高精度外表面的变截面中空结构复合材料零件成型方法与流程

本发明涉及树脂基纤维增强复合材料预浸料热压罐成型技术领域，特别是一种高精度外表面的变截面中空结构复合材料零件成型方法。

背景技术：

复合材料由于其质量轻、比强度和比刚度高、可设计性强等特点，在航空航天飞行器结构件领域的应用日益广泛；但异形中空回转体结构复合材料零件的制造一直是个难题，如s形变截面的航空发动机进气道；该类型结构零件成型时通常选择表面质量及精度要求高的一面作为与模具贴合的面，简称贴模面。当零件外形面为贴模面时，可选用组合式阴模，以便于后续脱模，但如果零件截面小，无复合材料预浸料铺叠空间时，则不能直接在阴模上铺叠和成型，必须在阳模上铺叠后将零件从阳模上脱下并转移至阴模上固化，此时未固化的零件坯料从阳模上脱模较为困难。为达到顺利成型零件的目的，必须设计一种便于脱模的芯模。目前常常采用的芯模方式如下：

1)金属组合式芯模，芯模装配关系多，配合面精度高，加工难度大，成本高，且无法保证模具的整体气密性，在固化过程中易出现真空泄露等问题；当形状较为复杂时，金属组合式型模加工无法实现；

2)水溶性芯模：水溶性芯模分为两种，一种为浇筑式芯模，即在型腔中浇筑特殊水溶性材质材料固化后得到芯模，该类芯模内部质量和外部质量要求高，不能有孔洞，材料昂贵，芯模制造成本高；另一种芯模通过在型腔中浇筑成立方体或圆柱体，然后通过数控加工方式得到芯模型面，该类芯模内部质量和外部质量要求高，不能有孔洞，且要求材料可切削，同样材料昂贵，芯模制造成本高；

水溶性芯模只有在零件完全固化后才能通过水溶去除，仅能用于阳模成型，不适用于外形面表面质量和精度要求高的变截面异形中空回转体结构复合材料零件成型。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种高精度外表面的变截面中空结构复合材料零件成型方法，其适用于外型面为贴膜面的变截面中空结构的复合材料零件成型，脱模方便、成本低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

高精度外表面的变截面中空结构复合材料零件成型方法，采用成型芯模和成型阴模；成型芯模包括软模和水溶性芯部，水溶性芯部位于软模形成的空间中；成型阴模包括第一阴模模体和第二阴模模体，第一阴模模体与第二阴模模体可拆卸地相连；成型方法包括以下步骤：在软模表面铺贴复合材料预浸料；密封复合材料预浸料，去除水溶性芯部；将软模、复合材料预浸料置于成型阴模中，固化复合材料预浸料；拆开第一阴模模体和第二阴模模体，去除软模。

本发明提供的成型方法采用了上述的成型芯模，其中成型芯模包括了软模和水溶性芯部。软模部分用于与复合材料贴合，从而能够提供较高的表面质量，水溶性芯部用于支撑软模，使软模具有预设的形状，使得成型芯模的成本低。在复合材料零件的加工中，先去除水溶性芯部，再使软模发生变形，即可去掉软模。而成型阴模部分，则通过分体式的阴模结构实现脱模。可知，本发明提供的成型方法的脱模过程简单，且对水溶性芯部的质量要求相对较低，成本低。

作为本发明的优选方案，软模包括内橡胶层、碳纤维复合材料层和外橡胶层；碳纤维复合材料层位于内橡胶层与外橡胶层之间，内橡胶层上远离碳纤维复合材料层的一侧与水溶性芯部接触；碳纤维复合材料层的厚度不超过0.5mm。本发明提供的成型模具的软模采用上述的结构，碳纤维复合材料层用于起到定型的作用，保证软模在外力的作用下，轮廓的变形量能够控制在适当的范围内。橡胶层设置与碳纤维复合材料层外侧，用于保护碳纤维复合材料层，避免碳纤维复合材料层彻底断裂。其中，碳纤维复合材料层的层数不超过2层，每层的厚度不超过0.5mm。

作为本发明的优选方案，在密封复合材料预浸料中：在软模上未覆盖复合材料预浸料的区域设置密封胶条，在软模上覆盖真空袋膜，使密封胶条、真空袋膜和软模组成一个密封系统，复合材料预浸料位于该密封系统中。

