專利名稱：大尺寸復合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲透成型模具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于復合材料成型技術，涉及對大尺寸復合材料加筋壁板真
空輔助樹脂滲透(VARI)成型模具。
背景技術：
樹脂基復合材料以其優(yōu)越的性能已經成為航空航天等領域廣泛釆用的最主要的結構材料之一，加筋壁板是航空復合材料的一類典型結構形式。根據(jù)加強筋截面形狀，通常加筋壁板有"T"型、"工"型、"J"型或混合型等幾種主要形式。傳統(tǒng)的成型方法是釆用碳纖維預浸料通過熱壓罐加壓成型， 一般三種成型方式(l)加強筋和蒙皮分別固化成型而后膠接；(2)蒙皮先固化、加強筋固化的同時與蒙皮膠接；(3)加強筋與蒙皮一起共固化成為加筋壁板。但是，傳統(tǒng)的預浸料-熱壓罐成型方法存在兩方面弊端①不宜結合縫合等技術對復合材料進行三維增強，層間
強度低；②預浸料儲存及熱壓罐成本高。近年來，為提高飛機的戰(zhàn)術性
能對復合材料的需求越來越大，而這兩方面因素卻在一定程度上限制著飛機結構復合材料的用量。降低復合材料的制造成本提高復合材料的抗損傷能力是擴大復合材料用量的重要前提，也因此復合材料的三維增強技術和低成本制造技術成為復合材料領域的研究重點。
VARI成型技術是一種新型的復合材料液體成型技術，其工藝原理是采用單面模具在真空作用下使樹脂浸潤干態(tài)纖維預成型體，而后在室溫或烘箱中固化成型的方法。采用VARI工藝可以結合縫合等三維增強技術提高層間強度，同時由于VARI工藝不需要投資巨大的熱壓罐，制造成本低，是近年來國內外復合材料領域備受關注的低成本制造技術。
但另一方面，熱壓罐工藝除真空壓力之外還可以額外增加幾個或十幾個壓力，即使模具有一定的變形，通過壓力作用也可以在一定程度上克服變形，不至于因壓力傳遞不到位導致復合材料制件報廢。"T"型、
"工"型、"J"型加筋壁板傳統(tǒng)的模具設計思路是采用剛性外形模保證壁板外形，"T"型、"工"型、"J"型加強筋至少一側釆用剛性模具或兩側均釆用剛性模。而VARI整個工藝過程只有一個真空壓力，模具之間的配合狀態(tài)成為影響VARI復合材料質量至關重要的因素。VARI工藝對模具結構、模具精度等因素非常敏感，尤其對于大尺寸加筋壁板，因為"T"型、"工"型、"J"型筋兩側模具又細又長，加工難度大，不可避免會產生變形，。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的提出一種適用于"T"型、"工"型、"J"型筋兩側模具又細又長，加工難度大的大尺寸復合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲透成型模具。本發(fā)明的技術解決方案加強筋模具包括模板、定位模、成形模和蓋板，在模板上鋪放復合材料壁板蒙皮預成型體和加筋預成型體，定位模放置在加筋預成型體的一側，在加筋預成型體的另一側放置成形模，在加筋預成型體的頂部放置蓋板。
所說的定位模是一種由橡膠、剛性加強層和加強層組合而成的復合模具；剛性加強層置于橡膠中，加強層置于橡膠的表層或淺表層。成形模為如下三種方式之一(1 )全橡膠軟膜；
(2) 在靠近成形模的型面0隱 1.5mm處放置浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度0 mm 0.5mm,與橡膠一起硫化形成成形模；
(3) 采用1 5mm厚度的玻璃鋼板或鋁板，在加強筋根部對接作為成形模，用于加強筋下凸緣成型的玻璃鋼板或鋁板的厚度要求不小于加強筋根部圓角半徑R。
