一种中小型无人机复合材料机翼翼盒制造方法与流程

本发明属于无人机复合材料成型工艺技术领域，涉及一种中小型无人机复合材料机翼翼盒制造方法。

背景技术

传统无人机机翼结构成型方式主要为湿法手糊玻璃钢成型，随着高性能预浸料的推广应用，逐渐衍变为热压罐成型，使得无人机机翼结构力学性能、使用可靠性和环境适应性等得到很大提升的同时重量更轻、含胶量更均匀。然而，热压罐成型典型缺点是生产成本高，严重影响了高性能无人机的推广应用及其市场竞争力的提高，因此为改善其适用范围，选择非热压罐成型方式是目前及未来高性能无人机机翼结构制造的发展趋势。

非热压罐成型是指通过非热压罐固化成型预浸料，得到的固化物性能又能与热压罐成型相媲美的一种预浸料成型工艺；通常所说的非热压罐成型一般是在真空固化炉中进行的预浸料成型。

公告号cn104626605b的中国发明专利公布了“一种复合材料机翼整体成型工艺方法及工装”，提出采用硅橡胶芯模及热压罐成型方式得到整体成型的复合材料机翼。该方法生产成本高，且对前缘铺层厚度及阶梯式过渡要求高，且受限于无梁结构类的简易机翼整体成型，有一定的局限性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：鉴于现有技术上的局限性，本发明提供了一种中小型无人机复合材料机翼翼盒制造工艺及工装，其目的在于解决机翼翼盒整体成型应用受限问题和提高产品成型过程中的可操作性、脱模性，改善整体成型工装的复杂性和机翼翼盒整体成型的适用范围。

本发明的技术方案是：一种中小型无人机复合材料机翼翼盒制造方法，包括以下步骤：

步骤一：利用三维建模制备第一阴模和第二阴模，

步骤二：水溶性芯模或者气囊芯模的制备；

其中水溶性芯模制备如下：利用三维建模，按数模进行芯模加工得到水溶性芯模，进行干燥处理；

气囊芯模的制备如下：利用三维建模，按数模进行模具加工，得到上、下结构的气囊成型专用组合模具；分别在上、下气囊成型模具上铺贴硅橡胶层，铺贴完毕后进行模具组合；将氮气充入封闭的气囊成型模腔体内，在真空固化炉中进行硫化；脱模后得到气囊芯模；

步骤三：准备整体成型用前缘泡沫零件和预浸料；在步骤一和步骤二中的第一阴模、第二阴模、水溶性芯模或气囊芯模的成型工作面上依次涂抹封孔剂和水溶性脱模剂，并进行晾干；

步骤四：通过产品三维数模进行预浸料的展开放样，采用autocad进行预浸料的优化排料设计，使用数控下料机进行预浸料剪裁；

步骤五：前、后梁的预成型：在水溶性芯模或气囊芯模上，对前梁进行预浸料的铺层，铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)3/(±45°)]；对后梁进行预浸料的铺层，铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)3]；

步骤六：上蒙皮的预成型：在第一阴模铺贴上蒙皮，铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)3/(±45°)]，得到上蒙皮预成型体；铺贴时要求将所有预留的各层余量部分分别用无孔隔离膜进行阻隔后铺贴于模具边缘；

步骤七：在后缘成型模块上铺贴一层±45°碳布预浸料，得到后缘预成型体；

步骤八：预成型体组合：在上蒙皮预成型体上通过阴模的两端定位块放置水溶性芯模或气囊芯模及前、后梁预成型体；再将前缘泡沫零件紧靠前梁预成型体放置，将上蒙皮预成型体预留的余量部分依次翻压于前缘泡沫零件上，形成阶梯式过渡；将后缘成型模块及其预成型体通过定位销放置于阴模上，且放置前将靠阴模面的预浸料翻压于上蒙皮预成型体；

