“C”形橡胶芯模成型方法、用于“工”形构件的成型方法和用于“工”形构件的成型装置与流程

本发明涉及“C”形橡胶芯模成型方法、用于“工”形构件的成型方法、用于“工”形构件的成型装置。

背景技术：

复合材料具有比强度和比模量高，性能可设计和易于整体成形等许多优异特性，将其用于飞机结构上，可显著降低飞机结构的重量，改善飞机气动弹性特性，提高飞机性能。而复合材料“工”型类构件因其结构效率较高，广泛应用于飞机结构，如翼面结构蒙皮加筋壁板上的筋条以及前、后梁。复合材料“工”型类构件由上、下缘条及两个背靠背的“C”形层压板构成，“C”形层压板与上、下缘条之间的三角形空腔区填充预成型捻子条。

复合材料“工”形类构件的成型技术中，构件的成型主要依靠上、下缘条工装及芯模工装对复合材料坯料施压，使之固化成型。一般有金属硬模及橡胶软模两种工艺方法，主要区别在于左右两侧芯模材质。硬模工艺的芯模为模具钢，软模工艺的芯模为夹心橡胶。两种工艺方法的区别如下：

金属芯模工艺中，金属芯模整体机加成型，固化过程中，芯模可以对“工”形件上缘条形成支撑，保证制件高度的一致性。但金属芯模在制造时有一定的误差，模具组合后，左、右两侧芯模之间的间隙在构件整个长度方向上无法保证均匀一致。因此在加压固化过程中，构件在长度方向上可能由于间隙不一致导致压力传递不一致，难以满足工艺规范及适航要求。制件局部易出现质量缺陷，尤其是圆角区域，如厚度超差、分层、孔隙率超差等，导致制件报废。此外，芯模经多次进罐，重复使用后，易产生热变形，冷却后无法完全消除，变形累积后将引起更严重的压力传递问题。

橡胶软模工艺中，橡胶芯模一般采用两层橡胶之间固化多层碳纤维或者玻璃纤维预浸料，形成“三明治”夹心结构。夹心橡胶芯模具有一定刚度与弹性的特点，制件在热压罐加压过程中，真空袋将压力传递到橡胶芯模，橡胶芯模再将压力均匀传递到制件表面上，使制件固化成型，保证制件内部质量。但由于夹心橡胶芯模的夹心层刚度大，在圆角区无法保证完全贴合，易在圆角区产生分层，架桥等问题。此外，夹心橡胶芯模在模具组合或固化过程中无法对“工”形件上缘条形成有效支撑，固化后的制件高度无法保证均匀一致。

综上所述，虽然橡胶软模工艺可以替代金属硬模工艺，解决压力传递不均匀的问题，保证制件内部质量，但是在圆角区仍存在压力传递问题，并会带来制件高度不一致问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种“C”形橡胶芯模的成型方法，包括如下步骤：

步骤S1，把第一层“C”形未硫化橡胶铺设在橡胶芯模成型模具的凹部内并与所述凹部紧密贴合，采用真空袋把所述“C”形未硫化橡胶压实；

步骤S2，在所述第一层“C”形未硫化橡胶上，铺设芯模夹层，采用真空袋把所述芯模夹层11压实到所述“C”未硫化橡胶内；

步骤S4，把由上一步骤得到的铺设有芯模夹层的“C”未硫化橡胶作为整体进行封装，进罐固化，脱模后形成“C”形橡胶芯模。

上述技术方案中，对于步骤S1中的压实操作，有利于得到外表面非常平整的第一层“C”形未硫化橡胶，为步骤S2的有效进行做好准备。对于步骤S2中的压实操作，能够准确地把芯模夹层压入到第一层“C”形未硫化橡胶内，防止发生压实过程的偏离或者不平整等缺陷。实验表明，对于每个步骤中都分别采用真空袋压实操作，最后得到的“C”形橡胶芯模的平整度、耐用性和力传递性都比只在最后一个步骤中采用真空袋压实操作有明显改进。

较优选地，在步骤S1中，采用真空袋压实20-30分钟；和/或在步骤S2中，采用真空袋压实20-30分钟。

较优选地，在步骤S2和步骤S4之间，还包括步骤S3：步骤S3，在由前一步骤得到的铺设有芯模夹层的所述“C”未硫化橡胶的外表面上，再铺设第二层“C”形未硫化橡胶，采用真空袋把所述第二层“C”形未硫化橡胶压实。此处优选的步骤S3，是紧接着步骤S2进行的，因为步骤S2中已采用了真空袋把芯模夹层压入到第一层“C”形未硫化橡胶中，并且获得了很好平整度的外表面，此时，再铺设第二层“C”形未硫化橡胶就非常有效，能够形成平面与平面之间的压实关系，使得第一层“C”形未硫化橡胶、芯模夹层、第二层“C”形未硫化橡胶很好地平整融为一体。实验进一步表明，对于每个步骤中都分别采用真空袋压实操作，最后得到的“C”形橡胶芯模的平整度、耐用性和力传递性都比只在最后一个步骤中采用真空袋压实操作有明显改进。

