一種高強(qiáng)度軟性工裝實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)筋腹板復(fù)材制件共固化的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了高強(qiáng)度軟性工裝實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)筋腹板復(fù)材制件共固化的方法，利用金屬假件成型橡膠制軟性工裝，再使用軟性工裝成型復(fù)合材料制件。軟性工裝本身帶有碳纖維增強(qiáng)層，利用這種軟性工裝成型的產(chǎn)品，其外形尺寸可以得到保證，可以更好的將外界的壓力和溫度傳遞至復(fù)合材料制件，避免了制件局部壓力不均勻、升溫速度出現(xiàn)滯后等現(xiàn)象；軟性工裝附帶支撐結(jié)構(gòu)，可以在軟性工裝上完成制件的鋪貼和預(yù)壓等操作，保證了制件成型后各部分的相對(duì)位置精度和外形尺寸；軟性工裝可以重復(fù)使用，再次制造也較為方便，有效降低了生產(chǎn)成本和制造周期。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高強(qiáng)度軟性工裝實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)筋腹板復(fù)材制件共固化的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及先進(jìn)復(fù)合材料制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及航空器、航天器、汽車(chē)行業(yè)中的高性能碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造。

【背景技術(shù)】
[0002]樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比剛度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，抗疲勞斷裂性能好，耐腐蝕，尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)越的性能，是目前航空、航天、交通等領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的高性能結(jié)構(gòu)材料。在多種碳纖維復(fù)合材料成型工藝中，熱壓罐工藝具有成型溫度和壓力均勻，對(duì)于不同材料、外形、尺寸及結(jié)構(gòu)的零件具有很好的適應(yīng)性，因而成為了研究和制造航空航天高品質(zhì)復(fù)合材料構(gòu)件的主要工藝方法之一。
[0003]隨著對(duì)復(fù)合材料零件強(qiáng)度、剛度要求的日益提高，零件的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，其中帶有單向T形加強(qiáng)筋或者縱橫向交叉T形加強(qiáng)筋的腹板是典型結(jié)構(gòu)件之一。在制造這類(lèi)零件時(shí)，T形加強(qiáng)筋自身的成型質(zhì)量，T形加強(qiáng)筋之間的間距，以及加強(qiáng)筋與腹板的相對(duì)位置度要求通常比較嚴(yán)格。
[0004]目前的工藝中大多使用芯模方法成型這類(lèi)零件，芯模材質(zhì)一般為模具鋼或者鋁合金。芯模的作用是將熱壓罐的壓力和溫度傳遞至復(fù)合材料制件，使制件在高溫高壓下成型，同時(shí)芯模的剛性可以保證T形筋的外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求。使用芯模的缺點(diǎn)主要有以下三個(gè)方面:(1)由于芯模自身具有一定剛度，通過(guò)芯模傳導(dǎo)外界壓力就難以做到均勻和精確，容易造成制件T形筋部分厚度超差；(2)由于芯模具有一定厚度，根據(jù)熱傳導(dǎo)效應(yīng)，制件T形筋部分的升溫速率會(huì)比其他部分滯后，從而影響制件的內(nèi)部成型質(zhì)量；(3)由于芯模為金屬材質(zhì)，自重較大，操作十分不便。同時(shí)金屬芯模的制造和維護(hù)費(fèi)用較高，返修或重新加工的制造周期較長(zhǎng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)使用橡膠制軟性工裝，完成縱橫T形筋加強(qiáng)腹板制件的制造方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種高強(qiáng)度軟性工裝實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)筋腹板復(fù)材制件共固化的方法，包括以下步驟:
(1)將通過(guò)機(jī)械制造加工與復(fù)合材料制件外形尺寸完全一致的金屬假件固定在模具底板上，在所述模具底板四周固定有擋板；
(2)在金屬假件與四周擋板形成的腔體表面鋪貼軟性工裝，之后在最外層用真空袋真空密封，進(jìn)入熱壓罐成型軟性工裝，固化壓力為50(T800kPa，固化溫度16(T200°C，固化時(shí)間 50?80min ；
(3)軟性工裝成型后，去除真空袋，在軟性工裝的外表面鋪貼碳纖維預(yù)浸料增強(qiáng)層并固化形成保護(hù)外殼，固化壓力為50(T700kPa，固化溫度17(T200°C，固化時(shí)間12(Tl50min，并向保護(hù)外殼形成的空腔內(nèi)灌注發(fā)泡泡沫，使泡沫填滿空腔并在25°C常壓條件下固化12小時(shí)，與保護(hù)外殼共同組成支撐結(jié)構(gòu)；
