專利名稱：大尺寸復(fù)合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲透成型模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合材料成型技術(shù)，涉及對大尺寸復(fù)合材料加筋壁板真
空輔助樹脂滲透(VARI)成型模具。
背景技術(shù)：
樹脂基復(fù)合材料以其優(yōu)越的性能已經(jīng)成為航空航天等領(lǐng)域廣泛釆用的最主要的結(jié)構(gòu)材料之一，加筋壁板是航空復(fù)合材料的一類典型結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)加強(qiáng)筋截面形狀，通常加筋壁板有"T"型、"工"型、"J"型或混合型等幾種主要形式。傳統(tǒng)的成型方法是釆用碳纖維預(yù)浸料通過熱壓罐加壓成型， 一般三種成型方式(l)加強(qiáng)筋和蒙皮分別固化成型而后膠接；(2)蒙皮先固化、加強(qiáng)筋固化的同時(shí)與蒙皮膠接；(3)加強(qiáng)筋與蒙皮一起共固化成為加筋壁板。但是，傳統(tǒng)的預(yù)浸料-熱壓罐成型方法存在兩方面弊端①不宜結(jié)合縫合等技術(shù)對復(fù)合材料進(jìn)行三維增強(qiáng)，層間
強(qiáng)度低；②預(yù)浸料儲(chǔ)存及熱壓罐成本高。近年來，為提高飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)性
能對復(fù)合材料的需求越來越大，而這兩方面因素卻在一定程度上限制著飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的用量。降低復(fù)合材料的制造成本提高復(fù)合材料的抗損傷能力是擴(kuò)大復(fù)合材料用量的重要前提，也因此復(fù)合材料的三維增強(qiáng)技術(shù)和低成本制造技術(shù)成為復(fù)合材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
VARI成型技術(shù)是一種新型的復(fù)合材料液體成型技術(shù)，其工藝原理是采用單面模具在真空作用下使樹脂浸潤干態(tài)纖維預(yù)成型體，而后在室溫或烘箱中固化成型的方法。采用VARI工藝可以結(jié)合縫合等三維增強(qiáng)技術(shù)提高層間強(qiáng)度，同時(shí)由于VARI工藝不需要投資巨大的熱壓罐，制造成本低，是近年來國內(nèi)外復(fù)合材料領(lǐng)域備受關(guān)注的低成本制造技術(shù)。
但另一方面，熱壓罐工藝除真空壓力之外還可以額外增加幾個(gè)或十幾個(gè)壓力，即使模具有一定的變形，通過壓力作用也可以在一定程度上克服變形，不至于因壓力傳遞不到位導(dǎo)致復(fù)合材料制件報(bào)廢。"T"型、
"工"型、"J"型加筋壁板傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)思路是采用剛性外形模保證壁板外形，"T"型、"工"型、"J"型加強(qiáng)筋至少一側(cè)釆用剛性模具或兩側(cè)均釆用剛性模。而VARI整個(gè)工藝過程只有一個(gè)真空壓力，模具之間的配合狀態(tài)成為影響VARI復(fù)合材料質(zhì)量至關(guān)重要的因素。VARI工藝對模具結(jié)構(gòu)、模具精度等因素非常敏感，尤其對于大尺寸加筋壁板，因?yàn)?T"型、"工"型、"J"型筋兩側(cè)模具又細(xì)又長，加工難度大，不可避免會(huì)產(chǎn)生變形，。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提出一種適用于"T"型、"工"型、"J"型筋兩側(cè)模具又細(xì)又長，加工難度大的大尺寸復(fù)合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲透成型模具。本發(fā)明的技術(shù)解決方案加強(qiáng)筋模具包括模板、定位模、成形模和蓋板，在模板上鋪放復(fù)合材料壁板蒙皮預(yù)成型體和加筋預(yù)成型體，定位模放置在加筋預(yù)成型體的一側(cè)，在加筋預(yù)成型體的另一側(cè)放置成形模，在加筋預(yù)成型體的頂部放置蓋板。
