CN110901098A - 一种异形管状复合材料零件的成型方法 - Google Patents

一种异形管状复合材料零件的成型方法 Download PDF

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Abstract

一种异形管状复合材料零件的成型方法，所属复合材料成型技术领域，包含步骤：(1)橡胶气囊及铺叠模的制造，(2)坯料的铺叠、转移及橡胶气囊的还原，(3)固化及脱模；本发明方法利用阴模保证外型面质量，在制造过程中通过橡胶气囊与可溶性芯模的配合形成刚性铺叠模，再通过橡胶气囊内腔中可溶性芯模的移除以及橡胶气囊高温高压下的膨胀加压来保证内型面质量，并且利用橡胶气囊负压下的收缩行为轻松实现脱模过程，以达到同时兼具较高的内部和外部型面质量；本发明利用橡胶气囊真空环境下的收缩变形，实现异形管状复合材料零件的脱模过程，工艺简单、适用于大多数管状复合材料零件的制造过程。

Description

一种异形管状复合材料零件的成型方法
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域，具体涉及一种异形管状复合材料零件的成型方法。
背景技术
复合材料以其质轻高强、优异的耐腐蚀性及抗疲劳性等特点，广泛应用于型面结构简单、型面曲率较小的蒙皮类结构，根据使役条件要求，复合材料零件仅需保证配合面或功能面(如航空复合材料的气动面)具有较高的型面质量，以满足复合材料的使用及零件间的装配。近年来，随着复合材料应用领域的不断扩大，特别是航空航天及轨道交通领域，不仅蒙皮类结构的用量逐渐增加，传统由金属材质制造的异形管状零件也逐渐替换为复合材料，以达到更为优异的减重效果。针对普通的异形管状复合材料而言，如机车的排气管，往往仅要求较高的外型面质量以满足装配要求，制造时仅需采用组合式阴模配合真空筒袋即可达到外型面质量要求；而对于异形管路，则需要较高的内型面质量来保证气体或液体的传输顺畅，常通过组合式阳模配合预浸料铺叠固化才能达到内型面质量要求。
然而，对于结构更为复杂的异形管状复合材料零件，如航空器的进气口，需要同时兼具较高的内部和外部型面质量。目前，常采用可溶性芯模配合金属阴模或金属阴模配合真空筒袋的方法加以制造，但前者由于高温高压下隔离材料的破损容易导致可溶性芯模粉末渗入坯料影响复合材料内部质量；而后者不仅在加压过程中真空筒袋易产生架桥干涉零件的加压效果，影响零件的内部质量，并且不良的加压效果会导致零件内型面产生褶皱或富树脂等问题，无法满足零件的内型面质量要求。因此，随着同时对内部和外部型面质量均有严格要求的复合材料应用的持续扩大，需要更为有效的成型方法来保证异形管状复合材料零件的质量。
发明内容
为解决现有成型方法由于加压效果不佳，无法同时满足复合材料构件内部和外部型面质量要求的问题。本发明提供一种异形管状复合材料零件的成型方法，利用阴模保证外型面质量，在制造过程中通过橡胶气囊与可溶性芯模的配合形成刚性铺叠模，再通过橡胶气囊内腔中可溶性芯模的移除以及橡胶气囊高温高压下的膨胀加压来保证内型面质量，并且利用橡胶气囊负压下的收缩行为轻松实现脱模过程，以达到同时兼具较高的内部和外部型面质量，其具体的技术方案，包含如下步骤：
步骤1，橡胶气囊及铺叠模的制造：
(1)在橡胶气囊成型模的内腔表面铺叠一层片状未硫化橡胶，拼接处的搭接宽度为12.7mm～25.4mm，再依次将无孔隔离膜、透气毡和真空袋铺叠于橡胶气囊成型模内腔，并将无孔隔离膜、透气毡和真空袋的两端露出部分外翻，连同橡胶气囊成型模整体包覆，对片状未硫化橡胶进行硫化成型，脱模后制成橡胶气囊；
