CN106182805B - 一种碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺,采用组合阴模控制产品的外径尺寸,制备金属棒和硅橡胶的组合芯棒作为芯模,预浸料在芯模连续铺贴,合模之后通过硅橡胶膨胀施压,得到性能稳定的产品。本发明与CN 103802329 A及传统工艺相比,解决了产品外型面的尺寸精度不准确,难于脱模的问题,同时可以保证内外表面的平整度,降低装配误差,不需要在热压罐进行固化,降低了制造成本,满足某型无人机尾撑管的研制要求。
Description
技术领域
本发明属于航空工业先进复合材料成型工艺技术领域,涉及一种碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺。
背景技术
先进复合材料不仅具有比强度大、比模量高、抗疲劳、抗腐蚀等特性,而且有很强的可设计性。合理的设计应用,可以大幅度减轻结构重量,提高机体的综合性能,任务载荷、续航时间等,因此在航空、航天、汽车、轮船、医疗、体育等领域获得了越来越多的应用。B787复合材料占飞机结构重量高达50%,A400M大型军用运输机复合材料用量超过35%,而无人机几乎可以达到全复合材料机体结构。目前,制备先进复合材料结构有多种成型工艺,比如,热压罐真空袋成型工艺、手糊玻璃钢成型、拉挤成型、RTM成型、VARTM等,从操作方式来看,有手工铺贴、自动缠绕、自动铺带等方式。
传统的先进复合材料管状结构,具有一定的锥度,有拔模角度,可以采用金属芯模设计,手工铺贴或自动缠绕铺贴,±45°,0°,90°等,利用脱模装置进行脱模,制造产品。但是,对于碳纤维管状结构为等径结构,没有拔模角,而且对外径尺寸精度有严格要求,采用传统金属芯棒的工艺方法根本无法实现。
专利CN 103802329 A采用金属棒作为芯模,硅橡胶作为外阴模制备管子,保证了内径尺寸,这种方法无法控制产品外径尺寸精度,脱模困难。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺,解决等径管状结构无法脱模,外径尺寸不准确等工艺问题。
技术方案
一种碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺,其特征在于步骤如下:
步骤1、制作碳纤维管状结构的对合阴模:对合阴模分为上阴模1和***模2;上阴模1和***模2合拢后的内腔型面与管状产品外形尺寸一致,模具两侧留有保证预浸料翻边空间的余量;
对合阴模的两端设有左端头挡板(10)和右端头挡板(12),端头挡板中部设有定位圆槽及通孔用于控制金属芯棒(6)的位置;
步骤2、制造组合芯模:在上阴模和***模的内腔铺贴碳带预浸料,在碳带预浸料上铺贴玻璃布预浸料,形成假件并对其进行热压罐固化;
采用左端头挡板(10)和右端头挡板(12)进行上阴模1和***模2合模,将金属芯棒(6)伸进模具内,定位在左端头挡板(10)的定位圆槽中;
将硅橡胶灌注在金属芯棒(6)与假件缝隙中,采用右端头挡板(12)进行封口和定位金属芯棒(6),根据所采用的硅橡胶固化要求进行固化完成,得到金属芯棒(6)外包覆硅橡胶的组合芯模;
所述碳带预浸料的层数和厚度满足管状产品的设计厚度,玻璃布预浸料的层数和厚度满足产品使用的硅橡胶膨胀工艺间隙;
步骤3:去除上阴模(1)和***模(2)的假件,并对内腔进行清洁和脱模处理;然后采用±45°与90°通铺和0°对接的铺贴方式在***模(2)的内腔铺贴碳纤维预浸料,铺贴的碳纤维预浸料大于***模(2)的内腔;
将组合芯模置于***模(2)上,大于***模(2)的内腔的碳纤维翻至组合芯模之上并将其完全包覆,保证了碳纤维的连续性;
将上阴模1与***模(2)合模,左端头挡板(10)和右端头挡板(12)固定在两端并采用固定件固定;
步骤4:将合模好的模具进行固化,固化完成后脱模得到碳纤维复合材料等径管状结构产品。
所述模具采用钢框架结构。
所述步骤2的热压罐固化工艺参数为:压力0.4MPa,升温速率1℃/min,降温速率1℃/min,120℃保持1个小时,60℃出罐,自然降至常温。
所述步骤4的固化工艺参数为:升温速率3℃/min;120℃恒温保持1个小时;降温速率3℃/min,降温至60℃出罐自然冷却,冷却至室温进行脱模。
有益效果
本发明提出的一种碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺,采用组合阴模控制产品的外径尺寸,制备金属棒和硅橡胶的组合芯棒作为芯模,预浸料在芯模连续铺贴,合模之后通过硅橡胶膨胀施压,得到性能稳定的产品。
