CN102806617B - 一种整体成型“工”型加筋复合材料壁板的模具 - Google Patents

Abstract

本发明属于树脂基复合材料成型技术，涉及一种整体成型“工”型加筋复合材料壁板的模具。本发明的模具包括外形模1、定位块2、横梁3、加筋成型模4、下凸缘成型模5和成型辅助模6。本发明通过外形模1上的定位块2分别定位横梁3和加筋成型模a 4，通过控制组装后的横梁3和加筋成型模4的位置精度来保证“工”型加筋上凸缘外型面精度及轴线位置精度。本发明可以有效保证“工”型加筋复合材料壁板上凸缘外型面与壁板蒙皮型面间的装配协调关系。

Description

一种整体成型“工”型加筋复合材料壁板的模具

技术领域

本发明属于树脂基复合材料成型技术，涉及一种整体成型“工”型加筋复合材料壁板的模具。

背景技术

目前，飞机上越来越多的部位采用了复合材料，利用先进复合材料高比强度、高比刚度以及可设计性等优点减轻结构重量，提高飞机机动性或运载能力。

加筋壁板类复合材料构件因其具有较好的刚度而成为复合材料机身、机翼和垂尾等构件广泛采用的结构形式。通常采用的加筋壁板按加筋截面的不同，分为“T”型加筋壁板、“J”型加筋壁板、“工”型加筋壁板和混合型加筋壁板等。传统的成型方法一般是将蒙皮及加筋分别固化后，采用紧固件进行机械连接，或采用胶接的手段形成壁板结构。这种成型方案分别按单个零件设计模具，模具结构比较简单，但构件整体性较差，紧固件成本和装配成本高，且紧固件的大量应用降低了结构的减重效率，不利于结构减重。随着复合材料用量的不断扩大，结构减重和降低成本的需求更显突出，因此设计部门将越来越多的飞机结构设计为整体结构，为满足整体成型过程中零件外型及各部分加压的需要，模具结构是否合理是关系零件成型成败的一项关键因素。

对于一般的没有装配要求或精度要求不高的加筋壁板，其成型模具相对还比较简单。通常在“工”型加筋两侧采用阳模，加筋上凸缘外型面则采用刚性较小的模具，成型过程中加筋按阳模型面成型，上凸缘外型面随形，这样的模具结构加筋上凸缘外型面尺寸偏差较大。

由于某些加筋壁板类构件不仅需要加筋来增强壁板刚度还需要通过加筋与上蒙皮或金属件进行连接，对加筋的位置及上凸缘外型面的型面精度提出了比较高的要求。为解决型面偏差造成的装配协调问题，通常采用二次补偿的方法，即零件成型后在专用工装上对上凸缘外型面进行二次补偿，不仅增加了工装成本，而且增加了材料和工艺成本。

发明内容

本发明的目的是，提供一种整体成型“工”型加筋复合材料壁板的模具，以满足装配和外形对“工”型加筋复合材料壁板上凸缘外型面的精度要求。

本发明的技术解决方案：模具由外形模、定位块、横梁、加筋成型模a、下凸缘成型模及加筋成型模b构成；

（a）外形模的型面依据“工”型加筋壁板蒙皮理论外形设计，长度、宽度方向尺寸较零件理论外形单边各增加50～300mm；

（b）定位块位于外形模上“工”型加筋轴线位置的两端，与外形模采用焊接或机械连接；截面设计为“U”型，上表面对横梁提供定位，侧表面对加筋成型模限位，侧表面的位置按加筋的腹板面确定，定位块的高度依据上凸缘成型模与外形模之间的距离确定；定位块长度为30～100mm，宽度与上凸缘成型模宽度一致；

