一种内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板及其成型方法和加压工装
技术领域
本发明涉及一种高刚度蜂窝夹层结构板及其成型方法和成型工装。
背景技术
蜂窝夹层结构属于航空航天领域常见的结构形式，主要是由于蜂窝夹层结构重量轻，仪器设备的安装接口可以在板上任意布局，适合安装分散设备。通常由蒙皮、蜂窝芯、胶粘剂构成，通常的蜂窝夹层结构就能够满足一般安装板的使用要求，但是对于大刚度需求的蜂窝板，就需要对蜂窝板进行刚度加强，经调研发现，通常对蜂窝板刚度加强采用如下四种方法：
1、增加面板厚度，相当于增加了蜂窝夹层结构中工字梁的翼面厚度，提高刚度。但是增加面板厚度则会造成重量较重。
2、增加蜂窝芯高度，相当于增加了截面惯性矩，可以提高刚度，但是有些产品受于尺寸限制，不能改动整体产品高度。
3、选择规格尺寸小的蜂窝，当蜂窝规格限定后，就不能够进一步提高刚度。
4、内埋金属加强件，金属加强件加工周期短，但是重量相对较重，一般铝合金的密度为2.7g/cm3。
并且蜂窝夹层结构板多数经过热压罐进行加压固化，热压罐成型蜂窝夹层结构板加压均匀，性能稳定，但是成本过于昂贵，成型步骤复杂繁多。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有蜂窝夹层结构板采用热压罐加压固化成型工艺复杂的问题，而提供一种内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板及其成型方法和成型工装。
本发明内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板包括加强框架、上蒙皮、下蒙皮、蜂窝芯和金属预埋件，其中加强框架由直角接头、两个三通接头和多根方管组成，加强框架为矩形框架，三通接头的形状为T形，在矩形框架的直角处设置有直角接头，矩形框架的长边中点设置处设置有三通接头，相邻直角接头之间以及直角接头和三通接头之间胶接有方管，在两个三通接头之间胶接有方管，加强框架的框架内设置有蜂窝芯，金属预埋件嵌设在蜂窝芯中(待连接器件的位置处)，在加强框架的上表面和下表面分别胶接有上蒙皮和下蒙皮。
本发明内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板的成型方法按照下列步骤实现：
一、在下蒙皮上涂J47B+C胶膜，加强框架内胶接有蜂窝芯，在碳纤维定位板上依次放置下蒙皮和加强框架，根据碳纤维定位板上的基准孔定位加强框架的位置，金属预埋件通过定位螺钉定位在蜂窝芯内，得到加强框架+碳纤维定位板组件；
二、在加强框架的上表面涂J47B胶2-3次，敞晾后，将涂完J47B+C的上蒙皮放置在加强框架上表面，然后将加强框架+碳纤维定位板组件放置在金属加压工装的下模上；
三、金属加压工装的下模和上模合模，下模和上模之间利用连接件相连，下模和上模通过力矩扳手紧固连接件进行加压力，加压完成后，放入固化炉中，固化完成后冷却至室温，得到内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板。
用于大尺寸蜂窝夹层结构板成型的加压工装包括下模、上模和定位围沿，所述的上模为长方体框体结构模具，上模的框体结构内由隔板间隔出多个方格孔，上模的两侧长边模壁的下部分别设置有多个定位板，上模上每个定位板上开有两个定位止口；
下模为长方体实体模具，下模的上表面设置有定位围沿，下模的两侧长边模壁上分别设置有多个定位板，下模上每个定位板上开有两个定位止口，上模与下模合模，上模与下模上下对应的定位止口内通过连接件紧固连接。
本发明内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板包括加强框架、上蒙皮、下蒙皮、蜂窝芯和金属预埋件，通过加强框架增强蜂窝板结构，从而提高常规蜂窝夹层结构板的刚度。其主要成型方式是上蒙皮、下蒙皮、蜂窝芯、加强框架通过中温固化胶膜J47B+C及J145膨胀胶胶接。通过金属对模加压方法制备方管、三通接头、角接头，制备完成后脱模，经过探伤、尺寸检验合格后，通过胶接工装进行装配。框架加工完成后，通过J47B+C及J145膨胀胶将蒙皮、蜂窝芯、加强框架粘接，通过碳纤维板定位框架及金属埋件，完成后采用金属对模加压方式成型，适用于单次小批量的产品，金属对模加压方法能够降低制备成本。
