一种复合材料空腔结构气囊成型的气体通道设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及先进复合材料制造技术领域，特别涉及一种复合材料空腔结构气囊成型的气体通道设计方法。
【背景技术】
[0002]树脂基碳纤维复合材料具有比强度、比刚度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，尺寸稳定性好等优越的性能，是目前航空、航天、交通等领域中应用十分广泛的高性能结构材料。在多种碳纤维复合材料成型工艺中，热压罐工艺具有成型温度和压力均匀，对于不同材料、外形、尺寸及结构的零件具有很好的适应性，因而成为了研宄和制造航空航天高品质复合材料构件的主要工艺方法之一。
[0003]随着对复合材料零件强度、刚度要求的日益提高，零件的结构也越来越复杂，其中带有空腔结构的壁板是典型结构件之一。零件帽型加筋壁板结构相对复杂，不仅带有帽型筋条，同时壁板本身的曲率变化较大，在制造这类零件时，帽型筋条之间的间距，帽型筋条内部表面以及帽型筋条与壁板的相对位置度要求通常比较严格。
[0004]目前的工艺中大多使用芯模或气囊方法成型这类零件，其中气囊成型法在成型过程以及产品质量方面都占有一定的优势，但传统的气囊都是通过金属气嘴与外界相通。以简单空腔结构复合材料件为例，其成型方法采用气囊方法，气囊的作用是将热压罐的压力和温度均匀的传递至复合材料零件表面，使零件在高温高压下成型，同时气囊的柔软性也易于脱模而不会损伤零件，能够符合设计要求。使用带有金属气嘴气囊的缺点主要有以下三个方面:(1)由于气囊自身具有一定的柔软性，在成型时金属气嘴与硅橡胶气囊配合困难，固化过程中容易受压不均匀导致金属气嘴位置改变，影响气囊整理质量，从而导致零件受压不均匀；(2)金属气嘴与气囊相连的部位正是气囊最容易破损和漏气的地方。此类气囊的漏气概率较高，从而影响零件的内部质量；(3)由于气嘴为金属材质，返修或重新加工周期较长，气囊的制造成本较高，且操作不便。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种复合材料空腔结构气囊成型的气体通道设计方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种复合材料空腔结构气囊成型的气体通道设计方法，包括以下步骤:
(1)加工一套与空腔结构件的空腔内部尺寸相配合的气囊成型模具，气囊成型模具分为上下两个部分，二者之间存在配合关系；
(2)在气囊成型模具内表面铺贴气囊工装，并在气囊工装外层铺贴管状真空袋，在气囊成型模具的外层用真空袋真空密封，进入热压罐成型气囊工装，固化压力为600~650kPa，固化温度180°C ±6°C，固化时间120min，气囊工装成型后，去除真空袋，取出固化的气囊工装； (3)将零件空腔部分预浸料在空腔预压实模具上铺贴，外层用真空袋真空密封，并预压完成；取下空腔部分预浸料放置在零件成型模具相应的空腔位置，并放入固化的气囊工装，最后覆盖上预压完成的腹板部分预浸料，在腹板外表面用真空袋真空密封，进热压罐成型复合材料制件；
(4)制件成型后，将真空袋材料去掉，将气囊工装与复合材料制件分离即完成脱模，获得具有空腔结构的复合材料。
[0007]所述气囊工装包括两层橡胶层及包覆在橡胶层内的碳纤维预浸料增强层。
[0008]所述包覆在橡胶层内的碳纤维预浸料增强层的层数为I?5层。
[0009]所述气囊工装在进入热压罐，在压力达到140kPa时，将真空袋与大气连通，并保持连通状态直至固化完成。
[0010]本发明与现有技术相比，具有以下几个优势:
1、与传统的金属气嘴与外界相通的方法相比，更能均匀、精确地传递热压罐施加的压力，避免复合材料制件出现厚度超差的现象；
2、摒弃了金属气嘴，采用端头开口方式，消除了金属气嘴与气囊连接处发生破损和漏气的可能性，大大延长了气囊的使用寿命，以上两点可以有效保证制件的成型质量，提高生产的合格率和效率；
3、传统的气囊成型过程中，如何将气囊与金属气嘴连接以及定位为最关键的工步，且使用过程中需要注意尽量避免气嘴连接处的折叠或受压，敞口式气囊不存在类似的难点，降低了气囊成型难度及风险，节约了制造成本。
【附图说明】
[0011]图1是本发明气囊成型模具的结构示意图。
[0012]图2是气囊成型模具铺贴气囊工装后的结构示意图。
[0013]图3是空腔预压实模具上铺贴空腔部分预浸料的示意图。
[0014]图4是空腔复合材料制件的成型制造过程示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0016]本发明放弃了金属气嘴，采用端头敞开的方法成型气囊，在气囊成型后，再配合相应的模具设计和制真空袋的方案，不仅可以更好地保证气囊内外压力一致，而且大大延长了气囊的使用寿命。详细流程如下:
