一种大型主承力复合材料结构的制备方法及所用成型模具与流程

本发明属于复合材料结构的制备领域，具体涉及一种大型主承力复合材料结构的制备方法及所用成型模具。

背景技术：

碳纤维增强树脂基复合材料结构件已广泛应用于生产生活中，尤其在航空、航天领域。如何满足预定设计指标，保证复合材料生产过程中，纤维有效传递载荷，有效承载是工艺研究的重点。本发明阐述了空间站应用的复合材料结构件的工艺优化方法。

空间站复合材料构件使用条件苛刻，在太空中，复合材料构件将面临失重、辐射、和各种意向不到的挑战。同时需要承受大载荷，对接的每个舱重达20吨以上(对接载人飞船、货运飞船等)，构型复杂是空间站使用的复合材料结构件的特色。

作为接口的复合材料结构件，其面临的挑战不言而喻。设计时，需要无数遍校核接口的承载能力，同时在保证刚度和强度等必要条件的前提下，将其质量减少至最小，控制成本。因此如何有效满足设计指标成为工艺关注的重中之重。

复合材料主承力结构件产品成型后，个别位置整体平面度需小于0.12mm，指定单个面平面度需小于0.03mm。

复合材料主承力结构件产品需压制密实，若内部出现缺陷，需满足相应的探伤标准。因为复合材料内部分层缺陷与产品的刚度强度有直接影响，影响力学性能。

同时要外表清洁、无污染、无可视划伤、无压痕，纤维无折断，表面需平整等客观要求。

现有技术在复合材料结构件制备中由于缺少适当的成型模具和较为复杂的工艺，极大的影响了制备的效率，同时还增加了产品在成型过程、成型后期产生缺陷的概率，因此通过合理的工艺配置，可有效成型复合材料主承力结构件，满足所有设计需求。对实际生产过程具有重要意义。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术在复合材料结构件制备中由于缺少适当的成型模具和较为复杂的工艺，极大的影响了制备的效率，同时还增加了产品在成型过程、成型后期产生缺陷的概率的问题，进而提供一种大型主承力复合材料结构的制备方法及所用成型模具；

一种大型主承力复合材料结构的成型模具，所述成型模具包括上压板、下压板、周向加固组件和分瓣模组件，所述上压板、分瓣模组件和下压板由上至下依次设置，且上压板和分瓣模组件通过连接件可拆卸连接，分瓣模组件和下压板通过连接件可拆卸连接，周向加固组件套设在上压板和下压板的外圆面上，且周向加固组件与上压板和下压板紧密贴合设置。

进一步地，所述周向加固组件包括周向内加压板、环向合模受力板和周向外加压板，周向内加压板套设在上压板和下压板的外圆面上，且周向内加压板与上压板和下压板紧密贴合设置，周向外加压板套设在周向内加压板的外圆面上，环向合模受力板设置在周向外加压板和周向内加压板之间，周向外加压板通过环向合模受力板与周向内加压板紧密贴合设置；

进一步地，所述分瓣模组件包括八组分瓣模组成，每个分瓣模通过连接件与上压板和下压板可拆卸连接；

进一步地，所述连接件为螺栓螺母机构；

进一步地，所述分瓣模包括定位芯、若干块侧压块和若干个橡胶片，所述定位芯的顶部加工有n个一号连接通孔，n为正整数，侧压块套设在定位芯的侧壁上，且侧压块与定位芯开拆卸连接，橡胶片套设在侧压块的外壁上；

进一步地，所述上压板和下压板的端面上均加工有若干二号连接通孔，且每个二号连接通孔与分瓣模中的一个一号连接通孔对应设置。

一种大型主承力复合材料结构的成型方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：首先将下压板固定，并在下压板上逐层铺设碳纤维复合材料预浸料，根据所要成型的复合材料承力结构的尺寸不同，共铺设12～20层；

