一種精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法
【專利摘要】本發明公開了一種精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法，將T形筋金屬假件和T形定位裝置固定在模具底板上，表面鋪貼軟性工裝，之后在最外層用真空袋真空密封，進入熱壓罐成型軟性工裝；在取出T形筋金屬假件的空隙處填充入T形筋預浸料，將腹板固定在在模具底板上，將固化的軟性工裝與模具底板合模，熱壓成型即獲得T形筋加強腹板結構復合材料制件。與傳統芯模成型方法相比，本發明可以均勻、精確地傳遞熱壓罐施加的壓力，避免復合材料制件出現厚度超差的現象，軟性工裝壁厚較薄，可以避免T形筋部位的熱滯后效應，以上兩點可以有效保證制件的成型質量，提高生產的合格率和效率。同時T形定位裝置可以確保T形筋與腹板共膠結后的相對位置精度，保證產品質量。
【專利說明】一種精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及先進復合材料制造【技術領域】，尤其涉及航空器、航天器、汽車行業中的高性能碳纖維復合材料結構件制造。
【背景技術】
[0002]樹脂基碳纖維復合材料具有比強度、比剛度高，可設計性強，抗疲勞斷裂性能好，耐腐蝕，尺寸穩定性好等優越的性能，是目前航空、航天、交通等領域中應用十分廣泛的高性能結構材料。在多種碳纖維復合材料成型工藝中，熱壓罐工藝具有成型溫度和壓力均勻，對于不同材料、外形、尺寸及結構的零件具有很好的適應性，因而成為了研究和制造航空航天高品質復合材料構件的主要工藝方法之一。
[0003]隨著對復合材料零件強度、剛度要求的日益提高，零件的結構也越來越復雜，其中帶有T形加強筋的腹板是典型結構件之一。
[0004]出于制件提高強度以及減重的需要，腹板上經常存在加厚區、減輕孔等元素，這就要求T形筋與腹板的相對位置度要足夠精確。一般T形筋加強腹板結構件的共膠結工藝流程是:制件的腹板部分先固化成型，然后將T形筋部分的預浸料預壓實后，在軟狀態下與固化好的腹板粘接定位，一起進熱壓罐，在高溫高壓下成型。
[0005]目前的工藝中大多使用芯模來實現這類制件的共膠結成型，芯模材質一般為模具鋼或者鋁合金，芯模與模具底板之間存在定位關系。芯模的作用是將熱壓罐的壓力和溫度傳遞至復合材料制件，使制件在高溫高壓下成型，同時芯模的剛性可以保證T形筋的外形尺寸符合設計要求。
[0006]使用芯模的缺點主要有以下三個方面:(1)由于芯模自身具有一定剛度，通過芯模傳導外界壓力就難以做到均勻和精確，容易造成制件τ形筋部分厚度超差；(2)由于芯模具有一定厚度，根據熱傳導效應，制件T形筋部分的升溫速率會比其他部分滯后，從而影響制件的內部成型質量；(3)由于芯模為金屬材質，自重較大，操作十分不便。同時金屬芯模的制造和維護費用較高，返修或重新加工的制造周期較長。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種在成型過程中，對制件T形筋部分施加的壓力均勻精確，制件各個部位的升溫速率保持一致，以保證制件的外形尺寸精度、成型質量、表面質量和厚度偏差符合設計要求的T形筋加強腹板制件的制造方法。
[0008]為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案:一種精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法，包括以下步驟:
(1)采用傳統熱壓罐工藝成型腹板；通過機械制造加工與T形筋制件外形尺寸完全一致的T形筋金屬假件以及T形定位裝置；
(2)將T形筋金屬假件和T形定位裝置固定在模具底板上，在T形筋金屬假件和T形定位裝置的表面鋪貼軟性工裝，之后在最外層用真空袋真空密封，進入熱壓罐成型軟性工裝，固化壓力為500?800kPa，固化溫度16(T200°C，固化時間5(T80min ；
