CN102848498A - 一种整体成型“j”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“J”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、上凸缘成型模3、限位模4、下凸缘成型模5和辅助模6。本发明以外形模1为基准，定位块2、上凸缘成型模3、限位模4依次定位，通过控制组装后的上凸缘成型模3和限位模4的位置精度来保证“J”型加筋上凸缘外型面精度及加筋轴线位置精度，不仅降低了模具制造成本同时缩短了制造周期。

Description

一种整体成型“J”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“J”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。随着复合材料用量的不断扩大，复合材料的应用部位从次承力构件越来越多的应用到了主承力构件，结构形式也由简单的单个零件到结构复杂的整体构件。

典型的飞机构件如机翼、垂尾等结构件多采用上、下蒙皮与多根加筋组合的结构形式。传统的成型方法一般是将上、下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。这种成型方案模具结构比较简单，但对于型面复杂的构件，由于各个零件单独固化后均呈刚性状态，存在协调关系的各零件的形状尺寸必须依靠提高模具制造精度来实现，模具制造费用高。同时大量紧固件的应用不仅成本高还降低结构的减重效率。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，因此飞机结构设计部门将更多复合材料构件设计为整体结构，这样，结构制造技术也就面临着更大的挑战。

对于一般的没有装配要求或精度要求不高的“J”型加筋壁板，通常在“J”型加筋带有上凸缘的加筋内侧采用阳模，另一侧和加筋上凸缘外型面则采用刚性较小的模具，成型过程中复合材料按阳模型面成型，这样的模具结构可以保证“J”型加筋的内形质量，但加筋的外形尺寸偏差较大。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“J”型加筋复合材料壁板的模具，以满足装配和外形对“J”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、上凸缘成型模、限位模和下凸缘成型模及辅助模组成。

（a）外形模的型面依据“J”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“J”型加筋轴线位置的两端，与外形模采用焊接或机械连接，定位块长度为30～100mm，宽度与上凸缘成型模宽度一致，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；

（c）上凸缘成型模位于“J”型加筋上凸缘外型面，上凸缘成型模采用刚性材料，截面为“工”字型，上凸缘成型模的腹板面与“J”型加筋的腹板面平行，上凸缘成型模的下凸缘的下表面为“J”型加筋上凸缘外型面的型面，上凸缘成型模的型面依据“J”型加筋上凸缘理论外形确定，上凸缘成型模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，上凸缘成型模的型面宽度大于“J”型加筋上凸缘宽度15～45mm，上凸缘成型模与定位块采用销钉定位后，再用螺钉连接；

（d）限位模位于“J”型加筋无上凸缘一侧，与上凸缘成型模采用销钉定位后，再用螺钉连接，限位模的厚度为5～15mm，长度方向较加筋的理论边缘单边增加10～30mm；限位模的侧型面依据“J”型加筋无上凸缘一侧的腹板面的理论外形确定，限位模的下型面依据下凸缘成型模的上表面的理论外形确定；

（e）下凸缘成型模置于“J”型加筋无上凸缘一侧的下凸缘的上表面，与限位模组合成加筋外侧成型模，辅助模置于“J”型加筋有上凸缘一侧，构成加筋内侧成型模。

所述的限位模的上表面不低于“J”型加筋的上凸缘的外型面。

所述的限位模的上表面与上凸缘成型模的下凸缘的下表面配合，限位模的侧边与上凸缘成型模的下凸缘的侧边平齐。

所述的限位模的侧型面与上凸缘成型模的侧边配合，限位模的上表面与上凸缘成型模下凸缘的上表面平齐。

所述的置于“J”型加筋无上凸缘一侧的下凸缘的上表面的下凸缘成型模的外边缘突出于“J”型加筋下凸缘的0～15mm，置于“J”型加筋有上凸缘一侧的辅助模的下边缘的外边缘突出于“J”型加筋下凸缘0～15mm，辅助模的上边缘的外边缘突出于“J”型加筋的上凸缘边缘5～30mm。

所述的上凸缘成型模的型面与“J”型筋上凸缘的外型面有0.5°～1.5°的夹角。

本发明的优点：

（1）将上凸缘成型模在外形模定位块上定位，限位模在上凸缘成型模上定位，通过外形模、定位块、上凸缘成型模、限位模依次定位的方式，可有效保证“J”型加筋壁板上凸缘外型面、“J”型加筋轴线位置与壁板蒙皮型面之间的协调关系。

（2）模具设计过程中外形模、定位块、上凸缘成型模、限位模与壁板蒙皮数模统一协调，通过控制组装后的上凸缘成型模和限位模的型面和位置精度，一方面可有效保证多墙壁板上凸缘外型面的高精度要求，另一方面减小了单个模具零件的制造精度，降低了模具制造成本。