作为本发明的优选方案，在软模表面铺贴复合材料预浸料之前，还包括以下步骤：在软模表面铺贴带胶脱模布。通过以上步骤，能够便于脱模时，分离软模和复合材料零件。

作为本发明的优选方案，在软模表面铺贴复合材料预浸料的过程中，每铺贴预设厚度的复合材料预浸料，对已铺贴的复合材料预浸料进行一次预压实。通过预压实，有助于去除预浸料中的气泡，使复合材料零件具有较高的成型质量。

作为本发明的优选方案，在预压实时，在复合材料层外侧依次铺设有孔隔离膜、透气毡和真空袋膜，密封真空袋膜，使成型模具和复合材料位于真空袋膜中，以形成真空系统，对该真空系统抽真空。

作为本发明的优选方案，在固化复合材料预浸料时，在复合材料层外侧依次铺设无孔隔离膜、透气毡和真空袋膜，密封真空袋膜，使成型模具和复合材料位于真空袋膜中，以形成真空系统，将真空系统整体置入热压罐，施加压力、真空，升高温度。

作为本发明的优选方案，在去除水溶型芯部中，通过流水冲刷去除水溶性芯部，去除后水溶性芯部后，擦拭软模内侧。

作为本发明的优选方案，拆开第一阴模模体和第二阴模模体，去除软模后，还包括以下步骤：打磨第一阴模模体和第二阴模模体合模处的胶棱，修切外形，得到复合材料零件。

作为本发明的优选方案，成型芯模还包括支撑杆，支撑杆一端位于水溶性芯部中，支撑杆另一端位于水溶性芯部之外；在铺贴复合材料预浸料时，通过支撑杆固定成型芯模。通过设置支撑杆，使得能够通过固定支撑杆实现对成型芯模的固定，从而使软模表面能够不被遮挡地露出，便于进行铺设复合材料层的操作。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提供的成型方法采用了上述的成型芯模，其中成型芯模包括了软模和水溶性芯部。软模部分用于与复合材料贴合，从而能够提供较高的表面质量，水溶性芯部用于支撑软模，使软模具有预设的形状，使得成型芯模的成本低。

2.在复合材料零件的加工中，先去除水溶性芯部，再使软模发生变形，即可去掉软模。成型阴模通过分体式的阴模结构实现脱模，使得脱模操作简单。

附图说明

图1是本发明实施例提供的变截面中空回转体结构复合材料零件的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的成型方法采用的成型芯模的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的成型方法采用的成型芯模的剖视图。

图4是本发明实施例提供的成型方法采用的成型阴模的结构示意图。

图5是本发明提供的成型方法中，进行步骤s3时的示意图。

图6是图5中ⅱ部的局部放大图。

图7是本发明提供的成型方法中，进行步骤s6时的示意图。

图8是加工本发明实施例所采用的成型芯模时，用到的芯模成型模具的结构示意图。

图9是芯模成型模具去掉封板后的结构示意图。

图10是加工本发明实施例所采用的成型芯模时，进行步骤c时的结构示意图。

图11是图10中i部的局部放大图。

图12是加工本发明实施例所采用的成型芯模时，进行步骤d时的结构示意图。

图13是加工本发明实施例所采用的成型芯模时，步骤d完成后的结构示意图。

图标：1-复合材料零件；2-芯模成型模具；21-第一模体；22-第二模体；23-封板；4-有孔隔离膜；5-透气毡；6-真空袋；7-无孔隔离膜；8-密封胶条；3-成型芯模；31-软模；32-水溶性芯部；33-支撑杆；9-成型阴模；91-第一阴模模体；92-第二阴模模体。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参阅图1-图13。本实施例提供了一种高精度外表面的变截面中空结构复合材料零件1成型方法，采用成型芯模3和成型阴模9。

请参阅图2及图3。成型芯模3包括软模31、水溶性芯部32和支撑件。

软模31包括外橡胶层、内橡胶层，在外橡胶层和内橡胶层之间为碳纤维复合材料层。软模31围成的空间中填充有由水溶性材料制成的水溶性芯部32。本实施例中，水溶性芯部32由耐高温的水溶性材料制成，例如：聚乙烯醇(pval)水溶液与聚乙烯吡咯烷酮(pvp)水溶液的混合溶液作为基体材料，以石英砂或玻璃微珠为增强材料的水溶性材料。其中聚乙烯醇(pval)水溶液与聚乙烯吡咯烷酮(pvp)水溶液的混合溶液作为胶粘剂，该胶粘剂为水溶性的。在粘胶剂遇水溶解后，石英砂或玻璃微珠将会溃散，从而使水溶性芯部被去除。