（c）横梁位于“工”型加筋上凸缘外型面，横梁采用刚性材料，截面为“工”字型、“T”字型或其它满足刚度要求的截面形式，横梁的腹板轴线与“工”型加筋轴线一致；横梁的下凸缘的下表面为“工”型加筋上凸缘外型面的型面，横梁的型面依据“工”型加筋上凸缘理论外形确定；横梁的长度与固定在外形模上的相应加筋轴线两端的定位块外侧的距离相等，横梁的型面宽度大于“工”型加筋上凸缘宽度10～60mm，横梁与定位块采用销钉定位后，再用螺钉连接；

（d）加筋成型模位于“工”型加筋的一侧，设计为“L”型截面形式，厚度为5～15mm，长度与固定在外形模上的相应加筋轴线两端的定位块外侧的距离相等；利用“L”型刚性较好的特点，通过两端定位块的侧表面对加筋成型模a限位，保证加筋的轴线位置；加筋成型模a的型面依据所在“工”型加筋的理论内形确定，加筋成型模a的下型面依据下凸缘成型模的上表面的理论外形确定；

（e）下凸缘成型模位于加筋成型模a的下表面、“工”型加筋下凸缘的上表面，与加筋成型模a组合成加筋内侧成型模；

（f）加筋成型模b位于“工”型加筋的另一侧，加筋成型模b侧型面和上、下凸缘型面采用铝板或玻璃钢板，铝板或玻璃钢板厚度1～5mm，上下R角区采用AIRPAD橡胶与铝板或玻璃钢板复合，在保证成型过程中加筋部位加压的同时，利用铝板或玻璃钢板的刚性保证上、下凸缘内型面及腹板型面的表面质量。

所述的加筋成型模a的“L”型材上边缘的外边缘突出于“工”型加筋的上凸缘边缘5～30mm。

所述的置于“工”型加筋一侧下凸缘的上表面的下凸缘成型模的外边缘突出于“工”型加筋下凸缘的0～15mm。

所述的加筋成型模b的下边缘的外边缘突出于“工”型加筋下凸缘0～15mm，加筋成型模b的上边缘的外边缘突出于“工”型加筋的上凸缘边缘5～30mm。

本发明的优点：

（1）定位块设计成“U”型，通过上表面和侧表面同时满足横梁3和加筋成型模a的定位需求。

（2）加筋成型模a设计为“L”型截面形式，采用加筋成型模的上型面保证“工”型加筋上凸缘内型，同时利用“L”型刚性较好的特点，长度在两端延伸与定位块齐平，通过两端定位块对加筋成型模限位，保证加筋的轴线位置，另外一方面，采用“L”型加筋成型模与下凸缘成型模组合的方式作为“工”型加筋内侧成型模，解决了传统阳模形式与刚性模组合造成的加压不到位和固化后脱模难题。

