一种高强度软性工装实现加强筋腹板复材制件共固化的方法
【专利摘要】本发明公开了高强度软性工装实现加强筋腹板复材制件共固化的方法，利用金属假件成型橡胶制软性工装，再使用软性工装成型复合材料制件。软性工装本身带有碳纤维增强层，利用这种软性工装成型的产品，其外形尺寸可以得到保证，可以更好的将外界的压力和温度传递至复合材料制件，避免了制件局部压力不均匀、升温速度出现滞后等现象；软性工装附带支撑结构，可以在软性工装上完成制件的铺贴和预压等操作，保证了制件成型后各部分的相对位置精度和外形尺寸；软性工装可以重复使用，再次制造也较为方便，有效降低了生产成本和制造周期。
【专利说明】一种高强度软性工装实现加强筋腹板复材制件共固化的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及先进复合材料制造【技术领域】，尤其涉及航空器、航天器、汽车行业中的高性能碳纤维复合材料结构件制造。
【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，因而成为了研究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，其中带有单向T形加强筋或者纵横向交叉T形加强筋的腹板是典型结构件之一。在制造这类零件时，T形加强筋自身的成型质量，T形加强筋之间的间距，以及加强筋与腹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方法成型这类零件，芯模材质一般为模具钢或者铝合金。芯模的作用是将热压罐的压力和温度传递至复合材料制件，使制件在高温高压下成型，同时芯模的刚性可以保证T形筋的外形尺寸符合设计要求。使用芯模的缺点主要有以下三个方面:(1)由于芯模自身具有一定刚度，通过芯模传导外界压力就难以做到均匀和精确，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，根据热传导效应，制件T形筋部分的升温速率会比其他部分滞后，从而影响制件的内部成型质量；(3)由于芯模为金属材质，自重较大，操作十分不便。同时金属芯模的制造和维护费用较高，返修或重新加工的制造周期较长。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种通过使用橡胶制软性工装，完成纵横T形筋加强腹板制件的制造方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种高强度软性工装实现加强筋腹板复材制件共固化的方法，包括以下步骤:
(1)将通过机械制造加工与复合材料制件外形尺寸完全一致的金属假件固定在模具底板上，在所述模具底板四周固定有挡板；
(2)在金属假件与四周挡板形成的腔体表面铺贴软性工装，之后在最外层用真空袋真空密封，进入热压罐成型软性工装，固化压力为50(T800kPa，固化温度16(T200°C，固化时间 50?80min ；
(3)软性工装成型后，去除真空袋，在软性工装的外表面铺贴碳纤维预浸料增强层并固化形成保护外壳，固化压力为50(T700kPa，固化温度17(T200°C，固化时间12(Tl50min，并向保护外壳形成的空腔内灌注发泡泡沫，使泡沫填满空腔并在25°C常压条件下固化12小时，与保护外壳共同组成支撑结构；
(4)取出金属假件，在软性工装T形筋的空隙处填充入T形筋预浸料，将腹板部分预浸料铺贴在软性工装上并预压实，然后将软性工装连同铺贴好的预浸料翻转放置在模具底板上，去除支撑结构，再在外层用真空袋真空密封，进入热压罐成型，即获得T形筋加强腹板结构复合材料制件。
[0007]所述软性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]所述橡胶层采用硅橡胶。
[0009]所述包覆在橡胶层内的碳纤维预浸料增强层的层数为f 5层。
[0010]利用金属假件成型橡胶制软性工装，且软性工装本身带有碳纤维增强层，利用这种软性工装成型的产品，其外形尺寸可以得到保证；使用软性工装成型复合材料制件，可以更好的将外界的压力和温度传递至复合材料制件，避免了制件局部压力不均匀、升温速度出现滞后等现象；使用复合材料保护壳体以及发泡泡沫构成软性工装的支撑结构，使软性工装的结构刚度满足铺贴和预压实操作的要求，而在软性工装上铺贴制件的腹板部分预浸料，可以更好的保证制件成型后，腹板与T形筋之间的相对位置精度；软性工装可以重复使用，再次制造也较为方便，有效降低了生产成本和制造周期。
[0011]本发明与现有技术相比，具有以下几个优势:
(1)与传统芯模成型方法相比，软性工装可以均匀、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)软性工装壁厚较薄，可以避免T形筋部位的热滞后效应，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)软性工装由于碳纤维增强层和支撑结构的存在，整体刚性较大，可以实现制件整体在软性工装上进行铺贴、预压实等操作，保证了制件成型后T形筋与腹板的相对位置精度；
(4)软性工装以橡胶为主体，表面具有弹性，同时起到一个均压垫的作用，制件成型后表面质量较好；
(5)软性工装可以重复使用，再次制造也较为方便，有效降低了生产成本以及制造周期。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是具体实施例中金属假件装配在模具底板上的结构示意图。
[0013]图2是具体实施例中铺贴软性工装的示意图。
[0014]图3是具体实施例中在最外层用真空袋真空密封的示意图。