支撑杆33的数量为两个，其中一个支撑杆33位于水溶性芯部32的一端，另一个支撑杆33位于水溶性芯部32的另一端。支撑杆33一端插入到水溶性芯部32中，另一端位于水溶性芯部32之外。

请参阅图4，成型阴模9包括第一阴模模体91和第二阴模模体92。第一阴模模体91与第二阴模模体92可拆卸地相连。第一阴模模体91和第二阴模模体92相连时，能够与软模31配合形成零件成型空间，其中，零件成型空间用于容纳碳纤维复合材料，使得碳纤维复合材料在零件成型空间中固化。在本实施例中，第一阴模模体91和第二阴模模体92通过螺栓实现可拆卸地相连。

本实施例提供的成型方法包括以下步骤:

s1.通过支撑杆33固定该成型芯模3；

其中，夹持支撑杆33，即可实现成型芯模3的固定，从而使整个软模31表面不被遮挡，便于进行复合材料层的铺贴。

s2.在软模31的表面铺贴带胶脱模布；

如果需要多块脱模布才能覆盖软模31表面，则相邻两块脱模布之间对接，而不拼接。即：相邻的两块脱模布的边线相接触，但两块脱模布在厚度方向上不产生重叠。通过这种设置，避免脱模布重叠后影响复合材料零件1的表面质量。

s3.(请参阅图5及图6)在所述软模31表面铺贴复合材料预浸料；

其中，在铺贴的过程中，每隔预设的复合材料厚度进行一次预压实。预压实操作具体这样进行：在复合材料层外侧依次铺设有孔隔离膜4、透气毡5和真空袋膜6，密封真空袋膜6，使成型模具和复合材料位于真空袋膜6中，以形成真空系统，对该真空系统抽真空，通过大气压的作用压实复合材料。

进一步的，在首次铺层结束后，以及后续每隔三个铺层，进行一次预压实操作。

预压实操作完成后，去除有孔隔离膜4、透气毡5和真空袋膜6。

s4.在软模31表面上未覆盖复合材料预浸料的区域设置密封胶条8，在软模31上覆盖真空袋膜6，使密封胶条8、真空袋膜6和软模31组成一个密封系统，复合材料预浸料位于该密封系统中。

s5.去除所述水溶性芯部32。

其中，可以通过高压水枪冲洗去除水溶性芯部32。去除水溶性芯部32后，擦拭软模31内表面。

s6.(请参阅图7)将软模31、复合材料预浸料置于成型阴模9中，固化复合材料预浸料；

其中，在固化复合材料预浸料时，在复合材料层外侧依次铺设无孔隔离膜7、透气毡5和真空袋膜6，密封所述真空袋膜6，使成型芯模3、成型阴模9和复合材料位于所述真空袋膜6中，以形成真空系统，将真空系统整体置入热压罐，施加压力、真空，升高温度。

s7.拆开第一阴模模体91和第二阴模模体92，去除软模31；

s8.打磨复合材料零件1上，对应于第一阴模模体91和第二阴模模体92合模处的胶棱，修切外形，得到所需要的复合材料零件1。

本发明实施例提供的成型方法的有益效果在于：

1.本发明提供的成型方法采用了上述的成型芯模3，其中成型芯模3包括了软模31和水溶性芯部32。软模31部分用于与复合材料贴合，从而能够提供较高的表面质量，水溶性芯部32用于支撑软模31，使软模31具有预设的形状，使得成型芯模3的成本低。

2.在复合材料零件1的加工中，先去除水溶性芯部32，再使软模31发生变形，即可去掉软模31。成型阴模9通过分体式的阴模结构实现脱模，使得脱模操作简单。

本实施例采用的成型芯模3可以通过如下的方式得到：

采用芯模成型模具2进行该成型芯模3的加工。请参阅图8及图9，该芯模成型模具2包括第一模体21、第二模体22和封板23。第一模体21和第二模体22可拆卸地相连。第一模体21和第二模体22相连时，能够形成成型空间，成型空间的形状用于与该复合材料零件1的内腔适配。成型空间的两端均设有开口，该开口用于与外界连通。成型空间的表面为成型表面。