步骤九：将1629-a/b发泡胶混合物填充于后梁预成型体和后缘预成型体之间的缝隙处，固化后得到发泡胶填充物，将后缘预成型体翻压于其上；

步骤十：下蒙皮的预成型：在上述基础上接着进行下蒙皮的预成型，其铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)3/(±45°)]；

步骤十一：在产品预成型体上进行工艺组合和中温固化真空辅助成型；

步骤十二：卸下后缘成型模块，对产品预成型体进行脱模；脱模后用热水清理水溶性芯模，再对带有毛坯的产品进行烘干处理或抽出气囊芯模；沿表面留有的外形轮廓线对产品余边进行外形加工，并砂磨切口，进行光整处理，完成复合材料机翼翼盒的整体成型。

本发明的进一步技术方案是：第一阴模包含产品前缘及下蒙皮型面，用于产品前缘及下蒙皮处的工艺成型；第一阴模前、后梁位置安装有可拆卸的定位块；后缘成型第二阴模配合第一阴模形成后缘工作型面，用于产品后缘处的工艺成型；

本发明的进一步技术方案是：所述步骤九中的1629-a/b发泡胶填充物中a：b重量百分比为100:50，使用前应混合均匀。

发明效果

本发明的技术效果在于：(1)解决了现有整体成型机翼翼盒的应用受限问题，提高了产品成型过程中的可操作性、脱模性，有效地改善了整体成型工装的复杂性和机翼翼盒整体成型的适用范围。(2)有效地减少了现有整体成型中的质量隐患，使得整体成型的机翼翼盒质量更稳定，有效地提升了产品的可靠性；(3)有效地简化了整体成型工装，简化了成型工艺，不仅保证了整体成型的产品性能可靠、尺寸稳定，实现了设计/制造一体化，还降低了工艺难度，缩短了生产周期。

附图说明

图1是本发明实施例复合材料机翼翼盒结构示意图；

图2是实施例的前、后梁铺层示意图；

图3是实施例的上蒙皮预成型示意图；。

图4是实施例的后缘蒙皮预成型示意图；

图5是实施例的预成型体组合示意图；

图6是实施例的下蒙皮预成型示意图；

图7是实施例固化前工艺组合示意图。

其中1-阴模，2-后缘成型模块，3-水溶型芯模，4-前缘泡沫零件，5-上蒙皮预成型体，6-下蒙皮预成型体，7-前梁预成型体，8-后梁预成型体，9-发泡胶填充物，10-后缘预成型体，11-前定位块，12-后定位块，13-产品预成型体，14-无孔隔离膜，15-橡胶垫，16-透气毡，17-真空袋，18-密封胶带。

具体实施方式

参见图1—图7，一种中小型无人机复合材料机翼翼盒制造方法，该工艺包括以下步骤：

步骤1，工装设计：利用三维建模，按数模进行模具加工，得到整体成型模具。在工装设计时采用分块设计，以保证工艺成型及产品脱模；在阴模1中部两端设计可拆卸的定位块，便于后续水溶性芯模3的定位放置。

步骤2，制造水溶性芯模3：利用三维建模，按数模进行芯模加工，得到水溶性芯模3，进行干燥处理。

步骤3，准备过程：准备整体成型用前缘泡沫零件4和预浸料；启封阴模1、后缘成型模块2及水溶性芯模3，再在其成型工作面上依次涂抹封孔剂和水溶性脱模剂。

步骤4，预浸料剪裁：使用autocad软件对预浸料进行剪裁尺寸的展开、放样及排料，再使用数控下料机进行剪裁，并对剪裁好的预浸料进行铺层标记和叠层放置，剪裁时允许裁片方向偏差为±1°、尺寸偏差为±1mm。

步骤5，预成型：分别在阴模1、后缘成型模块2、水溶性芯模3上逐层铺贴预浸料，并将阴模1上预留的余量部分使用隔离膜进行阻隔；同时，整个铺层过程以真空预压实的方式使预浸料与各模具工作面贴合紧实，直至分别形成叠状或单层预成型体。铺贴在净化间进行，净化间内保持温度22±4℃，相对湿度不大于65％，真空预压实时真空度不小于0.08mpa。

