CN106217697B - 一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具及其制作方法 - Google Patents

一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具及其制作方法，涉及复合材料生产技术领域。其使用的成型模具包括上模具、下模具和芯模，所述上模具和下模具的结构相同，所述上模具包括部件一、部件二和部件三，所述部件一与部件三之间通过部件二连接，所述部件二为半圆形的弧板，所述部件一和部件三均呈板状，所述部件一沿其长度方向设有半圆凹槽；所述芯模包括机臂杆芯模和电机壳芯模，所述机臂杆芯模和电机壳芯模均为圆柱体，所述电机壳芯模沿长度方向设有圆孔，所述机臂杆芯模可通过圆孔与电机壳芯模垂直活动连接；所述上模具和下模具配合。本发明所制得的机臂强度高、结构性能强、产品外形美观，制作方法工序少、工作效果高、成本低。

Description

一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具及其制作方法
技术领域
本发明涉及复合材料生产技术领域，具体涉及一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具及其制作方法。
背景技术
多旋翼无人机机臂包括机臂杆和电机壳两部分，由于其结构的特殊性，不能一体成型。目前，市场上多旋翼无人机复合材料机臂的制作，大多数是分上下模具制作，然后再粘接成型得到的，该方法不仅容易导致纤维断裂不连续，机臂杆和电机壳粘结不牢，容易断裂，而且这种方法存在操作工序复杂、产品外形不美观、产品强度低等缺点。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具及其制作方法，解决了现有技术中存在的工序复杂、产品强度低、外形不美观等问题。
为了实现上述目的或者其他目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具，包括上模具、下模具和芯模，所述上模具和下模具的结构相同，所述上模具包括部件一、部件二和部件三，所述部件一与部件三之间通过部件二连接，所述部件二为半圆形的弧板，所述部件一和部件三均呈板状，所述部件一沿其长度方向设有半圆凹槽；
所述芯模包括机臂杆芯模和电机壳芯模，所述机臂杆芯模和电机壳芯模均为圆柱体，所述电机壳芯模沿长度方向设有圆孔，所述机臂杆芯模可通过圆孔与电机壳芯模垂直活动连接；
所述上模具和下模具相配合，部件二之间、半圆凹槽之间分别形成圆形空腔，所述机臂杆芯模与半圆凹槽形成的圆形空腔配合，所述电机壳芯模与部件二形成的圆形空腔配合。
优选地，所述半圆凹槽的直径大于机臂杆芯模的直径；所述部件二的直径大于电机壳芯模的直径。
优选地，所述机臂杆芯模的长度大于部件一的长度。
优选地，所述上模具和下模具的材质为玻璃钢材料；所述芯模的材质为硅橡胶，硅橡胶的热膨胀系数为2％～3％。
本发明还提供了一种利用上述成型模具制作复合材料机臂的方法，包括如下步骤：
(1)芯模的制作：选用硅橡胶为材料，根据机臂杆和电机壳的内径及硅橡胶的膨胀系数分别计算出机臂杆芯模和电机壳芯模的外径，然后制作芯模，备用；
(2)外模具的制作：根据机臂的三维外形，采用CNC加工，真空灌注工艺制作玻璃钢模具，模具分为上模具和下模具，上模具和下模具的结构相同，上模具和下模具配合形成的模具内腔与机臂外形一致；
(3)机臂的制作：将步骤(1)制作的机臂杆芯模和电机壳芯模连接，在连接一起的芯模表面涂覆碳纤维预浸料，然后将涂有碳纤维预浸料的芯模放入步骤(2)制作的外模具中，合膜，用螺栓紧固，放入烘箱中，升温至125-135℃，保温60-70min，保温结束后，自然降温至室温，打开模具，将芯模从成型的机臂中抽出，即得一体式机臂。
