CN101704301B - 消除复合材料热压罐阴模成型拐角缺陷的模具和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料成型技术，涉及消除复合材料阴模成型拐角缺陷的模具和方法。消除复合材料∏形梁热压罐阴模成型拐角缺陷的模具，其特征在于，它由底板(1)、两个侧板(2)和两个垫片(3)组成；消除复合材料热压罐阴模成型拐角缺陷的方法，操作的步骤如下：确定固化时的热膨胀量差ΔL；确定固化时的收缩量即Δd；计算垫片(3)或垫圈(5)厚度t；铺叠和吸胶；零件固化。本发明消除了阴模成型复合材料构件拐角结构拐角区架桥和沟痕缺陷，提高了拐角区内部质量。
Description
技术领域
本发明属于复合材料成型技术，涉及消除复合材料阴模成型拐角缺陷的模具和方法。
现有技术
热压罐阴模成型复合材料拐角结构件的方法参见图1，采用金属外模具成型复合材料构件的外型面，预浸料在模具内侧铺叠，橡胶软模成型复合材料构件的内型面。采用这种成型方法可以保证复材零件拐角的外型面精度，对于某些复合材料结构件必须保证拐角的外型面且有一定的装配要求情况下，必须采用阴模成型的方法制造拐角结构。其缺点是：复合材料构件在拐角区会出现架桥、沟痕等缺陷，将影响复合材料构件的性能。出现架桥、沟痕等缺陷的原因是：复合材料构件与金属模具线膨胀系数不同；复合材料构件固化过程中自身厚度变化。
复合材料构件在固化成型时选定的成形模具应与复合材料的膨胀系数相近，但在实际生产中与复合材料膨胀系数相近的可用作成形模具的材料很少且价格较为昂贵。所以在实际生产中还是多采用45#钢和A3钢等金属模具。
1.复合材料构件与金属模具线膨胀系数不同导致拐角区架桥、沟痕等缺陷。
复合材料构件与金属模具之间线膨胀系数存在较大差异，采用阴模成型的复合材料拐角结构件在热成型过程中，金属模具的线膨胀系数大，模具会出现较大的尺寸伸长变化，而复合材料的线膨胀系数与金属相差一个数量级以上，尺寸变化很小。拐角区在固化前与模具紧密贴合，在升温固化的过程中金属模具与复材零件同时膨胀但金属模具的线膨胀系数与复合材料的线膨胀系数不同导致复材拐角处与模具之间产生间隙。另外由于外部压力的作用限制了复材在模具上的移动而外部压力又很难通过复合材料构件传导至间隙处将拐角压实。这就使拐角区域的复合材料向两侧拉成圆角形式，导致固化后的复合材料构件拐角区域出现架桥、沟痕等缺陷。
2.复合材料构件固化过程中自身厚度变化导致拐角区架桥、沟痕等缺陷。
在热压罐成型工艺中，构件固化后的厚度会小于铺叠时的厚度。这是由于固化施加外部压力时预浸料铺层存在一定的压缩量，每一层纤维均会沿着铺层厚度方向产生一定的位移，越往外层纤维的位移将越大。在复合材料拐角结构件固化时随着压力的施加拐角两侧的纤维会分别在各自厚度方向上产生移动，厚度减小后铺层中所需纤维的长度将增大，在拐角区域纤维需要在厚度和长度方向上同时移动才能匹配厚度的变化，而拐角部位的纤维由于受到两侧纤维拉力的限制，在长度方向上基本不能移动，在垂直方向上的移动也会受到限制，因此不能同步于两侧纤维的厚度变化，越往外层此现象越严重，从而在拐角区域产生架桥缺陷。当构件的厚度差越大，拐角区的架桥缺陷越明显。
针对以上问题本专利采用了一种增加工艺垫片，在铺叠时放入垫片，固化时取出垫片，使一侧模具可平行移动的金属组合模具的方法来制造复合材料拐角结构件，消除构件拐角区的架桥缺陷。
发明内容
本发明的目的是：提出消除复合材料热压罐阴模成型拐角缺陷的模具和方法，以消除阴模成型复合材料构件拐角结构拐角区架桥和沟痕缺陷，提高拐角区内部质量。
本发明的技术方案是：消除复合材料∏形梁热压罐阴模成型拐角缺陷的模具，其特征在于，它由底板、两个侧板和两个垫片组成；底板是一个矩形板，它的长度大于待成型的复合材料∏形梁的长度，底板的宽度等于复合材料∏形梁底面的宽度，侧板是矩形板，侧板的长度等于底板的长度，它的高度大于复合材料∏形梁的高度，两个侧板位于底板宽度方向的两侧，并通过螺钉与底板连接为整体，垫片是矩形薄片，垫片的高度等于底板的厚度，垫片的长度等于底板的长度，两个垫片分别位于底板宽度方向的两侧，被夹紧在底板和侧板之间，垫片由金属薄片制造，其总厚度用以下公式确定：
