本发明涉及一种c/sic复合材料工字梁整体成型工装及成型工艺。
背景技术：
目前，传统的c/sic复合材料工字梁的成型主要采用分体式成型方法，即分别制备出两个u型件，再通过铆焊工艺组装成工字梁，这种组装方式一方面会破坏工字梁的强度，降低其使用寿命，同时铆焊部位容易受剪切力的作用而发生断裂，另一方面可能存在局部空间狭窄，操作困难，装配精度低的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是解决现有技术中存在的c/sic复合材料工字梁采用分体式成型方法会破坏工字梁的强度，降低其使用寿命，同时铆焊部位容易受剪切力的作用而发生断裂，且存在局部空间狭窄，操作困难，装配精度低的问题，而提供了一种c/sic复合材料工字梁整体成型工装及成型工艺。
本发明所采用的技术方案是：
一种c/sic复合材料工字梁整体成型工装，所述工字梁由两个u型件及两个平板件连接而成，其特殊之处在于：
所述工装包括两个内模、上模、下模、内模小端弓形夹、内模大端外弓形夹、两个内模大端内弓形夹、两个碳布弓形夹及限位块；
所述内模包括小端、主体和大端；所述内模主体与u型件内轮廓相匹配；所述内模大端设有凹槽；所述内模与u型件两个侧面对应的两侧设有对穿的缝制孔；
所述限位块的截面形状与凹槽相匹配，其高度等于两个叠放的内模高度与两个u型件底面厚度之和；
所述上模和下模均为楔形板，其斜度分别与u型件两个侧面的斜度互补；
所述内模小端弓形夹用于将两个叠放的内模小端夹紧；
所述内模大端外弓形夹用于将两个叠放的内模大端夹紧；
所述两个内模大端内弓形夹用于分别夹在两个内模大端处，其内侧面与内模大端面相抵，其外侧面与内模大端外弓形夹的内侧面相抵，从而使两个内模大端面对齐；
所述两个碳布弓形夹用于将两个u型件侧面碳布压紧在内模上；
所述两个内模、上模、下模上均设置有匹配的通孔，通过螺栓穿过相应的通孔可将上模、下模分别与两个叠放的内模连接。
进一步地，所述内模与u型件底面相对应的侧面为可拆卸结构。
进一步地，所述内模主体为空腔结构。
进一步地，所述缝制孔的孔径为ф3-6mm，孔心距为5-10mm。
一种c/sic复合材料工字梁整体成型工艺，采用上述工装，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)缝制
1.1)分别计算u型件的最大外型尺寸，并留出适当的锁边余量；
1.2)按照计算的u型件最大外型尺寸及所需壁厚裁剪碳布；
1.3)将裁剪好的碳布逐层叠放到一起；
1.4)将1：1缝制图纸贴在碳布中间对应u型件底面的位置处，按照缝制图纸对叠放的碳布进行缝制，缝制线间距为5-10mm；
2)组装
2.1)缝制完成后取下缝制图纸，将两个内模分别放置在缝制好的碳布上下两面对应u型件底面位置处；将限位块放入两个内模大端的凹槽内，再将两个内模大端内弓形夹分别夹在两个内模大端处，使内模大端内弓形夹的内侧面与内模大端面相抵；使用内模大端外弓形夹将两个叠放的内模大端夹紧，使两个叠放的内模被夹紧的两侧面与限位块两端齐平，同时使内模大端内弓形夹的外侧面与内模大端外弓形夹的内侧面相抵；使用内模小端弓形夹将两个叠放的内模小端夹紧；
2.2)将叠放在一起的碳布未夹紧部分均分，并分别向两侧的内模翻起，形成两个u型件，用两个碳布弓形夹分别将两侧翻起的碳布压紧在内模上；
