺层阳模进行组合装配，包括：U型铺层阳模在上方，L型铺层阳模在下方，使U型预浸料的横边和L型预浸料的竖边背对紧贴，截面形成横放的丁型结构；在L型物料与U型物料的接缝处填上0度纤维捻丝；在环框的凹陷特征处放置预先制备的工艺盖板，此工艺盖板的形状与产品上的凹陷特征形状一致，再进行抽真空预压实。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行共固化成型，包括：

将预先制备的挡胶条贴在产品周围一圈，封装后采用热压罐进行固化；

将固化后的模具从热压罐中取出，待产品冷却后，对其进行脱模，标识好脱模的上下面，完成复合材料环框的一体化成型。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述挡胶条由无孔膜包裹密封胶条组成，封装后采用热压罐进行固化；在脱模时，将L型铺层阳模置于上方，先脱出凹陷特征区域的边条，再依次脱出两侧边条；先脱出L型铺层阳模的硅橡胶块和金属芯块，再脱出U型铺层阳模的金属芯块，然后将U型硅橡胶和产品一起脱出，最后取出U型硅橡胶，得到一体化成型的含凹陷特征的丁型截面复合材料环框。

8.根据权利要求1～7中任一项所述方法成型的复合材料环框。

9.一种复合材料环框一体化成型装置，其特征在于，包括L型铺层阳模和U型铺层阳模；所述L型铺层阳模包含三角形截面硅橡胶与对应的金属芯模，三角形截面硅橡胶与对应的金属芯模进行定位组装形成L型内型面相对应的的阳模铺层模具；所述U型铺层阳模包含U型截面硅橡胶与对应的金属芯模，U型截面硅橡胶与对应的金属芯模进行定位组装形成U型内型面相对应的的阳模铺层模具。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括工艺盖板，其形状与复合材料环框上的凹陷特征的形状一致，用于成型复合材料环框上的凹陷特征。