一种带局部下凹的网格蒙皮结构自动铺丝成型方法

摘要

本发明公开了一种带局部下凹的网格蒙皮结构自动铺丝成型方法，包括以下步骤：选择成型模具；采用热熔法预浸料；制备预浸丝；利用预浸料手工辅助完成局部下凹所在位置加厚区的铺层及网格壳体其他部分铺层；在热压罐内进行吸胶；进行第一次蒙皮铺层；在热压罐内进行蒙皮吸胶；进行第二次蒙皮铺层；固化；打磨处理，完成带局部下凹的网格蒙皮结构自动铺丝成型。本发明方法解决了在下凹处无法自动铺丝的技术问题，实现了自动铺丝技术在复合材料典型结构件上的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动铺丝成型方法，属于复合材料成型工艺技术。

背景技术

国外在复合材料蒙皮构件类产品中广泛应用了自动化成型技术，其以自动 铺丝技术为典型代表。自动铺丝技术是将数根预浸丝用多轴铺放头(机器手) 按照设计要求所确定的铺层方向在压辊下集为一条丝带后铺放在芯模表面，压 实定型，整个过程由计算机测控、协调系统完成。

自动铺丝技术集合了纤维缠绕和自动铺带技术的优点，可以根据构件形体 表面形状的变化，随时切断丝束，需要时继续输送丝束，适合凹曲面、凸曲面、 变截面等复杂形状构件成型。国外采用自动铺丝技术成型的复合材料锥壳类构 件包括美国Minotaur火箭整流罩、美国航天飞机的低温贮箱、Atlas5型运载火 箭载荷适配器等。

目前，航天领域常用的网格加筋结构多为简单回转体或简单回转体的组合 体，而对于非解析解的曲母线的网格加筋网格壳体以及带有局部下凹结构的网 格蒙皮结构的自动铺丝尚未涉及，诸多工艺适应性改进或升级是必须的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种带局部下凹的 网格蒙皮结构自动铺丝成型方法，解决了在下凹处无法自动铺丝的技术问题， 实现了自动铺丝技术在复合材料典型结构件上的应用。

本发明的技术解决方案是：一种带局部下凹的网格蒙皮结构自动铺丝成型 方法，包括如下步骤：

(1)选择成型模具；

(2)采用热熔法预浸料，根据产品三维数字模型，对局部下凹区域的铺层 尺寸进行精确计算，并利用自动下料设备精确下料；

(3)采用热熔法预浸料，根据产品三维数字模型，估算蒙皮铺层成型使用 的预浸丝数量，并利用预浸丝分切料设备制备预浸丝；

(4)利用步骤(2)的预浸料手工辅助完成局部下凹所在位置加厚区的铺 层及网格蒙皮结构其他部分铺层；

(5)在热压罐内进行吸胶，采用刚性、柔性组合阴模，在局部下凹处通过 压板或压环整形；

(6)进行第一次蒙皮铺层：

(6.1)为成型模具加装工艺延长环，利用步骤(3)的预浸丝采用自动铺 丝设备实现等厚度蒙皮铺放，且铺层内无明显层间空隙；

(6.2)蒙皮在局部下凹处铺放时，先将铺放头悬空铺放，压辊不与局部下 凹处的成型模具表面或预浸料接触，仅在局部下凹所在位置加厚区边缘或工艺 延长环处进行压实；

(6.3)在每一铺层铺丝完成后，将局部下凹处的预浸丝在未压实外边沿处 切断，并手工将预浸丝在局部下凹区域进行翻边压实处理；

(7)第一次蒙皮铺层完成后，在热压罐内进行蒙皮吸胶，在局部下凹处通 过压环或压板整形，再由外阴模组合包覆压实；

(8)进行第二次蒙皮铺层

按第一次蒙皮铺层的方式进行第二次蒙皮铺层，使蒙皮达到预先设计的厚 度。

(9)将经过上述步骤处理的网格蒙皮结构在热压罐内固化；

(11)固化完成后，对网格蒙皮结构进行打磨处理，去除边缘毛刺，完成 带局部下凹的网格蒙皮结构自动铺丝成型。

当局部下凹处的尺寸精度要求较高时，在第二次蒙皮铺层完成后，在局部 下凹处增加机加去除铺层，并在固化完成后，对网格蒙皮结构进行机加工处理， 去除机加层。

所述步骤(5)中在热压罐内吸胶时，吸胶温度80℃-85℃，保温时间60min， 压力0.3MPa±0.02MPa。

所述步骤(7)中在热压罐内进行蒙皮吸胶时，吸胶温度70℃-90℃，保温 时间60min-120min，压力0.3MPa-0.6MPa。

所述步骤(9)中在热压罐内固化时，固化温度160℃-180℃，固化时间 6h-8h，固化压力0.6MPa-0.8MPa。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