t＝ΔL+Δd...............................................................(1)
式中，t为垫片厚度；ΔL为固化时底板与复合材料∏形梁的热膨胀量差；Δd为复合材料∏形梁在成型时的收缩量。
使用上面所述的模具消除复合材料∏形梁热压罐阴模成型拐角缺陷的方法，其特征在于，操作的步骤如下：
1、确定固化时底板与复合材料∏形梁的热膨胀量差ΔL；按照下式计算：
ΔL＝(α-β)×ΔT×L.............................................(2)
式中，α为固化时底板的热膨胀系数，β为复合材料∏形梁在固化时的热膨胀系数，ΔT为常温与固化时的温度温差，L为底板的宽度；
2、确定复合材料∏形梁在固化时的收缩量即Δd；
制造与复合材料∏形梁相同材料及铺层的平板试件，经过固化后测量固化前后的宽度差，然后按照下式计算复合材料∏形梁在固化时的收缩量Δd；
Δd＝[(L1-L2)/L1]×L......................................................(3)
式中，L1为固化前复合材料平板试件的宽度，L2为固化后复合材料试件的宽度，L为底板的宽度；
3、计算垫片厚度t；按照下式计算：
t＝ΔL+Δd...............................................................(4)
4、铺叠和吸胶；铺叠前先组装好带有垫片的完整模具，然后进行铺叠和吸胶；
5、零件固化；在零件固化前将垫片从模具上取出，再重新组装好不带垫片的模具，然后进行零件固化。
本发明的优点是：消除了阴模成型复合材料构件拐角结构拐角区架桥和沟痕缺陷，提高了拐角区内部质量。
本发明与传统的制造方法相比主要有以下优点：
1.在铺叠复合材料∏形梁过程中在底板、侧板之间放置可拆卸的垫片，增大了复合材料宽度方向的尺寸，使其与膨胀后的底板尺寸相匹配，弥补模具膨胀后所产生的纤维长度不足的影响，有利于消除拐角区架桥缺陷。
2.在固化复合材料∏形梁过程中侧板可在底板上平行移动。固化时，施加的外部压力使侧板向内侧移动，使拐角区域的复合材料叠层能与模具完全贴合，弥补拐角区域的纤维由于受到两侧纤维拉力的限制，不能同步于两侧纤维的厚度变化的影响，使压力能够完全作用于拐角区域，有利于消除拐角区架桥缺陷。
附图说明
图1是现有的热压罐阴模成型复合材料拐角结构件的模具示意图。图中，最外层为金属模具，中间层为复合材料制件，最内层为橡胶软膜。采用这种成型方法的优点是刚性金属模可以保证复材零件拐角的外型面精度，缺点是拐角的内部质量难以保证。
图2是本发明消除复合材料∏形梁热压罐阴模成型拐角缺陷模具的示意图。
图3是本发明消除复合材料∏形截面环形零件热压罐阴模成型拐角缺陷模具的示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。参见图2，消除复合材料∏形梁热压罐阴模成型拐角缺陷的模具，其特征在于，它由底板1、两个侧板2和两个垫片3组成；底板1是一个矩形板，它的长度大于待成型的复合材料∏形梁的长度，底板1的宽度等于复合材料∏形梁底面的宽度，侧板2是矩形板，侧板2的长度等于底板1的长度，它的高度大于复合材料∏形梁的高度，两个侧板2位于底板1宽度方向的两侧，并通过螺钉与底板1连接为整体，垫片3是矩形薄片，垫片3的高度等于底板1的厚度，垫片3的长度等于底板1的长度，两个垫片3分别位于底板1宽度方向的两侧，被夹紧在底板1和侧板2之间，垫片3由金属薄片制造，其总厚度用以下公式确定：
t＝ΔL+Δd...............................................................(1)
式中，t为垫片厚度；ΔL为固化时底板1与复合材料∏形梁的热膨胀量差；Δd为复合材料∏形梁在固化时的收缩量。
