本發(fā)明屬于航空工業(yè)先進復(fù)合材料成型工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳纖維復(fù)合材料等徑管狀結(jié)構(gòu)的制造工藝。

背景技術(shù)：

先進復(fù)合材料不僅具有比強度大、比模量高、抗疲勞、抗腐蝕等特性，而且有很強的可設(shè)計性。合理的設(shè)計應(yīng)用，可以大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量，提高機體的綜合性能，任務(wù)載荷、續(xù)航時間等，因此在航空、航天、汽車、輪船、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用。B787復(fù)合材料占飛機結(jié)構(gòu)重量高達50％，A400M大型軍用運輸機復(fù)合材料用量超過35％，而無人機幾乎可以達到全復(fù)合材料機體結(jié)構(gòu)。目前，制備先進復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有多種成型工藝，比如，熱壓罐真空袋成型工藝、手糊玻璃鋼成型、拉擠成型、RTM成型、VARTM等，從操作方式來看，有手工鋪貼、自動纏繞、自動鋪帶等方式。

傳統(tǒng)的先進復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)，具有一定的錐度，有拔模角度，可以采用金屬芯模設(shè)計，手工鋪貼或自動纏繞鋪貼，±45°，0°，90°等，利用脫模裝置進行脫模，制造產(chǎn)品。但是，對于碳纖維管狀結(jié)構(gòu)為等徑結(jié)構(gòu)，沒有拔模角，而且對外徑尺寸精度有嚴格要求，采用傳統(tǒng)金屬芯棒的工藝方法根本無法實現(xiàn)。

專利CN 103802329 A采用金屬棒作為芯模，硅橡膠作為外陰模制備管子，保證了內(nèi)徑尺寸，這種方法無法控制產(chǎn)品外徑尺寸精度，脫模困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種碳纖維復(fù)合材料等徑管狀結(jié)構(gòu)的制造工藝，解決等徑管狀結(jié)構(gòu)無法脫模，外徑尺寸不準確等工藝問題。

技術(shù)方案

一種碳纖維復(fù)合材料等徑管狀結(jié)構(gòu)的制造工藝，其特征在于步驟如下：

步驟1、制作碳纖維管狀結(jié)構(gòu)的對合陰模：對合陰模分為上陰模1和下陰模2；上陰模1和下陰模2合攏后的內(nèi)腔型面與管狀產(chǎn)品外形尺寸一致，模具兩側(cè)留有保證預(yù)浸料翻邊空間的余量；

對合陰模的兩端設(shè)有左端頭擋板(10)和右端頭擋板(12)，端頭擋板中部設(shè)有定位圓槽及通孔用于控制金屬芯棒(6)的位置；

步驟2、制造組合芯模：在上陰模和下陰模的內(nèi)腔鋪貼碳帶預(yù)浸料，在碳帶預(yù)浸料上鋪貼玻璃布預(yù)浸料，形成假件并對其進行熱壓罐固化；

采用左端頭擋板(10)和右端頭擋板(12)進行上陰模1和下陰模2合模，將金屬芯棒(6)伸進模具內(nèi)，定位在左端頭擋板(10)的定位圓槽中；

將硅橡膠灌注在金屬芯棒(6)與假件縫隙中，采用右端頭擋板(12)進行封口和定位金屬芯棒(6)，根據(jù)所采用的硅橡膠固化要求進行固化完成，得到金屬芯棒(6)外包覆硅橡膠的組合芯模；

所述碳帶預(yù)浸料的層數(shù)和厚度滿足管狀產(chǎn)品的設(shè)計厚度，玻璃布預(yù)浸料的層數(shù)和厚度滿足產(chǎn)品使用的硅橡膠膨脹工藝間隙；

步驟3：去除上陰模(1)和下陰模(2)的假件，并對內(nèi)腔進行清潔和脫模處理；然后采用±45°與90°通鋪和0°對接的鋪貼方式在下陰模(2)的內(nèi)腔鋪貼碳纖維預(yù)浸料，鋪貼的碳纖維預(yù)浸料大于下陰模(2)的內(nèi)腔；

將組合芯模置于下陰模(2)上，大于下陰模(2)的內(nèi)腔的碳纖維翻至組合芯模之上并將其完全包覆，保證了碳纖維的連續(xù)性；

將上陰模1與下陰模(2)合模，左端頭擋板(10)和右端頭擋板(12)固定在兩端并采用固定件固定；

步驟4：將合模好的模具進行固化，固化完成后脫模得到碳纖維復(fù)合材料等徑管狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