针对带局部下凹结构(如窗口和端框)的网格蒙皮构件，由于自动铺丝技 术在成型蒙皮过程中无法实现局部下凹区域的蒙皮铺层压实，且易于蒙皮下凹 区域边沿出现碰撞干涉，提出了一种适于带局部下凹结构的网格蒙皮结构自动 铺丝成型方法，解决了在局部下凹处自动铺丝头与模具的干涉问题，通过铺放 头在局部下凹处悬空铺放的方式，实现了带局部下凹结构的网格蒙皮结构铺放 轨迹的连续铺放，保证了成型效率，且通过手工辅助翻边压实和多次吸胶整形， 实现了带局部下凹结构的非解析解曲母线的网格加筋网格壳体全角度铺层高质 量铺放和整体共固化成型。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为下端框蒙皮、加强区和筋条铺层方式示意图；

图3为垂直端框铺层示意图；

图4为垂直端框局部合模状态；

图5为垂直端框局部铺层示意图；

图6为蒙皮吸胶垂直端框局部合模状态示意图；

图7为固化垂直端框局部合模状态示意图；

图8为窗口加强区结构示意图；

图9为窗口局部铺层示意图；

图10为窗口局部吸胶合模状态示意图；

图11为窗口局部蒙皮铺层示意图；

图12为蒙皮吸胶和固化垂直端框局部合模状态示意图。

具体实施方式

针对航天型号常采用的锥形(曲面)结构部段高质量成型的共性需求以及 国内复合材料蒙皮结构自动成型的技术差距和国内锥形(曲面)壳体的成型工 艺现状，提出一种适于带局部下凹结构(如窗口和垂直端框)的复合材料网格 蒙皮结构的成型方式，采用手工辅助自动铺丝成型的方式，可实现带局部下凹 结构(如窗口和垂直端框)的复合材料锥形壳体的全角度铺层成型。

如图1所示，本发明方法包括如下步骤：

(1)选择成型模具；

(2)采用热熔法预浸料，根据产品三维数字模型，将其转换为二维平面铺 层形状尺寸，对局部下凹区域的铺层尺寸进行精确计算，并利用自动下料设备 精确下料；

(3)采用热熔法预浸料，根据产品三维数字模型规划铺丝轨迹，对蒙皮铺 层预浸丝数量进行计算，并利用预浸丝分切料设备制备预浸丝；

(4)利用步骤(2)的预浸料手工辅助完成局部下凹所在位置加厚区的铺 层及网格壳体其他部分铺层；

(5)在热压罐内进行吸胶预压实，采用刚性、柔性组合阴模，在局部下凹 处通过压板或压条整形；吸胶温度80℃-85℃，保温时间60min，压力0.3MPa ±0.02MPa。

(6)进行第一次蒙皮铺层：

(6.1)为成型模具加装工艺延长环，采用自动铺丝设备的气动压辊施压、 红外灯加热，利用自动铺丝设备实现等厚度蒙皮铺放，且铺层内无明显层间空 隙；此时蒙皮厚度低于预先设计的厚度；

(6.2)蒙皮在局部下凹处铺放时，先将铺放头悬空铺放，压辊不与局部下 凹处的成型模具表面或预浸料接触，仅在局部下凹所在位置加厚区边缘或工艺 延长环处进行压实；

(6.3)在每一铺层铺丝完成后，将局部下凹处的预浸丝在未压实外边沿处 切断，并手工将预浸丝在局部下凹区域进行翻边压实处理；

(7)第一次蒙皮铺层完成后，在热压罐内进行蒙皮吸胶，在局部下凹处通 过压条或压板整形，再由外阴模组合包覆压实；吸胶温度70℃-90℃，保温时 间60min-120min，压力0.3MPa-0.6MPa。

