复合材料零件成型方法、复合材料零件及成型模具与流程

1.本技术涉及零件成型工艺技术领域，尤其涉及复合材料零件成型方法、复合材料零件及成型模具。


背景技术：

2.航空航天领域对结构减重、结构轻量化、结构一体化的要求越来越高，碳纤维具有质量轻、比强度高、比模量高、可设计性等优异的性能，碳纤维复合材料的性能优势以及复合材料成型工艺技术的快速发展使得碳纤维复合材料在航空航天领域的应用越来越广泛，先进复合材料零件在飞行器上的占比已经成为飞行器技术先进程度和市场竞争力的关键评价标准。
3.相关技术中，带空腔结构的复合材料零件成型过程中，一般由泡沫、硅橡胶等材质作为芯模，由于泡沫、硅橡胶等材质的刚性及强度不足，因此在合模过程中，预成型体易出现褶皱和夹料的问题，导致预成型体的外形尺寸精度较差。


技术实现要素：

4.为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本技术提供一种复合材料零件成型方法、复合材料零件及成型模具，能够提高预成型体的尺寸精度，进而提升了成型后零件的品质。
5.本技术第一方面提供一种复合材料零件的成型方法，包括：
6.将预浸料沿成型模具的芯模的外表面进行铺贴，形成预成型体，其中，所述芯模为刚性芯模，所述预成型体具有与所述芯模外表面轮廓随型的空腔结构；
7.将带有预成型体的所述芯模放置于成型模具的型腔内，使所述预成型体的外周面与所述型腔的型腔面相贴合；
8.将所述芯模自所述预成型体中取出；
9.将所述预成型体通过真空袋进行封装，并将封装后的所述预成型体通过热压罐工艺固化成型。
10.在一实施例中，所述将预浸料沿成型模具的芯模的外表面进行铺贴，包括：
11.将所述预浸料沿成型模具的芯模的外表面分多层铺贴，并进行预压实，其中，相邻层的所述预浸料之间通过粘接剂粘接。
12.在一实施例中，所述将预浸料沿成型模具的芯模的外表面进行铺贴之前，包括：
13.在所述成型模具的芯模的外表面铺贴脱模布。
14.在一实施例中，所述成型模具包括上模和下模，所述型腔由所述上模和所述下模共同限定出；
15.所述将带有预成型体的所述芯模放置于成型模具的型腔内，包括：
16.将带有所述预成型体的芯模嵌入于所述成型模具的下模型腔，然后对所述上模和所述下模进行合模，其中，所述上模和所述下模之间的合模间隙小于预设尺寸。
17.在一实施例中，所述将所述芯模自所述预成型体中取出，包括：
18.将所述芯模自所述预成型体中沿所述预成型体的空腔结构的延伸方向抽取出。
19.在一实施例中，所述芯模的布氏硬度为30-150。
20.在一实施例中，所述芯模的材质包括代木材料。
21.本技术第二方面提供一种复合材料零件，所述复合材料零件由如上第一方面所述的复合材料零件的成型方法制得。
22.本技术第三方面提供一种成型模具，包括上模、下模及至少一套芯模；
23.所述上模和所述下模共同限定出有至少一个可嵌入所述芯模的型腔，预成型体可设置于所述芯模的外周面与所述型腔的型腔面之间，其中，所述芯模为刚性芯模。
24.本技术提供的技术方案可以包括以下有益效果：
25.本技术的复合材料的部件成型方法，将预浸料沿成型模具的芯模的外表面进行铺贴，形成预成型体，其中，所述芯模为刚性芯模，所述预成型体具有与所述芯模外表面轮廓随型的空腔结构；将带有预成型体的所述芯模放置于成型模具的型腔内，使所述预成型体的外周面与所述型腔的型腔面相贴合；将所述芯模自所述预成型体中取出；将所述预成型体进行封装，并将封装后的所述预成型体通过热压罐工艺固化成型。这样处理工艺，有效保证了预浸料在芯模铺贴的紧实，避免了预成型体产生形变，提高预成型体外形尺寸精度，进而提高了成型后零件的品质。