附图说明
图1为本发明内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板的结构示意图；
图2为直角接头的结构示意图；
图3为三通接头的结构示意图；
图4为具体实施方式十中用于大尺寸蜂窝夹层结构板成型的加压工装的结构示意图；
图5为具体实施方式十四中金属加压工装的定位围沿固定方式的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板包括加强框架、上蒙皮1、下蒙皮2、蜂窝芯6和金属预埋件，其中加强框架由直角接头3、两个三通接头5和多根方管4组成，加强框架为矩形框架，三通接头5的形状为T形，在矩形框架的直角处设置有直角接头3，矩形框架的长边中点设置处设置有三通接头5，相邻直角接头3之间以及直角接头3和三通接头5之间胶接有方管4，在两个三通接头5之间胶接有方管4，加强框架的框架内设置有蜂窝芯6，金属预埋件嵌设在蜂窝芯6中(待连接器件的位置处)，在加强框架的上表面和下表面分别胶接有上蒙皮1和下蒙皮2。
本实施方式内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板，主要包括上蒙皮、下蒙皮、蜂窝和加强框，其中加强框由复合材料方管、三通接头、角接头组成。加强框采用胶膜及膨胀胶与蜂窝、上下蒙皮胶接成一体。本实施方式适用于成型内埋加强框的蜂窝夹层板，解决了常规蜂窝夹层板刚度低的缺点，采用金属对模工艺而非热压罐成型工艺，具有成型方法简单，成本低，效率高的特点。主要应用在空间站、卫星制造等领域。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是方管4为碳纤维/环氧树脂复合材料，碳纤维为M55JB或者M60JB，环氧树脂为TDE85、AG80或者AFG90。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是上蒙皮1和下蒙皮2的厚度为0.3～0.5mm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是上蒙皮1和下蒙皮2的材质为碳纤维/环氧树脂复合材料，碳纤维为M55JB或者M60JB，环氧树脂为TDE85、AG80或者AFG90。
本实施方式采用湿法缠绕+真空袋压方法制备上蒙皮和下蒙皮。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是蜂窝芯4采用铝蜂窝或芳纶纸蜂窝，其中铝蜂窝为5A02铝合金材质，为正六边形铝蜂窝芯。
本实施方式选用Ⅱ类铝蜂窝芯材，公称密度27～44kg/m3。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是金属预埋件选用铝合金或镁合金埋件，金属预埋件的表面经过阳极氧化或化学氧化处理。
具体实施方式七：本实施方式内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板的成型方法按照下列步骤实施：
一、在下蒙皮2上涂J47B+C胶膜，加强框架内胶接有蜂窝芯6，在碳纤维定位板上依次放置下蒙皮2和加强框架，根据碳纤维定位板上的基准孔定位加强框架的位置，金属预埋件通过定位螺钉定位在蜂窝芯6内，得到加强框架+碳纤维定位板组件；
二、在加强框架的上表面涂J47B胶2-3次，敞晾后，将涂完J47B+C的上蒙皮1放置在加强框架上表面，然后将加强框架+碳纤维定位板组件放置在金属加压工装的下模7上；
三、金属加压工装的下模7和上模8合模，下模7和上模8之间利用连接件相连，下模7和上模8通过力矩扳手紧固连接件进行加压力，加压完成后，放入固化炉中，固化完成后冷却至室温，得到内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板。