(8)进行第二次蒙皮铺层：按第一次蒙皮铺层的方式进行第二次蒙皮铺层， 使蒙皮达到预先设计的厚度。

(9)将经过上述步骤处理的网格蒙皮结构在热压罐内固化，固化时采用刚 性阴模，固化温度160℃-180℃，固化时间6h-8h，固化压力0.6MPa-0.8MPa。；

(11)固化完成后，对网格蒙皮结构进行打磨处理，去除边缘毛刺，完成 带局部下凹的网格蒙皮结构自动铺丝成型。

当局部下凹处的尺寸精度要求较高时，在第二次蒙皮铺层完成后，在局部 下凹处增加机加去除铺层，并在固化完成后，对网格蒙皮结构进行机加工处理， 去除机加层。

局部下凹包括两大类：封闭式和非封闭式，封闭式以窗口为典型代表，非 封闭式以垂直端框为典型代表，下面分别以垂直端框和窗口为例给出两个实施 例。

实施例1：带垂直端框的网格蒙皮结构成型

垂直端框成型要求：构件下端框为垂直端框结构。为保持蒙皮铺层连续， 在下端框减薄处修改铺层方案，对端框加厚铺层进行删减，厚度由18.5mm沿 R8弧度缩减至11.5mm。如图2所示为下端框蒙皮、加强区和筋条铺层方式示 意图。

由于垂直端框及加厚区等厚度较大，因此需要先将热熔法预浸料铺成5-7 层的料块，进烘箱预吸胶，然后按照需要尺寸，进行料块下料、铺层、热压罐 吸胶。

垂直端框包覆吸胶时需装上下端环，在端框铺层环向固定吸胶整形模，以 保证其端框环向表面平整度。

蒙皮铺层前，须将垂直端框加强区内部加厚区铺制完毕。

(1)成型模具准备

将模具组合安装，工艺延长环暂不安装，清理模具表面，并涂敷脱模剂。

(2)预浸料下料

采用热熔法预浸料。根据产品三维数字模型，通过转换，对垂直端框过渡 区铺层尺寸进行精确技术，并利用自动下料设备精确下料。

(3)预浸丝准备

采用热熔法预浸料。根据产品三维数字模型，对蒙皮铺层预浸丝数量进行 计算，并利用预浸丝分切料设备制备预浸丝。

(4)垂直端框铺层

a.手工辅助完成垂直端框所在位置下端框端框加厚区的铺层及网格壳体其 他部分铺层；

b.手工辅助完成垂直端框所在位置下端框端框斜坡过渡层的铺层及网格壳 体其他部分铺层；

如图3所示为完成铺层后的垂直端框示意图。

(5)吸胶

吸胶在热压罐内进行，采用刚性、柔性组合阴模，在端框处增加压环整形， 吸胶温度80℃-85℃，保温时间60min，压力0.3MPa±0.02MPa。如图4所示 为吸胶垂直端框局部合模状态示意图。

(6)进行第一次蒙皮铺层：

蒙皮厚度2.5mm，铺层为[(±45/0/±30/0/±30)/90(1层)]s，采用自动铺丝 成型。根据蒙皮厚度，采用两次铺层方法进行铺制，第一次铺[(±45/0/±30/0/ ±30)/90/±30/0/±30]。

构件蒙皮铺放前应加装工艺延长环，其采用16丝束铺放，根据规划轨迹 在铺放过程中进行增减纱控制，实现等厚度蒙皮铺放。铺放中采用气动压辊施 压，采用红外灯加热，使铺层间良好铺敷，无明显层间空隙。

构件蒙皮在垂直端框处铺放时，因其外形尺寸相对于压辊尺寸较小，先将 铺放头悬空铺放，仅在工艺延长环处进行压实，并在压环靠近模具侧留有15mm 的未压实区域。如图5所示为垂直端框局部铺层示意图。

在每一铺层铺丝完成后，将垂直端框处的预浸丝在未压实外边沿处切断， 并手工将预浸丝在垂直端框区域进行翻边压实处理。

(7)蒙皮吸胶

在第一次蒙皮铺层完成后进行热压罐吸胶预压实、整形。

蒙皮吸胶在热压罐内进行，根据需要，在垂直端框处增加环向压条整形， 再由外阴模组合包覆压实。吸胶温度70℃-90℃，保温时间60min-120min，压 力0.3MPa-0.6MPa。如图6所示为蒙皮吸胶垂直端框局部合模状态示意图。