2.3)按照预设厚度在两个u型件同侧铺设多层碳布，形成预制体，并继续用两个碳布弓形夹将铺设的多层碳布及两侧翻起的碳布压紧在内模上；
2.4)对预制体的上下两面进行对穿缝制；
2.5)取下两个碳布弓形夹，根据内模上通孔的位置，在预制体上引孔；
2.6)将上模和下模分别压在预制体的上下两面，并通过螺栓和螺母将上模、下模分别与两个叠放的内模连接，然后对预制体边缘进行锁边，锁边宽度为5-10mm；
3)采用cvi工艺对预制体进行热解碳界面层沉积；
4)采用cvi工艺对预制体进行sic基体沉积，沉积至预制体达到预设密度，得到工字梁毛坯；
5)对工字梁毛坯外型进行数控加工至预设尺寸，得到c/sic复合材料工字梁。
进一步地，步骤2.2)和步骤2.3)之间还包括：
a)使用碳纤维将两个u型件之间的缝隙填充平整，再使用固体胶对碳纤维进行辅助固定。
进一步地，步骤3)中，所述采用cvi工艺对预制体进行热解碳界面层沉积的工艺条件为：以丙烯为前驱体，丙烯流量为4-7l/min，以氩气为稀释气体，氩气流量为5-10l/min，沉积温度为900-1000℃。
进一步地，步骤4)中，所述采用cvi工艺对预制体进行sic基体沉积的工艺条件为：以三氯甲基硅烷为前驱体，三氯甲基硅烷流量为20-50cm，以氩气为稀释气体，氩气流量为2-7l/min，以氢气为载气，稀释氢气流量为2-6l/min，沉积温度为850-1150℃。
进一步地，所述内模与u型件底面相对应的侧面为可拆卸结构；
进行步骤3)时，将两个内模、上模、下模、内模小端弓形夹、内模大端外弓形夹、两个内模大端内弓形夹及限位块与预制体一起沉积第一炉；第一炉沉积结束后，将内模上与u型件底面相对应的侧面拆除，再继续进行沉积；该步骤共沉积2-3炉，每炉沉积30-50h；
进行步骤4)时，将两个内模、上模、下模、内模小端弓形夹、内模大端外弓形夹、两个内模大端内弓形夹及限位块与预制体一起沉积第一炉；第一炉沉积结束后，将上模、下模、内模小端弓形夹、内模大端外弓形夹、两个内模大端内弓形夹、限位块以及内模上与u型件底面相对应的侧面拆除，再继续进行沉积；沉积至密度达到1.2-1.4g/cm3后，将两个内模拆除，再继续进行沉积，直至达到预设密度；该步骤共沉积5-8炉，每炉沉积50-80h。
进一步地，步骤2.2)中，所述用两个碳布弓形夹分别将两侧翻起的碳布压紧在内模上具体为：用长条玻璃板分别压在两侧翻起的碳布边缘处，再用两个碳布弓形夹分别夹在两侧的长条玻璃板上，从而将两侧翻起的碳布压紧在内模上；
步骤2.3)中，所述用两个碳布弓形夹将铺设的多层碳布及两侧翻起的碳布压紧在内模上具体为：用长条玻璃板分别压在铺设的多层碳布与两侧翻起的碳布重叠的边缘处，再用两个碳布弓形夹分别夹在两侧的长条玻璃板上，从而将铺设的多层碳布及两侧翻起的碳布均压紧在内模上。
本发明相比现有技术的有益效果是：
(1)本发明提供的一种c/sic复合材料工字梁整体成型工装，包括两个内模、上模、下模、内模小端弓形夹、内模大端外弓形夹、两个内模大端内弓形夹、两个碳布弓形夹、限位块，在工字梁成型工艺中，使用该工装将叠放的多层碳布固定成工字梁形状，以便进行下一步沉积定型，该工装结构简单，使用方便灵活，拆卸便捷；
(2)该工装中，内模与u型件底面相对应的侧面为可拆卸结构，在进行界面层沉积时，可将该侧面拆下，增大工字梁腹腔与沉积气体的接触面积，从而保证材料的力学强度；
