基于铺丝技术的复合材料帽形加筋壁板的成型制造方法与流程

本发明涉及航空航天技术领域复合材料构件的成型制造方法，更具体地，涉及一种基于铺丝技术的复合材料帽形加筋壁板的成型制造方法。

背景技术：

复合材料帽形加筋壁板结构由帽形筋和蒙皮组成，具有较高的扭转稳定性和屈曲强度，因此被广泛应用于飞机结构上，比如机身壁板、压力舱等。采用高度机械化和数字化的自动铺丝技术制造复合材料帽形加筋壁板，具有制造效率高、产品质量一致性好、材料浪费量低等优点，特别适合制造筒形或其它复杂构件。

帽形加筋壁板按产品形式可分为泡沫加筋壁板和空心结构帽形加筋壁板。泡沫加筋壁板中泡沫加工难度大且易受损，同时增加结构重量。空心结构帽形加筋壁板的成型芯模包括金属芯模和橡胶芯模。使用金属芯模成型加筋壁板，金属芯模成本高、重量大，同时对于复杂曲率壁板无法脱模。使用橡胶芯模成型加筋壁板，实心橡胶芯模无法保证壁板共固化成型时帽形加筋壁板制件内部成型压力与外部固化压力相同，难以满足复合材料构件成型过程中的内部加压要求。空心橡胶芯模能保证帽形加筋壁板制件内部成型压力与外部固化压力相同，但是对于壁板采用带有帽形加筋槽的阳模铺制和蒙皮采用铺丝工艺制造的方案，空心橡胶芯模无法支撑铺丝头压力，易导致加筋壁板空心处的蒙皮下陷，无法保证正确外形。另外，模具在铺丝过程中绕轴旋转，为避免帽形加筋和芯模移动而影响蒙皮铺丝，芯模必须很好地固定在模具上。

因此，为了保证采用阳模制造时蒙皮铺丝作业能正常进行，且芯模能保证壁板固化时的成型压力，并实现芯模的顺利脱模，不增加结构重量，需要发展一种基于铺丝技术的复合材料帽形加筋壁板成型制造方法，以改进传统的工艺方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于铺丝技术的复合材料帽形加筋壁板的成型制造方法。

根据本发明，该成型制造方法包括以下步骤：

在壁板阳模成型模具的帽形加筋槽内表面涂敷脱模剂或者铺贴脱模布，然后再铺贴帽形加筋件或者放置固化好的帽形加筋件；

在所述帽形加筋件的凹槽内放置涂敷脱模剂或者缠绕脱模布的橡胶管，其中所述橡胶管内放置与其形状相适应的内部支撑件，所述内部支撑件和所述橡胶管之间放置两端开口的管状真空袋，并将带有内部支撑件的橡胶管固定到所述壁板阳模成型模具上；

在所述帽形加筋件的空区域内填充填料；

在所述壁板阳模成型模具的外表面采用自动铺丝设备铺出蒙皮；

在所述蒙皮的外表面覆盖一层工艺盖板；

打真空袋并抽真空，然后加温加压，固化成型；

冷却后，脱去所述壁板阳模成型模具，并抽出橡胶管，得到复合材料帽形加筋壁板。

其中，所述帽形加筋件的材料为碳纤维增强织物或玻璃纤维织物。

其中，所述帽形加筋件的材料为碳纤维增强单向带或玻璃纤维单向带。

其中，所述内部支撑件的材料为橡胶、金属、树脂、泡沫或木材。

其中，所述内部支撑件中间开圆孔，内置绳索或杆件，通过绑定或磁力进行固定。

其中，所述填料为单向带、单向纤维、三维编织预成型料、环氧树脂或粘合剂。

其中，铺丝材料为碳纤维增强复合材料。

其中，所述工艺盖板的材料为铝、铜、织物和橡胶的结合体或硬橡胶。

其中，采用热压罐、烘箱、电热毯进行加温加压。

其中，在打真空袋并抽真空之前，从所述橡胶管中抽出所述内部支撑件；或者，可选择不取出内部支撑件，待制件固化成型后取出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)对于阳模制造共固化成型壁板，相比空心橡胶芯模刚度低无法维形的特点，本发明采用的带有内部支撑件的橡胶管具有足够的刚度，可承受自动铺丝头作业时的压力，维持蒙皮铺制时帽形加筋件与蒙皮间的空腔形状，避免蒙皮变形；

2)相比实心橡胶芯模无法保证帽形加筋内表面与蒙皮表面的固化压力相同的缺点，本发明采用的管状真空袋两端与热压罐大气环境连通，并以橡胶管作为环形垫片，将固化压力传递至帽型加筋件和蒙皮内表面，满足复合材料构件成型过程中的内部加压要求；