26.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
27.通过结合附图对本技术示例性实施方式进行更详细的描述，本技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本技术示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
28.图1是本技术实施例示出的复合材料零件的成型方法的流程示意图；
29.图2是本技术实施例示出的复合材料零件的成型方法的另一流程示意图；
30.图3是本技术实施例示出的成型模具的合模示意图；
31.图4是本技术实施例示出的成型模具的芯模抽取示意图。
32.附图标记：成型模具100；下模110；上模120；芯模130；下模型腔111；上模型腔121。
具体实施方式
33.下面将参照附图更详细地描述本技术的实施方式。虽然附图中显示了本技术的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本技术更加透彻和完整，并且能够将本技术的范围完整地传达给本领域的技术人员。
34.应当理解，尽管在本技术可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更
多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
36.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
37.相关技术中，带空腔结构的复合材料零件成型过程中，一般由泡沫、硅橡胶等材质作为芯模，由于泡沫、硅橡胶等材质的刚性及强度不足，因此在合模过程中，预成型体易出现褶皱和夹料的问题，导致预成型体的外形尺寸精度较差。
38.针对上述问题，本技术实施例提供一种复合材料零件成型方法、复合材料零件及成型模具，能够提高预成型体的尺寸精度，进而提升了成型后零件的品质。
39.以下结合附图详细描述本技术实施例的技术方案。
40.图1是本技术实施例示出的复合材料零件的成型方法的流程示意图。
41.参见图1，本技术的复合材料零件成型方法，其包括：
42.s110，将预浸料沿成型模具的芯模的外表面进行铺贴，形成预成型体，其中，芯模130为刚性芯模，预成型体具有与芯模外表面轮廓随型的空腔结构。
43.预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍的连续纤维或织物，本实施例的预浸料可以是碳纤维预浸料。
44.本实施例中，由于芯模130为刚性芯模，具有更好的强度及硬度，因此芯模130不会随着预浸料被压实而产生形变，使得预浸料更易于铺贴，压实过程中，能更完全地排出铺层中掺杂的气体，提升了预浸料与芯模130铺贴的紧实度，进而提高了预成型体的外形尺寸精度。
45.s120，将带有预成型体的芯模放置于成型模具的型腔内，使预成型体的外周面与型腔的型腔面相贴合。
46.该步骤中，预成型体放置于成型模具的型腔内时，预成型体位于芯模130的外周壁和成型模具的型腔的型腔面之间，由于芯模130为钢性芯模，因此，芯模130能将预成型体压紧于型腔面，进而能更为精准地控制预成型体的外形尺寸。
47.该步骤中，可以对芯模130施加外力，使芯模130嵌入于型腔内，由于芯模130由刚性材料制成，因此，芯模130对预成型体具有更好的支撑作用，能使预成型体的外表面更紧密地贴合于型腔的内壁，进而实现对预成型体的形状及尺寸精度更为有效地控制。
48.s130，将芯模自预成型体中抽取出。