较优选地，在步骤S3中，采用真空袋压实20-30分钟。

较优选地，在步骤S2中，所述芯模夹层分为不连续的三段，分别铺设在“C”形的上边、竖边和下边的平直部分上。更优选地，铺设在“C”形的上边、竖边、下边中的不连续的三段芯模夹层的长度为上边、竖边、下边各自的平直部分的长度。

较优选地，在步骤S2中，所述芯模夹层的材料包括：碳纤维预浸料、铝板或钢板。

与此同时，本发明还提供了一种采用如前任一所述的“C”形橡胶芯模的成型方法获得的“C”形橡胶芯模。

同时，本发明还提供一种用于“工”形构件的成型方法，包括如下步骤：

步骤T1，采用如前任一所述的“C”形橡胶芯模的成型方法，制得反“C”形橡胶芯模和“C”形橡胶芯模；

步骤T2，准备好预成型的“工”形构件；

步骤T3，所述反“C”形橡胶芯模抵住“工”形构件的左内凹侧，所述“C”形橡胶芯模抵住“工”形构件的右内凹侧，上盖板抵住“工”形构件的上侧，底板模具抵住“工”形构件的下侧；

步骤T4，对步骤T3中的“工”形构件的未被抵住部分填充边缘挡条，在上盖板、反“C”形橡胶芯模、底板模具、“C”形橡胶芯模、边缘挡条的外部，采用真空袋进行封装，并进行固化成型，脱模后得到“工”形复合材料。

较优选地，在步骤T2，准备好预成型的“工”形构件的过程为：把上缘条铺层、下缘条铺层、左侧腹板铺层、右侧腹板铺层与上捻子条、下捻子条结合，压实预成型为“工”形构件。

较优选地，在步骤T3中，把所述反“C”形橡胶芯模或所述“C”形橡胶芯模与底板模具相互固定，从而实现横向固定；上盖板与底板模具由侧边支柱连接，从而实现竖直方向固定；上盖板为加筋板，从而实现长度方向上固定。

与此同时，本发明还提供一种采用如前任一所述的用于“工”形构件的成型方法获得的“工”形复合材料。

同时，本发明还提供一种用于“工”形构件的成型装置，包括：

上盖板，所述上盖板为加筋板，用于实现长度方向上固定；

底板模具，其与所述上盖板之间设置有侧边支柱连接，用于实现竖直方向固定；

反“C”形橡胶芯模和所述“C”形橡胶芯模，两者之一与所述底板模具相互固定，用于实现横向固定。

较优选地，在底板模具上安装有定位结构，固定位反“C”形橡胶芯模的长度方向的两端或“C”形橡胶芯模的长度方向的两端，使被固定住的所述反“C”形橡胶芯模或所述“C”形橡胶芯模与所述底板模具相互固定，用于实现横向固定。

本发明的目的在于优化复合材料“工”形类构件成型技术，提供一种可靠的芯模替代传统金属芯模以及橡胶软模，解决成型过程中压力传递一致性问题，提高复合材料制件内部质量；提供一种加筋上盖板及侧边支撑模具，保证“工”形类构件成型后高度均匀一致。提供一种工装定位方式和装置，提高“工”形类构件的腹板轴线精度。

附图说明

图1A是本发明中的橡胶芯模成型模具的示意图。

图1B是本发明中铺设第一层“C”形未硫化橡胶并压实的示意图。

图1C是本发明中铺设芯模夹层的示意图。

图1D是本发明中压实芯模夹层的示意图。

图1E是本发明中铺设第二层“C”形未硫化橡胶并压实的示意图。

图2A是本发明的一种形式的“C”形橡胶芯模。

图2B是本发明的另一种形式的“C”形橡胶芯模。

图3A是本发明中制作预成型“工”形构件的分解示意图。

图3B是本发明中制作预成型“工”形构件的组合示意图。

图3C是本发明中最终获得的“工”形复合材料的示意图。

图4A是本发明的一种用于“工”形复合材料的成型装置示意图。

图4B是从一个角度观察图4A的用于“工”形复合材料的成型装置的局部放大图。

图4C是从另一个角度观察图4A的用于“工”形复合材料的成型装置的局部放大图。

图5是本发明的用于“工”形构件的成型方法的原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的说明。为了论述的方便，采用“上”、“下”、“左”、“右”对各个示意图中的方位进行指示，有利于论述的展开。以下为本发明的优选实施方式的具体介绍。

