複合材料帽形長桁預成型及其加筋壁板固化的芯模及方法與流程
2023-12-12 20:56:42 2
本發明屬於工藝製造領域，涉及一種複合材料帽形長桁預成型及其加筋壁板固化的芯模和方法。
背景技術：
複合材料帽形長桁加筋壁板廣泛應用於機身主承力結構。目前，帽形長桁預浸料鋪層一般採用手工鋪貼或熱隔膜預成型，該工藝過程需要一個剛性芯模以確保預浸料鋪層的質量；在帽形長桁與蒙皮共固化或共膠接過程中，帽形長桁預浸料鋪層將從剛性芯模取下，轉移到壁板成型模具進行封裝。氣囊或真空袋等將用以傳遞熱壓罐壓力，保證帽形長桁加筋壁板固化質量。
目前，帽形長桁加筋壁板製造工藝過程中，帽形長桁預成型及其加筋壁板固化分別需要不同的芯模：預成型需要剛性芯模，而固化過程需要氣囊或真空袋。剛性芯模能有效承受預成型過程的壓力，從而保證預成型後預浸料鋪層形狀滿足要求；固化過程中，帽形長桁預浸料鋪層將從剛性芯模取下，轉移到壁板成型模具，帽形長桁預浸料鋪層中空區域利用氣囊或真空袋進行封裝，工序繁瑣；另外，由於氣囊及真空袋在充氣加壓過程中容易在拐角區域形成架橋，從而拐角區固化壓力不足，形成孔隙等缺陷，導致整個結構報廢。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種避免帽形長桁預浸料鋪層在預成型芯模及固化模具之間的轉移，降低芯模製備成本，簡化封裝工序，避免真空袋在拐角區架橋，確保帽形長桁加筋壁板成型質量的複合材料帽形長桁預成型及其加筋壁板固化的芯模及方法。
本發明的技術方案為：一種複合材料帽形長桁預成型及其加筋壁板固化的芯模，該芯模包括：芯軸、真空袋、端頭和墊塊；
其中，所述芯軸，用於帽形長桁預成型及其加筋壁板共固化或共膠接成型；
所述端頭設置在所述芯軸的兩端，所述端頭的一端與所述芯軸的端部連接用於支撐並密封所述芯軸，另一端用於連接真空表或真空泵，且所述端頭中心位置設有端頭通孔，所述端頭通孔上均設有通斷閥門；
所述真空袋包裹在所述芯軸和所述端頭的外側壁上，用於預成型過程隔離芯軸和預浸料鋪層，在固化過程有效傳遞熱壓罐壓力，促進預浸料鋪層密實，確保製件質量；
所述墊塊設置在包裹了所述真空袋的所述芯軸的底部兩端的拐角處，用於預成型時帽形長桁底部兩端拐角處的平滑過渡，保證帽形長桁預浸料鋪層形狀符合設計要求。
進一步，所述芯模的結構為：所述芯軸為中空結構，所述芯軸的外表面等距設置有貫穿整個芯軸長度方向的若干導氣凹槽，每個所述導氣凹槽的中心線上沿長度方向均勻分布有若干導氣通孔，所述芯軸的兩端設置用於與所述端頭的對接插頭配合的對接插槽。
進一步，所述真空袋為圓筒狀，所述真空袋通過密封膩子與設置在所述芯軸兩端的所述端頭的側壁實現密封。
進一步，所述芯軸和所述端頭連接處設有壓敏膠帶用於連接及固定。
進一步，所述墊塊截面呈不規則三邊形，與所述芯軸接觸的邊為弧形，其形狀與所述芯軸包裹所述真空袋並達到真空狀態後底部兩端拐角形狀相匹配，所述墊塊底面為平面，與所述芯軸包裹所述真空袋並達到真空狀態後的底面平齊，所述墊塊斜面整體上與所述芯軸包裹所述真空袋並達到真空狀態後的斜面平齊，在靠近所述墊塊底面處採用圓弧倒角平滑過渡。