49.该步骤中，由于芯模130为钢性芯模，因此芯模130更易于抽取，在抽取时，不会产生断裂现象。
50.s140，将预成型体通过真空袋进行封装，并将封装后的预成型体通过热压罐工艺固化成型。
51.该步骤中，可以通过真空袋对预成型体进行封装，由于预成型体具有空腔结构，封装所用的真空袋需要从预成型体的腔体内部穿过，可以预先制作出符合该零件尺寸的真空袋，进而便于封装操作。
52.本实施例中，可以通过热压罐工艺对封装后的预成型体固化成型，由于预成型体具有更精准的外形尺寸，不会产生形变，因此，保证了复合材料在承力方向上的连续性，能提升固化成型后的零件的结构强度，保证了零件品质。
53.综上，本技术的复合材料的部件成型方法，将预浸料沿成型模具的芯模的外表面进行铺贴，形成预成型体，其中，芯模为刚性芯模；将带有预成型体的芯模放置于成型模具的型腔内，使预成型体的外周面与型腔的型腔面相贴合；将芯模自预成型体中取出；将预成型体通过真空袋进行封装，并将封装后的预成型体通过热压罐工艺固化成型。这样处理工艺，有效保证了预浸料在芯模铺贴的紧实，避免了预成型体产生形变，提高预成型体的尺寸精度，进而提高了成型后零件的品质。
54.图2是本技术另一实施例示出的复合材料的零件成型方法的另一流程示意图，图2相比图1，更详细地介绍了本技术实施例的方法。
55.参见图2，本技术的复合材料的零件成型方法，其包括：
56.s210，在成型模具的芯模的外表面贴设脱模布。
57.该步骤中，在芯模130的外表面贴设脱模布可以避免芯模130与预浸料之间产生粘连，使得更易于芯模130的抽取，一实施例中，脱模布的材质包括聚四氟乙烯，但不限于此。
58.s220，将预浸料沿成型模具的芯模的外表面分多层铺贴，并进行预压实，形成预成型体，其中，相邻层的预浸料之间通过粘接剂粘接。
59.该步骤中，可以将预浸料按照提前设计好的铺层角度、铺层数量及铺层方法进行分层铺贴，相邻层的预浸料之间通过粘接剂粘接，粘接剂可以为树脂材料，但不限于此，铺贴完成形成的预成型体形成一定的厚度，使得预成型体的强度进一步提高。
60.一些实施例中，当预成型体为带有空腔的柱形结构或长条形结构时，可以将预浸料通过多层缠绕的方式铺贴于芯模130。
61.本实施例中，由于芯模130为刚性芯模，因此，在预浸料的铺贴过程中，可施加适当的外力对预浸料进行预压实，预压实的过程中，预浸料的层与层之间不容易出现褶皱，保证了预浸料逐层铺贴的紧实，预浸料层与层之前的结合更为紧密，使得铺贴后形成的预成型体的强度及尺寸精度进一步提高。
62.s230，将带有预成型体的芯模嵌入于成型模具的下模型腔，然后对上模和下模进行合模，其中，上模和下模之间具有预设大小的合模间隙。
63.参见图3和图4，本实施例中，成型模具100包括上模120和下模110，型腔由上模120和下模110共同限定出，其中，成型模具100的型腔包括设于上模120的上模型腔121以及设于下模110的下模型腔111，合模后，芯模130的上侧可嵌入于上模型腔121，芯模130的下侧可嵌入于下模型腔111。
64.该步骤中，首先将带有预成型体的芯模130的下侧嵌入于下模型腔111，盖上上模120后，芯模130的上侧能嵌入于上模型腔121。合模过程中，可以将芯模130和下模型腔111
进行对位，然后通过对芯模130施加外力，调整芯模130的位置，使芯模130的下侧嵌入于下模型腔111。
65.本实施例中，由于芯模130为刚性芯模，预浸料在芯模130的外表面铺贴更为紧实，因此，预成型体在芯模130的支撑下嵌入下模型腔111时，预浸料受到芯模130和下模110的挤压力时不会变形或褶皱，而且，由于芯模130的支撑力更强，因此可以避免相关技术中的预成型体难以和型腔完全贴合，本技术的方案可以使预成型体难以贴合的部位(例如r角)更为紧密地与型腔面对应的部位贴合。
