CN103434142B - 制造复合材料型材的方法和模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制造帽形复合材料型材的方法，包括如下步骤：提供包括阳模和凹模的模具、通过计算有选择地使用双瓣凹模或三瓣凹模，然后将预浸料置于阳模上，通过热压系统进行合模、加热和加压以获得所述型材，其中，在所述双瓣凹模的每瓣凹模以及在需要第三凹模时在第三凹模上所施加的压力载荷设置成使得帽形型材的帽顶、两侧底部翻边和两侧腹板中的每一个所受压力的合力大小相等并分别与其压缩位移方向一致，从而可以保证生产出的型材各个型面的厚度一致。

Description

制造复合材料型材的方法和模具

技术领域

本发明涉及复合材料加工技术领域，更具体地涉及一种复合材料型材的制造方法和模具。

背景技术

在航空工业领域，复合材料因其重量轻、强度大而成为许多飞机部件中的金属材料的替代品。这些飞机部件特别是指广泛用在机身、机翼、尾翼等部位的加强筋壁板结构，它们的截面一般为帽形、T形、U形、H形等形式。

图1为一种现有的帽形复合材料型材的加压示意图。如图1所示，用于加工该帽形复合材料型材100的模具包括阳模210和单瓣凹模230，其中阳模的凸起211和单瓣凹模的腔体231相一致。当复合材料型材的预浸料铺在阳模上时，将单瓣凹模230与阳模210合模，并在单瓣凹模上施加过凸起211的上表面的中点的垂直力F，进而成型帽形型材。

然而，经由单瓣凹模生产出的帽形型材，无法保证顶面、底面和腹板面所受压强一致，从而无法保证顶面、底面与腹板的厚度变化一致。

发明内容

为了保证帽形型材的各型面在热压成型过程中所受压力载荷均匀一致，从而保证生产出的帽形型材的各型面厚度一致，提供一种制造帽形复合材料型材的方法和模具。

根据本发明的一个方面，提供一种制造帽形复合材料型材的方法，所述型材的横截面具有宽度为2a的帽顶、宽度皆为c的两侧底部翻边、以及与所述底部翻边的延长线成θ角的两侧腹板，所述帽顶和所述两侧腹板形成内腔，所述帽顶至所述底部翻边的外轮廓距离为h，所述型材的厚度为t，其中，所述方法包括如下步骤：

S1：提供阳模，所述阳模具有与所述内腔形状相同的凸头；

S2：提供双瓣凹模，每瓣凹模的横截面具有宽度为a的模压顶边、宽度为L的模压底边、以及与所述腹板的外侧贴合的模压斜边；

S3：提供第三凹模，所述第三凹膜具有宽度分别为k的两个辅助模压底边，每个所述辅助模压底边位于所述模压底边的外侧；

S4：设定所述型材的所述底部翻边的制造余量c₁并确定最小制造余量为c_1min，则底部翻边的宽度c和最小制造余量c_1min的总和为c_2min，即c_2min＝c+c_1min；

S5：根据下述公式计算L：

$L=(h-t)\left(\frac{sin\mathrm{\θ}}{1-cos\mathrm{\θ}}-\frac{cos\mathrm{\θ}}{sin\mathrm{\θ}}\right)-a$ (公式1)

S6：当c_2min≤L时，采用阳模配合双瓣凹模的第一模压成型方式，成型时的飞边宽度c₁＝L-c；当c_2min＞L时，采用阳模配合双瓣凹模加第三凹模的第二模压成型方式，成型时的飞边宽度为c_1min；

S7：提供所述型材的预浸料；

S8：将所述预浸料以所述凸头为中心铺放在所述阳模上；

S9：将所述双瓣凹模以及在需要所述第三凹模时和所述第三凹模一起置于所述预浸料上；

S10：通过热压系统进行合模、加热和加压以获得所述型材，其中，在所述双瓣凹模的每瓣凹模以及在需要所述第三凹模时在第三凹模上所施加的压力载荷设置成使得帽形型材的帽顶、两侧底部翻边和两侧腹板所受压强均匀一致，并且各型面所受压力方向分别与其压缩位移方向一致。

在本发明的该方面，由于可以根据待制造的帽形型材的构造选择合适的模压成型方式，从而可以保证合模加压过程中使得帽形型材的帽顶、两侧底部翻边和两侧腹板所受压强相等，并保证各型面所受压力载荷方向与其压缩位移方向一致，从而生产出各型面厚度一致且固化压强一致的帽形型材。