所說的定位模是一種由橡膠、剛性加強(qiáng)層和加強(qiáng)層組合而成的復(fù)合模具；剛性加強(qiáng)層置于橡膠中，加強(qiáng)層置于橡膠的表層或淺表層。成形模為如下三種方式之一(1 )全橡膠軟膜；
(2) 在靠近成形模的型面0隱 1.5mm處放置浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度0 mm 0.5mm,與橡膠一起硫化形成成形模；
(3) 采用1 5mm厚度的玻璃鋼板或鋁板，在加強(qiáng)筋根部對接作為成形模，用于加強(qiáng)筋下凸緣成型的玻璃鋼板或鋁板的厚度要求不小于加強(qiáng)筋根部圓角半徑R。
所述的剛性加強(qiáng)層置于橡膠中的數(shù)量根據(jù)加筋預(yù)成型體的高度確定，當(dāng)加筋預(yù)成型體的高度《50mm時(shí)，在橡膠的中間位置放置1條剛性加強(qiáng)層；當(dāng)加筋預(yù)成型體的高度〉50mm時(shí)，在橡膠的上下位置放置2條剛性加強(qiáng)層；剛性加強(qiáng)層的材質(zhì)為下述材質(zhì)之一
(1)金屬材料或玻璃鋼薄板，厚度cjl為1. 0 mm《cj1《3隨；(2 )浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度a 2為0. 5 mm《ct 2《1. Omm。所述加強(qiáng)層距橡膠表層的距離L為0 mm<L《l. 5mm;加強(qiáng)層的材質(zhì)為浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度cr3為0 mm《cj3<0. 5mm。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果
加強(qiáng)筋模具采用橡膠材料和剛性材料按一定方向復(fù)合，沿特定方向賦予模具以剛性，克服全剛性模具和全橡膠模具存在的不足，使模具不僅適于真空加壓同時(shí)兼?zhèn)浼訌?qiáng)筋定位的功能。本發(fā)明的模具具有剛?cè)嵯?br> 兼的特性，用于大尺寸加筋壁板真空輔助樹脂滲透(Vacuum Assisted Resin Infusion即VARI )工藝成型，解決低壓成型時(shí)模具配合問題， 提高了復(fù)合材料零件成型的可靠性，模具制造成本低；同時(shí)在特定方向 具有一定的剛性，用于加強(qiáng)筋定位，保證加強(qiáng)筋軸線位置。將剛性材料 和橡膠材料根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)組合，充分發(fā)揮剛性材料和橡膠材料各自 的優(yōu)勢，使模具剛-柔并存，且有選擇性地使模具具有各向異性的特點(diǎn)， 這種模具組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是
1、 模具具有柔性，在一個(gè)真空壓力下可以較好的與外形模配合， 更適合VARI工藝低壓成型的特點(diǎn)；
2、 模具具有剛性，可以在外形模上對加強(qiáng)筋進(jìn)行定位，保證加強(qiáng) 筋的軸線位置；
3、 模具加工精度可以降低，減少模具制造成本。
X/Y/Z三個(gè)方向均具有很好柔性，能在真空作用下與對側(cè)模具及外 形模達(dá)到良好配合，可靠保證零件質(zhì)量。