（3）采用该整体成型“J”型加筋复合材料壁板的模具，可实现一次整体成型出的多根“J”型加筋上凸缘外型面共面，满足外形和装配对上凸缘外型面的高精度要求，省掉了传统的二次型面补偿法带来的工装、材料和工艺成本，真正实现了复合材料低成本制造。

附图说明：

图1“J”型加筋壁板典型结构示意图；

图2整体成型“J”型加筋复合材料壁板的典型模具结构示意图；

图3实施例1盒段结构及组成示意图；

图4实施例1上凸缘成型模与限位模、下凸缘成型模及辅助模之间的位置关系；

图5实施例1上凸缘成型模与定位块、外形模的位置关系示意图；

图6实施例2盒段结构及组成示意图；

图7实施例2上凸缘成型模截面尺寸；

图8实施例2上凸缘成型模与限位模、下凸缘成型模及辅助模之间的位置关系；

图9实施例3“J”型加筋壁板结构示意图；

图10实施例3“J”型加筋壁板外形模与零件位置关系示意图；

图11实施例3上凸缘成型模截面尺寸；

图12实施例3上凸缘成型模与限位模、下凸缘成型模及辅助模之间的位置关系；

图13实施例3上凸缘成型模与定位块、外形模的位置关系示意图。

具体实施方式

下面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两根“J”型截面加筋的壁板结构，采用缝合/RFI工艺整体成型，为满足上蒙皮与加筋壁板的装配质量，要求两根“J”型加筋上凸缘外型面与上蒙皮内表面共面。采用传统模具方案成型的加筋壁板几乎不能满足多个筋条上凸缘外型面的共面精度要求，通常需要对成型后的“J”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，本发明的成型模具包括外形模1、定位块2、上凸缘成型模3、限位模4、下凸缘成型模5和辅助模6。

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“J”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在外形模1上定位。上凸缘成型模3选用刚性的金属材料，如A3钢等，截面选取“工”字型截面形式，上凸缘成型模3在定位块2上采用销钉定位，然后螺钉连接，通过定位块2来保证上凸缘成型模3的位置。限位模4与上凸缘成型模3采用销钉定位、螺钉连接，通过上凸缘成型模3来定位限位模4，结合下凸缘成型模5及辅助模6，完成加筋的定位及成型。至此，以外形模1为基准，定位块2、上凸缘成型模3、限位模4依次定位，通过控制上凸缘成型模3与定位块2组装后上凸缘成型模3的型面精度来保证上凸缘外型面精度，依靠定位后的上凸缘成型模3与限位模4组装后的限位模4保证加筋腹板面9的位置精度，环环相扣保证加筋在蒙皮上的位置关系，同时实现多根上凸缘共面，实现了加筋壁板上凸缘外型面高精度的要求。

实施例1：整体成型的“J”型加筋壁板结构如图3，“J”型加筋壁板外形尺寸为900mm×520mm×105mm（长×宽×高），蒙皮7上纵向带有5根截面为“J”型的加筋8，材料采用G0827/QY9512，通过RFI技术整体成型。5根“J”型加筋上凸缘及两端金属件要求与上蒙皮12装配，为保证5根“J”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“J”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。

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

B．上凸缘成型模3设计成刚度较好的工字型截面形式。上凸缘成型模3的下凸缘的下表面为“J”型加筋上凸缘外型面10的型面，上凸缘成型模3的型面依据“J”型加筋上凸缘外型面理论外形确定，考虑“J”型加筋回弹，模具设计时上凸缘成型模3型面加放1.0°回弹角α。模具型面精度偏差不大于±0.15mm。上凸缘成型模3在有上凸缘的一侧的型面边缘按上凸缘理论边缘外延10mm，另一侧与限位模4配合后与限位模4侧面齐平，长度与外形模1长度一致。上凸缘成型模3与定位块2采用销钉定位后，再用螺钉连接。

C．在“J”型加筋没有上凸缘的一侧设计限位模4，长度方向按相应加筋单边延长10mm，厚度为5mm；限位模4的上表面与上凸缘成型模3的下凸缘的下表面配合，与上凸缘成型模3采用销钉定位、螺钉连接。“J”型加筋在蒙皮上的位置及腹板9的型面精度由限位模4侧型面保证。同时在“J”型加筋外侧设计下凸缘成型模5，下凸缘成型模5置于“J”型加筋无上凸缘一侧的下凸缘的上表面11，与限位模4组合成加筋外侧成型模，另一侧设计辅助模6，作为加筋内侧成型模。上凸缘成型模3与限位模4、下凸缘成型模5及辅助模6之间的位置关系见图4。