步骤二：将已铺放完成的分瓣模组件中的每个分瓣模按照下压板上的对应位置，逐一通过紧固螺栓固接在下压板的上表面上，组成完整的分瓣模组件；

步骤三：在分瓣模组件的上表面，逐层铺设碳纤维复合材料预浸料，根据所要成型的复合材料主承力结构的尺寸不同，共铺设12～20层；

步骤四：在分瓣模组件上的碳纤维复合材料上设置上压板，保证每个上压板上的二号连接通孔套设在分瓣模与下压板连接所用的紧固螺栓上，且在延伸出上压板顶端的每根紧固螺栓上套设有螺母；

步骤五：进行合模，通过旋转上压板顶部的螺母，使上压板向下做直线运动，同时压紧上压板和分瓣模组件之间的复合材料预浸料，直至上压板2与分瓣模组件之间的合模间隙＜0.1后进行固化9h；

步骤六：固化成型后进行脱模，逐一放松上压板顶部的螺母，并使上压板与分瓣模组件脱离；

步骤七：对每个分瓣模周边溢出的复合材料进行清除，并根据设计留有工艺切割量的位置进行脱模前的切割；

步骤八：依据设计要求对处在咬合状态下的分瓣模依次进行脱模，脱模顺序依次为定位芯，若干侧压块和橡胶片。

进一步地；所述步骤四中定位芯在设计时高度比产品理论高度值高5mm～10mm；

进一步地；所述步骤四中每个分瓣模中若干个橡胶片均为厚度是1mm～5mm厚的硅橡胶片。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供的一种大型主承力复合材料结构的制备方法及所用成型模具相比较于现有技术，成型模具采用分瓣模的设计思想，避免了整块模具在安装时和脱模时的不便，提高了脱模效率的同时，还极大的提高了脱模的成功率，避免了产品在脱模时产生缺陷，其次本发明提供制备方法在合模过程，通过对上压板进行施力，使上压板逐渐与下压板压紧，有效排除了产品在成型过程中产生的气泡，提高了产品成型的质量。

附图说明

图1为本发明中成型夹具的俯视图；

图2为本发明中成型夹具的主剖视局部图；

图3为本发明中周向加固组件的示意图；

图4为本发明中分瓣模的示意图；

图5为本发明中中心分瓣模的主视示意图；

图6为本发明中中心分瓣模的定位芯的示意图；

图7为本发明中中心分瓣模的侧压块的示意图；

图8为本发明中中心分瓣模的橡胶片的示意图；

图9为本发明中所成型后的扇形复合结构示意图；

图10为本发明中8块分瓣模的分布示意图；

图中1上压板、2下压板、3周向加固组件、31周向内加压板、32环向合模受力板、33周向外加压板、4分瓣模、41定位芯、42侧压块、43橡胶片和5复合材料构件。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式提供了一种大型主承力复合材料结构的制备方法及所用成型模具，所述成型模具包括上压板1、下压板2、周向加固组件3和分瓣模组件，所述上压板1、分瓣模组件和下压板2由上至下依次设置，且上压板1和分瓣模组件通过连接件可拆卸连接，分瓣模组件和下压板2通过连接件可拆卸连接，周向加固组件3套设在上压板1和下压板2的外圆面上，且周向加固组件3与上压板1和下压板2紧密贴合设置。

本实施方式中，所述成型模具为金属组合模具，在进行模具设计时，充分考虑复合材料构件的壁厚及成型质量，采用了分瓣-分体式模具及贴覆膨胀橡胶，以便于成型后脱模及成型过程中固化加压，所述模具中，在下压板2中增加溢胶孔，并在模具法兰的外边缘新增8～16处溢胶孔。改善模具闭腔结构，合模固化过程中，便于树脂流动及层间空气排除，所述成型时，定义铺层中心，建立笛卡尔坐标系，对整体模具分象限，依据象限进行整体铺放、分瓣模具铺放、组装、整体铺放，在铺放过程中秉承纤维连续不断，拐角处无接口的原则进行成型。