(1)加工一套与空腔结构件的空腔内部尺寸相配合的气囊成型模具，气囊成型模具分为上下两个部分，二者之间存在配合关系，如图1;
(2)分别利用两块气囊成型模具，铺贴气囊工装。气囊工装以橡胶为主要材料，将橡胶逐层铺贴在气囊成型模具内表面；必要时可以在橡胶层中间要铺贴碳纤维预浸料增强层作为增强层，以提高软性工装的整体刚度，铺贴橡胶和预浸料的层数主要取决于复合材料制件的尺寸和结构复杂程度，包覆在橡胶层内的碳纤维预料增强层的层数为1~5层。
[0017]最后在气囊工装外层铺贴管状真空袋使得气囊成型过程中内外压力保持一致，在气囊成型模具的外层用真空袋真空密封，并按照橡胶的固化工艺，在高温高压条件下成型端头开口式气囊，热压罐的固化压力为600~650kPa，固化温度180 °C ± 6 °C，固化时间120min。并且在气囊工装进入热压罐后，在压力达到140kPa时，将真空袋与大气连通，并保持连通状态直至固化完成，如图2。
[0018](3)端头敞口式气囊工装成型后，将作为空腔复合材料制件的成型制造过程的重要部分。首先配合气囊工装设计出空腔预压实模具和零件成型模具，将零件空腔部分预浸料在空腔预压实模具上铺贴，外层用真空袋真空密封，并预压完成，如图3 ;而腹板部分预浸料，先在模具底板上铺贴并进行预压，取下空腔部分预浸料放置在零件成型模具相应的空腔位置，并放入固化的气囊工装，最后覆盖上预压完成的腹板部分预浸料，在腹板外表面用真空袋真空密封，进热压罐成型复合材料制件；由于气囊工装本身也具备一定刚性，可以保证制件成型后的外形尺寸符合要求，如图4。
[0019](4)制件成型后，将真空袋材料去掉，然后将气囊工装与复合材料制件分离即完成脱模，气囊工装本身的柔软特性也有利于脱模。根据使用材料和工艺的不同，气囊工装可以重复使用数次至数十次，若气囊工装损坏或变形，可使用气囊成型模具再次制造。
[0020]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。
【主权项】
1.一种复合材料空腔结构气囊成型的气体通道设计方法，其特征在于包括以下步骤: (1)加工一套与空腔结构件的空腔内部尺寸相配合的气囊成型模具，气囊成型模具分为上下两个部分，二者之间存在配合关系； (2)在气囊成型模具内表面铺贴气囊工装，并在气囊工装外层铺贴管状真空袋，在气囊成型模具的外层用真空袋真空密封，进入热压罐成型气囊工装，固化压力为600~650kPa，固化温度180°C ±6°C，固化时间120min，气囊工装成型后，去除真空袋，取出固化的气囊工装； (3)将零件空腔部分预浸料在空腔预压实模具上铺贴，外层用真空袋真空密封，并预压完成；取下空腔部分预浸料放置在零件成型模具相应的空腔位置，并放入固化的气囊工装，最后覆盖上预压完成的腹板部分预浸料，在腹板外表面用真空袋真空密封，进热压罐成型复合材料制件； (4)制件成型后，将真空袋材料去掉，将气囊工装与复合材料制件分离即完成脱模，获得具有空腔结构的复合材料。
2.根据权利要求1所述的复合材料空腔结构气囊成型的气体通道设计方法，其特征在于:所述气囊工装包括两层橡胶层及包覆在橡胶层内的碳纤维预浸料增强层。
3.根据权利要求2所述的T型加筋腹板结构复合材料零件的气囊成型方法，其特征在于:所述包覆在橡胶层内的碳纤维预浸料增强层的层数为1~5层。
4.根据权利要求1所述的T型加筋腹板结构复合材料零件的气囊成型方法，其特征在于:所述气囊工装在进入热压罐，在压力达到HOkPa时，将真空袋与大气连通，并保持连通状态直至固化完成。
【专利摘要】本发明公开了一种复合材料空腔结构气囊成型的气体通道设计方法，加工一套与空腔结构件的空腔内部尺寸相配合的气囊成型模具，在气囊成型模具内表面铺贴气囊工装，并热压成型，将零件空腔部分预浸料在空腔预压实模具上铺贴，外层用真空袋真空密封，并预压完成；取下空腔部分预浸料放置在零件成型模具相应的空腔位置，并放入固化的气囊工装，最后覆盖上预压完成的腹板部分预浸料，在腹板外表面用真空袋真空密封，进热压罐成型复合材料制件。本发明能更均匀、精确地传递热压罐施加的压力，避免复合材料制件出现厚度超差的现象，摒弃了金属气嘴，采用端头开口方式，消除了金属气嘴与气囊连接处发生破损和漏气的可能性，大大延长了气囊的使用寿命，以上两点可以有效保证制件的成型质量，提高生产的合格率和效率。
【IPC分类】B29C70-44, B29C70-54
【公开号】CN104589670
【申请号】CN201410714897
【发明人】黎玉钦, 贾傲, 王国平, 马秀菊, 刘备备, 谢海洋, 黄毅
【申请人】航天海鹰(镇江)特种材料有限公司
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月2日