圖1傳統(tǒng)熱壓罐工藝加強(qiáng)筋典型模具組合示意圖，其中，a為成型 "T"型加強(qiáng)筋模具組合示意圖，b為成型"工"型加強(qiáng)筋模具組合示意 圖，c為成型"J"型加強(qiáng)筋壁板模具組合示意圖2本發(fā)明適于VARI工藝低壓成型特點(diǎn)的加強(qiáng)筋定位模具示意圖， 其中，a為一層加強(qiáng)層的示意圖，b為二層加強(qiáng)層的示意圖3本發(fā)明成型"T"型加強(qiáng)筋模具組合；
圖4本發(fā)明成型多加筋曲度壁板模具組合；
圖5本發(fā)明成型"J"型加強(qiáng)筋壁板模具組合。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)加強(qiáng)筋截面形式不同，定位 模l、成形模2、外形模3及蓋板4的組合方式略有不同，典型的"T" 型、"工"型、"J"加筋壁板模具結(jié)構(gòu)見圖l。
將加強(qiáng)筋一側(cè)模具設(shè)計(jì)為剛-柔相兼結(jié)構(gòu)形式使其具有定位功能的 定位模，定位模是一種由橡膠1-1、剛性加強(qiáng)層1-2和加強(qiáng)層1-3組合 而成的復(fù)合模具，橡膠l-l根據(jù)所成型零件的耐溫要求進(jìn)行選擇，可選擇Airpad橡膠。剛性加強(qiáng)層1-2置于橡膠1-1的中間部位，與加強(qiáng)筋 腹板面7垂直，材料可選擇厚度0. 5mm 1.0mm的浸膠纖維布或厚度 1.0rnm 3.0醒的玻璃鋼板、金屬板等，數(shù)量根據(jù)加筋預(yù)成型體的高度 確定，當(dāng)加筋預(yù)成型體的高度《50mm時(shí)，在橡膠的中間位置放置l條剛 性加強(qiáng)層1-2;當(dāng)加筋預(yù)成型體的高度〉50mm時(shí)，在橡膠的上下位置放 置2條剛性加強(qiáng)層1-2;剛性加強(qiáng)層1-2與橡膠1-1 一起硫化成型。加強(qiáng) 層1-3置于橡膠1-1的表層或淺表層，通常情況下，加強(qiáng)層1-3置于橡 膠l-l的淺表層，距橡膠l-l表面的距離為不大于1.5mm,當(dāng)加強(qiáng)筋表 面質(zhì)量有特殊要求時(shí)，加強(qiáng)層1-3直接置于橡膠1-1的表層；加強(qiáng)層1-3 的材質(zhì)為浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，總厚度不大于0. 5mm，與橡膠一 起硫化成型。
加強(qiáng)筋的另 一側(cè)成形模2可以設(shè)計(jì)成柔性模具，材料可選擇纖維板、 Airpad橡膠等進(jìn)行適當(dāng)組合，成形模2可以為如下三種方式之一 (1 )全橡膠軟膜；
(2) 在靠近成形模2的型面0隨 1.5mm處放置浸膠玻璃纖維布 或碳纖維布，厚度0隱 0.5mm,與橡膠2-1 —起硫化形成成形模2;
(3) 采用1 5mm厚度的玻璃鋼板或鋁板，在加強(qiáng)筋根部對接作為 成形模2，用于加強(qiáng)筋下凸緣成型的玻璃鋼板或鋁板2-3的厚度要求不 小于加強(qiáng)筋根部圓角半徑R。
實(shí)施例一
帶有l(wèi)根"T"型加筋的壁板結(jié)構(gòu)，材料體系為T700/BA9912;外形 尺寸1700誦x 500mmx 80mm (長x寬x高)，其中整體壁板的蒙皮1平
面尺寸1700mmx 500mm，厚度2mm，在蒙皮內(nèi)惻沿縱向有1根截面為"T" 型的加強(qiáng)筋，厚度2.6,。為提高加強(qiáng)筋與蒙皮的界面強(qiáng)度，加強(qiáng)筋下 凸緣與蒙皮縫合成為一體，要求通過VARI工藝進(jìn)行整體成型。