具体实施方式二：参照图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的周向加固组件3作进一步限定，本实施方式中，所述周向加固组件3包括周向内加压板31、环向合模受力板32和周向外加压板33，周向内加压板31套设在上压板1和下压板2的外圆面上，且周向内加压板31与上压板1和下压板2紧密贴合设置，周向外加压板33套设在周向内加压板31的外圆面上，环向合模受力板32设置在周向外加压板33和周向内加压板31之间，周向外加压板33通过环向合模受力板32与周向内加压板31紧密贴合设置。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，周向加固组件3主要起到周向固定、限位及密封的作用，避免在合模过程中复合材料受力后大量溢出。

具体实施方式三：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的分瓣模组件作进一步限定，本实施方式中，所述分瓣模组件包括八块分瓣模4组成，每个分瓣模4通过连接件与上压板1和下压板2可拆卸连接。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，所述八块分瓣模4是根据所要制作的复合材料结构进行规划的，如图9和图10所示，每个复合材料结构中每个通孔处均设有一个分瓣模，因此八块分瓣模4具体包括两块三角分瓣模，六块周向分瓣模。所述三角分瓣模位于扇形两端；六块周向分瓣模设置在两块三角分瓣模之间，六块周向分瓣模沿周向一侧设置。(修改产品外形描述内容)

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的连接件作进一步限定，本实施方式中，所述连接件为螺栓螺母机构。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：参照图5至图9说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述分瓣模4作进一步限定，本实施方式中，所述分瓣模4包括定位芯41、侧压块42和橡胶片43，所述定位芯41的顶部加工有n个一号连接通孔，n为正整数，侧压块42套设在定位芯41的侧壁上，且侧压块42与定位芯41开拆卸连接，橡胶片43套设在侧压块42的外壁上。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，定位芯41用于与上压板1和下压板2进行固定，侧压块42为了贴合复合材料结构，分瓣模4与复合材料结构之间的接触面为橡胶片43，橡胶片43为硅橡胶片，其厚度为1mm-5mm，在橡胶片43的外表面涂有脱模剂，脱模时不会损坏复合材料结构表面。

具体实施方式六：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述上压板1和下压板2作进一步限定，本实施方式中，所述上压板1和下压板2的端面上均加工有若干二号连接通孔，且每个二号连接通孔与分瓣模4中的一个一号连接通孔对应设置。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式提供一种大型主承力复合材料结构的制备方法，所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一：首先将下压板2固定，将周向加固组件3套设在下压板2上，并在下压板2上逐层铺设碳纤维复合材料预浸料，根据所要成型的复合材料扇形主承力结构的尺寸不同，共铺设12-20层；

步骤二：将分瓣模组件中的每个分瓣模4按照下压板2上的对应位置，逐一通过紧固螺栓固接在下压板2的上表面上，组成完整的分瓣模组件；

步骤三：在分瓣模组件的上表面，逐层铺设碳纤维复合材料预浸料，根据所要成型的复合材料扇形主承力结构的尺寸不同，共铺设12-20层；

步骤四：在分瓣模组件上的树脂复合材料上设置上压板1，保证每个上压板1上的二号连接通孔套设在分瓣模4与下压板2连接所用的紧固螺栓上，且在延伸出上压板1顶端的每根紧固螺栓上套设有螺母；

步骤五：进行合模，通过旋转上压板1顶部的螺母，使上压板2向下做直线运动，同时压紧上压板2和分瓣模组件之间的树脂复合材料，直至上压板2与分瓣模组件之间的合模间隙＜0.1后进行固化9h；