本發明的另一目的是提供一種採用上述芯模完成複合材料帽形長桁預成型及其加筋壁板固化的方法，該方法具體包括以下步驟：
步驟1.組裝芯模:將芯模內部抽真空，並檢測芯模氣密性；
步驟2.預成型:在組裝完成的芯模底部兩側拼接拐角區墊塊後放置於預成型設備平臺上，通過熱隔膜工藝將平面預浸料鋪層預成型為帽形長桁預浸料鋪層；
步驟3.封裝及固化:將步驟2預成型的帽形長桁預浸料鋪層連同芯模與成型模具及蒙皮預浸料鋪層進行定位組合，組合完畢後，按熱壓罐工藝進行真空袋封裝後進行固化；
步驟4.脫模：固化結束後，先拆除芯軸某一端的端頭，然後從芯軸另一端整體拔出芯軸。由於固化後帽形長桁預浸料鋪層內型面尺寸變大，並且真空袋在固化過程中受熱壓罐壓力的作用與芯軸分離，利於芯軸拔出；真空袋與帽形長桁預浸料鋪層接觸面採用通用的隔離處理方法，方便真空袋剝離。
進一步，所述步驟1具體包括以下步驟：
首先，將芯軸兩端分別與端頭通過對接插槽和對接插頭合併，並利用壓敏膠帶連接及固定芯軸及端頭，將筒狀真空袋包裹芯軸及端頭，利用密封膩子在兩端端頭上封裝真空袋，封裝結束後一端端頭連接真空泵，另一端端頭連接真空表，開啟兩端端頭的通斷閥門，啟動真空泵，真空袋包裹的空氣通過端頭通孔、芯軸內腔、導氣通孔、導氣凹槽排出，同時真空袋收縮並出現褶子；
其次，在真空袋收縮但尚未達到真空狀態過程中，真空袋相對蓬鬆，調整褶子尺寸及位置，使褶子分布在導氣凹槽內，並填充導氣凹槽，同時藉助外型面標準卡板，並逐漸提高真空度，使外型面趨於平整，確保外型面質量，芯軸內部達到真空後，停止抽真空，關閉連接真空泵一端端頭的通斷閥門，通過觀察真空表示數變化，判斷其氣密性。如果漏氣，檢查密封膩子密封性及真空袋的完整性，必要時更換真空袋並重新封裝，保證氣密性，氣密性檢測合格後，關閉兩側通斷閥門，卸下真空泵及真空表，芯模保持真空狀態備用。
進一步，所述步驟3的具體工藝為：
預成型結束後，將帽形長桁預浸料鋪層、芯軸及拐角區墊塊整體從預成型設備平臺取出，整體翻轉後，分離並去除墊塊，保持帽形長桁預浸料鋪層與芯模為一體，利用預浸料捻子條填充取下拐角區墊塊後的拐角區域，隨後整體與成型模具及蒙皮預浸料鋪層定位組合，組合完畢後，按熱壓罐工藝進行真空袋封裝，然後開啟芯模兩端端頭通斷閥門，固化過程中，熱壓罐壓縮空氣將通過端頭通孔、芯軸內腔、導氣通孔、導氣凹槽作用到真空袋上，有效傳遞熱壓罐壓力，在熱壓罐壓力的作用下，帽形長桁預浸料鋪層厚度在固化過程中逐漸變小，帽形長桁預浸料鋪層內型面尺寸變大，由於真空袋沿芯軸截面均勻分布真空袋褶子，將用以補償帽形長桁預浸料鋪層內型面變大的尺寸，有效避免真空袋架橋，確保整個過程熱壓罐壓力有效傳遞。
進一步，所述包裹真空袋並達到真空狀態後的芯模截面尺寸小於固化後帽形長桁內型面截面尺寸，差值近似為帽形長桁預浸料鋪層固化前後變化量。
進一步，所述真空袋的截面周長大於所述芯軸外型面截面周長，優選自通氣型筒狀真空袋。