当采用所述第一模压成型方式时，在所述加压的过程中，所述双瓣凹模的两瓣凹模被分别施加腹板载荷F₁₁和F₂₁，腹板载荷F₁₁和F₂₁的方向分别与对应的所述凹模的位移方向一致。

由于腹板载荷F₁₁和F₂₁的方向分别与对应的所述凹模的位移方向一致，从而可以更有效地控制型材的各个型面的压缩位移。

优选地，当采用所述第二模压成型方式时，在所述加压的过程中，所述双瓣凹模的两瓣凹模被分别施加腹板载荷F₁₂和F₂₂，腹板载荷F₁₂和F₂₂的方向分别与对应的所述凹模的位移方向一致；同时所述第三凹模被施加翻边载荷F₃，翻边载荷F₃与所述第三凹模的位移方向一致，并垂直于型材的底部翻边。从而可以通过单独调整载荷F₃，以保证型材的底部翻边所受压强与F₁₂和F₂₂在垂直于底部翻边上的压强相等。

优选地，各腹板载荷在所述预浸料上的作用点与相应的所述腹板的中点一致，从而保证凹模作用在所述预浸料上并垂直于各型面上的压强一致。

优选地，各腹板载荷与相应的所述底部翻边的夹角β由公式 $\mathrm{\β}=arctan\left(\frac{sin\mathrm{\θ}}{1-cos\mathrm{\θ}}\right)$ 求得。(公式2)

优选地，所述第三凹模为一体成型的框式凹模，在所述合模之后，所述双瓣凹模位于所述第三膜内部，并且所述模压底边和所述辅助模压底边相齐平。利用这种设置，可以很方便地通过对第三凹模施加压力F₃来辅助双瓣凹模的模压底边来从外侧模压型材的底部翻边。

优选地，所述辅助模压底边的宽度k＝c_2min-L。

优选地，在所述合模之后，所述双瓣凹模的模压顶边相互齐平并相接，从而可共同模压出型材的帽顶。

优选地，上述方法还包括在步骤S7之后、步骤S8之前在阳模上表面铺叠一层隔离膜的步骤，以及在步骤S8之后、步骤S9之前在预浸料上表面铺叠一层隔离膜的步骤。进一步优选地，上述方法还包括在步骤S9之前在位于预浸料上表面的隔离膜上对应凸头的位置和在需要第三凹模时对应型材的底部翻边的位置各铺叠一层钢箔带的步骤，从而可有效避免在双瓣凹模的模压顶边对接之处形成压痕和毛边，同时有效避免在双瓣凹模的模压底边和第三凹模的辅助模压底边在型材的底部翻边上的对接之处形成压痕和毛边。

优选地，所述隔离膜为聚四氟乙烯膜。

根据本发明的另一个方面，提供一种双瓣凹模，其用于上述的制造帽形复合材料型材的方法中。

根据本发明的再一个方面，提供一种三瓣凹模，其由上述的双瓣凹模和框式凹模组成。

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。

附图说明

本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：

图1是现有的单瓣凹模加压示意图；

图2是制造好的帽形型材的横截面关键尺寸示意图；

图3是待制造的帽形型材的横截面尺寸示意图；

图4是根据本发明的优选实施方式的流程图；

图5是根据本发明的一个优选实施方式的双瓣凹模加压示意图；

图6是图5中所示载荷的力分解示意图；

图7是图5中所示载荷的施力机构示意图；

图8是根据本发明的另一个优选实施方式的三瓣凹模加压示意图；

图9是图3中待制造的帽形型材的一种实例的横截面尺寸示意图；

图10是针对图9中帽形型材的加热过程示意图；

图11是图3中待制造的帽形型材的另一种实例的横截面尺寸示意图。

具体实施方式

根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。

制造好的帽形型材10的横截面的关键尺寸如图2所示。所述型材10的横截面具有宽度为2a的帽顶12、宽度皆为c的两侧底部翻边14、以及与所述底部翻边的延长线成θ角的两侧腹板16，所述帽顶12和所述两侧腹板16形成内腔18，所述帽顶12至所述底部翻边14的外轮廓距离为h，所述型材的厚度为t。

为了保证帽形型材结构质量，在制造过程中需要根据工艺要求，使型材10的底部翻边14具有一定的制造余量(即成型后需要切除的飞边15的宽度c₁)。如图3所示，底部翻边宽度c和飞边宽度c₁的总和为c₂，即c₂＝c+c₁。其中最小的制造余量设定为c_1min。