66.本实施例中，当芯模130的下侧嵌入下模型腔111后，预成型体的上侧外表面能始终保持平整，即预成型体的上侧外表面的面积不会因预成型体嵌入下模110时受到挤压而增大，使得预成型体上侧的表面积大致等于上模型腔121的型腔面的面积，因此，在合模时，预成型体也不会因受到上模120的压力产生褶皱或在合模间隙出现夹料现象。合模后，上模120和下模110之间的合模间隙可小于2mm，和相关技术相比，合模间隙更小，不仅能进一步提升预成型体的尺寸精度，而且在后续步骤更易于抽取芯模。
67.s240，将芯模自预成型体中抽取出。
68.本实施例中，复合材料零件为带空腔结构的零件，其中，空腔结构形成有规整的锥度。该步骤中，可以将芯模130沿空腔结构的锥度形成的相反方向自预成型体中抽取出，抽取时，芯模130的外表面与空腔结构的锥面之间相分离，这样可减小抽取时的摩擦力，进而能减小抽取芯模时对预成型体结构尺寸的影响。
69.由于预浸料在铺贴前，芯模的外表面铺贴有一层脱膜布，因此在抽取芯模时，芯模的外表面与预成型体之间不存在粘性，芯模抽取后，脱模布可留置于预成型体的内表面，使得芯模的抽取过程更为顺利，不会使预成型体产生扭曲变形。
70.而且，本实施例中，预浸料的层与层之间是通过粘结剂粘接的，在经过预压实和抽真空处理后，预浸料的层与层之间紧密结合，并形成一定的厚度，因此，预成型体的结构强度更高，芯模被抽取出时，预成型体在没有被支撑的情况下，也能保持原有的尺寸精度。
71.由于芯模为刚性芯模，其自身的强度更高，因此，能避免相关技术中由硅橡胶制成的芯模在抽取时容易产生断裂的现象。
72.s250，将预成型体通过真空袋进行封装。
73.该步骤中，可以通过真空袋对预成型体通过真空袋进行封装，由于预成型体具有空腔结构，因此，封装所用的真空袋需要从预成型体的腔体内部穿过，可以预先配置符合该零件尺寸的真空袋，进而便于封装操作。
74.一实施例中，可以采用“回”字形的封装方式对预成型体通过进行封装，即真空袋从零件的内部腔体穿过，真空袋的内表与大气接触。
75.一实施例中，当预成型体呈长条形，例如成型体为展开天线的主肋或副肋结构，且空腔结构的截面尺寸较小时，可以将预先制作好的和该预成型体的尺寸匹配的真空袋通过引导件的引导穿过预成型体的内部腔体，例如，引导件可以是金属丝，先将金属丝的首端穿过预成型体的内部腔体，然后将真空袋的一端固定于金属丝的尾端，在内部腔体另一侧抽出金属丝时，金属丝可引导真空袋进入内部腔体。
76.s260，将封装后的预成型体通过热压罐工艺固化成型。
77.该步骤中，可以通过热压罐工艺对预成型体固化成型，由于预成型体具有更精准
的外形尺寸，因此，保证了复合材料在承力方向上的连续性，能进一步提升固化成型后的零件的结构强度，保证了零件品质。
78.相关技术中，带空腔结构的复合材料零件成型过程中，一般由泡沫、硅橡胶等材质作为芯模，泡沫材质的芯模的缺陷是：零件在固化成型后，内部用作芯模填充的泡沫不易取出，因此会留置于芯模内，随着时间的推移，零件内部泡沫产生老化会慢慢缩小脱落，当设备或产品在运动时，脱落的泡沫会在惯性的作用下撞击零件内部，导致产生异响。硅橡胶材质的芯模的缺陷是：硅橡胶使用寿命短，一般使用次数不超过十次，在零件成型后抽取过程中断裂时，有导致零件报废风险；另外，在铺贴预浸料的时候会在硅橡胶表面涂抹脱膜剂，因此会有残留脱模剂吸附在零件内表面，影响零件成型质量。