采用金属棒和硅橡胶作为芯棒,可以通过硅橡胶的较大的热膨胀压力,实现在烘箱低成本制备高性能先进复合材料等径管状结构,与CN 103802329A及传统工艺相比,解决了产品外型面的尺寸精度不准确,难于脱模的问题,同时可以保证内外表面的平整度,降低装配误差,不需要在热压罐进行固化,降低了制造成本,满足某型无人机尾撑管的研制要求。
附图说明
图1:工艺流程图
图2:实施例碳纤维管状结构
图3:实施例工装合模结构
a:合模,b:左视图,c:右视图,d:内部金属棒结构
图4:实施例硅橡胶灌注示意图
图5:实施例成型的金属棒和硅橡胶组合芯模
图6:实施例碳带预浸料典型铺层示意图
1-上阴模,2-***模,3-工艺间隙,4-假件,5-硅橡胶,6-金属棒,7-碳纤维预浸料,8-吊环螺钉,9-六角头螺栓(M10*35),10-端头挡板,11-定位槽,12-端头挡板,13-定位孔,14-导向***,15-六角头螺栓(M6*12),16-注橡胶孔,17-预浸料背衬材料,18-碳带预浸料,19-隔离膜,20-预浸料翻边工装面。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
第一步,外阴模设计制造。产品外径R=35mm,长度L=850mm,厚度δ=0.975mm。采用CATIA三维软件设计碳纤维管状结构的对合阴模,工装型面与产品外形尺寸一致,如图2所示,此对合阴模由两部分组成,分别是上阴模1和***模2。模具采用钢框架结构,框架式结构主要是为了满足模具在烘箱中热流畅的均匀性。模具两侧留有足够的余量15,保证预浸料翻边空间,模具型面采用数控加工成形,模具上设计端头挡板10、端头挡板12、定位槽11,导向***14、六角头螺栓9、六角头螺栓15,吊环螺钉8。
第二步,组合芯模制造。采用三维软件设计金属芯棒,Φ20mm,数控加工。本发明采用美国Airtech公司Aircast3700硅橡胶,Aircast 3700是A、B双组分硅橡胶,Part A:PartB(蓝色)=100:12,拉伸强度:4.28MPa,剪切强度:0.45MPa,断裂延长率:180%。首先在上阴模和***模各铺贴8层碳带预浸料(产品厚度),以及3层玻璃布预浸料(硅橡胶膨胀工艺间隙3),就是所谓的假件4。每铺贴3层进行抽真空预压实1次,铺贴结束进行真空袋工艺组合,热压罐固化,压力0.4MPa,升温速率1℃/min,降温速率1℃/min,120℃保持1个小时,60℃出罐,自然降至常温,不脱模,将周边余量清掉,砂磨平整。在表面铺贴1层工装脱模布。进行上***模合模,利用导向***14将上阴模1放置准确位置,然后采用六角头螺栓9夹紧,用螺钉固定端头挡板10。然后将模具垂直放置,将金属棒6垂直伸进模具内部,采用定位槽11对其定位。将配置好的硅橡胶从注胶孔16缓慢灌注,直至溢出,等待片刻,直至硅橡胶没有下沉,刮掉掉多余溢出硅橡胶,灌注一侧用端头挡板12进行封口,见图4。室温自然静置24小时,进行脱模,取出芯模,见图5所示。将芯模工装对合处胶棱采用细砂纸进行砂磨至平整状态,等待使用。采用假件灌注硅橡胶的工艺方法,可以节省灌注硅橡胶的工装,可以调节工艺间隙,目前还没有相关方面的报道。
第三步,涂敷脱模剂。用干净的面纱蘸少量丙酮将上阴模型面1及***模型面2擦拭干净,表面无油渍、灰尘等外来物,然后自然晾干。液体脱模剂易于涂敷,还可以起到增加光滑度的作用,本工艺建议使用液体脱模剂。涂敷脱模剂严格按照脱模剂的操作工艺规程,从而达到涂抹均匀、无遗漏。本发明专利采用的是肯天FLEX-Z 5.0液体脱模剂***,并使用了Waterclean深度清洁剂以及Sealer GP–封孔剂,涂敷4遍封孔剂以及2遍脱模剂,各层间间隔15分钟,等待30分钟铺贴产品。
第四步,铺贴。在***模表面铺贴碳纤维预浸料,碳纤维铺贴角度分别为[-45/02/90/02/45],本专利采用的是英国ACG公司的碳带预浸料,MTM28-1-33%-12KT700SC-125-600为了保证预浸料层与层之间完全服帖,没有架桥等缺陷存在,此工艺采用在***模及硅橡胶表面铺贴,而不是完全在硅橡胶表面进行铺贴,还没有相关方面的报道。为保证纤维的连续性,如图6所示,碳带预浸料18(±45°与90°)采用整片通铺,碳带预浸料18(0°)沿纤维方向两片横向拼接。比如,铺贴第1层45°,保留一侧背衬材料,在***模表面铺贴,将多余预浸料带背衬材料翻至预浸料翻边工装面15,在预浸料翻边工装面20区域铺贴1层隔离膜19;第2层、第3层0°预浸料18只在***模通铺至法棱边,进行预压实。90°与±45°铺层完全类似,0°铺层完全类似,可以将对接缝错开。
