CN119348188B - 一种碳纤维复合材料进气道的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了飞机进气道技术领域内的一种碳纤维复合材料进气道的成型方法，包括以下步骤：1）准备预浸料；2）清理模具；3）下料；4）内蒙皮铺贴；根据铺层顺序将裁减好的预浸料在模具的有效区域铺贴，在唇口R角铺贴时，除第一层预浸料铺贴压实一次外，每铺贴四层预浸料后抽真空压实一次，每次压实15min以上，抽真空过程中，使用隔离膜包裹生硅胶放置在唇口R角处，生硅胶直径在2±0.2cm，料片铺至一半后，进行冷压预压实，此时生硅胶填满唇口R角；5）固化；6）脱模；7）准备蜂窝；8）蜂窝定位；9）外蒙皮铺贴；10）固化，本发明将进气道唇口与进气道前段按复合材料一体成型设计，避开了紧固件有进入发动机风险，同时减少了零件数量。

Description

一种碳纤维复合材料进气道的成型方法

技术领域

本发明涉及飞机技术领域，特别涉及一种飞机进气道唇口段的成型方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料具有高强高模、质量轻、可设计性强等优点，近年来碳纤维复合材料结构件在航空航天、武器装备、飞机船舶等领域得到了广泛应用。

近年来随着飞机隐身设计的需求的不断加大，利用电磁波散射理论，对无人机主要部件进行合理布局，采用针对性结构优化设计将电磁波想非主要威胁方向反射，尽可能缩减机体结构部件的雷达反射截面积，减小被敌方雷达探测的几率已然成为隐身飞机的一大研究热点。进气道是飞机发动机吸进空气的流道，是航空发动机五大部件之一，飞机推进系统主要部件，同样该部件也是容易产生强雷达反射点的部件之一，因此对进气道尤其时进气唇口的设计制造变得尤为重要。

某些飞机进气口在机背上方，空气经过进气道唇口时分流，气流一部分进入进气道前端，一部分沿着唇口外侧的蒙皮流动，为确保进气效率，通常唇口的形状较为复杂，同时还要考虑与唇口上方或周围蒙皮的连接，常规的设计是唇口与进气道分开，唇口为金属材质，进气道为复合材料，金属唇口与进气道通过胶铆结合工艺连接，存在局部区域紧固件连接困难、紧固件有进入发动机风险等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种碳纤维复合材料进气道的成型方法，将进气道唇口与进气道前段按复合材料一体成型设计，唇口与蒙皮连接在进气道外侧，避开了紧固件有进入发动机风险，同时减少了零件数量，减轻了零件质量，同时进气道唇口采用阴模成型，提高唇口的表面成型质量。

本发明的目的是这样实现的：一种碳纤维复合材料进气道的成型方法，包括以下步骤：

步骤1）准备碳纤维/环氧树脂预浸料，室温冷却待用；

步骤2）将模具表面清理干净待用，选用阴模；

步骤3）使用自动裁料机依据设计好的铺层图进行下料；

步骤4）根据铺层顺序进行内蒙皮铺贴；根据铺层顺序、铺层比、铺层方向，将裁减好的预浸料在模具的有效区域铺贴，在唇口R角铺贴时，除第一层预浸料铺贴压实一次外，每铺贴四层预浸料后抽真空压实一次，每次压实15min以上，抽真空过程中，使用隔离膜包裹生硅胶放置在唇口R角处，生硅胶直径在2±0.2cm，料片铺至一半后，进行冷压预压实，此时生硅胶填满唇口R角；