(2)将成型后管状中空的橡胶气囊的一侧封闭，将混合均匀负压脱泡后的可溶性芯模材料，浇注至橡胶气囊内腔，确保可溶性芯模材料填充密实，待其硬化后制成可溶性芯模，连同橡胶气囊形成铺叠模；
步骤2，坯料的铺叠、转移及橡胶气囊的还原：
(1)在铺叠模表面铺叠一层无孔隔离膜，拼接处的拼接间隙＜12.7mm，采用压敏胶带进行粘接固定，按照异形管状复合材料零件的铺层设计铺叠预浸料，每铺叠3层，真空压实不少于30min，排除预浸料铺叠过程中层间夹杂的空气，完成预浸料的铺叠后制成管状复合材料零件坯料；
(2)将管状复合材料零件坯料连同铺叠模整体转移至管状零件成型模之中，采用脱芯方法使可溶性芯模失稳，移除橡胶气囊内腔中的可溶性芯模，还原橡胶气囊，形成管状复合材料零件坯料+橡胶气囊体系；
步骤3，固化及脱模：
将透气毡、真空袋依次塞入表面包覆有管状复合材料零件坯料的橡胶气囊内腔，并将两侧露出部分外翻，连同管状零件成型模整体包覆，形成“阴模+管状复合材料零件坯料+橡胶气囊+无孔隔离膜+透气毡+真空袋”封装体系，固化拆除封装后封闭橡胶气囊一端，另一端抽真空，即可通过橡胶气囊的收缩变形实现管状复合材料零件的脱模过程；
上述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其中：
所述的步骤1(1)中，橡胶气囊成型模为金属阴模，粗糙度为1.6～3.2，型面尺寸根据管状零件的内腔尺寸、成型模材料的热膨胀系数以及橡胶硫化温度参数进行缩比；
所述的步骤1(1)中，片状未硫化橡胶进行硫化成型的温度为176℃±5℃，压力为0.4MPa～0.7MPa；
所述的步骤1(1)中，橡胶气囊的长期使用温度大于异形管状复合材料零件的固化温度；
所述的步骤1(1)中，隔离膜的尺寸需满足可以将片状未硫化橡胶与透气毡和真空袋完全隔离；
所述的步骤1(1)中，透气毡的尺寸需满足可以将橡胶气囊成型模完全包覆，并在工装棱角处局部加厚；
所述的步骤1(1)中，真空袋由密封胶条拼接成筒状，口径大于橡胶气囊成型模内腔尺寸20％，尺寸需满足可以将橡胶气囊成型模完全包覆；
所述的步骤1(1)中，橡胶气囊的轮廓尺寸大于管状复合材料零件轮廓尺寸，厚度≥1.59mm，在有厚度变化或对R角有严格要求的区域，局部添有工装预浸料以增加刚度；
所述的步骤1(2)中，可溶性芯模材料包括填充物和定型剂，填充物为石英砂、白炭黑、空心玻璃微珠、短切纤维中的一种或几种，定型剂为水溶性盐、淀粉胶、石膏、石蜡中的一种；
所述的步骤2(1)中，压敏胶带，厚度为0.064mm；
所述的步骤2(2)中，管状零件成型模为金属阴模，粗糙度为1.6～3.2，型面尺寸根据管状零件的外形尺寸、成型模的热膨胀系数以及零件固化温度参数进行缩比；
所述的步骤2(2)中，脱芯方法选取碱液、水、高压水、蒸汽中的一种或几种介质冲刷可溶性芯模材料；
所述的步骤3中，透气毡的尺寸需满足可以将管状零件成型模完全包覆，并在工装棱角处局部加厚；
所述的步骤3中，真空袋的尺寸需满足可以将管状零件成型模完全包覆。
本发明的一种异形管状复合材料零件的成型方法，与现有技术相比，其有益效果在于：
一、本发明制造的橡胶气囊具有外型面质量好，重复使用率高，加压效果均匀明显等优势，能够解决传统异形管状复合材料成型方法內型面质量较差、零件批产稳定性不高等问题。
二、本发明通过简单易得的芯模材料连同橡胶气囊制作成铺叠模，材料及制造成本远低于现有技术使用的木制或金属阳模。