本实施方式加强框架与蒙皮、金属埋件胶接，其中蒙皮表面采用J47C+B胶膜，胶模厚度控制在0.1～0.2mm之间，加强框架与金属预埋件之间采用J145或者J47D膨胀胶进行胶接，填充范围为金属件附近1至3圈蜂格范围。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是蜂窝芯6通过J145或J47D泡沫胶与加强框架胶接。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七不同的是所述的固化是以120℃～140℃的温度固化3～5h。
具体实施方式十：本实施方式用于大尺寸蜂窝夹层结构板成型的加压工装包括下模7、上模8和定位围沿11，所述的上模8为长方体框体结构模具，上模8的框体结构内由隔板间隔出多个方格孔10，上模的两侧长边模壁的下部分别设置有多个定位板9，上模8上每个定位板9上开有两个定位止口；
下模7为长方体实体模具，下模7的上表面设置有定位围沿11，下模7的两侧长边模壁上分别设置有多个定位板9，下模7上每个定位板9上开有两个定位止口，上模8与下模7合模，上模8与下模7上下对应的定位止口内通过连接件紧固连接。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同的是在上模8的定位板9上设置有加强筋，下模7的定位板9上也设置有加强筋。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十不同的是上模(8)的两侧长边模壁上的定位板(9)对称设置。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十不同的是上模(8)的两侧长边模壁的下部分别设置有5～8个定位板(9)。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十不同的是所述的连接件为螺栓。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十不同的是定位围沿(11)通过螺钉固定在下模(7)的上表面。
实施例：本实施例内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板的成型方法按照下列步骤实施：
一、在下蒙皮上涂J47B+C胶膜，加强框架内贴1mm的J47D膨胀胶，胶接有蜂窝芯，在碳纤维定位板上依次放置下蒙皮和加强框架，根据碳纤维定位板上的基准孔定位加强框架的位置，金属预埋件通过定位螺钉定位在蜂窝芯内，得到加强框架+碳纤维定位板组件；
二、在加强框架的上表面涂J47B胶3次，敞晾后，将涂完J47B+C的上蒙皮放置在加强框架上表面，金属加压工装包括下模7、上模8和定位围沿11，所述的上模8为长方体框体结构模具，上模8的框体结构内由隔板间隔出多个方格孔10，上模的两侧长边模壁的下部分别设置有多个定位板9，上模8上每个定位板9上开有两个定位止口；
下模7为长方体实体模具，下模7的上表面设置有定位围沿11，下模7的两侧长边模壁上分别设置有多个定位板9，下模7上每个定位板9上开有两个定位止口，上模8与下模7合模，上模8与下模7上下对应的定位止口内通过螺栓紧固连接，将加强框架+碳纤维定位板组件放置在下模7的定位围沿11内；
三、金属加压工装的下模7和上模8合模，通过下模7和上模8的定位止口进行定位，通过力矩扳手紧固螺栓进行加压力，加压完成后，放入固化炉中，固化温度130±5℃，时间4h，固化完成后冷却至室温，得到内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板。
本实施例内埋加强框架的大尺寸蜂窝夹层结构板包括加强框架、上蒙皮1、下蒙皮2、蜂窝芯6和金属预埋件，其中加强框架由直角接头3、两个三通接头5和多根方管4组成，加强框架为矩形框架，三通接头5的形状为T形，在矩形框架的直角处设置有直角接头3，矩形框架的长边中点设置处设置有三通接头5，相邻直角接头3之间以及直角接头3和三通接头5之间胶接有方管4，在两个三通接头5之间胶接有方管4，加强框架的框架内设置有蜂窝芯6，金属预埋件嵌设在蜂窝芯6中，在加强框架的上表面和下表面分别胶接有上蒙皮1和下蒙皮2。
本实施例得到的大尺寸蜂窝夹层板的面积可达3m2，刚度比单纯蜂窝夹层结构提高5～10倍。主要是针对单件、小批次，成本比热压罐低(主要考虑到热压罐的维护成本)。