D．取“工”型上凸缘成型模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，用定位块2保证上凸缘成型模3的型面位置和精度，定位块2与外形模1、上凸缘成型模3的位置关系见图5。

经实际测量，采用本发明的模具所成型的零件，5根“J”型加筋中二根加筋上凸缘型面偏差最大，为0.15mm，满足多根“J”型加筋上凸缘型面与上蒙皮内型面的装配协调要求。

实施例2：盒型结构试验件如图6，由“J”型加筋壁板和上蒙皮12构成，其中，加筋壁板为纵向带有两根“J”型加强的壁板结构，外形尺寸1800mm×800mm×160mm（长×宽×高），材料体系采用U3160/QY9512。为提高结构整体性并实现结构减重，壁板加筋下凸缘与蒙皮界面采用缝合增强，然后采用RFI工艺整体成型。上蒙皮为变厚度，与壁板加筋上凸缘配合面精度在±0.15mm以内。如此高的精度对采用传统模具方案成型出的零件几乎无法达到，通常需要对成型后的壁板加筋上凸缘外型面10采用机械加工或在专用工装上进行二次补偿的方法来实现。采用本发明模具方案成型的加筋壁板，加筋上凸缘外型面10精度由模具加工精度来保证，完全可以保证±0.15mm的精度要求，无需对壁板加筋进行机械加工和二次补偿，不仅省却了材料、机械加工和工装成本，而且缩短了零件的研制周期，真正实现了复合材料的低成本制造。

A．依据加筋壁板外形数模设计外形模1，外形模1采用框架焊接结构，型面按加筋壁板理论外形加工，考虑到零件余量、工艺封装及模具定位，外形模1外型尺寸需在与加筋垂直的横向单边加宽200mm，加筋的轴线方向即纵向单边加长250mm。

B．上凸缘成型模3设计成刚度较好的“工”字型截面形式，经刚度计算（在两端支撑条件下，最大变形不超过0.05mm）确定“工”字型截面尺寸，如图7所示。型面设计时以加筋壁板数模及上凸缘外型面10的精度要求为依据，型面度偏差不大于±0.1mm。考虑到“J”型加筋凸缘回弹，模具设计时上凸缘成型模3型面加放1.5°回弹角α。上凸缘成型模3与限位模4配合面简化为平面，上凸缘成型模3在有上凸缘的一侧的型面边缘按上凸缘理论边缘外延20mm，另一侧与限位模4配合后与限位模4侧面齐平，长度与外形模1齐平。

C．在“J”型加筋没有上凸缘的外侧设计限位模4，限位模4长度为加筋长度单边增加20mm，厚度取10mm，限位模4在上凸缘成型模3上定位。限位模4与上凸缘成型模3配合面简化为平面，限位模4的上表面不低于“J”型加筋的上凸缘的外型面10，限位模4与上凸缘成型模3采用销钉定位、螺钉连接。同时在“J”型加筋外侧设计下凸缘成型模5，下凸缘成型模5置于“J”型加筋无上凸缘一侧的下凸缘的上表面11，下凸缘成型模5与限位模4组合成为加筋外侧成型模，在有上凸缘的一侧设计辅助模6用于加筋内侧成型模。上凸缘成型模3与限位模4、下凸缘成型模5及辅助模6之间的关系见截面图8。

D．取“工”型上凸缘成型模3的轴线作为定位块2的中心线，定位块2在外形模1上固定，定位块2外侧与外形模1齐平，长度取80mm，宽度与上凸缘成型模3一致，定位块2高度方向尺寸由上凸缘成型模3与外形模1之间的高度差确定，“J”型加筋位置精度和上凸缘外型面10型面精度由定位块2和上凸缘成型模3的加工精度和装配精度保证。

经激光跟踪仪测量，采用本发明所成型的加筋壁板2根“J”型加筋上凸缘型面度±0.08mm，与上蒙皮达到良好配合状态，节省了二次补偿的工装成本并缩短了零件制造周期。

实施例3：加筋壁板结构如图9，外形为曲面，尺寸2500mm×700mm×250mm（长×宽×高），蒙皮纵向带有3根“J”型加筋，材料采用G0827/QY9512，为提高结构整体性，加筋下凸缘与蒙皮采用缝合增强，然后通过RFI工艺整体成型。3根加筋上凸缘型面精度要求达到±0.15mm。模具仍采用本发明模具方案，如图13。

A．外形模1采用框架焊接结构，外形模1型面按加筋壁板数模设计，如图10所示。考虑加筋定位及封装的需要，外形模1的外廓尺寸在与加筋垂直的横向单边加宽200mm，加筋的轴向外形模比零件边缘单边加长300mm。