進一步，所述導氣凹槽的深度、寬度及間距以真空袋收縮出現的真空袋褶子填充導氣凹槽後芯模外型面趨於平整為準，同時為利於脫模，建議所述導氣凹槽的深度不大於1mm，寬度不小於5mm，相鄰的所述導氣凹槽的間距不小於10mm。
進一步，所述導氣通孔會導致真空袋貼合芯軸在導氣通孔處形成架橋，所述導氣通孔的直徑以不會使架橋在真空作用下導致真空袋破裂為準，建議所述導氣通孔直徑不大於1mm，相鄰的所述導氣通孔的孔間距不小於20mm。
本發明的有益效果是：
1）由於採用上述技術方案，本發明芯模能先後用於帽形長桁預成型及其加筋壁板共固化或共膠接成型，避免預成型及固化採用不同的芯模，節約模具投入成本；
2）由於預成型及固化採用同一芯模，避免帽形長桁預浸料鋪層在預成型模具及固化芯模之間的轉移，減少封裝工序，有效簡化工藝流程；
3）採用將真空袋貼合在芯軸後預成型帽形長桁預浸料鋪層的方法，有效避免傳統直接真空袋封裝過程拐角出現架橋的問題，同時利用芯模導氣凹槽巧妙地將真空袋褶子均勻分布在芯模截面，促進真空袋褶子在固化過程補償由於預浸料鋪層厚度變小導致其內型面變大的尺寸，從而有效傳遞熱壓罐壓力，確保製件質量；
4）傳統真空袋封裝方式到最終整個加筋壁板封裝才能檢測其氣密性，如果漏氣，將重新封裝，操作難度大、周期長，該芯模在使用前能有效檢測真空袋的氣密性，有效避免後續封裝漏氣需重新封裝的風險。
附圖說明
圖1為本發明複合材料帽形長桁預成型及其加筋壁板固化的芯模的結構示意圖。
圖2為本發明的芯模的工作區域截面示意圖。
圖3為本發明的預成型過程芯模應用示意圖。
圖4為本發明的固化過程芯模應用示意圖。
圖中：
1.芯軸、2.真空袋、3.端頭、4.墊塊、5.帽形長桁預浸料鋪層、6.預成型設備平臺、7.預浸料捻子條、8.蒙皮預浸料鋪層、9.成型模具、11.導氣凹槽、12.導氣通孔、13.對接插槽、14.芯軸內腔、21.壓敏膠帶、22.密封膩子、23.真空袋褶子、31.端頭通孔、32.對接插頭、33.通斷閥門。
下面結合附圖和實例對本發明內容作進一步詳細的說明，但並不作為對本發明做任何限制的依據。
如圖1所示，本發明為一種複合材料帽形長桁預成型及其加筋壁板固化的芯模，該芯模包括：芯軸1、真空袋2、端頭3和墊塊4；
其中，所述芯軸1，用於帽形長桁預成型及其加筋壁板共固化或共膠接成型；
所述端頭3，整體分為粗端及細端，呈t形，所述端頭3設置在所述芯軸1的兩端，所述端頭3粗端用於支撐並密封所述芯軸1，所述端頭3截面外形輪廓與所述芯軸1截面外形尺寸一致，所述端頭3粗端的端面設置用於與所述芯軸1配合的對接插頭32，所述端頭3上均設有貫穿粗端及細端的端頭通孔31，所述端頭通孔31細端上設有通斷閥門33，所述端頭通孔31細端用於連接真空表或真空泵，所述端頭通孔31細端直徑以便於連接真空表及真空泵為準；
所述真空袋2包裹在所述芯軸1和所述端頭3的外側壁上，用於預成型過程隔離芯軸1和預浸料鋪層，在固化過程有效傳遞熱壓罐壓力，促進預浸料鋪層密實，確保製件質量；