(3)軟性工裝成型后，去除真空袋，取下固化的軟性工裝，取出T形筋金屬假件和T形定位裝置，在取出T形筋金屬假件的空隙處填充入T形筋預浸料，將腹板固定在在模具底板上，將T形定位裝置固定在步驟一時模具底板上的位置，將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，進入熱壓罐成型，即獲得T形筋加強腹板結構復合材料制件。
[0009]所述軟性工裝包括兩層橡膠層及包覆在橡膠層內的碳纖維預浸料增強層。
[0010]所述橡膠層采用硅橡膠。
[0011]所述包覆在橡膠層內的碳纖維預浸料增強層的層數為1?5層。
[0012]所述T形筋金屬假件和T形定位裝置通過孔銷定位的方式固定在模具底板上。
[0013]所述T形筋金屬假件固定在模具底板上，在每個T形筋金屬假件軸向重合的兩邊各固定一個T形定位裝置。
[0014]本發明與現有技術相比，具有以下幾個優勢:
(1)與傳統芯模成型方法相比，軟性工裝可以均勻、精確地傳遞熱壓罐施加的壓力，避免復合材料制件出現厚度超差的現象；
(2)軟性工裝壁厚較薄，可以避免T形筋部位的熱滯后效應，以上兩點可以有效保證制件的成型質量，提高生產的合格率和效率；
(3)在軟性工裝成型模具，以及復合材料制件成型模具上設置兩組外形尺寸和位置完全相同的T形定位裝置，可以實現軟性工裝與金屬模具底板之間的精確定位，從而嚴格控制制件成型后T形筋與腹板的相對位置度，保證制件的成型質量；
(4)軟性工裝以橡膠為主體，表面具有彈性，同時起到一個均壓墊的作用，制件成型后表面質量較好；
(5)軟性工裝可以重復使用，再次制造也較為方便，有效降低了生產成本以及制造周期。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是將T形筋金屬假件和T形定位裝置固定在模具底板上的示意圖。
[0016]圖2是鋪貼軟性工裝的示意圖。
[0017]圖3是在最外層用真空袋真空密封的示意圖。
[0018]圖4是填充入T形筋預浸料后，將固化的軟性工裝與模具底板合模的示意圖。
[0019]圖5是將固化的軟性工裝與模具底板合模的立體示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明。
[0021]首先成型復合材料制件的腹板部分，成型方法與傳統熱壓罐工藝相同。由于腹板部分為已固化狀態，軟性工裝只用于制件T形筋部分的成型，并保證制件成型后，T形筋與腹板的相對位置度滿足設計要求。
[0022]通過機械制造的方法，加工若干T形筋金屬假件，假件的數量和相對位置必須與復合材料制件上的T形加強筋保持一致，因此金屬假件與模具底板之間存在定位關系。
[0023]利用T形筋金屬假件和模具底板形成的腔體，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，在橡膠層中間要鋪貼碳纖維預浸料增強層作為增強層，以提高軟性工裝的整體剛度，鋪貼橡膠和碳纖維預浸料增強層的層數主要取決于復合材料制件的尺寸和結構復雜程度，碳纖維預浸料增強層的層數一般為Γ5層。最后在最外層用真空袋真空密封，并按照橡膠的固化工藝，進入熱壓罐成型軟性工裝，固化壓力為500?800kPa，優選500?600 kPa,固化溫度160?200°C，優選170°C ±5°C，固化時間5(T80min，優選6(T70min，在高溫高壓條件下成型軟性工裝。
[0024]在共膠結成型工藝中，軟性工裝必須具備以下兩個功能:
1)自身具備一定結構剛性，可以保證T形筋成型后的外形尺寸和間距；
2)軟性工裝必須具備與模具底板的定位功能，確保復合材料制件成型后T形筋與腹板的相對位置度。
[0025]共膠結過程中，復合材料制件的腹板部分為固化狀態，可以以孔銷定位的方式與模具底板進行定位；而T形筋部分預浸料在預壓實后，填充進軟性工裝的相應位置，再將軟性工裝與模具底板合模，在外層用真空袋真空密封，進熱壓罐固化成型。
[0026]但是軟性工裝以橡膠為主要材料，因此無法機械加工，在合模過程中不能與金屬底板進行孔銷定位，必須采用其他方法保證制件成型后T形筋與腹板的相對位置度。
[0027]本發明中使用的定位方法是:在軟性工裝的成型模具上，對應每個T形金屬假件，添加2個T形定位裝置，定位裝置與金屬假件的軸向重合，并與模具底板存在裝配定位關系，如圖1所示。