如图1A所示，为本发明中的橡胶芯模成型模具12具有凹部121，适于容纳“C”形未硫化橡胶。

如图1B-1E所示，本发明提供的用于“C”形橡胶芯模的成型方法，包括如下步骤。

如图1B所示，为步骤S1。把第一层“C”形未硫化橡胶101铺设在橡胶芯模成型模具12的凹部121内并与凹部121紧密贴合，采用真空袋4把“C”形未硫化橡胶101压实。优选地，可以在真空袋4与第一层“C”形未硫化橡胶101之间布置透气毡2，使得压实效果更均匀，图中的密封捻子条1用于密封真空袋4。真空袋4的压实过程，可以保持在1分钟以上；较优选地，保持在5分钟以上；更优选地，保持在20-30分钟之间。

如图1C-1D所示，为步骤S2。如图1C所示，在已被压实的第一层“C”形未硫化橡胶上，铺设芯模夹层11，采用真空袋4把芯模夹层11压实到“C”形未硫化橡胶101内，其效果如图1D所示。真空袋4的压实过程，可以保持在1分钟以上；较优选地，保持在5分钟以上；更优选地，保持在20-30分钟之间。较优选地，芯模夹层11分为不连续的三段，分别铺设在“C”形的上边、竖边和下边的平直部分上。如图1C所示，“C”形的上边、竖边、下边都是平直的，在连接处呈圆弧弯曲，铺设在上边、竖边、下边中的不连续的三段芯模夹层11能够基本上接近上边、竖边、下边各自的平直部分的长度，比如大于“C”形的各自平直部分长度的1/2或2/3。较优选地，芯模夹层11的材料可以选为：碳纤维预浸料、铝板或钢板。

如图1E所示，为步骤S3，需要指出的是，步骤S3为优选步骤。在由前一步骤得到的铺设有芯模夹层11的第一层“C”形未硫化橡胶101的外表面上，再铺设第二层“C”形未硫化橡胶102，采用真空袋4把第二层“C”形未硫化橡胶102压实。真空袋4的压实过程，可以保持在1分钟以上；较优选地，保持在5分钟以上；更优选地，保持在20-30分钟之间。

此处优选的步骤S3，是紧接着步骤S2进行的，因为步骤S2中已采用了真空袋把芯模夹层压入到第一层“C”形未硫化橡胶中，并且获得了很好平整度的外表面，此时，再铺设第二层“C”形未硫化橡胶就非常有效，能够形成平面与平面之间的压实关系，使得第一层“C”形未硫化橡胶、芯模夹层、第二层“C”形未硫化橡胶很好地平整融为一体。实验表明，对于每个步骤中都分别采用真空袋压实操作，最后得到的“C”形橡胶芯模的平整度、耐用性和力传递性都比只在最后一个步骤中采用真空袋压实操作有明显改进。

最后为步骤S4，把由上一步骤得到的铺设有芯模夹层11的“C”形未硫化橡胶作为整体进行封装，进罐固化，脱模后形成“C”形橡胶芯模8。如图2A所示，为上述步骤S1、S2、S3、S4后，即得到“C”形橡胶芯模8。可以看到，此时的“C”形橡胶芯模8已经成为一个融合整体，芯模夹层11很好地融合在未硫化橡胶中，第一层“C”形未硫化橡胶101与第二层“C”形未硫化橡胶102之间的边界也已经不再明显可见，形成整体融合的橡胶。

正如上述在步骤S3中所述，此步骤S3是优选步骤，是可以缺省的。如果缺省步骤S3，即采用步骤S1、S2、S4，可以得到如图2B所示的“C”形橡胶芯模8，这也是本发明的意图保护的技术方案之一。可以理解，在图2B中，此时的“C”形橡胶芯模8也已经成为一个融合整体，芯模夹层11很好地融合在未硫化橡胶中，其特点是，此时的芯模夹层11位于“C”形橡胶芯模的“C”形内侧上边、竖边、下边的表面处。

以上详细介绍了如何采用本发明的“C”形橡胶芯模的成型方法获得的“C”形橡胶芯模。

以下将结合附图详细介绍本发明的用于“工”形构件的成型方法，包括如下步骤T1、T2、T3、T4。

在步骤T1中，采用上述任一中“C”形橡胶芯模的成型方法，制得反“C”形橡胶芯模3和“C”形橡胶芯模8。其中，所谓反“C”形橡胶芯模3，只是观察角度的不同，其实质与“C”形橡胶芯模8是相同的。

在步骤T2中，准备好预成型的“工”形构件67。比如，如图3A所示，本发明优选的准备预成型的“工”形构件67的过程为：采用左腹板铺贴模131、右腹板铺贴模132，上缘条铺贴模141、下缘条铺贴模142，把上缘条铺层161、下缘条铺层162、左侧腹板铺层171、右侧腹板铺层172与上捻子条151、下捻子条152结合，压实预成型为“工”形构件67，其形状如图3B所示。