优选地，步骤(1)中芯模的外径大小应保证：在芯模膨胀后，机臂杆芯模的外径与实际机臂的机臂杆内径相同，电机壳芯模的外径与实际机臂的电机壳内径相同，从而达到对机臂的加压效果。
所述机臂杆芯模的长度比实际机臂杆长度长100～150mm，便于制作结束后机臂容易脱模。
优选地，步骤(2)中上模具和下模具构成的模具内腔和机臂外形一致。外模和芯模之间的空隙即为产品机臂的壁厚，通过玻璃钢模具外压的施加和硅橡胶棒受热膨胀的内压施加对产品成型。
优选地，步骤(3)中升温速率为2℃/min。
优选地，步骤(3)中碳纤维预浸料购于江苏天鸟高新技术股份有限公司，碳纤维含量为68％，胶含量为32％。
本发明采用的机臂成型模具，利用硅橡胶的热膨胀性能对机臂一体成型，利用该模具和制作方法所制作的一体机臂，在使用过程中报废率比分模制作后再粘接成型的机臂降低40％；本发明所制得的一体机臂的拉伸强度比现有方法制得的机臂增强20％。总之，本发明所制得的机臂强度高、结构性能强、产品外形美观，制作方法工序少、工作效果高、成本低。
附图说明
图1为本发明机臂成型模具的上模具的示意图；
图2为本发明机臂成型模具中芯模的示意图；
图3为本发明中机臂成型模具的示意图；
图4为利用本发明成型模具制作的一体机臂的示意图。
其中，1、部件一，2、部件二，3、部件三，4、半圆凹槽；5、机臂杆芯模，6、电机壳芯模。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具，如图1和图3所示，包括上模具、下模具和芯模，所述上模具和下模具的结构相同，所述上模具包括部件一1、部件二2和部件三3，所述部件一1与部件三3之间通过部件二2连接，所述部件二2为半圆形的弧板，所述部件一1和部件三3均呈板状，所述部件一1沿其长度方向设有半圆凹槽4；
所述芯模包括机臂杆芯模5和电机壳芯模6，所述机臂杆芯模5和电机壳芯模6均为圆柱体，所述电机壳芯模6沿长度方向设有圆孔，所述机臂杆芯模5可通过圆孔与电机壳芯模6垂直活动连接；通过机臂杆芯模5和电机壳芯模6的活动连接，可以使机臂成型后便于脱模。
如图3所示，所述上模具和下模具配合，部件二2之间、半圆凹槽4之间分别形成圆形空腔，上模具和下模具之间的圆形空腔与所制备机臂的外形一致，可以对机臂施加外压，便于机臂成型；所述机臂杆芯模5与半圆凹槽4之间的圆形空腔配合，所述电机壳芯模6与部件二2之间的圆形空腔配合。
本发明实施例中，所述半圆凹槽4的直径大于机臂杆芯模5的直径；所述部件二2的直径大于电机壳芯模6的直径，基于此种设计，可以保证上模具和下模具之间形成的圆形空腔的外径比机臂杆芯模和电机壳芯模的外径大，使外模和芯模之间有一定的空隙，此空隙即为产品机臂的壁厚，当压模时，通过玻璃钢模具外压的施加和硅橡胶芯模受热膨胀的内压施加对产品成型。进一步地，为了使模具紧固，上模具和下模具之间可通过螺栓固定，螺栓可设置在部件3或部件1上。
本发明实施例中，所述机臂杆芯模5的长度大于部件一1的长度，便于脱模。
本发明实施例中，所述上模具和下模具的材质为玻璃钢材料；所述芯模的材质为硅橡胶，硅橡胶的热膨胀系数为2％～3％。
实施例1-3为利用上述成型模具制作复合材料多旋翼无人机机臂的方法，其中：
实施例1
一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具，包括如下步骤：
(1)芯模的制作：选用硅橡胶为材料，根据机臂杆和电机壳的内径及硅橡胶的膨胀系数分别计算出机臂杆芯模和电机壳芯模的外径，然后制作芯模，备用；所述机臂杆芯模的长度大于实际产品中机臂杆长度100mm；