步骤6，预成型体组合：在上蒙皮预成型体5上通过阴模1中部两端可拆卸的定位块放置水溶性芯模3及前、后梁预成型体；再将前缘泡沫零件4紧靠前梁预成型体7放置；将后缘成型模块2及其预成型体10通过定位销放置于阴模1上，且放置前将靠阴模1面的预浸料翻压于上蒙皮预成型体6；将上蒙皮预成型体5的余量部分依次翻压于前缘泡沫零件4上，最后进行真空预压实。

步骤7，发泡胶填充：按比例对发泡胶的各组分进行配制和混合，待混合均匀后，将混合物涂抹于后梁预成型体9和后缘预成型体10之间空隙处，然后进行固化处理，得到发泡胶填充物9，再将后缘预成型体10翻压于其上。

步骤8，下蒙皮的预成型：在此基础上进行下蒙皮的铺贴，铺贴时同样用真空预压实的方式使下蒙皮预成型体6与前缘泡沫零件4、水溶性芯模3及前、后梁预成型体、后缘预成型体10贴合紧实。

步骤9，工艺组合及固化：在铺贴好的产品预成型体13上依次放置无孔隔离膜14、硅橡胶垫15、透气毡16、真空袋17，并通过密封胶带18的粘连形成真空密闭系统；再按照材料规范要求在真空固化炉中进行抽真空固化，主要固化参数为120℃下恒温1小时。要求真空固化炉的控温精度为±3℃，温度均匀性为±5℃，固化时真空度应不小于0.08mpa。

步骤10，脱模及外形加工：清理所有辅助材料，再卸下后缘成型模块2，进行脱模；脱模后用80℃热水清理水溶性芯模3。沿外边缘的轮廓线对产品余边进行外形加工，并砂磨切口，进行光整处理。

本发明的进一步技术方案是：

所述步骤1中，制造水溶性芯模更改为制造气囊芯模，其他步骤不变。具体内容是利用三维建模，按数模进行成型模具的加工，得到上、下结构的气囊成型专用组合模具。分别在上、下气囊成型模具上铺贴硅橡胶层，铺贴完毕后进行模具组合，再将氮气充入封闭的气囊成型模腔体内，保压0.4mpa。使用仪器对气囊成型模腔内真空压力进行真空压力泄露检查，当真空泄露在5分钟内不超过0.017mpa时将其放置于真空固化炉中进行硫化，主要硫化参数为180℃下恒温2小时；脱模后得到气囊芯模。

结合附图说明本发明作进一步描述：

第一步，工装设计。

参照图1，实施例中复合材料机翼翼盒结构为含前、后梁结构的泡沫夹芯碳纤维复合材料产品，前缘处填充低密度聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(pmi)，后缘处填充泡沫胶，机翼翼盒中部设计有舵机口框。

利用三维建模，按数模进行模具加工，得到整体成型模具。参照图3-5，按工艺整体成型要求沿工艺分离面进行工装分块设计。参照图3，设计时阴模1为产品主要成型用模具，包含部分前缘及下蒙皮型面，用于产品前缘及下蒙皮处的工艺成型；参照图5，阴模1上的前、后梁位置安装有可拆卸的定位块，用于固定放置水溶性芯模3；参照图4，后缘成型模具2配合阴模1形成后缘工作型面，便于产品后缘处的工艺成型。