使用上面所述的模具消除复合材料∏形梁热压罐阴模成型拐角缺陷的方法，其特征在于，操作的步骤如下：
1、确定固化时底板1与复合材料∏形梁的热膨胀量差ΔL；按照下式计算：
ΔL＝(α-β)×ΔT×L......................................................(2)
式中，α为固化时底板1的热膨胀系数，β为复合材料∏形梁在固化时的热膨胀系数，ΔT为常温与固化时的温度温差，L为底板1的宽度；
2、确定复合材料∏形梁在固化时的收缩量即Δd；
制造与复合材料∏形梁相同材料及铺层的平板试件，经过固化后测量固化前后的宽度差，然后按照下式计算复合材料∏形梁在固化时的收缩量Δd；
Δd＝(L1-L2)/L1×L......................................................(3)
式中，L1为固化前复合材料平板试件的宽度，L2为固化后复合材料试件的宽度，L为底板1的宽度；
3、计算垫片3厚度t；按照下式计算：
t＝ΔL+Δd.....................................................................(4)
4、铺叠和吸胶；铺叠前先组装好带有垫片3的完整模具，然后进行铺叠和吸胶；
5、零件固化；在零件固化前将垫片3从模具上取出，再重新组装好不带垫片3的模具，然后进行零件固化。
消除复合材料∏形截面环形零件热压罐阴模成型拐角缺陷的模具，其特征在于，它由中心圆管6、两个端环4和两个垫圈5组成；中心圆管6的轴向等于待成型的复合材料∏形截面环形零件的轴向长度，中心圆管6的外径等于复合材料∏形截面环形零件的内径，端环4是带有中心孔的环形板，端环4的外径大于复合材料∏形截面环形零件的外径，两个端环4位于中心圆管6轴向的两侧，并通过螺钉与中心圆管6同轴连接为整体，垫圈5是环形薄片，垫圈5的外径等于中心圆管6的外径，垫圈5的内径等于中心圆管6的内径，两个垫圈5分别位于中心圆管6轴向的两侧，被夹紧在中心圆管6和端环4之间，垫圈5由金属薄片制造，其总厚度用以下公式确定：
t＝ΔK+ΔD...............................................................(5)
式中，t为垫片厚度；ΔK为固化时中心圆管6与复合材料∏形截面环形零件的轴向热膨胀量差；ΔD为复合材料∏形截面环形零件在固化时的轴向收缩量。
使用上面所述的模具消除复合材料∏形截面环形零件热压罐阴模成型拐角缺陷的方法，其特征在于，操作的步骤如下：
1、确定固化时中心圆管6与复合材料∏形截面环形零件的轴向热膨胀量差ΔK；按照下式计算：
ΔK＝(α-β)×Δμ×θ................................................(6)
式中，α为固化时中心圆管6的热膨胀系数，β为复合材料∏形截面环形零件在固化时的热膨胀系数，Δμ为常温与固化时的温度温差，θ为中心圆管6的轴向长度；
2、确定复合材料∏形截面环形零件在成型时的收缩量ΔD；制造与复合材料∏形截面环形零件相同材料及铺层的筒形试件，经过固化后测量固化前后的轴向长度差，然后按照下式计算复合材料∏形截面环形零件在固化时的收缩量ΔD；
ΔD＝(L3-L4)/L3×θ......................................................(7)
式中，L3为固化前复合材料筒形试件的轴向长度，L4为固化后复合材料筒形试件轴向长度，θ为中心圆管6的轴向长度；
3、计算垫圈5的厚度t；按照下式计算：
t＝ΔK+ΔD..................................................................(8)
4、铺叠和吸胶；铺叠前先组装好带有垫圈5的完整模具，然后进行铺叠和吸胶；
5、零件固化；在零件固化前将垫圈5从模具上取出，再重新组装好不带垫圈5的模具，然后进行零件固化。