所述模具采用鋼框架結(jié)構(gòu)。

所述步驟2的熱壓罐固化工藝參數(shù)為：壓力0.4MPa，升溫速率1℃/min，降溫速率1℃/min，120℃保持1個小時，60℃出罐，自然降至常溫。

所述步驟4的固化工藝參數(shù)為：升溫速率3℃/min；120℃恒溫保持1個小時；降溫速率3℃/min，降溫至60℃出罐自然冷卻，冷卻至室溫進行脫模。

有益效果

本發(fā)明提出的一種碳纖維復(fù)合材料等徑管狀結(jié)構(gòu)的制造工藝，采用組合陰?？刂飘a(chǎn)品的外徑尺寸，制備金屬棒和硅橡膠的組合芯棒作為芯模，預(yù)浸料在芯模連續(xù)鋪貼，合模之后通過硅橡膠膨脹施壓，得到性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。

采用金屬棒和硅橡膠作為芯棒，可以通過硅橡膠的較大的熱膨脹壓力，實現(xiàn)在烘箱低成本制備高性能先進復(fù)合材料等徑管狀結(jié)構(gòu)，與CN 103802329A及傳統(tǒng)工藝相比，解決了產(chǎn)品外型面的尺寸精度不準確，難于脫模的問題，同時可以保證內(nèi)外表面的平整度，降低裝配誤差，不需要在熱壓罐進行固化，降低了制造成本，滿足某型無人機尾撐管的研制要求。

附圖說明

圖1：工藝流程圖

圖2：實施例碳纖維管狀結(jié)構(gòu)

圖3：實施例工裝合模結(jié)構(gòu)

a：合模，b：左視圖，c：右視圖，d：內(nèi)部金屬棒結(jié)構(gòu)

圖4：實施例硅橡膠灌注示意圖

圖5：實施例成型的金屬棒和硅橡膠組合芯模

圖6：實施例碳帶預(yù)浸料典型鋪層示意圖

1-上陰模，2-下陰模，3-工藝間隙，4-假件，5-硅橡膠，6-金屬棒，7-碳纖維預(yù)浸料，8-吊環(huán)螺釘，9-六角頭螺栓(M10*35)，10-端頭擋板，11-定位槽，12-端頭擋板，13-定位孔，14-導(dǎo)向定位器，15-六角頭螺栓(M6*12)，16－注橡膠孔，17-預(yù)浸料背襯材料，18－碳帶預(yù)浸料，19-隔離膜，20-預(yù)浸料翻邊工裝面。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

第一步，外陰模設(shè)計制造。產(chǎn)品外徑R＝35mm，長度L＝850mm，厚度δ＝0.975mm。采用CATIA三維軟件設(shè)計碳纖維管狀結(jié)構(gòu)的對合陰模，工裝型面與產(chǎn)品外形尺寸一致，如圖2所示，此對合陰模由兩部分組成，分別是上陰模1和下陰模2。模具采用鋼框架結(jié)構(gòu)，框架式結(jié)構(gòu)主要是為了滿足模具在烘箱中熱流暢的均勻性。模具兩側(cè)留有足夠的余量15，保證預(yù)浸料翻邊空間，模具型面采用數(shù)控加工成形，模具上設(shè)計端頭擋板10、端頭擋板12、定位槽11，導(dǎo)向定位器14、六角頭螺栓9、六角頭螺栓15，吊環(huán)螺釘8。

第二步，組合芯模制造。采用三維軟件設(shè)計金屬芯棒，Φ20mm，數(shù)控加工。本發(fā)明采用美國Airtech公司Aircast3700硅橡膠，Aircast 3700是A、B雙組分硅橡膠，Part A：Part B(藍色)＝100:12，拉伸強度：4.28MPa，剪切強度：0.45MPa，斷裂延長率：180％。首先在上陰模和下陰模各鋪貼8層碳帶預(yù)浸料(產(chǎn)品厚度)，以及3層玻璃布預(yù)浸料(硅橡膠膨脹工藝間隙3)，就是所謂的假件4。每鋪貼3層進行抽真空預(yù)壓實1次，鋪貼結(jié)束進行真空袋工藝組合，熱壓罐固化，壓力0.4MPa，升溫速率1℃/min，降溫速率1℃/min，120℃保持1個小時，60℃出罐，自然降至常溫，不脫模，將周邊余量清掉，砂磨平整。在表面鋪貼1層工裝脫模布。進行上下陰模合模，利用導(dǎo)向定位器14將上陰模1放置準確位置，然后采用六角頭螺栓9夾緊，用螺釘固定端頭擋板10。然后將模具垂直放置，將金屬棒6垂直伸進模具內(nèi)部，采用定位槽11對其定位。將配置好的硅橡膠從注膠孔16緩慢灌注，直至溢出，等待片刻，直至硅橡膠沒有下沉，刮掉掉多余溢出硅橡膠，灌注一側(cè)用端頭擋板12進行封口，見圖4。室溫自然靜置24小時，進行脫模，取出芯模，見圖5所示。將芯模工裝對合處膠棱采用細砂紙進行砂磨至平整狀態(tài)，等待使用。采用假件灌注硅橡膠的工藝方法，可以節(jié)省灌注硅橡膠的工裝，可以調(diào)節(jié)工藝間隙，目前還沒有相關(guān)方面的報道。