3)相比空心橡胶气囊易漏气使用寿命低的缺点，本发明采用的橡胶管内部放置管状真空袋以保证气密性，橡胶管作为环形垫片无气密性要求，具有使用寿命高，成本低的优点；

4)该成型方法既可用于胶接共固化成型，又可用于共固化成型，具有通用性。

附图说明

本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的优选实施方式更好地理解，其中：

图1为处于铺丝过程的本发明的复合材料帽形加筋壁板的横截面视图；

图2A-2B为处于固化过程的本发明的复合材料帽形加筋壁板的横截面视图；

图3为具有不同横截面形状的带有内部支撑件的橡胶管的示意图，图中省略了倒圆角。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其它实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。

第一步，如图1所示，先在壁板阳模成型模具1的帽形加筋槽内表面涂敷脱模剂或者铺贴脱模布，然后再手工铺贴出帽形加筋件2，或者放置固化好的帽形加筋件2。帽形加筋件2的材料优选碳纤维增强单向带，还可以是碳纤维增强织物、玻璃纤维单向带和织物或其它合适的复合材料带和织物。

第二步，将橡胶管3涂覆脱模剂或者缠绕脱模布，脱模布优选四氟布，还可以是其它合适的脱模材料。橡胶管3外可再缠绕一层止裂铺层，然后将橡胶管3放置在帽形加筋槽内。其中橡胶管3内放置与其形状相适应的内部支撑件4，内部支撑件4和橡胶管3之间放置两端开口的管状真空袋5。内部支撑件4为下面描述的蒙皮8铺制时提供足够的刚度，避免蒙皮8铺制时产生大的变形。内部支撑件4的材料优选橡胶，还可以是金属、树脂、泡沫、木材或其它合适的材料。

橡胶管3的截面形式包括且不限于图3所示的截面形式，内部支撑件4优选与橡胶管3内表面形状相同的梯形件，中间开圆孔，内置绳索或杆件。通过绑定或磁力将带有内部支撑件4的橡胶管3固定在壁板阳模成型模具1上，避免壁板阳模成型模具1旋转运动时芯模移动。

第三步，在帽形加筋件2的空区域6内填充填料。具体地，在橡胶管3、帽形加筋件2和下面描述的蒙皮8之间的三角形空区域6填充填料，该填料优选滚压的单向带，还可以是单向纤维、三维编织预成型料、环氧树脂、粘合剂或其它合适材料。

第四步，在壁板阳模成型模具1外表面采用自动铺丝设备铺出适应所需外形的蒙皮8，铺丝材料可以选用碳纤维增强复合材料。铺丝成型的蒙皮8可以是平板、单曲率或复杂曲率的筒形或块状，自动化程度高，能保证很高的产品质量一致性。进一步地，如图1中实施例所示，帽形加筋件2和蒙皮8之间可铺贴加强铺层7。

第五步，如图2A所示，在蒙皮8外表面覆盖一层工艺盖板9，以改善蒙皮8成型后的表面质量。工艺盖板9的材料优选薄厚度的铝、铜、硬橡胶、织物和橡胶的结合体，或其它合适的材料。

第六步，从橡胶管3中抽出内部支撑件4，如图2B所示；该步骤是可选项，可以不实施该操作，即可不取出内部支撑件4。管状真空袋5两端与热压罐大气环境连通，并以橡胶管3作为环形垫片，将固化压力传递至帽型加筋件2和蒙皮8内表面，满足复合材料构件成型过程中的内部加压要求。

第七步，对整个壁板打真空袋10并抽真空，然后加温加压，固化成型。加温加压设备优选热压罐，进一步包括烘箱、电热毯等可用设备。

第八步，冷却后，脱去壁板阳模成型模具1，并抽出橡胶管3，得到复合材料帽形加筋壁板。如果第六步未实施，需将内部支撑件4与橡胶管3一并取出，得到复合材料帽形加筋壁板。

根据本发明的成型制造方法适用于胶接共固化和共固化两种方式成型，其中共固化成型更具成本优势，无需多余的模具。共固化成型的帽形加筋壁板，减少了筋条或蒙皮先行固化的成本，从而有效地降低了制造成本，且成型后蒙皮和筋条之间并无明显的界面，提高了构件的整体承载能力，并且未增加额外的重量。

以上已揭示本发明的具体实施例的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的各种特征和未在此明确示出的特征的组合作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。上述实施例的描述是示例性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利要求所确定。