（3）加筋成型模b采用铝板或玻璃钢板与AIRPAD橡胶相结合的复合模具，满足成型过程中加筋部位加压的同时，更好地保证了上、下凸缘内型面及腹板型面的表面质量。

附图说明

图1本发明“工”型加筋壁板1结构示意图；

图2本发明“工”型加筋壁板1模具示意图；

图3本发明定位块示意图；

图4本发明“工”型加筋壁板1的加筋成型模b的结构组成示意图；

图5本发明的横梁、加筋成型模a、下凸缘成型模、加筋成型模b与加筋壁板1的位置关系示意图；

图6本发明“工”型加筋壁板2结构示意图；

图7本发明“工”型加筋壁板2模具示意图；

图8本发明“工”型加筋壁板2的加筋成型模b的结构组成示意图；

图9本发明的横梁、加筋成型模a、下凸缘成型模、加筋成型模b与加筋壁板2的位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。以图1所示典型结构为例，该加筋壁板为纵向带有一根“工”型截面加筋的壁板结构，为了提高加筋下凸缘与蒙皮之间的界面强度，采用缝合技术将加筋下凸缘与蒙皮进行缝合，然后通过RFI工艺整体成型。与常规加筋壁板要求不同的是，工”型筋不仅要求能够起到增强壁板刚度的作用，还要求“工”型筋上凸缘外型面具有很高的型面精度，以满足装配协调的需要，为后期结构设计奠定技术基础。“工”型加筋壁板传统成型方法一般在“工”型加筋的两侧采用阳模，这种模具形式可以保证加筋内型，但凸缘外型面精度无法保证，对于加筋外型面有装配要求的，通常需要对成型后的“工”型加筋壁板上凸缘再进行机械加工或工艺补偿。该方法不仅增加了机械加工和额外工装的成本，而且补偿工序占用制造周期。为此我们设计了本发明的解决方案，其成型模具参见图2。本模具方案可以在保证“工”型筋凸缘外型面精度的情况下，实现加筋的轴线定位及成型过程中加压，满足外形及成型工艺的需要，保证制件外观及内部质量。本发明的成型模具包括外形模1、定位块2、横梁3、加筋成型模a4、下凸缘成型模5和加筋成型模b6。

按蒙皮外形设计外形模1来保证壁板的外形，以外形模1为基准，在每根“工”型加筋的前后两端距离零件边缘≥20mm的位置设计定位块2，定位块2与外形模1采用焊接或机械连接。定位块2截面设计为“U”型，如图3所示，通过定位块2的上表面13对横梁3定位，保证横梁3的型面位置精度，通过侧表面12对加筋成型模a4限位，保证加筋成型模a4的位置精度。横梁3选用刚性的金属材料，如A3钢等，截面选取“工”字型或“T”字型或其它刚性较好的截面形式，横梁3与定位块2采用销钉定位、螺钉连接。加筋成型模a4设计为截面设计为“L”型，一方面“L”上表面和侧表面可以作为“工”型加筋上凸缘及腹板面9的成型型面，另一方面，利用“L”型截面刚性好的特点，将加筋成型模a4延长至两端定位块2外表面，通过定位块2的侧表面12实现对加筋成型模a4的定位。结合下凸缘成型模5及加筋成型模b6完成“工”型加筋壁板的成型。

实施例1：典型结构如图1，由外蒙皮7上带有1根“工”型加筋，外形尺寸900mm×300mm×50mm（长×宽×高），材料采用U3160/QY9512，采用缝合技术将“工”型加筋下凸缘与蒙皮缝合，然后通过RFI工艺进行整体成型。“工”型加筋上凸缘外型面精度要求达到±0.12mm。我们采用了本发明的解决方案。

（a）按加筋壁板外形设计外形模1，横向单边加宽50mm，纵向单边加长100mm。

（b）在加筋上凸缘外型面设计横梁3，横梁设计成刚度较好的“T”字型截面形式，型面设计时以数模和加筋上凸缘外型面10的精度要求为依据，型面度偏差不大于±0.1mm。横梁3型面边缘按上凸缘理论边缘单边外延20mm。使横梁的腹板轴线与“工”型加筋轴线一致，横梁的下凸缘的下表面为“工”型加筋上凸缘外型面10的型面，横梁的型面依据“工”型加筋上凸缘外型面的理论外形确定；横梁的长度与固定在外形模1上的相应加筋轴线两端的定位块2外侧的距离相等，横梁与定位块采用销钉定位后，再用螺钉连接。

（c）在外形模1上“工”型加筋轴线位置的两端设计定位块2，定位块2截面设计为“U”型，长度为50mm，宽度与横梁3宽度一致。通过上表面13对横梁3定位，高度依据横梁3与外形模1之间的距离确定。通过侧表面12对加筋成型模a4限位，取“工”型横梁3的轴线作为定位块2的中心线，侧表面12的位置按加筋的腹板面9确定，定位块2与外形模1采用焊接或机械连接。