(2)外模具的制作：根据机臂的三维外形，采用CNC加工，真空灌注工艺制作玻璃钢模具，模具分为上模具和下模具，上模具和下模具的结构相同，上模具和下模具配合形成的模具内腔与机臂外形一致；
(3)机臂的制作：将步骤(1)制作的机臂杆芯模和电机壳芯模连接，在连接一起的芯模表面涂覆碳纤维含量为68％、胶含量为32％的碳纤维预浸料，然后将芯模放入步骤(2)制作的外模具中，合膜，用螺栓紧固，放入烘箱中，升温至125℃，升温速率为2℃/min，保温65min，保温结束后，自然降温至室温，打开模具，将芯模从成型的机臂中抽出，即得一体式机臂如图4所示。
参考GB/T 1447-2005_纤维增强塑料拉伸性能试验方法，对上述制得的一体成型机臂进行拉伸性能测试，结果显示拉伸强度比采用两次粘接成型的机臂拉伸强度提高了20％；
参考GBT 1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法，对上述制得的一体成型机臂进行了弯曲性能测试，结果显示弯曲强度比采用两次粘接成型的机臂弯曲强度提高了25％。
实施例2
一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具，包括如下步骤：
(1)芯模的制作：选用硅橡胶为材料，根据机臂杆和电机壳的内径及硅橡胶的膨胀系数分别计算出机臂杆芯模和电机壳芯模的外径，然后制作芯模，备用；所述机臂杆芯模的长度大于实际产品中机臂杆长度120mm；
(2)外模具的制作：根据机臂的三维外形，采用CNC加工，真空灌注工艺制作玻璃钢模具，模具分为上模具和下模具，上模具和下模具的结构相同，上模具和下模具配合形成的模具内腔与机臂外形一致；
(3)机臂的制作：将步骤(1)制作的机臂杆芯模和电机壳芯模连接，在连接一起的芯模表面涂覆碳纤维含量为68％、胶含量为32％的碳纤维预浸料，然后将芯模放入步骤(2)制作的外模具中，合膜，用螺栓紧固，放入烘箱中，升温至130℃，升温速率为2℃/min，保温60min，保温结束后，自然降温至室温，打开模具，将芯模从成型的机臂中抽出，即得一体式机臂。
参考GB/T 1447-2005_纤维增强塑料拉伸性能试验方法，对上述制得的一体成型机臂进行拉伸性能测试，结果显示拉伸强度比采用两次粘接成型的机臂拉伸强度提高了22％；
参考GBT 1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法，对上述制得的一体成型机臂进行了弯曲性能测试，结果显示弯曲强度比采用两次粘接成型的机臂弯曲强度提高了26％。
实施例3
一种复合材料机臂的制作方法，包括如下步骤：
(1)芯模的制作：选用硅橡胶为材料，根据机臂杆和电机壳的内径及硅橡胶的膨胀系数分别计算出机臂杆芯模和电机壳芯模的外径，然后制作芯模，备用；所述机臂杆芯模的长度大于实际产品中机臂杆长度150mm；
(2)外模具的制作：根据机臂的三维外形，采用CNC加工，真空灌注工艺制作玻璃钢模具，模具分为上模具和下模具，上模具和下模具的结构相同，上模具和下模具配合形成的模具内腔与机臂外形一致；
(3)机臂的制作：将步骤(1)制作的机臂杆芯模和电机壳芯模连接，在连接一起的芯模表面涂覆碳纤维含量为68％、胶含量为32％的碳纤维预浸料，然后将芯模放入步骤(2)制作的外模具中，合膜，用螺栓紧固，放入烘箱中，升温至135℃，升温速率为2℃/min，保温70min，保温结束后，自然降温至室温，打开模具，将芯模从成型的机臂中抽出，即得一体式机臂。
参考GB/T 1447-2005_纤维增强塑料拉伸性能试验方法，对上述制得的一体成型机臂进行拉伸性能测试，结果显示拉伸强度比采用两次粘接成型的机臂拉伸强度提高了21％；