其中，在本实施例中，第一模体21与第二模体22通过螺钉实现可拆卸相连。

封板23的数量为两个，其中一个封板23用于与成型空间一端的开口相连，另一个封板23用于与成型空间另一端的开口相连。封板23上设有通孔。

本发明实施例提供的成型方法包括以下步骤：

a.将软模31坯料铺叠到所述成型表面上；

其中，软模31坯料包括外橡胶层、碳纤维预浸料层和内橡胶层。在铺叠的过程中，在第一模体21上的成型表面上依次铺设外橡胶层、碳纤维预浸料层和内橡胶层，在第二模体22的成型表面上依次铺设外橡胶层、碳纤维预浸料层和内橡胶层。

进一步的，在本实施例中，碳纤维预浸料层的固化温度与外橡胶层和内橡胶层的硫化温度接近，使得后期固化过程中，碳纤维预浸料层能够充分固化，橡胶层能够充分硫化。

进一步的，在本实施例中，碳纤维预浸料层为碳纤维织物预浸料层。外橡胶层和内橡胶层选用耐温大于等于250℃的橡胶材料，硫化温度范围为176±5℃。

其中，碳纤维预浸料的铺叠层数量不超过两层，单层碳纤维预浸料层的厚度不超过0.25mm。两层碳纤维织物预浸料层的铺层方向保持一致，以保证铺层的对称性，避免碳纤维预浸料层在固化后变形。

b.对第一模体21和第二模体22进行合模操作；

其中，在合模处，使第一模体21上的软模31坯料与第二模体22上的软模31坯料产生搭接，以增加软模31在合模处的强度。

c.对软模31坯料和芯模成型模具2进行加压，使软模31坯料与芯模成型模具2紧密接触；

其中，请参阅图10及图11，在软模31坯料、合模后的第一模体21和第二模体22的外侧依次套设有孔隔离膜4、透气毡5和真空袋，通过密封胶条8密封所述真空袋，形成真空系统，对该真空系统抽真空，从而产生压力，使软模坯料与第一模体21和第二模体22紧密接触。

加压完成后，去除有孔隔离膜4、透气毡5和真空袋。

d.固化所述软模31坯料，形成软模31；

其中，请参阅图12，在软模31坯料、合模后的第一模体21和第二模体22的外侧依次套设无孔隔离膜7、透气毡5和真空袋，通过密封胶条8密封所述真空袋，抽真空至真空度不小于-0.9bar，将软模31坯料与芯模成型模具2整体送入热压罐中，施加真空、压力，升温至橡胶硫化及碳纤维复合材料预浸料固化所需温度；

固化完成后，去除无孔隔离膜7、透气毡5和真空袋。

e.安装其中一个封板23，在封板23的通孔处插入支撑杆33，支撑杆33一端位于所述成型空间中，另一端位于所述成型空间外，密封封板23与第一模体21之间的缝隙、封板23与第二模体22之间的缝隙、封板23与支撑杆33之间的缝隙；

其中，通过密封胶条8对各个缝隙处进行密封。

f.向软模31中浇筑水溶性材料，直至软模31内腔被完全填充。

本实施例中的水溶性材料是指，能够在水流的冲刷作用下被去除的材料。在本实施例中，优选采用耐高温的水溶性材料，例如：聚乙烯醇(pval)水溶液与聚乙烯吡咯烷酮(pvp)水溶液的混合溶液作为基体材料，以石英砂或玻璃微珠为增强材料的水溶性材料。其中聚乙烯醇(pval)水溶液与聚乙烯吡咯烷酮(pvp)水溶液的混合溶液作为胶粘剂，该胶粘剂为水溶性的。在粘胶剂遇水溶解后，石英砂或玻璃微珠将会溃散，从而使水溶性芯部被去除。

g.安装另一个封板23，在封板23的通孔处插入支撑杆33，支撑杆33一端位于水溶性芯模中，另一端位于成型空间外，密封封板23与第一模体21之间的缝隙、封板23与第二模体22之间的缝隙、封板23与支撑杆33之间的缝隙。

h.固化所述水溶性材料；

其中，将芯模成型模具2、软膜坯料和水溶性材料整体置于烘箱中，进行升温，使水溶性材料烘干固化。

i.脱模。

拆除封板23，使第一模体21与第二模体22分离。

j.修切软模31在合模处的飞边。

通过上述方式，即可以得到成型芯模3，该成型芯模3能够用于本实施例中的高精度外表面的变截面中空结构复合材料零件1成型方法。

需要说明的是，本发明的附图中，仅仅给出了复合材料零件1结构的一种可能情形。本发明提供的成型方法还能够用于其他不同结构的复合材料零件1的加工，而不仅限于附图所示的一种情形。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。