（d）在“工”型加筋的一侧设计加筋成型模a4，加筋成型模a4设计为“L”型截面形式，厚度为7mm，长度与固定在外形模1上的相应加筋轴线两端的定位块2外侧的距离相等。加筋成型模a4的上型面和侧型面依据所在“工”型加筋的理论内形确定，加筋成型模a4的下型面依据下凸缘成型模5的上表面的理论外形确定。加筋成型模a4的“L”型材上边缘的外边缘突出于“工”型加筋的上凸缘边缘20mm。

（e）在工”型加筋下凸缘的上表面11设计下凸缘成型模5，下凸缘成型模5与加筋成型模a4组合成“工”型加筋一侧的内侧成型模。下凸缘成型模5的型面按下凸缘上表面11确定，外边缘突出于“工”型加筋下凸缘10mm。

（f）在“工”型加筋的另一侧设计加筋成型模b6作为“工”型加筋另一侧的成型模，加筋成型模b6侧型面和上、下凸缘型面采用厚度1mm的铝板15，下边铝板的外边缘突出于“工”型加筋下凸缘10mm，上边铝板的外边缘突出于“工”型加筋的上凸缘边缘20mm，上下R角区采用AIRPAD橡胶14与铝板15复合，如图4所示。

横梁3与加筋成型模a4、下凸缘成型模5及加筋成型模b6之间的关系见图5。

经检测所成型的加筋壁板上凸缘外型面精度+0.08mm，满足“工”型加筋上凸缘外型面精度±0.12mm的要求。

实施例2：“工”型加筋壁板试验件结构如图6，材料采用G0827/QY9512，通过RFI技术整体成型。外形尺寸900mm×520mm×105mm（长×宽×高），加筋壁板为蒙皮7上纵向带有5根“工”型截面加筋8的壁板结构，5根加筋上凸缘及两端金属件要求与上蒙皮装配，为保证5根“工”型加筋上凸缘外型面10及两端金属件与上蒙皮内表面型面的协调一致性，5根“工”型加筋上凸缘外型面10精度必须控制在±0.2mm以内，在此我们采用本发明模具方案，如图7所示。

（a）考虑到加筋板外形为平面，外形模1设计成简易的平台结构，长度、宽度方向尺寸较零件理论外形单边各增加100mm。

（b）横梁3设计成刚度较好的工字型截面形式。横梁3的下凸缘的下表面为“工”型加筋上凸缘外型面10的型面，横梁3的型面依据“工”型加筋上凸缘外型面理论外形确定，模具型面精度偏差不大于±0.15mm。横梁3型面宽度按上凸缘理论边缘外延10mm，长度与外形模1长度一致。横梁3与定位块2采用销钉定位后，再用螺钉连接。

（c）取“工”型横梁3的轴线作为定位块2的中心线，在零件余量线外50mm设计定位块2，定位块2长度50mm，宽度与上凸缘成型模3宽度相等，定位块2在外形模1上固定，高度依据横梁3与外形模1之间的距离确定，侧表面12的位置按加筋的腹板面9确定。

（d）在“工”型加筋的一侧设计加筋成型模a4，加筋成型模a4设计为“L”型截面形式，厚度为5mm，长度与固定在外形模1上的相应加筋轴线两端的定位块2外侧的距离相等。加筋成型模a4的上型面和侧型面依据所在“工”型加筋的上凸缘内型及腹板面9确定，加筋成型模a4的下型面依据下凸缘成型模5的上表面的理论外形确定。加筋成型模a4的“L”型材上边缘的外边缘突出于“工”型加筋的上凸缘边缘10mm。

（e）在工”型加筋下凸缘的上表面11设计下凸缘成型模5，下凸缘成型模5与加筋成型模a4组合成“工”型加筋一侧的内侧成型模。下凸缘成型模5的型面按下凸缘上表面11确定，外边缘突出于“工”型加筋下凸缘5mm。