79.本实施例中，芯模的布氏硬度为30-150，或者，芯模的硬度可以大于泡沫材质和硅橡胶材质，和相关技术中的泡沫材质和硅橡胶材质的芯模相比，具有更好的刚性及强度。不仅可以避免相关技术中的芯模采用泡沫导致难以在预成型体中抽取出的缺陷，而且可以避免相关技术中采用硅橡胶材质的芯模在芯模抽取时容易产生断裂的现象，另外，无需在芯模的外表面涂抹脱模剂，因此在零件上不会造成脱模剂残留。
80.一实施例中，芯模的材质可以是代木材料，代木材料是一种高分子材料，例如可以包括环氧代木、聚氨酯代木、聚酯代木和酚栓树脂代木等，其硬度高、热膨胀系数低、尺寸稳定性、成本低且易于加工。
81.以上介绍了本技术实施例的复合材料零件的成型方法，相应地，本技术还提供了一种成型模具及相应的实施例。
82.图3是本技术实施例示出的成型模具的合模示意图，图4是本技术实施例示出的成型模具的芯模抽取示意图。
83.参见图3和图4，本技术提供的成型模具100，包括上模120、下模110及至少一套芯模130；上模120和下模110共同限定出有至少一个可嵌入芯模的型腔，预成型体可设置于芯模的外周面与型腔的型腔面之间，其中，芯模130为刚性芯模。
84.本实施例中，芯模的布氏硬度为30-150，或者，芯模130的硬度可以大于泡沫材质和硅橡胶材质，这样设计后，在预浸料的铺贴过程中，有效保证了预浸料在芯模铺贴的紧实，避免了预成型体在铺贴过程产生形变，提高预成型体外形尺寸精度，另外，在合模过程中，能避免预成型体产生褶皱及在合模面产生夹料的现象，进而有利于提高成型后零件的结构强度及零件品质。
85.一些实施例中，芯模130可配置为多个，能保证在成型模具100在使用过程中，占用其中一套或多套芯模130的时候，还有另外的一套或多套备用的芯模130可以进行预浸料的铺贴工作，这样可实现预成型体的循环固化成型，提高复合材料零件的生产效率和成型模具的利用率。
86.参见图3和图4，一些实施例中，成型模具的型腔由上模120和下模110共同限定出，型腔包括设于上模120的上模型腔121以及设于下模110的下模型腔111，合模后，芯模130的上侧可嵌入于上模型腔121，芯模130的下侧可嵌入于下模型腔111。
87.一些实施例中，首先将带有预成型体的芯模130的下侧嵌入于下模型腔111，然后盖上上模120，使芯模130的上侧嵌入于上模型腔121。例如，将芯模130和下模型腔111对位后，通过对芯模130施加外力，调整芯模130的位置，使芯模130的下侧准确地嵌入于下模型
腔111，然后将上模120盖合于下模110。
88.本实施例中，由于芯模130为刚性芯模，因此芯模130的外表面的铺贴的预浸料更为紧实，芯模130对预成型体的支撑作用更好，当带有预成型体的芯模130的下侧嵌入于下模型腔111时，预成型体不易产生形变，且使预成型的外表面与型腔面的贴合更为紧密，提高了预成型体的尺寸精度，提升了成型后的零件品质。
89.以上介绍了本技术的复合材料零件的成型方法及成型模具，相应地，本技术还提供了一种带有空腔结构的复合材料零件，该复合材料零件由如上的复合材料零件的成型方法制得。
90.本实施例提供的复合材料零件，具有与芯模外表面轮廓随型的空腔结构，其空腔结构形成有规整的锥度，这样可利于在成型过程中，顺利地将芯模抽取出。一些实施例中，该复合材料零件可以应用于大型展开天线，例如，可以作为大型展开天线的主肋和/或副肋结构，但不限于此，这样不仅可以满足大型展开天线的轻量化要求，而且，使得主肋和副肋结构具有更高的结构强度，进而可提升展开天线的工作稳定性及使用寿命。
91.以上已经描述了本技术的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。