三、本发明通过铺叠模的制作和可溶性芯模的脱芯处理，解决了传统异形管状复合材料成型方法坯料不易铺叠、阴模不易合模等问题，降低铺叠难度的同时缩短铺叠周期、并规避了合模风险。
四、本发明利用橡胶气囊真空环境下的收缩变形，实现异形管状复合材料零件的脱模过程，工艺简单、适用于大多数管状复合材料零件的制造过程。
附图说明
图1为本发明实施例的橡胶气囊成型封装示意图；
图2为本发明实施例的铺叠模组成示意图；
图3为本发明实施例的管状零件成型封装示意图；
图中：1-橡胶气囊成型模，2-片状未硫化橡胶，3-无孔隔离膜，4-透气毡，5-真空袋，6-橡胶气囊，7-可溶性芯模，8-预浸料，9-管状零件成型模，10-管状复合材料零件坯料。
具体实施方式
本技术所公开的内容，包括橡胶气囊的结构形式及成型方法、铺叠模的结构形式、制造方法、异形管状复合材料零件的脱模方法均应视为本发明的保护范畴。
为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，以一种典型的S形带闭角结构的管状复合材料零件的成型方法作为实施例并结合附图1-3对本发明进一步说明，详细内容如下：
一种异形管状复合材料零件的成型方法，包括以下步骤：
(1)在橡胶气囊成型模1(铝制，2A12T4)表面铺叠一层片状未硫化橡胶2(AIRPAD)，搭接宽度为
Figure BDA0002287273220000041
在局部加强区域添加一层工装预浸料(TOOLMASTER PREPREG)，再依次将一层无孔隔离膜3(WL5200)、透气毡4(AIRWEAVE N10)及真空袋5(IPPLON DPT1000)依次铺设于橡胶气囊成型模1的内腔，如图1所示；
在端部外翻无孔隔离膜3、透气毡4和真空袋5，连同橡胶气囊成型模1整体包覆，在176℃和0.5MPa条件下完成片状未硫化橡胶2的硫化成型，形成橡胶气囊，橡胶气囊厚度为
Figure BDA0002287273220000042
(2)将橡胶气囊6的一侧封闭，将定型剂(改性玉米淀粉胶)与填充物(石英砂和空心玻璃微珠)混合均匀并负压脱泡后形成可溶性芯模料坯，并浇注至橡胶气囊6内腔，确保可溶性芯模料坯填充密实，随后在常温常压作用下硬化4.5h，制成可溶性芯模7，连同橡胶气囊6形成铺叠模；
在铺叠模表面铺叠一层无孔隔离膜3(WL5200)，拼接处的拼接间隙为
Figure BDA0002287273220000043
并用压敏胶带(FLASHBREAKER 1)进行粘接固定，继而按照复合材料零件的铺层设计铺叠预浸料8，如图2所示；确保每铺叠三层预浸料8真空压实
Figure BDA0002287273220000044
完成预浸料8的铺叠后制成管状复合材料零件坯料10；
(3)将管状复合材料零件坯料10连同铺叠模整体转移至管状零件成型模9(铝制，2A12T4)之中，采用水(25℃～65℃)作为介质对橡胶气囊6内部的可溶性芯模7进行脱芯处理，使可溶性芯模材料失稳，进而移除橡胶气囊6内腔中的可溶性芯模7，还原橡胶气囊6；
(4)依次将一层透气毡4(AIRWEAVE N10)、真空袋5(IPPLON DPT1000)塞入橡胶气囊6内腔并在端部外翻连同管状零件成型模9整体包覆，形成管状零件成型模9+管状复合材料零件坯料10+无孔隔离膜3+橡胶气囊6+透气毡4+真空袋5的封装体系，如图3所示；固化拆除封装后封闭橡胶气囊6一端，另一端抽真空，即可通过橡胶气囊6的收缩变形实现管状复合材料零件的脱模过程。