步骤5）将制件送入热压罐固化，固化冷却后进行拆袋；

步骤6）在模具上安装钻模工装进行制件翻边打孔，随后脱模；

步骤7）根据数模提取蜂窝底面，使用下料机裁处同尺寸蜂窝，随后进行切割、倒角；

步骤8）蜂窝定位；

步骤9）根据铺层顺序进行外蒙皮铺贴；

步骤10）将制件送入热压罐固化，固化冷却后进行脱模及后续切割、打孔、检验工作，得到碳纤维复合材料进气道唇口段。

进一步的，步骤4）中首先在翻边位置进行牺牲层的铺贴，随后预抽设定时间。

进一步的，首层预浸料铺完预抽设定时间，在翻边R角处放置预制得碳捻丝进行直角过渡。

进一步的，步骤5）和步骤10）中的固化参数为：

室温下抽真空，真空度不小于0.092MPa，通过冷压测试后进罐固化；

室温下升温至125±5℃，升温速率为1.0-2.0℃/min，介质温度设定为130℃，当最快升温热电偶升至40℃，开始加压，直至0.6MPa开始保压；

当最慢热电偶升温到120℃后保温120min-130min；

以不大于2℃/min的速率降温至80℃以下后卸去压力，当降温最快的热电偶温度降低至60℃以下后，开罐，完成零件的固化。

进一步的，步骤7）中蜂窝处理具体包括：根据数模中蜂窝芯方向，蜂窝尺寸大小，使用下料机裁出同尺寸脱模布，按照该脱模布将蜂窝裁出，随后将脱模布贴在一块硬质垫板上，切出对应形状垫板；将垫板四周贴上双面胶并将蜂窝粘贴于其上；按照数模中蜂窝要求的倒角角度，利用打磨机打磨蜂窝边缘，边打磨边用角度尺测量蜂窝角度，确保角度偏差控制在±3°以内；蜂窝倒角结束后，用压缩空气清理孔格内的碎屑、颗粒等多余物，并用洁净抹布蘸取无水乙醇清洁蜂窝表面，用可剥布、透气毡依次包裹蜂窝芯，置于烘箱内70±5℃保温1h，随后将蜂窝置于密封袋内密封，并转运至洁净间内。

进一步的，步骤8）中蜂窝定位具体包括：在内蒙皮与蜂窝粘贴位置铺贴蒙皮蜂窝粘接胶膜，其他区域铺贴蒙皮预浸料粘接胶膜，胶膜搭接2-4mm，随后抽真空压实，接着将蜂窝放置在胶膜上，抽真空压实；蜂窝拼接处使用发泡胶粘接，接缝处修边对齐，对于无法压实的缝隙处使用胶膜填实后再预抽，直至蜂窝与内蒙皮之间无缝隙，对于蜂窝撕裂、边缘缺角处使用发泡胶填实后再预抽。

进一步的，步骤9）外蒙皮铺贴具体包括：首层铺完后进一次预抽，随后进行下一层铺贴，最后在蜂窝区域铺一层防水膜，搭接2-4mm，预抽2h以上，外蒙皮料片间采用搭接方式，搭接长度为20-30mm，接缝位置需逐层错开。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1）采用碳纤维复合材料蜂窝夹心结构，在满足制件力学性能的同时，有效降低了产品的重量；

2）采用热压罐工艺成型，降低了复合材料孔隙率，提高其结构强度；

3）采用打冷压预固化的方法，每铺层一定厚度对产品进行预压实，避免预浸料一次性铺贴过厚导致的制件未压实、褶皱、架桥、内部树脂未固化等情况，保证制件内部质量；

4）在铺层过程中，利用生硅胶辅助唇口R角区压实，降低R角区铺贴难度、提高了层间压实效果、避免了纤维褶皱、架桥等情况，保证了产品内部质量。在最终固化时填平R角区，降低爆袋风险；

5）利用碳捻丝填充翻边直角区，使料片进行直角区铺贴时能平缓过度，提高铺层操作性、降低了R角区架桥、分层风险；

6）为避免进气唇口段与进气道下一段部装配合时，因打磨导致纤维断裂进而对强度产生影响，在铺层设计时，对后期的打磨区增加了牺牲层区域，并设在模具相应位置进行了铣面加工补偿，以保证打磨后进气道进气唇口段内部型面以及与下一段部装后无阶差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明制得的进气道结构示意图。

图2为本发明制得的进气道截面图。

图3为本发明流程图。

图4为本发明中模具结构示意图。

图5为本发明中捻丝放置示意图。

图6为本发明制得的进气道实物照片。

其中，100内蒙皮，101唇口，102翻边，200蜂窝，300外蒙皮，400进气道铺贴模具，500前挡板，600后挡板，700唇口铺贴模具，800吊耳。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

如图1-2所示的进气道为二次成型结构件，包括位于进气道前端的唇口101和位于进气道后端的翻边102，唇口101区域仅使用内蒙皮100铺贴，中部至尾部的翻边均采用内蒙皮100、蜂窝200、外蒙皮300铺贴。