参考GBT 1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法，对上述制得的一体成型机臂进行了弯曲性能测试，结果显示弯曲强度比采用两次粘接成型的机臂弯曲强度提高了27％。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种复合材料多旋翼无人机机臂的成型模具，其特征在于，包括上模具、下模具和芯模，所述上模具和下模具的结构相同，所述上模具包括部件一(1)、部件二(2)和部件三(3)，所述部件一(1)与部件三(3)之间通过部件二(2)连接，所述部件二(2)为半圆形的弧板，所述部件一(1)和部件三(3)均呈板状，所述部件一(1)沿其长度方向设有半圆凹槽(4)；
所述芯模包括机臂杆芯模(5)和电机壳芯模(6)，所述机臂杆芯模(5)和电机壳芯模(6)均为圆柱体，所述电机壳芯模(6)沿长度方向设有圆孔，所述机臂杆芯模(5)可通过圆孔与电机壳芯模(6)垂直活动连接；
所述上模具和下模具相配合，部件二(2)之间、半圆凹槽(4)之间分别形成圆形空腔，所述机臂杆芯模(5)与半圆凹槽(4)形成的圆形空腔配合，所述电机壳芯模(6)与部件二(2)形成的圆形空腔配合；
所述半圆凹槽(4)的直径大于机臂杆芯模(5)的直径；所述部件二(2)的直径大于电机壳芯模(6)的直径；所述机臂杆芯模(5)的长度大于部件一(1)的长度；
其中，利用成型模具制作复合材料多旋翼无人机机臂的方法，包括如下步骤：
(1)芯模的制作：选用硅橡胶为材料，根据机臂杆和电机壳的内径及硅橡胶的膨胀系数分别计算出机臂杆芯模和电机壳芯模的外径，然后制作芯模，备用；
(2)外模具的制作：根据机臂的三维外形，采用CNC加工，真空灌注工艺制作玻璃钢模具，模具分为上模具和下模具，上模具和下模具的结构相同，上模具和下模具配合形成的模具内腔与机臂外形一致；
(3)机臂的制作：将步骤(1)制作的机臂杆芯模和电机壳芯模连接，在连接一起的芯模表面涂覆碳纤维预浸料，然后将涂有碳纤维预浸料的芯模放入步骤(2)制作的外模具中，合模，用螺栓紧固，放入烘箱中，升温至125-135℃，保温60-70min，保温结束后，自然降温至室温，打开模具，将芯模从成型的机臂中抽出，即得一体式机臂。
2.如权利要求1所述的成型模具，其特征在于，所述上模具和下模具的材质为玻璃钢材料；所述芯模的材质为硅橡胶，硅橡胶的热膨胀系数为2％～3％。
3.一种利用权利要求1至2任一项所述成型模具制作复合材料多旋翼无人机机臂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)芯模的制作：选用硅橡胶为材料，根据机臂杆和电机壳的内径及硅橡胶的膨胀系数分别计算出机臂杆芯模和电机壳芯模的外径，然后制作芯模，备用；
(2)外模具的制作：根据机臂的三维外形，采用CNC加工，真空灌注工艺制作玻璃钢模具，模具分为上模具和下模具，上模具和下模具的结构相同，上模具和下模具配合形成的模具内腔与机臂外形一致；
(3)机臂的制作：将步骤(1)制作的机臂杆芯模和电机壳芯模连接，在连接一起的芯模表面涂覆碳纤维预浸料，然后将涂有碳纤维预浸料的芯模放入步骤(2)制作的外模具中，合模，用螺栓紧固，放入烘箱中，升温至125-135℃，保温60-70min，保温结束后，自然降温至室温，打开模具，将芯模从成型的机臂中抽出，即得一体式机臂；
所述机臂杆芯模的长度比实际机臂杆长度长100～150mm。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中升温速率为2℃/min。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中碳纤维预浸料的碳纤维含量为68％，胶含量为32％。
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