所述墊塊4設置在包裹了所述真空袋2的所述芯軸1的底部兩端的拐角處，用於預成型時帽形長桁底部兩端拐角處的平滑過渡，保證帽形長桁預浸料鋪層5形狀符合設計要求。
所述芯軸1為中空結構，所述芯軸1的外表面等距設置有貫穿整個芯軸1長度方向的若干導氣凹槽11，每個所述導氣凹槽11的中心線上沿長度方向均勻分布有若干導氣通孔12，所述芯軸1的兩端設置用於與所述端頭3的對接插頭32配合的對接插槽13。
所述真空袋2為圓筒狀，所述真空袋2通過密封膩子22與設置在所述芯軸1兩端的所述端頭3的側壁實現密封，優選自通氣型筒狀真空袋。
所述芯軸1和所述端頭3連接處設有壓敏膠帶21用於連接及固定。
所述墊塊4截面呈不規則三邊形，與所述芯軸1接觸的邊為弧形，其形狀與所述芯軸1包裹所述真空袋2並達到真空狀態後底部兩端拐角形狀相匹配，所述墊塊4底面為平面，與所述芯軸1包裹所述真空袋2並達到真空狀態後的底面平齊，所述墊塊4斜面整體上與所述芯軸1包裹所述真空袋2並達到真空狀態後的斜面平齊，在靠近所述墊塊4底面處採用圓弧倒角平滑過渡。
一種採用上述芯模完成複合材料帽形長桁預成型及其加筋壁板固化的方法，該方法具體包括以下步驟：
步驟1.組裝芯模:將芯模內部抽真空，並檢測芯模氣密性；
步驟2.預成型:在組裝完成的芯模底部兩側拼接拐角區墊塊4後放置於預成型設備平臺6上，通過熱隔膜工藝將平面預浸料鋪層預成型為帽形長桁預浸料鋪層5；
步驟3.封裝及固化:將步驟2預成型的帽形長桁預浸料鋪層5連同芯模與成型模具9及蒙皮預浸料鋪層8進行定位組合，組合完畢後，按熱壓罐工藝進行真空袋封裝後進行固化；
步驟4.脫模：固化結束後，先拆除芯軸1某一端的端頭3，然後從芯軸1另一端整體拔出芯軸1。由於固化後帽形長桁預浸料鋪層5內型面尺寸變大，並且真空袋2在固化過程中受熱壓罐壓力的作用與芯軸1分離，利於芯軸1拔出；真空袋2與帽形長桁預浸料鋪層5接觸面採用通用的隔離處理方法，方便真空袋2剝離。
所述步驟1具體包括以下步驟：
首先，將芯軸1兩端分別與端頭3通過對接插槽13和對接插頭32合併，並利用壓敏膠帶21連接及固定芯軸1及端頭3，將筒狀真空袋2包裹芯軸1及端頭3，利用密封膩子22在兩端端頭3上封裝真空袋2，封裝結束後一端端頭3連接真空泵，另一端端頭3連接真空表，開啟兩端端頭3的通斷閥門33，啟動真空泵，真空袋2包裹的空氣通過端頭通孔31、芯軸內腔14、導氣通孔12、導氣凹槽11排出，同時真空袋2收縮並出現褶子；
其次，在真空袋2收縮但尚未達到真空狀態過程中，真空袋2相對蓬鬆，調整褶子尺寸及位置，使褶子分布在導氣凹槽11內，並填充導氣凹槽11，同時藉助外型面標準卡板，並逐漸提高真空度，使外型面趨於平整，確保外型面質量，芯軸1內部達到真空後，停止抽真空，關閉連接真空泵一端端頭3的通斷閥門33，通過觀察真空表示數變化，判斷其氣密性。如果漏氣，檢查密封膩子22密封性及真空袋2的完整性，必要時更換真空袋2並重新封裝，保證氣密性，氣密性檢測合格後，關閉兩側通斷閥門33，卸下真空泵及真空表，芯模保持真空狀態備用。
所述步驟3的具體工藝為：