如图3所示的一种碳纤维复合材料进气道的成型方法，包括以下步骤：

1、领料；

从冷库中取出碳纤维/环氧树脂预浸料，室温冷却后待用。

2、模具处理；

无水乙醇倒到洁净的擦拭纸或抹布上，擦除模具表面灰尘、颗粒物等影响制件表面质量的多余物，保持模具表面光滑洁净。确认工装型面无损伤，工装切割线、余量线、坐标系等刻线清晰可见。在工作面上涂敷3遍脱模剂，每次间隔15min，在施工完成后，在室温下干燥至少30min。如图4所示，模具包括进气道铺贴模具400，进气道铺贴模具400的前端连接有前挡板500，进气道铺贴模具400的后端连接有后挡板600，进气道铺贴模具400的外周套设有唇口铺贴模具，唇口铺贴模具700与进气道铺贴模具400之间形成弧形唇口铺贴面，前挡板500和后挡板600上设有吊耳800。

3、预浸料下料；

通过Catia、Fibersim软件制作进气道轮廓图，根据“同方向铺层的拼缝应错开至少25mm”原则，利用CAD作图软件将每层料片进行分割、编码、排序，制作下料图。将下料图导入自动下料机精准裁切料片料片角度可保证在0、5°以内。待待裁好后，将料片按照铺层的顺序依次理好，同时检查下好的料片是否完整、无破损。

4、制备捻丝；

将预浸料与胶膜量裁宽度为24mm的窄条首先并将二者贴覆在一起，搓实成细圆条，随后放入专用R5捻丝工装，在压机上常温施加10MPa压力压实预浸料捻丝30min，如图5所示。

5、预浸料铺贴

首先在翻遍位置进行牺牲层的铺贴随后预抽15min。接着根据铺层顺序、铺层比、铺层方向等，将裁减好的预浸料在模具的有效区域铺贴。首层织物铺完预抽15min，在翻边R角处放置预制得R5碳捻丝进行直角过渡。该过程需注意：织物搭接宽度为20mm；为尽可能的减少每层预浸料之间的空隙，除第一层预浸料铺贴压实一次外，每铺贴四层预浸料后抽真空压实一次，每次压实15min以上。抽真空过程中，使用隔离膜包裹生硅胶放置在唇口R角处，生硅胶控制在直径2cm左右，便于R角处压实。料片铺至一半后，进行冷压预压实，此时生硅胶填满唇口R角，降低爆袋概率。

6、封装

预浸料铺贴完成后，进行固化辅助材料封装。

7、固化

将模具转运到热压罐温度有效区域内，测漏合格后，按照以下固化参数进行固化：

①室温下抽真空，真空度不小于0、092MPa，通过冷压测试后进罐固化；

②室温下升温至125±5℃，升温速率为1、0-2、0℃/min，介质温度设定为130℃，当最快升温热电偶升至40℃，开始加压，直至0、6MPa开始保压；

③当最慢热电偶升温到120℃后保温120min-130min；

④以不大于2℃/min的速率降温至80℃以下后卸去压力，当降温最快的热电偶温度降低至60℃以下后，可开罐。，完成零件的固化。

8、拆袋

当模具温度需冷却至室温后，可进行拆袋工序。拆开真空袋，去除制件表面的辅助材料包括透气毡、隔离膜、可剥布等。清理可剥布时需小心处理，不得造成表面纤维撕裂。

9、制定位孔

将拆袋后的制件连同模具一起置于钻模工装上，检验安装后钻模工装与制件的位置度是否准确，随后进行两侧翻边位置打孔。

10、内蒙皮处理

使用180目-240目砂纸打磨整个进气道内蒙皮外表面，使之粗糙度提高，增加粘接牢度。

11、蜂窝处理

根据数模中蜂窝芯方向，蜂窝尺寸大小，使用下料机裁出同尺寸脱模布，按照该脱模布将蜂窝裁出，随后将脱模布贴在一块硬质垫板上，切出对应形状垫板。将垫板四周贴上双面胶并将蜂窝粘贴于其上。按照数模中蜂窝要求的倒角角度，利用打磨机打磨蜂窝边缘，边打磨边用角度尺测量蜂窝角度，确保角度偏差控制在±3°以内，满足设计要求（±5°）。蜂窝倒角结束后，用压缩空气清理孔格内的碎屑、颗粒等多余物，并用洁净抹布蘸取无水乙醇清洁蜂窝表面，用可剥布、透气毡依次包裹蜂窝芯，置于烘箱内70±5℃保温1h，随后将蜂窝置于密封袋内密封，并转运至洁净间内。

12、蜂窝粘贴定位

在内蒙皮与蜂窝定位之间铺贴1层蒙皮、芯材粘接胶膜，其他区域铺贴蒙皮、预浸料粘接胶膜，胶膜搭接2-4mm，随后抽真空压实15min，接着将蜂窝放置在胶膜上，抽真空压实15min。