（f）在“工”型加筋的另一侧设计如图8所示加筋成型模b6作为“工”型加筋另一侧的成型模，加筋成型模b6侧型面和上、下凸缘型面采用厚度2mm的玻璃钢板15，下边玻璃钢板的外边缘突出于“工”型加筋下凸缘5mm，上边玻璃钢板的外边缘突出于“工”型加筋的上凸缘边缘10mm，上下R角区采用AIRPAD橡胶14与玻璃钢板15复合。

横梁3、加筋成型模a4、下凸缘成型模5及加筋成型模b6之间的位置关系见图9。

经实际测量，采用本发明的模具所成型的零件，5根“工”型加筋中1根加筋上凸缘型面偏差最大，为0.12mm，满足多根“工”型加筋上凸缘型面与上蒙皮内型面的装配协调要求。

Claims (4)

1.一种整体成型“工”型加筋复合材料壁板的模具，由外形模(1)、定位块(2)、横梁(3)、加筋成型模a(4)、下凸缘成型模(5)及加筋成型模b(6)构成，其特征在于：

(a)外形模(1)的型面依据“工”型加筋壁板蒙皮理论外形设计，长度、宽度方向尺寸较零件理论外形单边各增加50～300mm；

(b)定位块(2)位于外形模(1)上“工”型加筋轴线位置的两端，与外形模(1)采用焊接或机械连接；定位块(2)的截面设计为“U”型，定位块(2)的侧表面(12)的位置按加筋的腹板面(9)确定，定位块(2)的高度依据横梁(3)与外形模(1)之间的距离确定；定位块(2)长度为30～100mm，宽度与横梁(3)宽度一致；

(c)横梁(3)位于“工”型加筋上凸缘外型面(10)上，横梁(3)采用刚性材料，截面为“工”字型、“T”字型或其它满足刚度要求的截面形式，横梁(3)的腹板轴线与“工”型加筋轴线一致；横梁(3)的下凸缘的下表面为“工”型加筋上凸缘外型面(10)的型面，横梁(3)的型面依据“工”型加筋上凸缘理论外形确定，型面度偏差不大于±0.1mm；横梁(3)的长度与固定在外形模(1)上的相应加筋轴线两端的定位块(2)外侧的距离相等，横梁(3)的型面宽度大于“工”型加筋上凸缘宽度10～60mm，横梁(3)与定位块(2)采用销钉定位后，再用螺钉连接；

(d)加筋成型模a(4)位于“工”型加筋的一侧，设计为“L”型截面形式，厚度为5～15mm，长度与固定在外形模(1)上的相应加筋轴线两端的定位块(2)外侧的距离相等；加筋成型模a(4)的型面依据所在“工”型加筋的理论内形确定，加筋成型模a(4)的下型面依据下凸缘成型模(5)的上表面的理论外形确定；

(e)下凸缘成型模(5)位于加筋成型模a(4)下表面、“工”型加筋下凸缘的上表面(11)，与加筋成型模a(4)组合成加筋内侧成型模；

(f)加筋成型模b(6)位于“工”型加筋的另一侧，加筋成型模b(6)侧型面和上、下凸缘型面采用铝板或玻璃钢板(15)，铝板或玻璃钢板(15)厚度1～5mm，上下R角区采用AIRPAD橡胶(14)与铝板或玻璃钢板(15)复合。

2.根据权利要求1所述的一种整体成型“工”型加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的加筋成型模a(4)的“L”型材上边缘的外边缘突出于“工”型加筋的上凸缘边缘5～30mm。

3.根据权利要求1所述的一种整体成型“工”型加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的置于“工”型加筋一侧下凸缘的上表面(11)的下凸缘成型模(5)的外边缘突出于“工”型加筋下凸缘的0～15mm。

4.根据权利要求1所述的一种整体成型“工”型加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的加筋成型模b(6)的下边缘的外边缘突出于“工”型加筋下凸缘0～15mm，加筋成型模b(6)的上边缘的外边缘突出于“工”型加筋的上凸缘边缘5～30mm。