(4)取出金屬假件，在軟性工裝T形筋的空隙處填充入T形筋預(yù)浸料，將腹板部分預(yù)浸料鋪貼在軟性工裝上并預(yù)壓實(shí)，然后將軟性工裝連同鋪貼好的預(yù)浸料翻轉(zhuǎn)放置在模具底板上，去除支撐結(jié)構(gòu)，再在外層用真空袋真空密封，進(jìn)入熱壓罐成型，即獲得T形筋加強(qiáng)腹板結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件。
[0007]所述軟性工裝包括兩層橡膠層及包覆在橡膠層內(nèi)的碳纖維預(yù)浸料增強(qiáng)層。
[0008]所述橡膠層采用硅橡膠。
[0009]所述包覆在橡膠層內(nèi)的碳纖維預(yù)浸料增強(qiáng)層的層數(shù)為f 5層。
[0010]利用金屬假件成型橡膠制軟性工裝，且軟性工裝本身帶有碳纖維增強(qiáng)層，利用這種軟性工裝成型的產(chǎn)品，其外形尺寸可以得到保證；使用軟性工裝成型復(fù)合材料制件，可以更好的將外界的壓力和溫度傳遞至復(fù)合材料制件，避免了制件局部壓力不均勻、升溫速度出現(xiàn)滯后等現(xiàn)象；使用復(fù)合材料保護(hù)殼體以及發(fā)泡泡沫構(gòu)成軟性工裝的支撐結(jié)構(gòu)，使軟性工裝的結(jié)構(gòu)剛度滿足鋪貼和預(yù)壓實(shí)操作的要求，而在軟性工裝上鋪貼制件的腹板部分預(yù)浸料，可以更好的保證制件成型后，腹板與T形筋之間的相對(duì)位置精度；軟性工裝可以重復(fù)使用，再次制造也較為方便，有效降低了生產(chǎn)成本和制造周期。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):
(1)與傳統(tǒng)芯模成型方法相比，軟性工裝可以均勻、精確地傳遞熱壓罐施加的壓力，避免復(fù)合材料制件出現(xiàn)厚度超差的現(xiàn)象；
(2)軟性工裝壁厚較薄，可以避免T形筋部位的熱滯后效應(yīng)，以上兩點(diǎn)可以有效保證制件的成型質(zhì)量，提高生產(chǎn)的合格率和效率；
(3)軟性工裝由于碳纖維增強(qiáng)層和支撐結(jié)構(gòu)的存在，整體剛性較大，可以實(shí)現(xiàn)制件整體在軟性工裝上進(jìn)行鋪貼、預(yù)壓實(shí)等操作，保證了制件成型后T形筋與腹板的相對(duì)位置精度；
(4)軟性工裝以橡膠為主體，表面具有彈性，同時(shí)起到一個(gè)均壓墊的作用，制件成型后表面質(zhì)量較好；
(5)軟性工裝可以重復(fù)使用，再次制造也較為方便，有效降低了生產(chǎn)成本以及制造周期。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是具體實(shí)施例中金屬假件裝配在模具底板上的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是具體實(shí)施例中鋪貼軟性工裝的示意圖。
[0014]圖3是具體實(shí)施例中在最外層用真空袋真空密封的示意圖。
[0015]圖4是具體實(shí)施例中支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖5是具體實(shí)施例中鋪貼預(yù)浸料的示意圖。
[0017]圖6是具體實(shí)施例中固化的軟性工裝與模具底板合模，再在外層用真空袋真空密封的不意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]本發(fā)明通過(guò)金屬模具來(lái)成型纖維增強(qiáng)的橡膠制軟性工裝，在軟性工裝成型后，通過(guò)加固手段使其具有一定的結(jié)構(gòu)剛性，最后使用軟性工裝完成縱橫T形筋加強(qiáng)腹板結(jié)構(gòu)制件的成型過(guò)程。詳細(xì)流程如下:
首先通過(guò)機(jī)械制造的方法，加工一個(gè)與復(fù)合材料制件外形尺寸完全一致的金屬假件，以及帶有四周擋板的軟性工裝成型模具底板，二者之間存在配合關(guān)系，如圖1所示。
[0020]利用金屬假件與四周擋板形成的腔體，鋪貼軟性工裝。軟性工裝以硅橡膠為主要材料，將橡膠逐層鋪貼在空腔內(nèi)，在橡膠層中間要鋪貼碳纖維預(yù)浸料作為增強(qiáng)層，以提高軟性工裝的整體剛度(如圖2所示)，鋪貼橡膠和碳纖維預(yù)浸料增強(qiáng)層的層數(shù)主要取決于復(fù)合材料制件的尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，碳纖維預(yù)浸料增強(qiáng)層的層數(shù)一般為Γ5層。最后在最外層封制真空袋(如圖3所示)，并按照橡膠的固化工藝，在高溫高壓條件下成型軟性工裝，而碳纖維增強(qiáng)層也同時(shí)固化，提高軟性工裝的剛度，固化壓力為50(T800kPa，優(yōu)選50(Γ600kPa,固化溫度 16(T200°C，優(yōu)選 170°C ±5°C，固化時(shí)間 5(T80min，優(yōu)選 6(T70min。
[0021]軟性工裝成型后，將作為成型模具的一部分參與復(fù)合材料制件的制造過(guò)程。首先將T形筋部分預(yù)浸料在預(yù)壓實(shí)完成后填充進(jìn)軟性工裝的相應(yīng)位置；而腹板部分預(yù)浸料，可以先鋪貼在模具底板上，然后將軟性工裝與模具底板合模，進(jìn)熱壓罐成型復(fù)合材料制件，但由于軟性工裝的主要材料為橡膠，在合模過(guò)程中無(wú)法通過(guò)孔銷(xiāo)配合等方式與模具底板定位，因此無(wú)法保證制件成型后腹板與T形筋的相對(duì)位置度，只能用于成型精度要求不高的復(fù)合材料制件。如果對(duì)制件各部分的相對(duì)位置精度要求較高，則腹板部分的預(yù)浸料也必須在軟性工裝上完成鋪貼和預(yù)壓實(shí)操作，這就要求軟性工裝具有一定的剛性。