預成型結束後，將帽形長桁預浸料鋪層5、芯軸1及拐角區墊塊4整體從預成型設備平臺6取出，整體翻轉後，分離並去除墊塊4，保持帽形長桁預浸料鋪層5與芯模為一體，利用預浸料捻子條7填充取下拐角區墊塊4後的拐角區域，隨後整體與成型模具9及蒙皮預浸料鋪層8定位組合，組合完畢後，按熱壓罐工藝進行真空袋封裝，然後開啟芯模兩端端頭3通斷閥門33，固化過程中，熱壓罐壓縮空氣將通過端頭通孔31、芯軸內腔14、導氣通孔12、導氣凹槽11作用到真空袋2上，有效傳遞熱壓罐壓力，在熱壓罐壓力的作用下，帽形長桁預浸料鋪層5厚度在固化過程中逐漸變小，帽形長桁預浸料鋪層5內型面尺寸變大，由於真空袋2沿芯軸1截面均勻分布真空袋褶子23，將用以補償帽形長桁預浸料鋪層5內型面變大的尺寸，有效避免真空袋2架橋，確保整個過程熱壓罐壓力有效傳遞。
所述包裹真空袋2並達到真空狀態後的芯模截面尺寸小於固化後帽形長桁內型面截面尺寸，差值近似為帽形長桁預浸料鋪層5固化前後變化量，所述真空袋2的截面周長大於所述芯軸1外型面截面周長。
實施例:
具體工藝為：
第一步，芯模準備：
1、芯軸
芯軸1採用剛性材料製備，如碳纖維複合材料、因瓦鋼等，在滿足剛度的前提下，芯軸1採用薄壁中空結構，芯軸1外表面加工貫穿整個芯軸1長度方向的導氣凹槽11，導氣凹槽11深度約為0.5mm，寬度約為5mm，相鄰凹槽間距約為10mm；每個導氣凹槽11中心線上沿長度方向均勻分布導氣通孔12，導氣通孔12直徑約1mm，孔間距約20mm；芯軸1兩端加工對接插槽13。
2、真空袋
真空袋2選用自通氣型筒狀真空袋，該真空袋兼具隔離膜、透氣氈及普通真空袋的功能，該芯模裝置應用中省去傳統透氣氈和隔離膜的使用，筒狀真空袋截面周長大於芯軸1截面周長。
3、端頭
端頭3採用剛性材料製備，如碳纖維複合材料、因瓦鋼等，端部加工與芯軸1上對接插槽13匹配的對接插頭32，同時加工貫穿端頭3的端頭通孔31，並在端頭通孔31上設置通斷閥門33。
第二步，組裝：
芯軸1兩端分別與端頭3通過對接插槽13和對接插頭32合併，並利用壓敏膠帶21連接並固定芯軸1及端頭3。筒狀真空袋2包裹芯軸1及端頭3，利用密封膩子22在兩端端頭3上封裝真空袋2。筒狀真空袋2的截面周長大於芯軸1外型面截面周長。一端端頭3連接真空泵，另一端端頭3連接真空表，開啟通斷閥門33。啟動真空泵，真空袋2包裹的空氣通過端頭通孔31、芯軸內腔14、導氣通孔12、導氣凹槽11排出，同時真空袋2收縮。由於真空袋2的截面周長大於芯軸1外型面截面周長，真空袋2出現褶子。在真空袋2收縮但尚未達到真空狀態過程中，真空袋2相對蓬鬆，手工調整褶子尺寸及位置，儘量使褶子分布在導氣凹槽11內，並填充導氣凹槽11，同時藉助外型面標準卡板，並逐漸提高真空度，使外型面趨於平整，確保外型面質量。芯軸1內部達到真空後，即控制芯模內部真空為-0.1mpa，停止抽真空，關閉連接真空泵一端通斷閥門33，通過觀察真空表示數變化，判斷其氣密性。如果漏氣，檢查密封膩子22密封性及真空袋2的完整性，必要時更換真空袋2並重新封裝，保證氣密性。氣密性檢測合格後，關閉兩側通斷閥門33，卸下真空泵及真空表，芯模保持真空狀態備用。