事实上，对于步骤T2，可以有很多种准备预成型的“工”形构件的方式，包括各种已有的准备预成型的“工”形构件的方式，都是可以加入到本发明的步骤T2中。在本发明意图保护的技术方案中，不仅包括上述的具体如图3A所示的准备好的预成型的“工”形构件的方法67，还包括在步骤T2中采用各种已有方法准备的预成型的“工”形构件。

应当注意到，上述的步骤T1和步骤T2是完全独立的，因此，步骤T1与步骤T2不存在时间上的先后关系，可以互换。无论步骤T1还是步骤T2发生在先，都是本发明意图保护的技术方案。

在步骤T3中，如图4A-4C和图5所示，反“C”形橡胶芯模3抵住“工”形构件67的左内凹侧，“C”形橡胶芯模8抵住“工”形构件67的右内凹侧，上盖板抵住“工”形构件67的上侧，底板模具9抵住“工”形构件的下侧。

较优选地，如图4A-4C和图5所示，本发明提供了一种用于“工”形构件的成型装置，其包括：加筋上盖板20，用于实现长度方向上固定；底板模具9，其与加筋上盖板20之间设置有侧边支柱21连接，用于实现竖直方向固定；反“C”形橡胶芯模3与底板模具9相互固定，用于实现横向固定。具体而言，如图4B和图4C所示，安装在底板模具9上的定位结构19(比如定位销)与反“C”形橡胶芯模3相互固定，从而牢固地固定住了反“C”形橡胶芯模3的位置。较优选地，在反“C”形橡胶芯模3的长度方向的另一侧，也是如此的设计，从而可以在其长度方向的两端都进行固定。

如图4A所示，“工”形构件67的长度可以远远大于其竖直高度和横向宽度。采用了本发明的用于“工”形构件的成型装置，其能够保证“工”形构件67成型后高度均匀一致，并且提高“工”形构件67的腹板轴线精度。

需要指出的是，用于“工”形构件的成型装置并不唯一，在步骤T3中采用其他形式的“工”形构件的成型装置，也属于本发明意图保护的用于“工”形构件的成型方法的技术方案。

在步骤T4中，如图5所示，对步骤T3中的“工”形构件67的未被抵住部分填充边缘挡条7，在加筋上盖板20、反“C”形橡胶芯模3、底板模具9、“C”形橡胶芯模8、边缘挡条3的外部，采用真空袋4进行封装，并进行固化成型，脱模后得到“工”形复合材料76，如图3C所示，最后成型的“工”形复合材料76为十分坚固的融合为一体的形式。在此实施例的具体过程中，反“C”形橡胶芯模3的长度方向的两端已被牢固地与底板模具9相互固定，因此，反“C”形橡胶芯模3在长度方向上不能移动。此时，如图5所示的箭头所示的压力方向，外部压力实际上是作用在反“C”形橡胶芯模3和“C”形橡胶芯模8上，并把压力均匀传递到“工”形构件67上，同时，加筋上盖板20和底板模具9也把压力均匀传递到“工”形构件67上，从而如图5所示，形成对“工”形构件67的整体外边缘的均匀加压效果，最终能够成行获得性能优异的“工”形复合材料76。固化成型的压力可以优选为5个大气压以上，比如6-8个大气压，也可以更高或更低，比如10个大气压左右，或者比如3个大气压左右，这都可以根据具体需要进行选择。

本发明所提供的优选的用于“工”形构件的成型方法，其有益效果在于：此种优选的橡胶芯模可以在圆角区无夹心层，加压后可以完全贴合圆角区，均匀传递压力，防止圆角区架桥或分层，保证圆角区的内部质量。模具组合过程中，首先对“工”形件腹板面进行定位，然后进行上、下盖板的合模，可以提高制件成型后的轴线精度。配合加筋上盖板以及侧边支撑结构，保证制件在装配及加压固化过程中，高度一致，之间成型后高度一致性好。

此种工艺方法适用性强，适用于所有“工”形类的复合材料结构件的成型工艺。该“工”形夹心橡胶芯模设计及模具组合方法，彻底解决了该类复合材料零件压力传递问题，封装后热压罐中零件各部分压力均匀，内部质量优良，夹心橡胶可均匀加压，芯模模具设计方式改善了“工”形类构件圆角区压力不匀的现状，同时采用加筋上盖板与侧边支撑结构，此种工艺可制备内部质量好，外形尺寸精准，外观良好的复合材料“工”形类构件，能够创造可观的经济效益。

对实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。综上所述仅为发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。