步骤六：固化成型后尽行脱模，逐一放松上压板1顶部的螺母，并使上压板1与分瓣模组件脱离；

步骤七：对每个分瓣模周边溢出的复合材料进行清除，并根据设计留有工艺切割量的位置进行脱模前的切割；；

步骤八：依据设计要求对处在咬合状态下的分瓣模4依次进行脱模，脱模顺序依次为定位芯41，若干侧压块42和橡胶片43。

本实施方式中，在步骤一和步骤三中铺设碳纤维复合材料预浸料时增加预压机制，在本体铺放成型过程中，在每铺设一层后都用腻刀用力压实，赶出气泡；在分块模具铺放过程中，增加中间过程抽真空预压。排除成型过程的气泡，预防预浸料层间分层的产生；

所述产品脱模时先将定位芯41向上提出，然后向内依次将各分瓣侧压块42带出，最后取出膨胀橡胶片43。该过程减少了模具脱模过程中，因模具脱出对产品接触面的内部质量影响；

所述整体模具均为可拆卸外模，且加大外模与产品的溢料空间，防止外法兰夹料无法压实和因产品与模具相对移动引起的层间分层。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述步骤四作进一步限定，本实施方式中，所述步骤四中每个分瓣模4中定位芯41在设计时高度比产品高5mm～10mm。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式七所述步骤四作进一步限定，本实施方式中，所述步骤四中每个分瓣模4中若干个橡胶片43均为厚度是1mm～5mm厚的硅橡胶片。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，通过橡胶自身在165℃～175℃最大膨胀量和预浸料设计定义压缩量，反推模具留量，通过橡胶片的膨胀施压，弥补金属合模力传递不到或者不直接加力的位置，尤其针对工字梁结构(复合材料结构成型后的形态)立筋以及上压板1底面。

实施例一：

本实施例以1处分瓣模其中一处高度为6mm的工字梁结构成型过程作为示例。

首先将所述模具可拆卸部分全部拆开，避免划伤模具表面；将模具表面残留的树脂及其它物质清理干净；并用丙酮/棉纱清理模具表面两遍；

其次在模具中侧压块42的成型面上粘一层4.5mm厚的膨胀橡胶片43，橡胶片43尺寸为205mm×62mm、315mm×59mm等。模具与复合材料接触面均匀涂覆脱模剂2～3次，静置0.5h后使用；

将周向固定组件3套设在下压板2上，并在下压板2上表面贴预浸料，要求成型面覆盖全面且均匀；按铺层(0/90/+45/-45)ns进行铺放并做记录。其中n为设计数值，s为镜像铺放。每铺放完一层，用腻刀用力压实，赶出气泡。修剪闭合边位置的预浸料，保证边缘整齐，以便于合模顺利；

在安装好的分瓣模组件上表面贴预浸料，要求成型面覆盖全面且均匀；按铺层(0/90/+45/-45)ns进行铺放并做记录。其中n为设计数值，s为镜像铺放。每铺放完一层，用腻刀用力压实，赶出气泡。修剪闭合边位置的预浸料，保证边缘整齐，以便于合模顺利；

组装分瓣模组件，将每个分瓣模4通过螺栓螺母机构安装在下压板2上；

将上压板1设置在分瓣模组件上，保证每个上压板1上的二号连接通孔套设在分瓣模4与下压板2连接所用的紧固螺栓上，且在延伸出上压板1顶端的每根紧固螺栓上套设有螺母；采用螺栓加压合模，合模时保证模具前后位置对准。合模时，对称紧固加压螺栓，从而合紧上下模具，注意上下模具对准标志，保证产品上方状态均一，纤维平整；

合模后，将模具放入固化炉中进行热合。严格按照固化制度执行。

热合固化后，将模具取出进行自然冷却至室温方可脱模。卸掉所有螺栓，将上压板1去除，逐一将分瓣模4去除(分瓣分瓣模4脱模顺序为定位芯，若干侧压块，橡胶片)，取出制品。脱模时注意不能划伤模具成型面。

经过无损探伤，复合材料结构件满足设计要求，指定部分整体平面度0.10mm，指定单个面平面度为0.01mm～0.03mm。