第三步，預成型
芯模底部兩側拼接拐角區墊塊4後放置於預成型設備平臺6。通過熱隔膜工藝將平面預浸料鋪層預成型為帽形長桁預浸料鋪層5。在預成型過程中，拐角區墊塊4將確保帽形長桁預浸料鋪層5在芯模底部拐角區均勻過渡，避免帽形長桁預浸料鋪層5貼合芯模底部拐角區，導致帽形長桁預浸料鋪層5與設計數模不符。
特殊地，如果不具有預成型設備的條件，可以在該芯模上完成帽形長桁預浸料鋪層5的手鋪鋪貼。
第四步，封裝及固化
預成型結束後，將帽形長桁預浸料鋪層5、芯軸1及拐角區墊塊4從預成型設備平臺6取出，放置於成型模具9上模具中。由於芯模尺寸的設計考慮了預浸料鋪層固化前後的厚度變化，預成型結束後，帽形長桁預浸料鋪層5外型面尺寸與成型模具9上模具內型面匹配，有效避免暴力配合。然後取下拐角區墊塊4，利用預浸料捻子條7填充取下拐角區墊塊4後的拐角區域，隨後翻轉成型模具9上模具，使帽形長桁預浸料鋪層5、預浸料捻子條7與蒙皮預浸料鋪層8定位組合。組合完畢後，開啟芯模兩側通斷閥門33接通大氣，然後將帽形長桁加筋壁板按熱壓罐工藝進行真空袋封裝，並進行固化。固化過程中，熱壓罐壓縮空氣將通過端頭通孔31、芯軸內腔14、導氣通孔12、導氣凹槽11作用到真空袋2上，有效傳遞熱壓罐壓力。固化過程中，在熱壓罐壓力的作用下，帽形長桁預浸料鋪層5厚度逐漸變小，帽形長桁預浸料鋪層5內型面尺寸變大。由於真空袋2均勻分布真空袋褶子23，將用以補償帽形長桁預浸料鋪層5內型面變大的尺寸，有效避免真空袋2架橋，確保整個過程，熱壓罐壓力有效傳遞。芯軸1為薄壁中空結構，其重力對底部蒙皮的固化壓力的影響可以忽略不計。
第五步，脫模
固化結束後，先拆除芯軸1某一端的端頭3，然後從芯軸1另一端整體拔出芯軸1。由於固化後帽形長桁預浸料鋪層5厚度減小，其內型面尺寸變大，並且真空袋2在固化過程中受熱壓罐壓力的作用貼合帽形長桁預浸料鋪層5，而與芯軸1分離，同時導氣凹槽11貫穿芯軸1長度方向，很容易將芯模抽出。真空袋2與帽形長桁預浸料鋪層5接觸面採用通用的隔離處理方法，方便真空袋2剝離。至此，完成帽形長桁加筋壁板固化成型。
本發明的有益效果是：
1）該芯模能先後用於帽形長桁預成型及其加筋壁板共固化或共膠接成型，避免預成型及固化採用不同的芯模，節約模具成本；
2）由於預成型及固化採用同一芯模，避免帽形長桁預浸料鋪層在預成型模具及固化芯模之間的轉移，減少封裝工序，有效簡化工藝流程；
3）採用將真空袋貼合在芯軸後預成型帽形長桁預浸料鋪層的方法，有效避免傳統直接真空袋封裝過程拐角出現架橋的問題，同時利用芯模導氣凹槽巧妙地將真空袋褶子均勻分布在芯模截面，促進真空袋褶子在固化過程補償由於預浸料鋪層厚度變小導致其內型面變大的尺寸，從而有效傳遞熱壓罐壓力，確保製件質量；
4）傳統真空袋封裝方式到最終整個加筋壁板封裝才能檢測其氣密性，如果漏氣，將重新封裝，操作難度大、周期長，該芯模在使用前能有效檢測真空袋的氣密性，有效避免後續漏氣需重新封裝的風險。