B．上凸缘成型模3设计成刚度较好的“工”字型截面形式，经刚度计算（在两端支撑条件下，最大变形不超过0.05mm）确定“工”字型截面尺寸，最小截面尺寸如图11所示。型面设计时以加筋壁板外形数模及型面精度要求为依据，考虑到“J”型加筋凸缘回弹，模具设计时上凸缘模具型面加放0.6°回弹角，型面度偏差不大于±0.1mm。上凸缘成型模3在有上凸缘的一侧的型面边缘按上凸缘理论边缘外延20mm，另一侧与限位模4的的侧型面配合，上凸缘成型模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。

C．在“J”型加筋没有上凸缘的加筋外侧设计限位模4，长度比相应加筋单边加长30mm，厚度15mm，模具设计时限位模4通过上凸缘成型模3定位，通过限位模4的侧型面控制加筋腹板面9，保证腹板面9的型面精度，限位模4与上凸缘成型模3采用销钉定位、螺钉连接。在“J”型加强筋外侧设计下凸缘成型模5，下凸缘成型模5置于“J”型加筋无上凸缘一侧的下凸缘的上表面11，与限位模4组合作为加筋外侧成型模，另一侧设计辅助模6共同完成加筋的成型，它们之间的关系见图12。

D．取“工”型上凸缘成型模3的轴线作为定位块2的中心线，定位块2在外形模1上固定，定位块2外侧与外形模1齐平，长度取100mm，宽度与上凸缘成型模3一致，定位块2高度方向尺寸由上凸缘成型模3与外形模1之间的高度差确定，“J”型加筋位置精度和上凸缘外型面10型面精度由定位块2和上凸缘成型模3的加工精度和装配精度保证。

采用激光跟踪仪对成型后的加筋壁板进行检测，3根加强筋上凸缘型面度≤±0.12mm，满足设计提出的对上凸缘外型面精度的要求。

Claims (6)

1.一种整体成型“J”型加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：

（a）外形模（1）的型面依据“J”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“J”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）长度为30～100mm，宽度与上凸缘成型模（3）宽度一致，定位块（2）的高度依据上凸缘成型模（3）与外形模（1）之间的距离确定；

（c）上凸缘成型模（3）位于“J”型加筋上凸缘外型面（10），上凸缘成型模（3）采用刚性材料，截面为“工”字型，上凸缘成型模（3）的腹板面与“J”型加筋的腹板面（9）平行，上凸缘成型模（3）的下凸缘的下表面为“J”型加筋上凸缘外型面（10）的型面，上凸缘成型模（3）的型面依据“J”型加筋上凸缘理论外形确定，上凸缘成型模（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，上凸缘成型模（3）的型面宽度大于“J”型加筋上凸缘宽度15～45mm，上凸缘成型模（3）与定位块（2）采用销钉定位后，再用螺钉连接；

（d）限位模（4）位于“J”型加筋无上凸缘一侧，与上凸缘成型模（3）采用销钉定位后，再用螺钉连接，限位模（4）的厚度为5～15mm，长度方向较加筋的理论边缘单边增加10～30mm；限位模（4）的侧型面依据“J”型加筋无上凸缘一侧的腹板面的理论外形确定，限位模（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）置于“J”型加筋无上凸缘一侧的下凸缘的上表面（11），与限位模（4）组合成加筋外侧成型模，辅助模（6）置于“J”型加筋有上凸缘一侧，构成加筋内侧成型模。

2.根据权利要求1所述的一种整体成型“J”型加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的限位模（4）的上表面不低于“J”型加筋的上凸缘的外型面。

3.根据权利要求1所述的一种整体成型“J”型加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的限位模（4）的上表面与上凸缘成型模（3）的下凸缘的下表面配合，限位模（4）的侧边与上凸缘成型模（3）的下凸缘的侧边平齐。

4.根据权利要求1所述的一种整体成型“J”型加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的限位模（4）的侧型面与上凸缘成型模（3）的侧边配合，限位模（4）的上表面与上凸缘成型模（3）下凸缘的上表面平齐。

5.根据权利要求1所述的一种整体成型“J”型加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的置于“J”型加筋无上凸缘一侧的下凸缘的上表面（11）的下凸缘成型模（5）的外边缘突出于“J”型加筋下凸缘的0～15mm，置于“J”型加筋有上凸缘一侧的辅助模（6）的下边缘的外边缘突出于“J”型加筋下凸缘0～15mm，辅助模（6）的上边缘的外边缘突出于“J”型加筋的上凸缘边缘5～30mm。

6.根据权利要求1所述的一种整体成型“J”型加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的上凸缘成型模（3）的型面与“J”型筋上凸缘的外型面有0.5°～1.5°的夹角。

Images