Claims (10)

1.一种异形管状复合材料零件的成型方法，包含如下步骤：
步骤1，橡胶气囊及铺叠模的制造：
(1)在橡胶气囊成型模的内腔表面铺叠一层片状未硫化橡胶，拼接处的搭接宽度为12.7mm～25.4mm，再依次将无孔隔离膜、透气毡和真空袋铺叠于橡胶气囊成型模内腔，并将无孔隔离膜、透气毡和真空袋的两端露出部分外翻，连同橡胶气囊成型模整体包覆，对片状未硫化橡胶进行硫化成型，脱模后制成橡胶气囊；
(2)将成型后管状中空的橡胶气囊的一侧封闭，将混合均匀负压脱泡后的可溶性芯模材料，浇注至橡胶气囊内腔，确保可溶性芯模材料填充密实，待其硬化后制成可溶性芯模，连同橡胶气囊形成铺叠模；
步骤2，坯料的铺叠、转移及橡胶气囊的还原：
(1)在铺叠模表面铺叠一层无孔隔离膜，拼接处的拼接间隙＜12.7mm，采用压敏胶带进行粘接固定，按照异形管状复合材料零件的铺层设计铺叠预浸料，每铺叠3层，真空压实不少于30min，排除预浸料铺叠过程中层间夹杂的空气，完成预浸料的铺叠后制成管状复合材料零件坯料；
(2)将管状复合材料零件坯料连同铺叠模整体转移至管状零件成型模之中，采用脱芯方法使可溶性芯模失稳，移除橡胶气囊内腔中的可溶性芯模，还原橡胶气囊，形成管状复合材料零件坯料+橡胶气囊体系；
步骤3，固化及脱模：
将透气毡、真空袋依次塞入表面包覆有管状复合材料零件坯料的橡胶气囊内腔，并将两侧露出部分外翻，连同管状零件成型模整体包覆，形成“阴模+管状复合材料零件坯料+橡胶气囊+无孔隔离膜+透气毡+真空袋”封装体系，固化拆除封装后封闭橡胶气囊一端，另一端抽真空，即可通过橡胶气囊的收缩变形实现管状复合材料零件的脱模过程。
2.根据权利要求1所述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其特征在于，所述的步骤1(1)中，橡胶气囊成型模为金属阴模，粗糙度为1.6～3.2，型面尺寸根据管状零件的内腔尺寸、成型模材料的热膨胀系数以及橡胶硫化温度参数进行缩比。
3.根据权利要求1所述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其特征在于，所述的步骤1(1)中，片状未硫化橡胶进行硫化成型的温度为176℃±5℃，压力为0.4MPa～0.7MPa；橡胶气囊的轮廓尺寸大于管状复合材料零件轮廓尺寸，厚度≥1.59mm，在有厚度变化或对R角有严格要求的区域，局部添有工装预浸料以增加刚度；橡胶气囊的长期使用温度大于异形管状复合材料零件的固化温度。
4.根据权利要求1所述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其特征在于，所述的步骤1(1)中，隔离膜的尺寸需满足可以将片状未硫化橡胶与透气毡和真空袋完全隔离；透气毡的尺寸需满足可以将橡胶气囊成型模完全包覆，并在工装棱角处局部加厚。
5.根据权利要求1所述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其特征在于，所述的步骤1(1)中，真空袋由密封胶条拼接成筒状，口径大于橡胶气囊成型模内腔尺寸20％，尺寸需满足可以将橡胶气囊成型模完全包覆。
6.根据权利要求1所述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其特征在于，所述的步骤1(2)中，可溶性芯模材料包括填充物和定型剂，填充物为石英砂、白炭黑、空心玻璃微珠、短切纤维中的一种或几种，定型剂为水溶性盐、淀粉胶、石膏、石蜡中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，压敏胶带，厚度为0.064mm。
8.根据权利要求1所述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其特征在于，所述的步骤2(2)中，管状零件成型模为金属阴模，粗糙度为1.6～3.2，型面尺寸根据管状零件的外形尺寸、成型模的热膨胀系数以及零件固化温度参数进行缩比。
9.根据权利要求1所述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其特征在于，所述的步骤2(2)中，脱芯方法选取碱液、水、高压水、蒸汽中的一种或几种介质冲刷可溶性芯模材料。
10.根据权利要求1所述的一种异形管状复合材料零件的成型方法，其特征在于，所述的步骤3中，透气毡的尺寸需满足可以将管状零件成型模完全包覆，并在工装棱角处局部加厚；真空袋的尺寸需满足可以将管状零件成型模完全包覆。
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