蜂窝拼接处使用发泡胶粘接，接缝处需修边对齐。对于无法压实的缝隙处使用胶膜填实后再预抽15min，直至蜂窝与内蒙皮之间无缝隙。对于蜂窝撕裂、边缘缺角（检验要求允许范围）处使用发泡胶填实后再预抽15min。

13、外蒙皮铺贴

根据设计要求进行外蒙皮铺贴。首层铺完后进一次预抽15min，随后进行下一层铺贴。最后在蜂窝区域铺一层Tedlar防水膜，搭接2-4mm。预抽时间2h以上。外蒙皮料片间采用搭接方式，搭接长度为25mm，接缝位置需逐层错开。铺层抽真空过程中，因唇口R角处为非铺层区，因此可使用隔离膜包裹生硅胶塞满整个唇口R角区，便于真空袋的整理、降低爆袋概率。

14、固化

将模具转运到热压罐温度有效区域内，测漏合格后，按照以下参数完成制件固化：

①室温下抽真空，真空度不小于0、092MPa，通过冷压测试后进罐固化；

②室温下升温至125±5℃，升温速率为1、0-2、0℃/min，介质温度设定为130℃，当最快升温热电偶升至40℃，开始加压，直至0、2MPa开始保压；

③当最慢热电偶升温到120℃后保温120min-130min；

④以不大于2℃/min的速率降温至80℃以下后卸去压力，当降温最快的热电偶温度降低至60℃以下后，可开罐。

15、最后将固化冷却后的制件进行脱模及后续切割、打孔、检验工作，最终产品图如下图所示；特别注意，在复合材料零件上制孔时，背面需用木块（或胶木块）顶住或采取其它方法，防止孔出口处分层。

下面结合本发明的原理对本发明做进一步说明：

本发明主要是对唇口区铺层制造过程中相关工艺操作的完成高难度结构件的成功实现。由于进气道第一段唇口区R角较小且由外向内呈收口状，因此较难铺贴压实，极易出现表面缺胶、缺料，分层等缺陷。在制造过程中，通过打冷压、底部R角处塞生硅胶辅助压实的方法能够很大程度提高铺层压实效果，避免缺陷的出现。但预抽过程由于真空泵压力(约0.1MPa)相对较小，塞填的生硅胶不能过多，避免预抽过程中压力分散，影响压实。最终固化时，由于施加压力较大（0.6MPa），因此可填平整个唇口区，且填平的生硅胶还可避免因唇口整理真空袋难度大而出现的爆袋的情况。具体原理如下：

首先，在复合材料铺层过程中，每铺覆一定层数后进行预抽实，能够很大程度压实纤维料层过程仅能将相对平缓的表面预抽实，然而一些R角、折弯区域由于空间较小，真空袋难以塞理到位，仍有很大可能处于架桥状态，而且若有一层架桥，随后的铺层该区域将始终架桥，最终导致产品分层。此时，适合的预抽实辅助工具将尤为重要。生硅胶是一种可塑性强且具有一定压缩强度的弹性体，使用这种材料能够充分塞实填充R区。但不同于加热固化后的熟硅胶，由于真空泵压力相对较小，过多生硅胶的填充，会因生硅胶本身的弹性而将分散缓冲预抽的压力，因此预抽过程中，生硅胶仅需填1-2cm，此高度既能填实R角，便于真空袋整理，又不会过多影响真空压实，进而提高预抽实的效果，提高产品质量。

其次，面对结构复杂的产品，对于R角小、折弯多的区域，随着料片层数的增加，单纯的真空泵（≤0.1Mpa）压力起到的作用将很大程度被削弱，这些区域的层间则仍可能存在架桥、褶皱的问题。打冷压预固化方法是制件置于热压罐中，在低温或常温状态下施加≥0.1MPa压力，通过高压将真空泵无法压实的料片辅助压实。不仅如此，因热压罐施加压力较大，R角、折弯区可用生硅胶填平该区域降低爆袋风险。

另外，碳捻丝的应用则是从铺层结构设计角度去降低实际操作难度。碳捻丝的使用可以避免后续铺层过程中R角处因难以铺实从而形成架桥。在第一层延展性较好、易铺贴的平纹织物铺覆之后，先使用专用捻丝工装根据不同R角大小压制得到的预浸料碳捻丝将直角R区填实，使料片进行此类区域铺贴时能平缓过度，提高铺层操作性、降低了R角区架桥、分层风险。