第五步,放置组合。芯模***模蒙皮铺贴结束之后,将芯棒(金属棒+硅橡胶)于***模上,放置之前检查芯棒表面是否有毛刺、棱角、杂物等,务必要将外来物清理干净。
第六步,翻边预浸料。将最后1层-45°翻至橡胶表面,搭接,撕掉隔离膜,用刮板刮平。然后在硅橡胶表面铺贴两层0°碳带预浸料,与***模铺贴0°拼接。90°和+45°铺层与-45°类似,唯一区别就是纤维对接。其余0°铺贴类似,在法棱边横向对接,0°分片铺贴与45°整片通铺示意图见图6。
第七步,合模。如图2所示。产品完全铺贴结束之后,进行合模。将上阴模1垂直放置***模2上,避免蹭到产品侧面,利用导向***14保证两个工装的位置,采用六角头螺栓9对上下模具进行锁紧,固定两端固定挡板10和固定挡板12。合模是一个重要的工序过程,合模不好会影响产品的外形尺寸,必须判断上下表面完全贴合,完全没有间隙。
第八步,固化及脱模。将合模好的产品推至烘箱,采用低成本烘箱进行固化。升温速率3℃/min;120℃恒温保持1个小时;降温速率3℃/min,降温至60℃出罐自然冷却,冷却至室温状况,进行脱模。由于硅橡胶具有较大的热膨胀系数,降至室温就会恢复工艺间隙,只要拉中间的金属棒就可以实现脱模。本工艺方法采用的是硅橡胶热膨胀加压,所以只需要烘箱提供固化所需要的温度即可,实现了先进复合材料的低成本制造。
通过以上步骤,可以制备合格的等径管状结构,如图2所示。
Claims (4)
1.一种碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺,其特征在于步骤如下:
步骤1、制作碳纤维管状结构的对合阴模:对合阴模分为上阴模(1)和***模(2);上阴模(1)和***模(2)合拢后的内腔型面与管状产品外形尺寸一致,模具两侧留有保证预浸料翻边空间的余量;
对合阴模的两端设有左端头挡板(10)和右端头挡板(12),端头挡板中部设有定位圆槽及通孔用于控制金属芯棒(6)的位置;
步骤2、制造组合芯模:在上阴模和***模的内腔铺贴碳带预浸料,在碳带预浸料上铺贴玻璃布预浸料,形成假件并对其进行热压罐固化;
采用左端头挡板(10)和右端头挡板(12)进行上阴模(1)和***模(2)合模,将金属芯棒(6)伸进模具内,定位在左端头挡板(10)的定位圆槽中;
将硅橡胶灌注在金属芯棒(6)与假件缝隙中,采用右端头挡板(12)进行封口和定位金属芯棒(6),根据所采用的硅橡胶固化要求进行固化完成,得到金属芯棒(6)外包覆硅橡胶的组合芯模;
所述碳带预浸料的层数和厚度满足管状产品的设计厚度,玻璃布预浸料的层数和厚度满足产品使用的硅橡胶膨胀工艺间隙;
步骤3:去除上阴模(1)和***模(2)的假件,并对内腔进行清洁和脱模处理;然后采用±45°与90°通铺和0°对接的铺贴方式在***模(2)的内腔铺贴碳纤维预浸料,铺贴的碳纤维预浸料大于***模(2)的内腔;
将组合芯模置于***模(2)上,大于***模(2)的内腔的碳纤维翻至组合芯模之上并将其完全包覆,保证了碳纤维的连续性;
将上阴模1与***模(2)合模,左端头挡板(10)和右端头挡板(12)固定在两端并采用固定件固定;
步骤4:将合模好的模具进行固化,固化完成后脱模得到碳纤维复合材料等径管状结构产品。
2.根据权利要求1所述碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺,其特征在于:所述模具采用钢框架结构。
3.根据权利要求1所述碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺,其特征在于:所述步骤2的热压罐固化工艺参数为:压力0.4MPa,升温速率1℃/min,降温速率1℃/min,120℃保持1个小时,60℃出罐,自然降至常温。
4.根据权利要求1所述碳纤维复合材料等径管状结构的制造工艺,其特征在于:所述步骤4的固化工艺参数为:升温速率3℃/min;120℃恒温保持1个小时;降温速率3℃/min,降温至60℃出罐自然冷却,冷却至室温进行脱模。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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