整体成型模具1、2分块设计简单、合理，能有效完成整体成型工艺；根据产品上蒙皮型面特点，使用柔性橡胶垫进行真空辅助成型，提高产品的内、外质量。

第二步，制造水溶性芯模3。

参照图2，利用三维建模，按数模进行芯模加工得到水溶性芯模3，并在烘箱中进行干燥处理。

第三步，准备过程。

参照图1，准备整体成型用前缘泡沫零件4和预浸料；本实施例中采用的预浸料为单层厚度δ0.2mm的mtm28/cf0300-42％rw碳布织物预浸料。

启封阴模1、后缘成型模块2及水溶性芯模3，在其成型工作面上依次涂抹封孔剂和水溶性脱模剂，并室温晾干15min。

第四步，预浸料剪裁。

通过三维数模进行预浸料的展开放样，并采用autocad进行预浸料的优化排料设计，以提高材料利用率、降低成本；再使用数控下料机进行剪裁，并对剪裁好的预浸料进行铺层标记并叠层放置。

第五步，前、后梁的预成型。

参照图2，在水溶性芯模3上分别进行前、后梁的预成型，得到前、后梁预成型体。前梁铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)3/(±45°)]、后梁铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)3]，整个过程进行真空预压实，即铺贴第1层和后续每铺贴1-3层预浸料进行真空预压实，且要求在预成型体上依次铺贴有孔隔离膜、透气毡、真空袋，通过密封胶带的粘连形成真空密闭系统，再通过持续抽真空的方式保持系统内0.08mpa以上真空度至少10分钟。

第六步，上蒙皮的预成型。

参照图3，在阴模1上铺贴上蒙皮，铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)3/(±45°)]，铺贴时要求将所有预留的各层余量部分分别用无孔隔离膜进行阻隔后铺贴于模具边缘，得到上蒙皮预成型体5。整个过程进行真空预压实，具体要求及方法如上所述。

第七步，后缘蒙皮的预成型。

参照图4，在后缘成型模块2上铺贴一层±45°碳布预浸料，得到后缘预成型体(10)。铺层结束后进行真空预压实，具体方法如上所述。

第八步，预成型体组合。

参照图5，在上蒙皮预成型体5上通过阴模1的两端定位块放置水溶性芯模3及前、后梁预成型体；再将前缘泡沫零件4紧靠前梁预成型体7放置，将上蒙皮预成型体5预留的余量部分依次翻压于前缘泡沫零件4上，形成阶梯式过渡；将后缘成型模块2及其预成型体10通过定位销放置于阴模1上，且放置前将靠阴模1面的预浸料翻压于上蒙皮预成型体6。整个过程进行真空预压实，具体要求及方法如上所述。

第九步，发泡胶填充。

参照图6，将1629-a/b以a：b＝100:50的重量比进行组分称量、混合；待混合均匀后将混合物填充于后梁预成型体9和后缘预成型体10之间宽度为4mm的空隙处，对填充的型面进行上表面修整；待室温固化6小时后得到发泡胶填充物9，再将后缘预成型体10翻压于其上。

第十步，下蒙皮的预成型。

参照图6，进行下蒙皮的预成型，其铺层顺序为[(±45°)/(0°/90°)3/(±45°)]；铺层时要求与上述的阶梯式过渡层分别在宽度方向上由窄至宽进行对接，确保整个下蒙皮铺层面过渡均匀；整个过程进行真空预压实，具体要求及方法如上所述。

第十一步，工艺组合及固化。

参照图7，在产品预成型体13上依次放置无孔隔离膜14、硅橡胶垫15、透气毡16、真空袋17，并通过密封胶带18的粘连形成真空密闭系统；进行中温固化真空辅助成型，其主要内容是先以1-3℃/min的升温速率进行升温，直至到达恒温温度120℃，保温1小时；再以3℃/min的降温速率进行冷却降温，直至55℃以下时出炉；全程抽真空过程中要求真空度达到0.08mpa以上。

第十二步，脱模及外形加工。

依次清理真空袋17、透气毡16、硅橡胶垫15、无孔隔离膜14，再卸下后缘成型模块2，进行脱模；脱模后用80℃热水清理水溶性芯模3，再对带有毛坯的产品进行烘干处理。

沿表面留有的外形轮廓线对产品余边进行外形加工，并砂磨切口，进行光整处理。

至此，完成复合材料机翼翼盒的整体成型。