將定位模1設(shè)計(jì)為圖3所示，橡膠1-1選擇Airpad橡膠，因加強(qiáng) 筋高度較大，為提高加強(qiáng)筋定位模剛性，采用兩層剛性加強(qiáng)層1-2，材 料選用坡璃鋼板，玻璃鋼板的厚度為2mm，加強(qiáng)層l-3釆用2層單層厚 度0. lmm的EW100浸膠坡璃布，放置在距橡膠表面1. 5mm的位置，剛性 加強(qiáng)層1-2和加強(qiáng)層1-3在軟模成型模中與橡膠組合一起硫化成為定位 模l。另一側(cè)成形模2釆用Airpad橡膠+浸膠玻璃布的復(fù)合結(jié)構(gòu)，加強(qiáng) 層2-2采用2層單層厚度0. lmm的EW100浸膠玻璃布，放置在距橡膠表面1. 5,的位置，加強(qiáng)層2-2在軟模成型模中與橡膠2-1組合一起硫化 成為成形模2。通過VARI工藝驗(yàn)證，所成型的零件沒有出現(xiàn)加壓不到位 的現(xiàn)象。
實(shí)施例二
帶有6根加強(qiáng)筋的壁板結(jié)構(gòu)，長1200觀，跨度700mm,壁板由3段 弧面2個(gè)平面組成，為帶加筋的曲度壁板，其上對稱分布有4根"T" 型縱向加強(qiáng)筋和2根"工"型加筋，腹板高度25mm,均沿弧面的法向。 加強(qiáng)筋下凸緣與蒙皮縫合成為一體，通過VARI工藝進(jìn)行整體成型。
模具組合如圖4所示，通過加強(qiáng)筋外側(cè)成形模定位，主要材料橡膠 1-1是Airpad橡膠，剛性加強(qiáng)層1-2釆用10層EW100浸膠玻璃布，在
軟模成型模中按圖示方向鋪貼，與橡膠硫化成為整體，另一側(cè)設(shè)計(jì)釆用 Airpad全橡膠結(jié)構(gòu)。由于兩側(cè)模具在垂直于蒙皮的方向均具有柔性，在 真空壓力下可與外形模很好配合壓緊預(yù)成型體，縱然軟模成型模有一定 的加工變形，不會(huì)對制件產(chǎn)生致命影響，同時(shí)，零件固化后，以橡膠模 具為主的模具更容易脫模，此模具組合較適宜曲度加筋壁板的VARI成 型，在提高制件VARI成型可靠性的同時(shí)降低了模具制造難度。 實(shí)施例三
帶有4根"J"型加強(qiáng)筋的壁板結(jié)構(gòu)，外形尺寸1900mmx 1000誦x 45mm(長x寬x高)，其中整體壁板的蒙皮1平面尺寸1900mm x 1000mm， 加強(qiáng)筋厚度3. Omm，高度42mm,根部圓角R3?？v向加強(qiáng)筋在中部與兩根 金屬橫梁有裝配關(guān)系，要求縱向加強(qiáng)筋具有較好的表面質(zhì)量。成型方案 是4根加強(qiáng)筋與蒙皮先制備成縫合預(yù)成型體，通過VARI工藝進(jìn)行整體 成型。
將"J"型加強(qiáng)筋內(nèi)側(cè)模具設(shè)計(jì)為定位模1,如圖5所示，橡膠l-l 選擇Airpad橡膠；加強(qiáng)筋高度不大，采用一層剛性加強(qiáng)層1-2，厚度為 3mm的鋁板，材料選用LY12CZ,鋁板在寬度方向具有很好剛性，保證加 強(qiáng)筋的軸線位置；加強(qiáng)層1-3采用2層單層厚度0. lmm的EW100浸膠玻 璃布，放置在橡膠的表面，使定位模l的表面具有一定的硬度以保證加 強(qiáng)筋的表面質(zhì)量，剛性加強(qiáng)層1-2和加強(qiáng)層1-3在軟模成型模中與橡膠 組合一起硫化成為定位模1。另一側(cè)成形模2釆用5mm厚的玻璃鋼板2 -3、 3mm厚的坡璃鋼板2-4與橡膠2-l形成的組合結(jié)構(gòu)。通過VARI工藝 試驗(yàn)，所成型的零件表面質(zhì)量和加強(qiáng)筋軸線位置均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
權(quán)利要求