所述的剛性加強層置于橡膠中的數(shù)量根據(jù)加筋預成型體的高度確定，當加筋預成型體的高度《50mm時，在橡膠的中間位置放置1條剛性加強層；當加筋預成型體的高度〉50mm時，在橡膠的上下位置放置2條剛性加強層；剛性加強層的材質為下述材質之一
(1)金屬材料或玻璃鋼薄板，厚度cjl為1. 0 mm《cj1《3隨；(2 )浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度a 2為0. 5 mm《ct 2《1. Omm。所述加強層距橡膠表層的距離L為0 mm<L《l. 5mm;加強層的材質為浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度cr3為0 mm《cj3<0. 5mm。本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果
加強筋模具采用橡膠材料和剛性材料按一定方向復合，沿特定方向賦予模具以剛性，克服全剛性模具和全橡膠模具存在的不足，使模具不僅適于真空加壓同時兼?zhèn)浼訌娊疃ㄎ坏墓δ?。本發(fā)明的模具具有剛柔相
兼的特性，用于大尺寸加筋壁板真空輔助樹脂滲透(Vacuum Assisted Resin Infusion即VARI )工藝成型，解決低壓成型時模具配合問題， 提高了復合材料零件成型的可靠性，模具制造成本低；同時在特定方向 具有一定的剛性，用于加強筋定位，保證加強筋軸線位置。將剛性材料 和橡膠材料根據(jù)需要進行適當組合，充分發(fā)揮剛性材料和橡膠材料各自 的優(yōu)勢，使模具剛-柔并存，且有選擇性地使模具具有各向異性的特點， 這種模具組合結構的優(yōu)點是
1、 模具具有柔性，在一個真空壓力下可以較好的與外形模配合， 更適合VARI工藝低壓成型的特點；
2、 模具具有剛性，可以在外形模上對加強筋進行定位，保證加強 筋的軸線位置；
3、 模具加工精度可以降低，減少模具制造成本。
X/Y/Z三個方向均具有很好柔性，能在真空作用下與對側模具及外 形模達到良好配合，可靠保證零件質量。


圖1傳統(tǒng)熱壓罐工藝加強筋典型模具組合示意圖，其中，a為成型 "T"型加強筋模具組合示意圖，b為成型"工"型加強筋模具組合示意 圖，c為成型"J"型加強筋壁板模具組合示意圖2本發(fā)明適于VARI工藝低壓成型特點的加強筋定位模具示意圖， 其中，a為一層加強層的示意圖，b為二層加強層的示意圖3本發(fā)明成型"T"型加強筋模具組合；
圖4本發(fā)明成型多加筋曲度壁板模具組合；
圖5本發(fā)明成型"J"型加強筋壁板模具組合。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。根據(jù)加強筋截面形式不同，定位 模l、成形模2、外形模3及蓋板4的組合方式略有不同，典型的"T" 型、"工"型、"J"加筋壁板模具結構見圖l。
將加強筋一側模具設計為剛-柔相兼結構形式使其具有定位功能的 定位模，定位模是一種由橡膠1-1、剛性加強層1-2和加強層1-3組合 而成的復合模具，橡膠l-l根據(jù)所成型零件的耐溫要求進行選擇，可選擇Airpad橡膠。剛性加強層1-2置于橡膠1-1的中間部位，與加強筋 腹板面7垂直，材料可選擇厚度0. 5mm 1.0mm的浸膠纖維布或厚度 1.0rnm 3.0醒的玻璃鋼板、金屬板等，數(shù)量根據(jù)加筋預成型體的高度 確定，當加筋預成型體的高度《50mm時，在橡膠的中間位置放置l條剛 性加強層1-2;當加筋預成型體的高度〉50mm時，在橡膠的上下位置放 置2條剛性加強層1-2;剛性加強層1-2與橡膠1-1 一起硫化成型。加強 層1-3置于橡膠1-1的表層或淺表層，通常情況下，加強層1-3置于橡 膠l-l的淺表層，距橡膠l-l表面的距離為不大于1.5mm,當加強筋表 面質量有特殊要求時，加強層1-3直接置于橡膠1-1的表層；加強層1-3 的材質為浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，總厚度不大于0. 5mm，與橡膠一 起硫化成型。