[0028]在成型軟性工裝時，橡膠層和碳纖維加強層的鋪貼范圍要覆蓋到T形定位裝置，保證軟性工裝成型后，在定位裝置的對應處留有同樣尺寸的凹槽，如圖2。
[0029]軟性工裝成型后，將配合金屬模具，完成T形筋加強腹板的共膠結成型，流程如下:
1)將腹板放置在模具底板上，由于腹板為已固化狀態，可以鉆制定位孔，與模具上的定位銷進行孔銷配合，保證腹板在模具底板上的位置固定不變。
[0030]2)復合材料制件的成型模具同樣帶有T形定位裝置，且裝置的尺寸、位置都與軟性工裝成型模具上的定位裝置完全吻合。
[0031]3)將預壓實好的T形筋預浸料，填充進軟性工裝內，再將軟性工裝上的凹槽與制件成型模具上的T形定位裝置相配合，通過軟性工裝與成型模具之間的定位，間接完成復合材料制件τ形筋部分與腹板部分的定位，如圖4和5。
[0032]制件成型后，將軟性工裝與復合材料制件分離即完成脫模。根據使用材料和工藝的不同，軟性工裝可以重復使用數次至數十次，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。
[0033]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明做任何形式的限制。凡是依據本發明的技術和方法實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明的技術和方法方案的范圍內。
【權利要求】
1.一種精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)采用傳統熱壓罐工藝成型腹板；通過機械制造加工與T形筋制件外形尺寸完全一致的T形筋金屬假件以及T形定位裝置； (2)將T形筋金屬假件和T形定位裝置固定在模具底板上，在T形筋金屬假件和T形定位裝置的表面鋪貼軟性工裝，之后在最外層用真空袋真空密封，進入熱壓罐成型軟性工裝，固化壓力為500?800kPa，固化溫度16(T200°C，固化時間5(T80min ； (3)軟性工裝成型后，去除真空袋，取下固化的軟性工裝，取出T形筋金屬假件和T形定位裝置，在取出T形筋金屬假件的空隙處填充入T形筋預浸料，將腹板固定在在模具底板上，將T形定位裝置固定在步驟一時模具底板上的位置，將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，進入熱壓罐成型，即獲得T形筋加強腹板結構復合材料制件。
2.根據權利要求1所述的精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法，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的碳纖維預浸料增強層。
3.根據權利要求2所述的精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法，其特征在于:所述橡膠層采用硅橡膠。
4.根據權利要求3所述的精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法，其特征在于:所述包覆在橡膠層內的碳纖維預浸料增強層的層數為廣5層。
5.根據權利要求1所述的精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法，其特征在于:所述T形筋金屬假件和T形定位裝置通過孔銷定位的方式固定在模具底板上。
6.根據權利要求5所述的精確定位軟性工裝實現加強筋腹板復材制件共膠結的方法，其特征在于:所述T形筋金屬假件固定在模具底板上，在每個T形筋金屬假件軸向重合的兩邊各固定一個T形定位裝置。
【文檔編號】B29C70/44GK104290337SQ201410399012
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】賈傲, 黎玉欽, 王國平, 高志強, 左揚, 盛毅, 繆偉民 申請人:航天海鷹(鎮江)特種材料有限公司