如图4所示，根据本实施方式第一方面提供的制造帽形复合材料型材的方法包括如下步骤：

S1：提供阳模20，该阳模20具有与制造好的型材10的内腔18形状相同的凸头28；

S2：提供双瓣凹模30、31，每瓣凹模的横截面都具有宽度为a的模压顶边32、宽度为L的模压底边34、以及与型材10的腹板16外侧贴合的模压斜边36；

S3：提供第三凹模40，该第三凹膜40具有宽度分别为k的两个辅助模压底边44，每个辅助模压底边44位于双瓣凹模的模压底边34的外侧；

S4：设定型材10的底部翻边14的制造余量为c₁并确定最小制造余量为c_1min，则底部翻边14的宽度c和最小制造余量c_1min的总和为c_2min，即c_2min＝c+c_1min；

S5：根据下述公式计算L：

$L=(h-1)(\frac{sin\mathrm{\θ}}{1-cos\mathrm{\θ}}-\frac{cos\mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}})-a$

S6：当c_2min≤L时，采用阳模20配合双瓣凹模的第一模压成型方式，成型时的飞边宽度c₁＝L-c；当c_2min＞L时，采用阳模配合双瓣凹模加第三凹模40的第二模压成型方式，成型时的飞边宽度为c_1min；

S7：提供型材10的预浸料(图未示)；

S8：将预浸料以凸头28为中心铺放在阳模20上；

S9：将双瓣凹模30、31以及在需要所述第三凹模40时和所述第三凹模40一起置于所述预浸料上；

S10：通过热压系统(图未示)进行合模、加热和加压以获得型材10，其中，在双瓣凹模31、32以及在需要第三凹模40时在第三凹模40上所施加的压力载荷设置成使得帽形型材10的帽顶12、两侧底部翻边14和两侧腹板16上所受压强均匀一致，并达到固化工艺要求的压强，各型面所受压力的方向分别与其压缩位移方向一致。

如图5所示，当采用所述第一模压成型方式时，即采用双瓣凹模30、31时，在对模具进行加压的过程中，双瓣凹模30、31被分别施加腹板载荷F₁₁和F₂₁，腹板载荷F₁₁和F₂₁的方向分别与对应凹模的位移方向一致。

优选地，如图6所示，由于对称性，取型材10的一半进行图示，腹板载荷F₁₁与型材10的底部翻边14的夹角β由(公式2)求得，载荷作用点B为帽形型材10的腹板16的中点。其中，F₁₁可分解为垂直于底部翻边14的第一分力F₁₁₀和垂直于腹板16的第二分力F₁₁₂，从而分别对型材10的帽顶12、底部翻边14施加压力F₁₁₀、对腹板施加压力F₁₁₂。鉴于夹角β是由公式2求得，因而F₁₁₀和F₁₁₂的大小相等。

如图7所示，可通过分力机构50把作用力F₀分解成F₁₁和F₂₁，并保证每瓣凹模的移动方向分别和腹板载荷方向的一致。在本实施方式中，分力机构50可通过导向机构垂直施加到杆2上，经由两侧的铰接点M和N、可枢转杆5和6、以及导向机构3和4将2个大小相等合力为F₀的压力载荷即腹板载荷F₁₁和F₂₁施加到型材10的两侧腹板16上。鉴于上述分力机构50可以通过多种机械结构实现，在此不作详细介绍。

如图8所示，当采用所述第二模压成型方式时，即采用阳模20配合双瓣凹模30、31加第三凹模40的方式时，在加压的过程中，双瓣凹模30、31被分别施加腹板载荷F₁₂和F₂₂，腹板载荷F₁₂和F₂₂的方向分别与对应凹模的位移方向一致从而使得F₁₂和F₂₂在垂直于底部翻边14方向、在垂直于腹板16方向和垂直于顶面12方向的压强大小相等。同时，第三凹模40被施加翻边载荷F₃，翻边载荷F₃与第三凹模40的位移方向一致，大小保证与腹板载荷F₁₂和F₂₂在垂直于底部翻边14方向的压强大小相等。

优选地，第三凹模40为一体成型的框式凹模，在合模之后，两瓣凹模30、31都位于第三凹模40内部，并且模压底边34和辅助模压底边44相齐平。利用这种设置，可以很方便地通过对第三凹模40施加压力F₃来辅助双瓣凹模30、31的模压底边34来从外侧模压型材10的底部翻边14。优选地，所述辅助模压底边44的宽度k＝c_2min-L。

在图8所示的加压方式中，由于对称性，凹模30的载荷F₁₂方向和位移方向与凹模31的载荷F₂₂方向和位移方向分别对称，根据公式2确定凹模30和凹模31的载荷和位移方向分别与型材10的底部翻边14成夹角β图9，载荷F₁₂、F₂₂作用点分别为帽形型材10的两侧腹板16的中点，从而使得凹模作用在所述预浸料上并垂直于各型面上的压强一致。