加強筋的另 一側成形模2可以設計成柔性模具，材料可選擇纖維板、 Airpad橡膠等進行適當組合，成形模2可以為如下三種方式之一 (1 )全橡膠軟膜；
(2) 在靠近成形模2的型面0隨 1.5mm處放置浸膠玻璃纖維布 或碳纖維布，厚度0隱 0.5mm,與橡膠2-1 —起硫化形成成形模2;
(3) 采用1 5mm厚度的玻璃鋼板或鋁板，在加強筋根部對接作為 成形模2，用于加強筋下凸緣成型的玻璃鋼板或鋁板2-3的厚度要求不 小于加強筋根部圓角半徑R。
實施例一
帶有l(wèi)根"T"型加筋的壁板結構，材料體系為T700/BA9912;外形 尺寸1700誦x 500mmx 80mm (長x寬x高)，其中整體壁板的蒙皮1平
面尺寸1700mmx 500mm，厚度2mm，在蒙皮內惻沿縱向有1根截面為"T" 型的加強筋，厚度2.6,。為提高加強筋與蒙皮的界面強度，加強筋下 凸緣與蒙皮縫合成為一體，要求通過VARI工藝進行整體成型。
將定位模1設計為圖3所示，橡膠1-1選擇Airpad橡膠，因加強 筋高度較大，為提高加強筋定位模剛性，采用兩層剛性加強層1-2，材 料選用坡璃鋼板，玻璃鋼板的厚度為2mm，加強層l-3釆用2層單層厚 度0. lmm的EW100浸膠坡璃布，放置在距橡膠表面1. 5mm的位置，剛性 加強層1-2和加強層1-3在軟模成型模中與橡膠組合一起硫化成為定位 模l。另一側成形模2釆用Airpad橡膠+浸膠玻璃布的復合結構，加強 層2-2采用2層單層厚度0. lmm的EW100浸膠玻璃布，放置在距橡膠表面1. 5,的位置，加強層2-2在軟模成型模中與橡膠2-1組合一起硫化 成為成形模2。通過VARI工藝驗證，所成型的零件沒有出現(xiàn)加壓不到位 的現(xiàn)象。
實施例二
帶有6根加強筋的壁板結構，長1200觀，跨度700mm,壁板由3段 弧面2個平面組成，為帶加筋的曲度壁板，其上對稱分布有4根"T" 型縱向加強筋和2根"工"型加筋，腹板高度25mm,均沿弧面的法向。 加強筋下凸緣與蒙皮縫合成為一體，通過VARI工藝進行整體成型。
模具組合如圖4所示，通過加強筋外側成形模定位，主要材料橡膠 1-1是Airpad橡膠，剛性加強層1-2釆用10層EW100浸膠玻璃布，在
軟模成型模中按圖示方向鋪貼，與橡膠硫化成為整體，另一側設計釆用 Airpad全橡膠結構。由于兩側模具在垂直于蒙皮的方向均具有柔性，在 真空壓力下可與外形模很好配合壓緊預成型體，縱然軟模成型模有一定 的加工變形，不會對制件產生致命影響，同時，零件固化后，以橡膠模 具為主的模具更容易脫模，此模具組合較適宜曲度加筋壁板的VARI成 型，在提高制件VARI成型可靠性的同時降低了模具制造難度。 實施例三
帶有4根"J"型加強筋的壁板結構，外形尺寸1900mmx 1000誦x 45mm(長x寬x高)，其中整體壁板的蒙皮1平面尺寸1900mm x 1000mm， 加強筋厚度3. Omm，高度42mm,根部圓角R3?？v向加強筋在中部與兩根 金屬橫梁有裝配關系，要求縱向加強筋具有較好的表面質量。成型方案 是4根加強筋與蒙皮先制備成縫合預成型體，通過VARI工藝進行整體 成型。
將"J"型加強筋內側模具設計為定位模1,如圖5所示，橡膠l-l 選擇Airpad橡膠；加強筋高度不大，采用一層剛性加強層1-2，厚度為 3mm的鋁板，材料選用LY12CZ,鋁板在寬度方向具有很好剛性，保證加 強筋的軸線位置；加強層1-3采用2層單層厚度0. lmm的EW100浸膠玻 璃布，放置在橡膠的表面，使定位模l的表面具有一定的硬度以保證加 強筋的表面質量，剛性加強層1-2和加強層1-3在軟模成型模中與橡膠 組合一起硫化成為定位模1。另一側成形模2釆用5mm厚的玻璃鋼板2 -3、 3mm厚的坡璃鋼板2-4與橡膠2-l形成的組合結構。通過VARI工藝 試驗，所成型的零件表面質量和加強筋軸線位置均達到設計要求。