1.大尺寸復(fù)合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲透成型模具，包括模板[3]、定位模[1]、成形模[2]和蓋板[4]，在模板[3]上鋪放復(fù)合材料壁板蒙皮預(yù)成型體[5]和加筋預(yù)成型體[6]，定位模[1]放置在加筋預(yù)成形體[6]的一側(cè)，在加筋預(yù)成型體[6]的另一側(cè)放置成形模[2]，在加筋預(yù)成型體[6]的頂部放置蓋板[4]，其特征在于所說的定位模[1]是一種由橡膠[1-1]、剛性加強(qiáng)層[1-2]和加強(qiáng)層[1-3]組合而成的復(fù)合模具；剛性加強(qiáng)層[1-2]置于橡膠[1-1]中，加強(qiáng)層[1-3]置于橡膠[1-1]的表層或淺表層；成形模為如下三種方式之一(1)全橡膠軟膜；(2)在靠近成形模[2]的型面0mm～1.5mm處放置浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度0mm～0.5mm，與橡膠一起硫化形成成形模[2]；(3)采用1～5mm厚度的玻璃鋼板或鋁板，在加強(qiáng)筋根部對接作為成形模[2]，用于加強(qiáng)筋下凸緣成型的玻璃鋼板或鋁板[2-3]的厚度要求不小于加強(qiáng)筋根部圓角半徑R。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸復(fù)合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲 透成型模具，其特征是，所述的剛性加強(qiáng)層[l-2]置于橡膠[1-l]中的 數(shù)量根據(jù)加筋預(yù)成型體[6]的高度確定，當(dāng)加筋預(yù)成型體[6]的高度《 50mm時(shí)，在橡膠[l-l]的中間位置放置1條剛性加強(qiáng)層[1-2];當(dāng)加筋預(yù) 成型體[6]的高度〉50mm時(shí)，在橡膠[l-l]的上下位置放置2條剛性加強(qiáng) 層[1-2];剛性加強(qiáng)層[1-2]的材質(zhì)為下述材質(zhì)之一-.(1) 金屬材料或坡璃鋼薄板，厚度cil為1. 0 mm< c7l《3mm;(2) 浸膠玻璃纖維布或碳纖維布，厚度cr2為0.5mm《a2《1.0隱。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸復(fù)合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲 透成型模具，其特征是，所述加強(qiáng)層U-3]距橡膠[1-1]表層的距離(L) 為Omm《L《1.5mm;加強(qiáng)層[1-3]的材質(zhì)為浸膠坡璃纖維布或碳纖維 布，厚度cr3為0 mm《a3《0. 5mm。
全文摘要
本發(fā)明屬于復(fù)合材料成型技術(shù)，涉及對大尺寸復(fù)合材料加筋壁板真空輔助樹脂滲透成型模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。加強(qiáng)筋模具包括模板、定位模、成形模和蓋板，在模板上鋪放復(fù)合材料壁板蒙皮預(yù)成型體和加筋預(yù)成型體，定位模放置在加筋預(yù)成型體的一側(cè)，在加筋預(yù)成型體的另一側(cè)放置成形模，在加筋預(yù)成型體的頂部放置蓋板。本發(fā)明的模具具有剛?cè)嵯嗉娴奶匦裕糜诖蟪叽缂咏畋诎逭婵蛰o助樹脂滲透(Vacuum Assisted Resin Infusion即VARI)工藝成型，解決低壓成型時(shí)模具配合問題，提高了復(fù)合材料零件成型的可靠性，模具制造成本低；同時(shí)在特定方向具有一定的剛性，用于加強(qiáng)筋定位，保證加強(qiáng)筋軸線位置。
文檔編號(hào)B29C70/48GK101628481SQ20091014386
公開日2010年1月20日 申請日期2009年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月1日
發(fā)明者強(qiáng) 劉, 剛 吳, 龍 趙, 趙攀峰, 高艷秋 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所