再如图8所示，在本实施方式中，第三凹模40的载荷F₃和位移方向垂直于帽形型材10的底部翻面14。应当理解，为了保证型材10的底部翻板14被双瓣凹模30、31压下的部分和被第三凹模40压下的部分所受压强一致，则可通过调整载荷F3实现。

在上述实施方式中，在阳模和凹模合模之后，双瓣凹模30、31的模压顶边32相互齐平并相接，从而可共同模压出型材的帽顶。优选地，上述方法还包括在步骤S7之后、步骤S8之前在阳模20上表面铺叠一层隔离膜(图未示)的步骤，以及在步骤S8之后、步骤S9之前在预浸料上表面铺叠一层隔离膜(图未示)的步骤。进一步优选地，上述方法还包括在步骤S9之前在位于预浸料上表面的上述一层隔离膜上对应凸头28的位置和在需要第三凹模40时对应型材的底部翻边的位置各铺叠一层钢箔带(图未示)的步骤，从而可有效避免在双瓣凹模的模压顶边对接之处形成压痕和毛边，同时有效避免在双瓣凹模的模压底边和第三凹模的辅助模压底边在型材的底部翻边上的对接之处形成压痕和毛边。上述隔离膜最好为聚四氟乙烯膜。

根据本发明的另一个方面，提供一种双瓣凹模30、31，其用于上述的制造帽形复合材料型材的方法中。该双瓣凹模30、31的每瓣凹模的横截面都具有宽度为a的模压顶边32、宽度为L的模压底边34、以及与型材10的腹板16外侧贴合的模压斜边36。

根据本发明的再一个方面，提供一种三瓣凹模，其由上述的双瓣凹模30、31和上述框式凹模形式的第三凹模40组成。作为替换，框式凹模也可以是由两个独立的模具构成，只要每个独立的模具都包括宽度分别为k的辅助模压底边44，每个辅助模压底边44位于双瓣凹模的模压底边34的外侧即可，如果这样，在施加载荷时，可分别对这两个独立的模具施加载荷。

下面就帽形型材10给出两个实例，通过这两个实例简要介绍一下根据本发明的制造帽形复合材料型材的方法。

实例1

需要制备的型材的截面尺寸如图9所示，长度单位mm。

原材料为双酚A型环氧树脂的碳纤维预浸料。固化方案为：预加热阶段80℃，保温30分钟、热压阶段温度为130℃，保温加压1h，随后按照每分钟降低2℃进行降温，如图10所示。

根据上面的公式1计算得到L＝21.2mm。

根据工艺要求需要留出最小飞边宽度即最小制造余量c_1min为3mm，故c_2min＝c+c_1min＝19.2mm。

因为c_2min＜L，所以采用第一模压成型方式，即双瓣模压方式。

双瓣凹模30、31的模压底边34的宽度为L，L＝21.2mm；

双瓣凹模30、31的加压方向即载荷方向与型材的底部翻边的夹角根据公式2计算求得β＝60°；

双瓣凹模30、31采用双区加热，预加热区温度80°，固化区温度为130°。

实例2

需要制备的型材的截面尺寸如图11所示，长度单位mm。

原材料为双酚A型环氧树脂的碳纤维预浸料。固化方案为：预加热阶段80℃，保温30分钟、热压阶段130℃，保温加压1h，随后按照每分钟降低2℃进行降温，也如图10所示。

根据上面的公式1计算得到：

L＝21.2mm

根据工艺要求需要留出最小飞边宽度即最小制造余量c_1min为3mm，故c_2min＝c+c_1min＝29.2mm

因为c_2min＞L，所示采用三瓣模压方式。

双瓣凹模30、31的模压底边34的宽度为L，L＝21.2mm；

双瓣凹模30、31的加压方向即载荷方向与型材的底部翻边的夹角根据公式2计算求得β＝60°；

第三凹模40的辅助模压底边44的宽度k＝c_2min-L＝29.2-21.2＝8mm；

第三凹模40的加压方向(即载荷方向)与型材的底部翻边的夹角为90°。

双瓣凹模和第三凹模采用双区加热，预加热区温度80°，固化区温度为130°。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和形状作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (13)

1.一种制造帽形复合材料型材的方法，所述型材(10)的横截面具有宽度为2a的帽顶(12)、宽度皆为c的两侧底部翻边(14)、以及与所述底部翻边的延长线成θ角的两侧腹板(16)，所述帽顶和所述两侧腹板形成内腔(18)，所述帽顶至所述底部翻边的外轮廓距离为h，所述型材的厚度为t，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1：提供阳模(20)，所述阳模具有与所述内腔(18)形状相同的凸头(28)；

