一種成型復(fù)合材料長桁的柔性模具及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于工藝制造領(lǐng)域，特別涉及一種能確保固化過程外加壓力有效傳遞，有效控制分層及孔隙缺陷，同時(shí)確保制件尺寸精度的成型復(fù)合材料長桁的模具及其制備方法。該柔性模具包括至少一個(gè)成型單元；所述成型單元的截面呈L形或C形，呈L形的所述成型單元包括至少一個(gè)柔性模塊和兩個(gè)剛性模塊，呈C形的所述成型單元，包括至少兩個(gè)柔性模塊和三個(gè)剛性模塊。本發(fā)明的有益效果是，可有效控制分層及孔隙缺陷，有利于模具定位，確保長桁的軸線度及直線度；可以避免模具的暴力組裝，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率；采用分段結(jié)構(gòu)，柔性模具的分塊將更加靈活。
【專利說明】
一種成型復(fù)合材料長桁的柔性模具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于工藝制造領(lǐng)域，特別涉及一種能確保固化過程外加壓力有效傳遞，有效控制分層及孔隙缺陷，同時(shí)確保制件尺寸精度的成型復(fù)合材料長桁的模具及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]L形、T形、J形、C形及工形長桁等廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料加筋壁板，復(fù)合材料加筋壁板一般采用共固化或共膠接整體成型。在成型過程中，模具對(duì)于有效傳遞外加壓力、控制分層及孔隙缺陷、保證尺寸精度至關(guān)重要，尤其是長桁成型模具。目前，復(fù)合材料領(lǐng)域廣泛采用的是剛性模具或橡膠軟模。剛性模具主要是指剛度大的模具，如金屬(鋁合金、普通鋼、Invar鋼等)及復(fù)合材料等材質(zhì)的模具。預(yù)浸料在固化過程中受到外加壓力及樹脂流動(dòng)的影響會(huì)導(dǎo)致厚度減小，而長桁在凸緣與腹板兩個(gè)方向會(huì)出現(xiàn)厚度減小，因此剛性模具可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)方向移動(dòng)不匹配的情況，從而導(dǎo)致局部架橋，進(jìn)而外加壓力傳遞不到位，最終出現(xiàn)壁板長桁分層及孔隙缺陷。橡膠軟模主要是采用硫化橡膠材質(zhì)的模具，此模具剛度小，在固化過程中容易變形，從而解決模具在長桁兩個(gè)方向移動(dòng)不匹配的問題，確保外加壓力有效傳遞，從而避免分層及孔隙缺陷。但是，由于橡膠軟模剛度小，在固化前組裝過程及固化過程中難以定位，容易出現(xiàn)長桁軸線度及直線度不滿足要求的情況，另外，其制件的表面質(zhì)量不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，確保固化過程外加壓力在長桁凸緣及腹板上有效傳遞，有效控制分層及孔隙缺陷，同時(shí)確保制件的尺寸精度的成型復(fù)合材料長桁的柔性模具及其制備方法。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種成型復(fù)合材料長桁的柔性模具，該柔性模具包括至少一個(gè)成型單元;所述成型單元的截面呈L形或C形，呈L形的所述成型單元包括至少一個(gè)柔性模塊和兩個(gè)剛性模塊，兩個(gè)所述剛性模塊之間通過一塊所述柔性模塊連接，呈L形的所述成型單元兩端的端部均為剛性模塊；
呈C形的所述成型單元，包括至少兩個(gè)柔性模塊和三個(gè)剛性模塊，相鄰兩個(gè)所述剛性模塊之間通過一塊所述柔性模塊連接，呈C形的所述成型單元兩端的端部均為剛性模塊；
其中，所述剛性模塊對(duì)應(yīng)復(fù)合材料長桁凸緣及腹板等厚區(qū)域，所述柔性模塊對(duì)應(yīng)復(fù)合材料長桁拐角區(qū)域及厚度變化過渡區(qū)域。