[0022]為了使軟性工裝的結(jié)構(gòu)剛性滿足鋪貼和預(yù)壓實(shí)操作的要求，在軟性工裝成型后，在其外表面再鋪貼3?5層碳纖維預(yù)浸料并固化，固化壓力為50(T700kPa，固化溫度17(T200°C，固化時(shí)間12(Tl50min，形成一個(gè)復(fù)合材料保護(hù)殼體，隨后在保護(hù)外殼形成的空腔內(nèi)灌注發(fā)泡泡沫，這種泡沫會(huì)在一定溫度條件下迅速膨脹并填充保護(hù)殼體的空腔部分，在25°C常壓條件下固化12小時(shí)，泡沫凝固后與復(fù)合材料保護(hù)殼體一起組成軟性工裝的支撐結(jié)構(gòu)，如圖4。
[0023]去掉金屬假件和模具底板，將復(fù)合材料制件的T形筋部分預(yù)浸料填充進(jìn)軟性工裝的相應(yīng)位置，隨后在軟性工裝上完成制件腹板部分預(yù)浸料的鋪貼和預(yù)壓實(shí)操作，如圖5。
[0024]完成復(fù)合材料制件的鋪貼操作后，將軟性工裝連同鋪貼好的預(yù)浸料翻轉(zhuǎn)放置于模具底板上，去掉支撐結(jié)構(gòu)并封制真空袋，隨后進(jìn)入熱壓罐完成復(fù)合材料制件的成型，由于軟性工裝本身也具備一定剛性，可以保證制件成型后的外形尺寸符合要求，如圖6。
[0025]制件成型后，將四周擋板依次去掉，然后將軟性工裝與復(fù)合材料制件分離即完成脫模。根據(jù)使用材料和工藝的不同，軟性工裝可以重復(fù)使用數(shù)次至數(shù)十次，若軟性工裝損壞或變形，可使用金屬假件以及成型模具再次制造軟性工裝。
[0026]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式的限制。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)和方法實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)和方法方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高強(qiáng)度軟性工裝實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)筋腹板復(fù)材制件共固化的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將通過(guò)機(jī)械制造加工與復(fù)合材料制件外形尺寸完全一致的金屬假件固定在模具底板上，在所述模具底板四周固定有擋板； (2)在金屬假件與四周擋板形成的腔體表面鋪貼軟性工裝，之后在最外層用真空袋真空密封，進(jìn)入熱壓罐成型軟性工裝，固化壓力為50(T800kPa，固化溫度16(T200°C，固化時(shí)間 50?80min ； (3)軟性工裝成型后，去除真空袋，在軟性工裝的外表面鋪貼碳纖維預(yù)浸料增強(qiáng)層并固化形成保護(hù)外殼，固化壓力為50(T700kPa，固化溫度17(T200°C，固化時(shí)間12(Tl50min，并向保護(hù)外殼形成的空腔內(nèi)灌注發(fā)泡泡沫，使泡沫填滿空腔并在25°C常壓條件下固化12小時(shí)，與保護(hù)外殼共同組成支撐結(jié)構(gòu)； (4)取出金屬假件，在軟性工裝T形筋的空隙處填充入T形筋預(yù)浸料，將腹板部分預(yù)浸料鋪貼在軟性工裝上并預(yù)壓實(shí)，然后將軟性工裝連同鋪貼好的預(yù)浸料翻轉(zhuǎn)放置在模具底板上，去除支撐結(jié)構(gòu)，再在外層用真空袋真空密封，進(jìn)入熱壓罐成型，即獲得T形筋加強(qiáng)腹板結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度軟性工裝實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)筋腹板復(fù)材制件共固化的方法，其特征在于:所述軟性工裝包括兩層橡膠層及包覆在橡膠層內(nèi)的碳纖維預(yù)浸料增強(qiáng)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強(qiáng)度軟性工裝實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)筋腹板復(fù)材制件共固化的方法，其特征在于:所述橡膠層采用硅橡膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高強(qiáng)度軟性工裝實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)筋腹板復(fù)材制件共固化的方法，其特征在于:所述包覆在橡膠層內(nèi)的碳纖維預(yù)浸料增強(qiáng)層的層數(shù)為f 5層。
【文檔編號(hào)】B29C70/54GK104290338SQ201410399112
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】賈傲, 黎玉欽, 王國(guó)平, 高志強(qiáng), 左揚(yáng), 盛毅, 郭淵, 繆偉民 申請(qǐng)人:航天海鷹(鎮(zhèn)江)特種材料有限公司