(8)进行第二次蒙皮铺层

按第一次蒙皮铺层的方式进行第二次将剩余[±45]铺制。

(9)机加层铺层

垂直端框尺寸精度要求较高，垂直端框由于其铺层厚度由18.5mm沿R8 弧度缩减至11.5mm，为保证弧度，采用缠绕增加垂直端框机加去除铺层，固 化完成后由机加工保证其精度。

(10)固化

产品在热压罐内固化，固化时采用刚性阴模，固化温度160℃-180℃，固 化时间6h-8h，固化压力0.6MPa-0.8MPa。固化垂直端框局部合模状态示意图 如图7所示。

(11)机加工

在产品出罐后，进行机加工处理，去除机加层，并保持垂直端框尺寸，进 行打磨处理，去除边缘毛刺，完成带垂直端框的网格蒙皮结构自动铺丝成型。

实施例2：带窗口的网格蒙皮结构成型

窗口成型要求：窗口加强区直接成型出来，而非产品固化后加工，其厚度 有20mm在窗口边缘锐减至10mm，边缘处与垂直端框边缘不同，其铺层边缘 需要垂直于蒙皮。如图8所示为窗口加强区结构示意图。

(1)成型模具准备

将模具组合安装，工艺延长环暂不安装，清理模具表面，并涂敷脱模剂。

(2)预浸料下料

采用热熔法预浸料。根据产品三维数字模型，通过转换，对窗口区铺层尺 寸进行精确技术，并利用自动下料设备精确下料。

(3)预浸丝准备

采用热熔法预浸料。根据产品三维数字模型，对蒙皮铺层预浸丝数量进行 计算，并利用预浸丝分切料设备制备预浸丝。

(4)窗口铺层

a.手工辅助完成窗口内台阶加厚区的铺层及网格壳体其他部分铺层；

b.手工辅助完成窗口外台阶加厚区的铺层及网格壳体其他部分铺层；

如图9所示为窗口局部铺层示意图。

(5)吸胶

吸胶在热压罐内进行，采用刚性、柔性组合阴模，在窗口处安装口盖整形， 吸胶温度80℃-85℃，保温时间60min，压力0.3MPa±0.02MPa。如图10为 窗口局部吸胶合模状态示意图。

(6)进行第一次蒙皮铺层：

蒙皮厚度2.5mm，铺层为[(±45/0/±30/0/±30)/90(1层)]s，采用自动铺丝 成型。根据蒙皮厚度，采用两次铺层方法进行铺制，第一次铺[(±45/0/±30/0/ ±30)/90/±30/0/±30]。

罩体蒙皮铺放采用16丝束铺放，根据规划轨迹在铺放过程中进行增减纱 控制，实现等厚度蒙皮铺放。铺放中采用气动压辊施压，采用红外灯加热，使 铺层间良好铺敷，无明显层间空隙。

罩体蒙皮在窗口处铺放时，因其外形尺寸相对于压辊尺寸较小，先将铺放 头悬空铺放，压辊不与分瓣模上的窗口凸台接触，仅与窗口外边沿压实接触。

在每一铺层铺丝完成后，将窗口处的预浸丝在窗口中间区域垂直于纤维方 向切断，并手工将预浸丝在窗口区域进行翻边压实处理。

如图11所示为窗口局部蒙皮铺层示意图。

(7)蒙皮吸胶

在第一次蒙皮铺层完成后进行热压罐吸胶预压实、整形。

蒙皮吸胶在热压罐内进行，根据需要，在窗口处增加口盖整形，再由外阴 模组合包覆压实。吸胶温度70℃-90℃，保温时间60min-120min，压力 0.3MPa-0.6MPa。

(8)进行第二次蒙皮铺层：

按第一次蒙皮铺层的方式进行第二次蒙皮铺层，将剩余[±45]铺制。

(9)固化

产品在热压罐内固化，固化时采用刚性阴模，固化温度160℃-180℃，固 化时间6h-8h，固化压力0.6MPa-0.8MPa。如图12所示为固化垂直端框局部 合模状态示意图。

(11)后处理

在产品出罐后，进行打磨处理，去除边缘毛刺，完成带窗口的网格蒙皮结 构自动铺丝成型。

参见实施例1和实施例2，可以完成带窗口和垂直端框的网格蒙皮结构的 成型，具体吸胶次数可根据需要调整。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技 术。