權利要求
1.大尺寸復合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲透成型模具，包括模板[3]、定位模[1]、成形模[2]和蓋板[4]，在模板[3]上鋪放復合材料壁板蒙皮預成型體[5]和加筋預成型體[6]，定位模[1]放置在加筋預成形體[6]的一側，在加筋預成型體[6]的另一側放置成形模[2]，在加筋預成型體[6]的頂部放置蓋板[4]，其特征在于所說的定位模[1]是一種由橡膠[1-1]、剛性加強層[1-2]和加強層[1-3]組合而成的復合模具；剛性加強層[1-2]置于橡膠[1-1]中，加強層[1-3]置于橡膠[1-1]的表層或淺表層；成形模為如下三種方式之一(1)全橡膠軟膜；(2)在靠近成形模[2]的型面0mm～1.5mm處放置浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度0mm～0.5mm，與橡膠一起硫化形成成形模[2]；(3)采用1～5mm厚度的玻璃鋼板或鋁板，在加強筋根部對接作為成形模[2]，用于加強筋下凸緣成型的玻璃鋼板或鋁板[2-3]的厚度要求不小于加強筋根部圓角半徑R。
2. 根據(jù)權利要求1所述的大尺寸復合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲 透成型模具，其特征是，所述的剛性加強層[l-2]置于橡膠[1-l]中的 數(shù)量根據(jù)加筋預成型體[6]的高度確定，當加筋預成型體[6]的高度《 50mm時，在橡膠[l-l]的中間位置放置1條剛性加強層[1-2];當加筋預 成型體[6]的高度〉50mm時，在橡膠[l-l]的上下位置放置2條剛性加強 層[1-2];剛性加強層[1-2]的材質為下述材質之一-.(1) 金屬材料或坡璃鋼薄板，厚度cil為1. 0 mm< c7l《3mm;(2) 浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度cr2為0.5mm《a2《1.0隱。
3. 根據(jù)權利要求1所述的大尺寸復合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲 透成型模具，其特征是，所述加強層U-3]距橡膠[1-1]表層的距離(L) 為Omm《L《1.5mm;加強層[1-3]的材質為浸膠坡璃纖維布或碳纖維 布，厚度cr3為0 mm《a3《0. 5mm。
全文摘要
本發(fā)明屬于復合材料成型技術，涉及對大尺寸復合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲透成型模具的結構設計。加強筋模具包括模板、定位模、成形模和蓋板，在模板上鋪放復合材料壁板蒙皮預成型體和加筋預成型體，定位模放置在加筋預成型體的一側，在加筋預成型體的另一側放置成形模，在加筋預成型體的頂部放置蓋板。本發(fā)明的模具具有剛柔相兼的特性，用于大尺寸加筋壁板真空輔助樹脂滲透(Vacuum Assisted Resin Infusion即VARI)工藝成型，解決低壓成型時模具配合問題，提高了復合材料零件成型的可靠性，模具制造成本低；同時在特定方向具有一定的剛性，用于加強筋定位，保證加強筋軸線位置。
文檔編號B29C70/48GK101628481SQ20091014386
公開日2010年1月20日 申請日期2009年6月1日 優(yōu)先權日2009年6月1日
發(fā)明者強 劉, 剛 吳, 龍 趙, 趙攀峰, 高艷秋 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所