(3)该工装中，内模的主体为空腔结构可减小内模重量，降低模具制作成本；
(4)本发明提供的一种c/sic复合材料工字梁整体成型工艺，通过使用工装将叠放的多层碳布固定成工字梁形状，再进行沉积定型和机加工，克服了传统成型方法中打孔连接造成的材料损伤，提高了工字梁的强度；此外，该成型工艺避免了局部空间狭小而导致装配精度低的问题；
(5)使用碳纤维将两个u型件之间的缝隙填充平整，可保证最终得到的工字梁型面平整，避免产生凹坑。
附图说明
图1是c/sic复合材料工字梁的拆分结构示意图；
图2是c/sic复合材料工字梁中两个u型件拼接结构示意图；
图3是本发明c/sic复合材料工字梁整体成型工艺中使用的缝制图纸示意图；
图4是本发明c/sic复合材料工字梁整体成型工装中内模的结构示意图；
图5是本发明c/sic复合材料工字梁整体成型工装的第一种使用状态示意图；
图6是本发明c/sic复合材料工字梁整体成型工装的第二种使用状态示意图；
图7是本发明c/sic复合材料工字梁整体成型工装的第三种使用状态示意图；
图8是本发明c/sic复合材料工字梁整体成型工装的第四种使用状态示意图；
图9是本发明c/sic复合材料工字梁整体成型工装的第五种使用状态示意图；
图10是本发明c/sic复合材料工字梁整体成型工装的第六种使用状态示意图。
图中，1-u型件，2-平板件，3-内模，31-第一模体，32-第二模体，33-凹槽，4-上模，5-下模，6-内模小端弓形夹，7-内模大端外弓形夹，8-内模大端内弓形夹，9-碳布弓形夹，10-通孔，11-长条玻璃板，12-缝制图纸，13-限位块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，该c/sic复合材料工字梁由两个u型件1及两个平板件2连接而成，连接加工过程中使用的工装如图4至图10所示，包括两个内模3、上模4、下模5、内模小端弓形夹6、内模大端外弓形夹7、两个内模大端内弓形夹8、两个碳布弓形夹9及限位块13。
内模3包括小端、主体和大端，内模3主体与u型件1内轮廓相匹配，内模3大端设有凹槽33，且内模3与u型件1两个侧面对应的两侧设有缝制孔，缝制孔的孔径为ф3-6mm，孔心距为5-10mm；限位块13的截面形状与凹槽33相匹配，其高度等于两个叠放的内模3高度与两个u型件1底面厚度之和；上模4和下模5均为楔形板，其斜度分别与u型件1两个侧面的斜度互补；内模小端弓形夹6用于将两个叠放的内模3小端夹紧；内模大端外弓形夹7用于将两个叠放的内模3大端夹紧；两个内模大端内弓形夹8用于分别夹在两个内模3大端处，其内侧面与内模3大端面相抵，其外侧面与内模大端外弓形夹7的内侧面相抵，从而使两个内模3大端面对齐；两个碳布弓形夹9用于将两个u型件1侧面碳布压紧在内模3上；两个内模3、上模4、下模5上均设置有匹配的通孔10，通过螺栓穿过相应的通孔10可将上模4、下模5分别与两个叠放的内模3连接。
实际应用中，内模3上与u型件1底面相对应的侧面为可拆卸结构，如图4所示，内模3由第一模体31和第二模体32组装而成，在进行cvi沉积时，可将第二模体32拆下，增大工字梁腹腔与沉积气体的接触面积。内模3的主体为空腔结构，有利于减小内模3的重量。
使用上述工装加工c/sic复合材料工字梁的具体步骤如下：