本发明的工作原理是：
1.在铺叠过程中在底板、两个侧板之间或中心圆管、两个端环放置可拆卸的工艺垫片，增大了复合材料宽度方向或轴线长度的尺寸，使其与膨胀后的底板或中心圆管尺寸相匹配，弥补模具膨胀后所产生的纤维长度不足的影响，有利于消除拐角区架桥缺陷。
2.两个侧板、两个端环可在底板或中心圆管上平行移动。固化时，施加的外部压力使两个侧板或两个端环向内侧移动，使拐角区域的复合材料叠层能与模具完全贴合，弥补拐角区域的纤维由于受到两侧纤维拉力的限制，不能同步于两侧纤维的厚度变化的影响，使压力能够完全作用于拐角区域，有利于消除拐角区架桥缺陷。
实施例1
某型号战机的梁肋为复合材料∏形肋试件。
某型号战机的梁肋所用的的模具，其特征在于，它由底板、两个侧板和两个垫片组成；底板是一个矩形板，它的长度大于待成型的梁肋的长度，底板的宽度等于梁肋底面的宽度，侧板是矩形板，侧板的长度等于底板的长度，它的高度大于梁肋的高度，两个侧板位于底板宽度方向的两侧，并通过螺钉与底板连接为整体，垫片是矩形薄片，垫片的高度等于底板的厚度，垫片的长度等于底板的长度，两个垫片分别位于底板宽度方向的两侧，被夹紧在底板和侧板之间，垫片由铝薄片制造，其总厚度用以下公式确定：
t＝ΔL+Δd................................................................(1)
式中，t为垫片厚度；ΔL为固化时底板与梁肋的热膨胀量差；Δd为梁肋在成型时的收缩量。
操作的步骤如下：
1、确定固化时底板与梁肋的热膨胀量差ΔL；按照下式计算：
ΔL＝(α-β)×ΔT×L................................................(2)
式中，α为固化时底板的热膨胀系数(15*10-6m/℃)，β为梁肋在固化时的热膨胀系数(1.3*10-6m/℃)，ΔT为常温与固化时的温差(200℃)，L为底板的宽度(200mm)；
从上式得出：ΔL＝0.548mm
2、确定梁肋在固化时的收缩量即Δd；
制造与梁肋相同材料及铺层的平板试件，经过固化后测量固化前后的宽度差，然后按照下式计算梁肋在固化时的收缩量Δd；
Δd＝[(L1-L2)/L1]×L.....................(3)
式中，L1为固化前复合材料平板试件的宽度(200mm)，L2为固化后复
合材料试件的宽度(198.9mm)，L为底板的宽度(200mm)；
从上式得出：Δd＝1.1mm
3、计算垫片厚度t；按照下式计算：
t＝ΔL+Δd.............................................(4)
ΔL已由公式(2)得出，Δd已由公式(3)得出
从上式得出：t＝1.648mm
4、铺叠和吸胶；铺叠前先组装好带有垫片的完整模具，然后进行铺叠和吸胶；
5、零件固化；在零件固化前将垫片从模具上取出，再重新组装好不带垫片的模具，然后进行零件固化。
经过此方法制作的梁肋工艺试件拐角区域无缺陷。
实施例2
某型号战机的副翼后梁为复合材料∏形梁试件
某型号战机的后梁为复合材料∏形梁试件。
某型号战机的后梁所用的的模具，其特征在于，它由底板、两个侧板和两个垫片组成；底板是一个矩形板，它的长度大于待成型的后梁的长度，底板的宽度等于后梁底面的宽度，侧板是矩形板，侧板的长度等于底板的长度，它的高度大于后梁的高度，两个侧板位于底板宽度方向的两侧，并通过螺钉与底板连接为整体，垫片是矩形薄片，垫片的高度等于底板的厚度，垫片的长度等于底板的长度，两个垫片分别位于底板宽度方向的两侧，被夹紧在底板和侧板之间，垫片由铝薄片制造，其总厚度用以下公式确定：
t＝ΔL+Δd...............................................................(1)
式中，t为垫片厚度；ΔL为固化时底板与后梁的热膨胀量差；Δd为后梁在成型时的收缩量。
操作的步骤如下：
1、确定固化时底板与后梁的热膨胀量差ΔL；按照下式计算：