第三步，涂敷脫模劑。用干凈的面紗蘸少量丙酮將上陰模型面1及下陰模型面2擦拭干凈，表面無油漬、灰塵等外來物，然后自然晾干。液體脫模劑易于涂敷，還可以起到增加光滑度的作用，本工藝建議使用液體脫模劑。涂敷脫模劑嚴格按照脫模劑的操作工藝規(guī)程，從而達到涂抹均勻、無遺漏。本發(fā)明專利采用的是肯天FLEX-Z 5.0液體脫模劑系統(tǒng)，并使用了Waterclean深度清潔劑以及Sealer GP–封孔劑，涂敷4遍封孔劑以及2遍脫模劑，各層間間隔15分鐘，等待30分鐘鋪貼產(chǎn)品。

第四步，鋪貼。在下陰模表面鋪貼碳纖維預(yù)浸料，碳纖維鋪貼角度分別為[-45/02/90/02/45]，本專利采用的是英國ACG公司的碳帶預(yù)浸料，MTM28-1-33％-12KT700SC-125-600為了保證預(yù)浸料層與層之間完全服帖，沒有架橋等缺陷存在，此工藝采用在下陰模及硅橡膠表面鋪貼，而不是完全在硅橡膠表面進行鋪貼，還沒有相關(guān)方面的報道。為保證纖維的連續(xù)性，如圖6所示，碳帶預(yù)浸料18(±45°與90°)采用整片通鋪，碳帶預(yù)浸料18(0°)沿纖維方向兩片橫向拼接。比如，鋪貼第1層45°，保留一側(cè)背襯材料，在下陰模表面鋪貼，將多余預(yù)浸料帶背襯材料翻至預(yù)浸料翻邊工裝面15，在預(yù)浸料翻邊工裝面20區(qū)域鋪貼1層隔離膜19；第2層、第3層0°預(yù)浸料18只在下陰模通鋪至法棱邊，進行預(yù)壓實。90°與±45°鋪層完全類似，0°鋪層完全類似，可以將對接縫錯開。

第五步，放置組合。芯模下陰模蒙皮鋪貼結(jié)束之后，將芯棒(金屬棒+硅橡膠)于下陰模上，放置之前檢查芯棒表面是否有毛刺、棱角、雜物等，務(wù)必要將外來物清理干凈。

第六步，翻邊預(yù)浸料。將最后1層-45°翻至橡膠表面，搭接，撕掉隔離膜，用刮板刮平。然后在硅橡膠表面鋪貼兩層0°碳帶預(yù)浸料，與下陰模鋪貼0°拼接。90°和+45°鋪層與-45°類似，唯一區(qū)別就是纖維對接。其余0°鋪貼類似，在法棱邊橫向?qū)樱?°分片鋪貼與45°整片通鋪示意圖見圖6。

第七步，合模。如圖2所示。產(chǎn)品完全鋪貼結(jié)束之后，進行合模。將上陰模1垂直放置下陰模2上，避免蹭到產(chǎn)品側(cè)面，利用導(dǎo)向定位器14保證兩個工裝的位置，采用六角頭螺栓9對上下模具進行鎖緊，固定兩端固定擋板10和固定擋板12。合模是一個重要的工序過程，合模不好會影響產(chǎn)品的外形尺寸，必須判斷上下表面完全貼合，完全沒有間隙。

第八步，固化及脫模。將合模好的產(chǎn)品推至烘箱，采用低成本烘箱進行固化。升溫速率3℃/min；120℃恒溫保持1個小時；降溫速率3℃/min，降溫至60℃出罐自然冷卻，冷卻至室溫狀況，進行脫模。由于硅橡膠具有較大的熱膨脹系數(shù)，降至室溫就會恢復(fù)工藝間隙，只要拉中間的金屬棒就可以實現(xiàn)脫模。本工藝方法采用的是硅橡膠熱膨脹加壓，所以只需要烘箱提供固化所需要的溫度即可，實現(xiàn)了先進復(fù)合材料的低成本制造。

通過以上步驟，可以制備合格的等徑管狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。