[0005]進(jìn)一步，所述柔性模塊的尺寸大于其對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料長桁拐角區(qū)域及凸緣與腹板厚度變化過渡區(qū)域，所述剛性模塊的尺寸小于其對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料長桁凸緣及腹板等厚區(qū)域。
[0006]進(jìn)一步，所述柔性模塊和剛性模塊之間采用榫卯結(jié)構(gòu)連接，在整個(gè)柔性模具使用壽命周期內(nèi)，該連接不可拆卸。
[0007]進(jìn)一步，該模具包括用于將若干成型單元相互連接的連接單元，所述連接單元為柔性連接件，所述柔性連接件采用榫卯結(jié)構(gòu)與所述成型單元連接。
[0008]本發(fā)明的另一目的是提供制備上述的柔性模具的工藝，該工藝具體包括以下步驟:
步驟1.成型剛性模塊:根據(jù)設(shè)計(jì)好的剛性模塊尺寸選取合適的金屬材質(zhì)或復(fù)合材料，金屬材質(zhì)剛性模塊的工作面采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精加工;復(fù)合材料剛性模塊的工作面由其固化階段成型模具決定，復(fù)合材料成型模具采用數(shù)控機(jī)床精加工。根據(jù)成型長桁腹板及凸緣等厚區(qū)域尺寸切割剛性模塊，并在剛性模塊的邊緣加工出用于榫卯連接的接口；
步驟2:將步驟I制備得到剛性模塊放置并固定在其成型模具相應(yīng)位置，根據(jù)剛性模塊的尺寸將未硫化橡膠裁剪成相應(yīng)合適尺寸后，填充拐角、變厚度區(qū)域及剛性模塊預(yù)加工的接口。填充完畢后，按照復(fù)合材料熱壓罐工藝進(jìn)行封裝，然后在熱壓罐中對(duì)未硫化橡膠進(jìn)行硫化，其硫化制度為:在真空度低于-0.09MPa，壓力為:0.5MPa下，將溫度從室溫以2°C/min升至180°C，恒溫2小時(shí)后降至室溫，即得到成型復(fù)合材料長桁的柔性模具。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
1)相對(duì)于剛性模具，柔性模具的剛性模塊能相對(duì)獨(dú)立的移動(dòng)，相互約束較小，確保固化過程中模具不出現(xiàn)架橋，實(shí)現(xiàn)固化過程外加壓力在長桁凸緣及腹板上有效傳遞，有效控制分層及孔隙缺陷；
2)相對(duì)于橡膠軟模，等厚平板區(qū)域由剛性模塊覆蓋，能確保表面質(zhì)量，另外剛性模塊的使用，能在剛性模塊上設(shè)計(jì)并加工定位裝置，有利于實(shí)現(xiàn)模具定位，確保長桁的軸線度及直線度；
3)傳統(tǒng)模具的工作型面，特別是長桁拐角區(qū)域半徑是根據(jù)固化后復(fù)合材料制件尺寸設(shè)計(jì)。由于復(fù)合材料固化前后存在厚度變化，固化前模具與預(yù)浸料鋪層的尺寸差異導(dǎo)致兩者不匹配，組裝困難。柔性模具，特別是柔性模塊剛度小，固化過程可以通過變形適應(yīng)預(yù)浸料鋪層厚度變化，因此，柔性模具的工作型面可以根據(jù)固化前預(yù)浸料鋪層輪廓設(shè)計(jì)，可以通避免模具的暴力組裝，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率；
4)目前，對(duì)于較長的長桁成型模具一般采用分段結(jié)構(gòu)，柔性模具的分塊將更加靈活，操作更加簡便。
【附圖說明】
[0010]圖1為L形復(fù)合材料長桁成型柔性模具示意圖。
[0011]圖2為柔性模塊與剛性模塊采用榫卯結(jié)構(gòu)連接的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3固化過程長桁厚度變化過渡區(qū)域柔性模具工作原理示意圖。(圖3a為固化前、圖3b為固化后)。
[0013]圖4固化過程長桁拐角區(qū)域柔性模具工作原理示意圖。(圖4a為固化前、圖4b為固化后)。
[0014]圖5為C形長桁成型示意圖。
[0015]圖6為T形長桁成型示意圖。
[0016]圖7為工形長桁成型示意圖。
[0017]圖8為J形長桁成型示意圖。
[0018]圖中:
1.柔性模塊、2.剛性模塊、3.非等厚預(yù)浸料鋪層、4.固化后非等厚復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、5.L形預(yù)浸料鋪層、6.固化后L形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
[0020]如圖1-2所示，本發(fā)明一種成型復(fù)合材料長桁的柔性模具，該柔性模具包括至少一個(gè)成型單元;所述成型單元的截面呈L形，呈L形的所述成型單元包括至少一個(gè)柔性模塊和兩個(gè)剛性模塊，兩個(gè)所述剛性模塊之間通過一塊所述柔性模塊連接，呈L形的所述成型單元端部均為剛性模塊；
其中，所述剛性模塊對(duì)應(yīng)復(fù)合材料長桁凸緣及腹板等厚區(qū)域，所述柔性模塊對(duì)應(yīng)復(fù)合材料長桁拐角區(qū)域及厚度變化過渡區(qū)域。
[0021]所述柔性模塊的尺寸大于其對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料長桁拐角區(qū)域及凸緣與腹板厚度變化過渡區(qū)域，所述剛性模塊的尺寸小于其對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料長桁凸緣及腹板等厚區(qū)域。
[0022]所述柔性模塊和剛性模塊之間采用榫卯結(jié)構(gòu)連接，在整個(gè)柔性模具使用壽命周期內(nèi)，該連接不可拆卸。
[0023]所述柔性模具沿復(fù)合材料長桁長度方向可以采用分段形式，分段的數(shù)量及長度以工作人員能徒手操作為宜；優(yōu)選地，分段區(qū)域選擇在沿長度方向厚度變化過渡區(qū)域;特別地，如果沿長度方向某一等厚區(qū)域過大，應(yīng)該在等厚區(qū)域進(jìn)行分段。所述柔性模具包括用于將若干成型單元相互連接的連接單元，所述連接單元為柔性連接件，所述柔性連接件采用榫卯結(jié)構(gòu)與所述成型單元連接。所述柔性連接件可拆卸。
[0024]優(yōu)選地，剛性模塊上可以設(shè)計(jì)并加工定位裝置，成型復(fù)合材料長桁過程中，配合輔助工裝，可以確保長桁的軸線度及直線度。
[0025]一種制備柔性模具的工藝，該工藝具體包括以下步驟:
步驟1.成型剛性模塊:根據(jù)設(shè)計(jì)好的剛性模塊尺寸選取合適的金屬材質(zhì)或復(fù)合材料，金屬材質(zhì)剛性模塊的工作面采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精加工;復(fù)合材料剛性模塊的工作面由其固化階段成型模具決定，復(fù)合材料成型模具采用數(shù)控機(jī)床精加工。根據(jù)成型長桁腹板及凸緣等厚區(qū)域尺寸切割剛性模塊，并在剛性模塊的邊緣加工出用于榫卯連接的接口；
步驟2:將步驟I制備得到剛性模塊放置并固定在其成型模具相應(yīng)位置，根據(jù)剛性模塊的尺寸將未硫化橡膠裁剪成相應(yīng)合適尺寸后，填充拐角、變厚度區(qū)域及剛性模塊預(yù)加工的接口。填充完畢后，按照復(fù)合材料熱壓罐工藝進(jìn)行封裝，然后在熱壓罐中對(duì)未硫化橡膠進(jìn)行硫化，其硫化制度為:在真空度低于-0.09MPa，壓力為:0.5MPa下，將溫度從室溫以2°C/min升至180°C，恒溫2小時(shí)后降至室溫，即得到成型復(fù)合材料長桁的柔性模具。
[0026]如圖3所示，本發(fā)明固化過程長桁厚度變化過渡區(qū)域柔性模具工作原理示意圖，長桁厚度變化過渡區(qū)域柔性模具工作原理:
非等厚預(yù)浸料鋪層3鋪貼結(jié)束后，柔性模具放置在非等厚預(yù)浸料鋪層3上。柔性模具在復(fù)合材料長桁等厚區(qū)域采用剛性模塊2，在復(fù)合材料長桁厚度變化過渡區(qū)域采用柔性模塊I，如圖3所示。固化前，非等厚預(yù)浸料鋪層3的厚度大于固化后非等厚復(fù)合材料結(jié)構(gòu)4的厚度。固化過程中，外加壓力通過柔性模具傳遞到非等厚預(yù)浸料鋪層3上，非等厚預(yù)浸料鋪層3密實(shí)程度增加，厚度逐漸減小。剛性模塊2在外加壓力的作用下隨著非等厚預(yù)浸料鋪層3的厚度減小分別沿著非等厚預(yù)浸料鋪層3厚板區(qū)域和薄板區(qū)域表面法向移動(dòng)。由于非等厚預(yù)浸料鋪層3厚板區(qū)域和薄板區(qū)域的初始厚度不同，固化過程中兩個(gè)區(qū)域預(yù)浸料鋪層3厚度變化值不同，導(dǎo)致兩個(gè)區(qū)域剛性模塊2移動(dòng)量不相等。由于柔性模塊I剛度較小，為匹配厚板區(qū)域和薄板區(qū)域剛性模塊2不同的移動(dòng)量，在外加壓力作用下，柔性模塊I發(fā)生相應(yīng)變形，確保緊密貼合非等厚預(yù)浸料鋪層3，有效傳遞外加壓力，以保證長桁厚度變化過渡區(qū)域、薄板區(qū)域與及厚板區(qū)域受壓均勻。在整個(gè)過程中，由于柔性模塊I的存在，厚板區(qū)域與薄板區(qū)域?qū)?yīng)的剛性模塊2可以相對(duì)自由的移動(dòng)以匹配厚板區(qū)域與薄板區(qū)域不同厚度變化值，彼此約束較小，避免諸如傳統(tǒng)剛性模具在長桁厚板區(qū)域和薄板區(qū)域移動(dòng)不匹配的問題，進(jìn)而出現(xiàn)架橋，影響壓力傳遞，導(dǎo)致固化后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分層及孔隙缺陷等。
[0027]如圖4所示，本發(fā)明固化過程長桁拐角區(qū)域柔性模具工作原理示意圖，長桁拐角區(qū)域柔性模具工作原理為:
L形預(yù)浸料鋪層5鋪貼結(jié)束后，柔性模具放置在L形預(yù)浸料鋪層5上。柔性模具在復(fù)合材料長桁凸緣和腹板等厚區(qū)域采用剛性模塊2，在復(fù)合材料長桁拐角區(qū)域采用柔性模塊I，如圖4所示。固化前，L形預(yù)浸料鋪層5的厚度大于固化后L形復(fù)合材料結(jié)構(gòu)6厚度。固化過程中，外加壓力通過柔性模具傳遞到L形預(yù)浸料鋪層5上，L形預(yù)浸料鋪層5密實(shí)程度增加，厚度逐漸減小。凸緣和腹板區(qū)域的剛性模塊2分別在外加壓力的作用下隨著L形預(yù)浸料鋪層5的厚度減小分別沿著L形預(yù)浸料鋪層5凸緣和腹板區(qū)域表面法向移動(dòng)。凸緣和腹板區(qū)域的剛性模塊2沿兩個(gè)不同的方向移動(dòng)，同時(shí)長桁拐角區(qū)域靠近柔性模塊I 一側(cè)的半徑尺寸變大。由于柔性模塊I剛度較小，為匹配凸緣和腹板區(qū)域剛性模塊2不同方向的移動(dòng)量及拐角區(qū)的尺寸變化，在外加壓力作用下，柔性模塊I發(fā)生相應(yīng)變形，確保緊密貼合L形預(yù)浸料鋪層5，有效傳遞外加壓力，以保證長桁腹板區(qū)域、凸緣區(qū)域及拐角區(qū)域受壓均勻。在整個(gè)過程中，由于柔性模塊2的存在，腹板與凸緣區(qū)域的剛性模塊2可以相對(duì)自由的移動(dòng)，彼此間約束較小，從而實(shí)現(xiàn)長桁腹板區(qū)域、凸緣區(qū)域及拐角區(qū)域受壓均勻，避免分層及孔隙缺陷等。
[0028]在這個(gè)示例中，L形長桁預(yù)浸料鋪層腹板與凸緣區(qū)域的厚度相等，該柔性模具同樣適用于L形長桁預(yù)浸料鋪層腹板與凸緣區(qū)域厚度不相等的情況。
[0029]如圖5所示，本發(fā)明成型C形長桁示意圖，成型C形長桁的柔性模具為一個(gè)呈C形的成型單元。
[0030]如圖6所示，本發(fā)明成型T形長桁示意圖，成型T形長桁的柔性模具由2個(gè)呈L形的成型單元組成。
[0031]如圖7所示，本發(fā)明成型工形長桁示意圖，成型工形長桁的柔性模具由2個(gè)呈C形的成型單元組成。
[0032]如圖8所示，本發(fā)明成型J形長桁示意圖，成型J形長桁的柔性模具由一個(gè)呈C形的成型單元和一個(gè)呈L形的成型單元組成。