1)缝制
1.1)分别计算u型件1的最大外型尺寸，并留出5-10mm的锁边余量；
1.2)按照计算的u型件1最大外型尺寸及所需壁厚裁剪碳布；
1.3)将裁剪好的碳布逐层叠放到一起；
1.4)如图2、图3所示，将1：1缝制图纸12贴在碳布中间对应u型件1底面的位置处，按照缝制图纸12对叠放的碳布进行缝制，缝制线间距为5-10mm。
2)组装
2.1)如图5所示，缝制完成后取下缝制图纸12，将两个内模3分别放置在缝制好的碳布上下两面对应u型件1底面位置处；将限位块13放入两个内模3大端的凹槽33内，再将两个内模大端内弓形夹8分别夹在两个内模3大端处，使内模大端内弓形夹8的内侧面与内模3大端面相抵；使用内模大端外弓形夹7将两个叠放的内模3大端夹紧，使两个叠放的内模3被夹紧的两侧面与限位块13两端齐平，同时使内模大端内弓形夹8的外侧面与内模大端外弓形夹7的内侧面相抵，保证两个内模3大端面对齐；使用内模小端弓形夹6将两个叠放的内模3小端夹紧；此时，叠放在一起的碳布被夹紧在两个内模3之间；
2.2)如图6所示，将叠放在一起的碳布未夹紧部分均分，并分别向两侧的内模3翻起，形成两个u型件1；如图7所示，用长条玻璃板11分别压在两侧翻起的碳布边缘处，再用两个碳布弓形夹9分别夹在两侧的长条玻璃板11上，从而将两侧翻起的碳布压紧在内模3上；
2.3)把一束一束的碳纤维填充进两个u型件1之间的缝隙里，直至缝隙被填充平整，再使用固体胶对碳纤维进行辅助固定；
2.4)如图8所示，按照预设厚度在两个u型件1同侧铺设多层碳布，形成预制体，用长条玻璃板11分别压在铺设的多层碳布与两侧翻起的碳布重叠的边缘处，再用两个碳布弓形夹9分别夹在两侧的长条玻璃板11上，从而将铺设的多层碳布及两侧翻起的碳布均压紧在内模3上；
2.5)如图9所示，采用原位缝制法，从中心往外对预制体的上下两面进行对穿缝制；
2.6)取下两个碳布弓形夹9，根据内模3上通孔10的位置，在预制体上引孔；
2.7)如图10所示，通过螺栓和螺母将上模4、下模5分别与两个叠放的内模3连接，并对预制体边缘进行锁边，锁边宽度为5-10mm。
3)采用cvi工艺对预制体进行热解碳界面层沉积，沉积的工艺条件为：以丙烯为前驱体，丙烯流量为4-7l/min，以氩气为稀释气体，氩气流量为5-10l/min，沉积温度为900-1000℃。
沉积过程中，将两个内模3、上模4、下模5、内模小端弓形夹6、内模大端外弓形夹7、两个内模大端内弓形夹8及限位块13与预制体一起沉积第一炉；第一炉沉积结束后，将内模3上与u型件1底面相对应的第二模体32拆除，再继续进行沉积；该步骤共沉积2-3炉，每炉沉积30-50h。
4)采用cvi工艺对预制体进行sic基体沉积，沉积至预制体达到预设密度，得到工字梁毛坯，沉积的工艺条件为：
以三氯甲基硅烷为前驱体，三氯甲基硅烷流量为20-50cm，以氩气为稀释气体，氩气流量为2-7l/min，以氢气为载气，稀释氢气流量为2-6l/min，沉积温度为850-1150℃。
沉积过程中，将两个内模3、上模4、下模5、内模小端弓形夹6、内模大端外弓形夹7、两个内模大端内弓形夹8及限位块13重新组装并与预制体一起沉积第一炉；第一炉沉积结束后，将上模4、下模5、内模小端弓形夹6、内模大端外弓形夹7、两个内模大端内弓形夹8、限位块13以及内模3上与u型件1底面相对应的第二模体32拆除，再继续进行沉积；沉积至密度达到1.2-1.4g/cm3后，将两个内模3的第一模体31拆除，再继续进行沉积，直至达到预设密度；该步骤共沉积5-8炉，每炉沉积50-80h。