S2：提供双瓣凹模(30，31)，每瓣凹模的横截面具有宽度为a的模压顶边(32)、宽度为L的模压底边(34)、以及与所述腹板(16)外侧贴合的模压斜边(36)；

S3：提供第三凹模(40)，所述第三凹膜具有宽度分别为k的两个辅助模压底边(44)，每个所述辅助模压底边(44)位于所述模压底边(34)的外侧；

S4：设定所述底部翻边(14)的制造余量为c₁并确定最小制造余量为c_1min，则底部翻边的宽度c和最小制造余量c_1min的总和为c_2min，即c_2min＝c+c_1min；

S5：根据下述公式计算L：

$L=(h-t)(\frac{sin\mathrm{\θ}}{1-cos\mathrm{\θ}}-\frac{cos\mathrm{\θ}}{sin\mathrm{\θ}})-a$

S6：当c_2min≤L时，采用阳模(20)配合双瓣凹模(30，31)的第一模压成型方式，成型时的飞边宽度c₁＝L-c；当c_2min＞L时，采用阳模(20)配合双瓣凹模(30，31)加第三凹模(40)的第二模压成型方式，成型时的飞边宽度为c_1min；

S7：提供所述型材(10)的预浸料；

S8：将所述预浸料以所述凸头(28)为中心铺放在所述阳模(20)上；

S9：将所述双瓣凹模(30，31)以及在需要所述第三凹模(40)时和所述第三凹模(40)一起置于所述预浸料上；

S10：通过热压系统进行合模、加热和加压以获得所述型材，其中，在所述双瓣凹模(30，31)的每瓣凹模以及在需要所述第三凹模(40)时在第三凹模(40)上所施加的载荷设置成使得帽形型材的帽顶(12)、两侧底部翻边(14)和两侧腹板(16)上所受压强均匀一致，并且各型面所受压力方向分别与其压缩位移方向一致。

2.根据权利要求1所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，当采用所述第一模压成型方式时，在所述加压的过程中，所述双瓣凹模(30，31)的两瓣凹模被分别施加腹板载荷F₁₁和F₂₁，腹板载荷F₁₁和F₂₁的方向分别与对应的所述凹模的位移方向一致。

3.根据权利要求1所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，当采用所述第二模压成型方式时，在所述加压的过程中，所述双瓣凹模(30，31)的两瓣凹模被分别施加腹板载荷F₁₂和F₂₂，腹板载荷F₁₂和F₂₂的方向分别与对应的所述凹模的位移方向一致；同时所述第三凹模(40)被施加翻边载荷F₃，翻边载荷F₃与所述第三凹模的位移方向一致，并垂直于所述底部翻边。

4.根据权利要求2或3所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，各腹板载荷在所述预浸料上的作用点与相应的所述腹板(16)的中点一致。

5.根据权利要求4所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，各腹板载荷与相应的所述底部翻边(14)的夹角β由公式 $\mathrm{\β}=arctan\left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{1-cos\mathrm{\θ}}\right)$ 求得。

6.根据权利要求1所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，所述第三凹模(40)为一体成型的框式凹模，在所述合模之后，所述双瓣凹模(30，31)位于所述第三凹模(40)内部，并且所述模压底边(34)和所述辅助模压底边(44)相齐平。

7.根据权利要求1所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，所述辅助模压底边(44)的宽度k＝c_2min-L。

8.根据权利要求1所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，在所述合模之后，所述双瓣凹模(30，31)的模压顶边(32)相互齐平并相接。

9.根据权利要求8所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述步骤S7之后、所述步骤S8之前在所述阳模(20)上表面铺叠一层隔离膜的步骤，以及在所述步骤S8之后、所述步骤S9之前在所述预浸料上表面铺叠一层隔离膜的步骤。

10.根据权利要求9所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，所述隔离膜为聚四氟乙烯膜。

11.根据权利要求9所述的制造帽形复合材料型材的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述步骤S9之前在位于所述预浸料上表面的所述隔离膜上对应所述凸头(28)的位置和在需要第三凹模(40)时对应所述型材的底部翻边的位置各铺叠一层钢箔带的步骤。

12.一种双瓣凹模(30，31)，其用于根据权利要求1至11任一项所述的制造帽形复合材料型材的方法中。

13.一种三瓣凹模，其由根据权利要求2所述的双瓣凹模(30，31)和框式凹模组成。