[0033]以上對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種成型復(fù)合材料長桁的柔性模具，其特征在于，該模具包括柔性模塊和剛性模塊，通過所述柔性模塊和剛性模塊確保固化過程外加壓力在長桁凸緣及腹板上有效傳遞，有效控制分層及孔隙缺陷，同時(shí)確保復(fù)合材料長桁的尺寸精度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模具，其特征在于，該柔性模具包括至少一個(gè)成型單元;所述成型單元的截面呈L形或C形； 其中，呈L形的所述成型單元包括至少一個(gè)柔性模塊和兩個(gè)剛性模塊，兩個(gè)所述剛性模塊之間通過一塊所述柔性模塊連接，呈L形的所述成型單元端部均為剛性模塊； 呈C形的所述成型單元，包括至少兩個(gè)柔性模塊和三個(gè)剛性模塊，相鄰兩個(gè)所述剛性模塊之間通過一塊所述柔性模塊連接，呈C形的所述成型單元端部均為剛性模塊； 所述剛性模塊對(duì)應(yīng)復(fù)合材料長桁凸緣及腹板等厚區(qū)域，所述柔性模塊對(duì)應(yīng)復(fù)合材料長桁拐角區(qū)域及厚度變化過渡區(qū)域。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性模具，其特征在于，所述柔性模塊的尺寸大于其對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料長桁拐角區(qū)域及凸緣與腹板厚度變化過渡區(qū)域，所述剛性模塊的尺寸小于其對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料長桁凸緣及腹板等厚區(qū)域。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性模具，其特征在于，所述柔性模塊和剛性模塊之間采用榫卯結(jié)構(gòu)連接，在整個(gè)柔性模具使用壽命周期內(nèi)，該連接不可拆卸。5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的柔性模具，其特征在于，該模具包括用于將若干成型單元相互連接的連接單元，所述連接單元為柔性連接件，所述柔性連接件采用榫卯結(jié)構(gòu)與所述成型單元連接。6.—種制備如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的柔性模具的工藝，該工藝具體包括以下步驟: 步驟1.成型剛性模塊:根據(jù)設(shè)計(jì)好的剛性模塊尺寸選取合適的金屬材質(zhì)或復(fù)合材料，金屬材質(zhì)剛性模塊的工作面采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精加工;復(fù)合材料剛性模塊的工作面由其固化階段成型模具決定，復(fù)合材料成型模具采用數(shù)控機(jī)床精加工。根據(jù)成型長桁腹板及凸緣等厚區(qū)域尺寸切割剛性模塊，并在剛性模塊的邊緣加工出用于榫卯連接的接口； 步驟2:將步驟I制備得到剛性模塊放置并固定在其成型模具相應(yīng)位置，根據(jù)剛性模塊的尺寸將未硫化橡膠裁剪成相應(yīng)合適尺寸后，填充拐角、變厚度區(qū)域及剛性模塊預(yù)加工的接口 ；填充完畢后，按照復(fù)合材料熱壓罐工藝進(jìn)行封裝，然后在熱壓罐中對(duì)未硫化橡膠進(jìn)行硫化，其硫化制度為:在真空度低于-0.09MPa，壓力為:0.5MPa下，將溫度從室溫以2°C/min升至180°C，恒溫2小時(shí)后降至室溫，即得到成型復(fù)合材料長桁的柔性模具。
【文檔編號(hào)】B29C33/38GK106079486SQ201610600700
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月27日 公開號(hào)201610600700.3, CN 106079486 A, CN 106079486A, CN 201610600700, CN-A-106079486, CN106079486 A, CN106079486A, CN201610600700, CN201610600700.3
【發(fā)明人】辛朝波, 王棟
【申請(qǐng)人】中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心, 中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司