5)对工字梁毛坯外型进行数控加工至预设尺寸，得到c/sic复合材料工字梁。
对上述c/sic复合材料工字梁的密度、强度、装配精度进行检测，均满足设计指标要求。
1.一种c/sic复合材料工字梁整体成型工装，所述工字梁由两个u型件(1)及两个平板件(2)连接而成，其特征在于：
所述工装包括两个内模(3)、上模(4)、下模(5)、内模小端弓形夹(6)、内模大端外弓形夹(7)、两个内模大端内弓形夹(8)、两个碳布弓形夹(9)及限位块(13)；
所述内模(3)包括小端、主体和大端；所述内模(3)主体与u型件(1)内轮廓相匹配；所述内模(3)大端设有凹槽(33)；所述内模(3)与u型件(1)两个侧面对应的两侧设有对穿的缝制孔；
所述限位块(13)的截面形状与凹槽(33)相匹配，其高度等于两个叠放的内模(3)高度与两个u型件(1)底面厚度之和；
所述上模(4)和下模(5)均为楔形板，其斜度分别与u型件(1)两个侧面的斜度互补；
所述内模小端弓形夹(6)用于将两个叠放的内模(3)小端夹紧；
所述内模大端外弓形夹(7)用于将两个叠放的内模(3)大端夹紧；
所述两个内模大端内弓形夹(8)用于分别夹在两个内模(3)大端处，其内侧面与内模(3)大端面相抵，其外侧面与内模大端外弓形夹(7)的内侧面相抵，从而使两个内模(3)大端面对齐；
所述两个碳布弓形夹(9)用于将两个u型件(1)侧面碳布压紧在内模(3)上；
所述两个内模(3)、上模(4)、下模(5)上均设置有匹配的通孔(10)，通过螺栓穿过相应的通孔(10)可将上模(4)、下模(5)分别与两个叠放的内模(3)连接。
2.根据权利要求1所述的c/sic复合材料工字梁整体成型工装，其特征在于：
所述内模(3)与u型件(1)底面相对应的侧面为可拆卸结构。
3.根据权利要求2所述的c/sic复合材料工字梁整体成型工装，其特征在于：
所述内模(3)主体为空腔结构。
4.根据权利要求1至3任一所述的c/sic复合材料工字梁整体成型工装，其特征在于：
所述缝制孔的孔径为ф3-6mm，孔心距为5-10mm。
5.一种c/sic复合材料工字梁整体成型工艺，采用权利要求1所述的工装，其特征在于，包括以下步骤：
1)缝制
1.1)分别计算u型件的最大外型尺寸，并留出适当的锁边余量；
1.2)按照计算的u型件最大外型尺寸及所需壁厚裁剪碳布；
1.3)将裁剪好的碳布逐层叠放到一起；
1.4)将1：1缝制图纸贴在碳布中间对应u型件底面的位置处，按照缝制图纸对叠放的碳布进行缝制，缝制线间距为5-10mm；
2)组装
2.1)缝制完成后取下缝制图纸，将两个内模分别放置在缝制好的碳布上下两面对应u型件底面位置处；将限位块放入两个内模大端的凹槽内，再将两个内模大端内弓形夹分别夹在两个内模大端处，使内模大端内弓形夹的内侧面与内模大端面相抵；使用内模大端外弓形夹将两个叠放的内模大端夹紧，使两个叠放的内模被夹紧的两侧面与限位块两端齐平，同时使内模大端内弓形夹的外侧面与内模大端外弓形夹的内侧面相抵；使用内模小端弓形夹将两个叠放的内模小端夹紧；