ΔL＝(α-β)×ΔT×L................................................(2)
式中，α为固化时底板的热膨胀系数(15*10-6m/℃)，β为后梁在固化时的热膨胀系数(1.1*10-6m/℃)，ΔT为常温与固化时的温差(180℃)，L为底板的宽度(150mm)；
从上式得出：ΔL＝0.375mm
2、确定后梁在固化时的收缩量即Δd；
制造与后梁相同材料及铺层的平板试件，经过固化后测量固化前后的宽度差，然后按照下式计算梁肋在固化时的收缩量Δd；
Δd＝[(L1-L2)/L1]×L........................(3)
式中，L1为固化前复合材料平板试件的宽度(150mm)，L2为固化后复合材料试件的宽度(149.2mm)，L为底板的宽度(200mm)；
从上式得出：Δd＝0.8mm
3、计算垫片厚度t；按照下式计算：
t＝ΔL+Δd.............................................(4)
ΔL已由公式(2)得出，Δd已由公式(3)得出
从上式得出：t＝1.175mm
4、铺叠和吸胶；铺叠前先组装好带有垫片的完整模具，然后进行铺叠和吸胶；
5、零件固化；在零件固化前将垫片从模具上取出，再重新组装好不带垫片的模具，然后进行零件固化。
经过此方法制作的后梁工艺试件拐角区域无缺陷。
Claims (2)
1.消除复合材料∏形梁热压罐阴模成型拐角缺陷的模具，其特征在于，它由底板(1)、两个侧板(2)和两个垫片(3)组成；底板(1)是一个矩形板，它的长度大于待成型的复合材料∏形梁的长度，底板(1)的宽度等于复合材料∏形梁底面的宽度，侧板(2)是矩形板，侧板(2)的长度等于底板(1)的长度，它的高度大于复合材料∏形梁的高度，两个侧板(2)位于底板(1)宽度方向的两侧，并通过螺钉与底板(1)连接为整体，垫片(3)是矩形薄片，垫片(3)的高度等于底板(1)的厚度，垫片(3)的长度等于底板(1)的长度，两个垫片(3)分别位于底板(1)宽度方向的两侧，被夹紧在底板(1)和侧板(2)之间，垫片(3)由金属薄片制造，其总厚度用以下公式确定：
t＝ΔL+Δd...............................................................①
式中，t为垫片厚度；ΔL为固化时底板(1)与复合材料∏形梁的热膨胀量差；Δd为复合材料∏形梁在固化时的收缩量。
2.使用如权利要求1所述的模具消除复合材料∏形梁热压罐阴模成型拐角缺陷的方法，其特征在于，操作的步骤如下：
2.1、确定固化时底板(1)与复合材料∏形梁的热膨胀量差ΔL；按照下式计算：
ΔL＝(α-β)×ΔT×L................................................②
式中，α为固化时底板(1)的热膨胀系数，β为复合材料∏形梁在固化时的热膨胀系数，ΔT为常温与固化时的温度温差，L为底板(1)的宽度；
2.2、确定复合材料∏形梁在固化时的收缩量即Δd；
制造与复合材料∏形梁相同材料及铺层的平板试件，经过固化后测量固化前后的宽度差，然后按照下式计算复合材料∏形梁在固化时的收缩量Δd；
Δd＝((L1-L2)/L1)×L......................................................③
式中，L1为固化前复合材料平板试件的宽度，L2为固化后复合材料试件的宽度，L为底板(1)的宽度；
2.3、计算垫片(3)厚度t；按照下式计算：
t＝ΔL+Δd.....................................................................④
2.4、铺叠和吸胶：铺叠前先组装好带有垫片(3)的完整模具，然后进行铺叠和吸胶；
2.5、零件固化：在零件固化前将垫片(3)从模具上取出，再重新组装好不带垫片(3)的模具，然后进行零件固化。
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