进气唇口段与进气道下一段部装配合时，会因修配打磨胶接装配区，该过程将导致纤维断裂进而对强度产生影响，同时影响内部气动型面。在前期铺层设计、模具设计时，专门对后期的打磨区增加了牺牲层设计及模具铣面加工补偿，能够保证打磨后进气道进气唇口段内部型面以及与下一段部装后无阶差。

采用四种改进方案实现了本发明进气道的生产制造，实现了金属唇口的替代，避开了紧固件有进入发动机风险，同时减少了零件数量，减轻了零件质量，同时进气道唇口采用阴模成型，提高唇口的表面成型质量。最终成型的进气道如图6所示。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种碳纤维复合材料进气道的成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）准备碳纤维/环氧树脂预浸料，室温冷却待用；

步骤2）将模具表面清理干净待用，选用阴模；

步骤3）使用自动裁料机依据设计好的铺层图进行下料；

步骤4）根据铺层顺序进行内蒙皮铺贴；根据铺层顺序、铺层比、铺层方向，将裁减好的预浸料在模具的有效区域铺贴，在唇口R角铺贴时，除第一层预浸料铺贴压实一次外，每铺贴四层预浸料后抽真空压实一次，每次压实15min以上，抽真空过程中，使用隔离膜包裹生硅胶放置在唇口R角处，生硅胶直径在2±0.2cm，料片铺至一半后，进行冷压预压实，此时生硅胶填满唇口R角；

步骤5）将制件送入热压罐固化，固化冷却后进行拆袋；

步骤6）在模具上安装钻模工装进行制件翻边打孔，随后脱模；

步骤7）根据数模提取蜂窝底面，使用下料机裁处同尺寸蜂窝，随后进行切割、倒角，蜂窝处理具体包括：根据数模中蜂窝芯方向，蜂窝尺寸大小，使用下料机裁出同尺寸脱模布，按照该脱模布将蜂窝裁出，随后将脱模布贴在一块硬质垫板上，切出对应形状垫板；将垫板四周贴上双面胶并将蜂窝粘贴于其上；按照数模中蜂窝要求的倒角角度，利用打磨机打磨蜂窝边缘，边打磨边用角度尺测量蜂窝角度，确保角度偏差控制在±3°以内；蜂窝倒角结束后，用压缩空气清理孔格内的碎屑、颗粒等多余物，并用洁净抹布蘸取无水乙醇清洁蜂窝表面，用可剥布、透气毡依次包裹蜂窝芯，置于烘箱内70±5℃保温1h，随后将蜂窝置于密封袋内密封，并转运至洁净间内；

步骤8）蜂窝定位，具体包括：在内蒙皮与蜂窝粘贴位置铺贴蒙皮蜂窝粘接胶膜，其他区域铺贴蒙皮预浸料粘接胶膜，胶膜搭接2-4mm，随后抽真空压实，接着将蜂窝放置在胶膜上，抽真空压实；蜂窝拼接处使用发泡胶粘接，接缝处修边对齐，对于无法压实的缝隙处使用胶膜填实后再预抽，直至蜂窝与内蒙皮之间无缝隙，对于蜂窝撕裂、边缘缺角处使用发泡胶填实后再预抽；

步骤9）根据铺层顺序进行外蒙皮铺贴；

步骤10）将制件送入热压罐固化，固化冷却后进行脱模及后续切割、打孔、检验工作，得到碳纤维复合材料进气道唇口段。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料进气道的成型方法，其特征在于，步骤4）中首先在翻边位置进行牺牲层的铺贴，随后预抽设定时间。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维复合材料进气道的成型方法，其特征在于，首层预浸料铺完预抽设定时间，在翻边R角处放置预制得碳捻丝进行直角过渡。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种碳纤维复合材料进气道的成型方法，其特征在于，步骤5）和步骤10）中的固化参数为：

室温下抽真空，真空度不小于0.092MPa，通过冷压测试后进罐固化；

室温下升温至125±5℃，升温速率为1.0-2.0℃/min，介质温度设定为130℃，当最快升温热电偶升至40℃，开始加压，直至0.6MPa开始保压；

当最慢热电偶升温到120℃后保温120min-130min；

以不大于2℃/min的速率降温至80℃以下后卸去压力，当降温最快的热电偶温度降低至60℃以下后，开罐，完成零件的固化。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种碳纤维复合材料进气道的成型方法，其特征在于，步骤9）外蒙皮铺贴具体包括：首层铺完后进一次预抽，随后进行下一层铺贴，最后在蜂窝区域铺一层防水膜，搭接2-4mm，预抽2h以上，外蒙皮料片间采用搭接方式，搭接长度为20-30mm，接缝位置需逐层错开。