2.2)将叠放在一起的碳布未夹紧部分均分，并分别向两侧的内模翻起，形成两个u型件，用两个碳布弓形夹分别将两侧翻起的碳布压紧在内模上；
2.3)按照预设厚度在两个u型件同侧铺设多层碳布，形成预制体，并继续用两个碳布弓形夹将铺设的多层碳布及两侧翻起的碳布压紧在内模上；
2.4)对预制体的上下两面进行对穿缝制；
2.5)取下两个碳布弓形夹，根据内模上通孔的位置，在预制体上引孔；
2.6)将上模和下模分别压在预制体的上下两面，并通过螺栓和螺母将上模、下模分别与两个叠放的内模连接，然后对预制体边缘进行锁边，锁边宽度为5-10mm；
3)采用cvi工艺对预制体进行热解碳界面层沉积；
4)采用cvi工艺对预制体进行sic基体沉积，沉积至预制体达到预设密度，得到工字梁毛坯；
5)对工字梁毛坯外型进行数控加工至预设尺寸，得到c/sic复合材料工字梁。
6.根据权利要求5所述的c/sic复合材料工字梁整体成型工艺，其特征在于：
步骤2.2)和步骤2.3)之间还包括：
a)使用碳纤维将两个u型件之间的缝隙填充平整，再使用固体胶对碳纤维进行辅助固定。
7.根据权利要求6所述的c/sic复合材料工字梁整体成型工艺，其特征在于：
步骤3)中，所述采用cvi工艺对预制体进行热解碳界面层沉积的工艺条件为：以丙烯为前驱体，丙烯流量为4-7l/min，以氩气为稀释气体，氩气流量为5-10l/min，沉积温度为900-1000℃。
8.根据权利要求7所述的c/sic复合材料工字梁整体成型工艺，其特征在于：
步骤4)中，所述采用cvi工艺对预制体进行sic基体沉积的工艺条件为：以三氯甲基硅烷为前驱体，三氯甲基硅烷流量为20-50cm，以氩气为稀释气体，氩气流量为2-7l/min，以氢气为载气，稀释氢气流量为2-6l/min，沉积温度为850-1150℃。
9.根据权利要求8所述的c/sic复合材料工字梁整体成型工艺，其特征在于：
所述内模与u型件底面相对应的侧面为可拆卸结构；
进行步骤3)时，将两个内模、上模、下模、内模小端弓形夹、内模大端外弓形夹、两个内模大端内弓形夹及限位块与预制体一起沉积第一炉；第一炉沉积结束后，将内模上与u型件底面相对应的侧面拆除，再继续进行沉积；该步骤共沉积2-3炉，每炉沉积30-50h；
进行步骤4)时，将两个内模、上模、下模、内模小端弓形夹、内模大端外弓形夹、两个内模大端内弓形夹及限位块与预制体一起沉积第一炉；第一炉沉积结束后，将上模、下模、内模小端弓形夹、内模大端外弓形夹、两个内模大端内弓形夹、限位块以及内模上与u型件底面相对应的侧面拆除，再继续进行沉积；沉积至密度达到1.2-1.4g/cm3后，将两个内模拆除，再继续进行沉积，直至达到预设密度；该步骤共沉积5-8炉，每炉沉积50-80h。
10.根据权利要求5至9任一所述的c/sic复合材料工字梁整体成型工艺，其特征在于：
步骤2.2)中，所述用两个碳布弓形夹分别将两侧翻起的碳布压紧在内模上具体为：用长条玻璃板分别压在两侧翻起的碳布边缘处，再用两个碳布弓形夹分别夹在两侧的长条玻璃板上，从而将两侧翻起的碳布压紧在内模上；
步骤2.3)中，所述用两个碳布弓形夹将铺设的多层碳布及两侧翻起的碳布压紧在内模上具体为：用长条玻璃板分别压在铺设的多层碳布与两侧翻起的碳布重叠的边缘处，再用两个碳布弓形夹分别夹在两侧的长条玻璃板上，从而将铺设的多层碳布及两侧翻起的碳布均压紧在内模上。
技术总结