[0015]图4是具体实施例中支撑结构的结构示意图。
[0016]图5是具体实施例中铺贴预浸料的示意图。
[0017]图6是具体实施例中固化的软性工装与模具底板合模，再在外层用真空袋真空密封的不意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
[0019]本发明通过金属模具来成型纤维增强的橡胶制软性工装，在软性工装成型后，通过加固手段使其具有一定的结构刚性，最后使用软性工装完成纵横T形筋加强腹板结构制件的成型过程。详细流程如下:
首先通过机械制造的方法，加工一个与复合材料制件外形尺寸完全一致的金属假件，以及带有四周挡板的软性工装成型模具底板，二者之间存在配合关系，如图1所示。
[0020]利用金属假件与四周挡板形成的腔体，铺贴软性工装。软性工装以硅橡胶为主要材料，将橡胶逐层铺贴在空腔内，在橡胶层中间要铺贴碳纤维预浸料作为增强层，以提高软性工装的整体刚度(如图2所示)，铺贴橡胶和碳纤维预浸料增强层的层数主要取决于复合材料制件的尺寸和结构复杂程度，碳纤维预浸料增强层的层数一般为Γ5层。最后在最外层封制真空袋(如图3所示)，并按照橡胶的固化工艺，在高温高压条件下成型软性工装，而碳纤维增强层也同时固化，提高软性工装的刚度，固化压力为50(T800kPa，优选50(Γ600kPa,固化温度 16(T200°C，优选 170°C ±5°C，固化时间 5(T80min，优选 6(T70min。
[0021]软性工装成型后，将作为成型模具的一部分参与复合材料制件的制造过程。首先将T形筋部分预浸料在预压实完成后填充进软性工装的相应位置；而腹板部分预浸料，可以先铺贴在模具底板上，然后将软性工装与模具底板合模，进热压罐成型复合材料制件，但由于软性工装的主要材料为橡胶，在合模过程中无法通过孔销配合等方式与模具底板定位，因此无法保证制件成型后腹板与T形筋的相对位置度，只能用于成型精度要求不高的复合材料制件。如果对制件各部分的相对位置精度要求较高，则腹板部分的预浸料也必须在软性工装上完成铺贴和预压实操作，这就要求软性工装具有一定的刚性。
[0022]为了使软性工装的结构刚性满足铺贴和预压实操作的要求，在软性工装成型后，在其外表面再铺贴3?5层碳纤维预浸料并固化，固化压力为50(T700kPa，固化温度17(T200°C，固化时间12(Tl50min，形成一个复合材料保护壳体，随后在保护外壳形成的空腔内灌注发泡泡沫，这种泡沫会在一定温度条件下迅速膨胀并填充保护壳体的空腔部分，在25°C常压条件下固化12小时，泡沫凝固后与复合材料保护壳体一起组成软性工装的支撑结构，如图4。
[0023]去掉金属假件和模具底板，将复合材料制件的T形筋部分预浸料填充进软性工装的相应位置，随后在软性工装上完成制件腹板部分预浸料的铺贴和预压实操作，如图5。
[0024]完成复合材料制件的铺贴操作后，将软性工装连同铺贴好的预浸料翻转放置于模具底板上，去掉支撑结构并封制真空袋，随后进入热压罐完成复合材料制件的成型，由于软性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6。
[0025]制件成型后，将四周挡板依次去掉，然后将软性工装与复合材料制件分离即完成脱模。根据使用材料和工艺的不同，软性工装可以重复使用数次至数十次，若软性工装损坏或变形，可使用金属假件以及成型模具再次制造软性工装。
[0026]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。
【权利要求】
1.一种高强度软性工装实现加强筋腹板复材制件共固化的方法，其特征在于包括以下步骤: (1)将通过机械制造加工与复合材料制件外形尺寸完全一致的金属假件固定在模具底板上，在所述模具底板四周固定有挡板； (2)在金属假件与四周挡板形成的腔体表面铺贴软性工装，之后在最外层用真空袋真空密封，进入热压罐成型软性工装，固化压力为50(T800kPa，固化温度16(T200°C，固化时间 50?80min ； (3)软性工装成型后，去除真空袋，在软性工装的外表面铺贴碳纤维预浸料增强层并固化形成保护外壳，固化压力为50(T700kPa，固化温度17(T200°C，固化时间12(Tl50min，并向保护外壳形成的空腔内灌注发泡泡沫，使泡沫填满空腔并在25°C常压条件下固化12小时，与保护外壳共同组成支撑结构； (4)取出金属假件，在软性工装T形筋的空隙处填充入T形筋预浸料，将腹板部分预浸料铺贴在软性工装上并预压实，然后将软性工装连同铺贴好的预浸料翻转放置在模具底板上，去除支撑结构，再在外层用真空袋真空密封，进入热压罐成型，即获得T形筋加强腹板结构复合材料制件。
2.根据权利要求1所述的高强度软性工装实现加强筋腹板复材制件共固化的方法，其特征在于:所述软性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所述的高强度软性工装实现加强筋腹板复材制件共固化的方法，其特征在于:所述橡胶层采用硅橡胶。
4.根据权利要求3所述的高强度软性工装实现加强筋腹板复材制件共固化的方法，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f 5层。
【文档编号】B29C70/54GK104290338SQ201410399112
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月14日 优先权日:2014年8月14日
【发明者】贾傲, 黎玉钦, 王国平, 高志强, 左扬, 盛毅, 郭渊, 缪伟民 申请人:航天海鹰(镇江)特种材料有限公司