CN106393527B - 一种光弹性模型及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及实验力学研究领域，公开了一种光弹性模型及其制作方法，采用128环氧树脂与顺丁烯二酸酐的质量比为100:30～35在真空条件下混合后注入真空浇注成型机上的光弹性模型毛坯模具内成型，毛坯进行等温固化，待毛坯固化至外部已固化，内部未完全固化时从模具中取出，进行二次固化后得到毛坯；将S1所得毛坯的边缘进行切割去除，切割温度不超过80℃，并按模型结构设计进行相应的机械精加工后得到模型；机械精加工的温度不超过80℃；将S2得到的模型进行打磨后得到所述光弹性模型。本发明所述光弹性模型制作方法过程简单，得到的模型质量高、内部应力接近于零、外部尺寸误差小于0.01mm，有利于提高光弹性试验的精度。

Description

一种光弹性模型及其制作方法
技术领域
本发明涉及实验力学研究领域，具体地，涉及一种光弹性模型及其制作方法。
背景技术
光弹性试验技术曾在已定型航空发动机研制的各个阶段发挥重要作用，是航空发动机复杂构件强度分析的重要手段。但随着世界上拥有先进航空技术的国家寻找可节约研制经费、缩短研制周期的低风险技术思路和采用核心机、技术验证机和原型机这种阶段研制的技术途径后，原有的光弹性试验技术已不适应新型号航空发动机研制的要求。航空业对光弹性试验技术本身进行了创造性发展，以满足航空发动机研制不断提出的新要求。但光弹性试验必需的光弹性模型一般只适用于定性研究，能够适用于定量研究的比较少，主要是光弹性模型的质量不理想。要用于定量研究，必须研制尺寸误差小、内部初始应力接近于零并且有良好光学性能和力学性能的高质量光弹性模型，在原型机研制阶段，关键构件的优化是否合理需要定量验证以确定优化设计的效果，现有的方法难以制作满足定量光弹性试验需求的高质量光弹性模型。
高精度光敏树脂模型的主要不足在于模型的光学灵敏度低；全真空浇注的环氧树脂模型的主要不足在于模型的尺寸误差大；其它传统的浇注方法制作的模型内部一般存在初始应力，外部尺寸也存在较大误差，模型尺寸误差达2％甚至更高，用它做光弹性试验误差较大；传统的机械加工方式制作模型一次成功率低，模型内部常有初始应力，只有经验丰富的技术人员才能制作满足定量光弹性试验要求的模型。
发明内容
本发明在于解决光弹性模型的尺寸精度和内部性能不能满足航空发动机复杂构件定量光弹性试验要求的难题，提供一种尺寸误差小于0.01mm、初始应力接近于零且具有良好光学性能和力学性能的光弹性模型及其制作方法。
本发明技术方案如下：
一种光弹性模型制作方法，包括以下步骤：
S1毛坯制作：采用128环氧树脂、顺丁烯二酸酐在真空条件下混合后，采用恒温全真空浇注工艺注入真空浇注成型机上的光弹性模型毛坯模具内成型，毛坯进行等温固化，待毛坯固化至外部已固化，内部未完全固化时从模具中取出，进行二次固化后得到毛坯,128环氧树脂与顺丁烯二酸酐的质量比为100:30～35；
S2毛坯的机械加工：将S1所得毛坯的边缘进行切割去除，切割温度不超过80℃，并按模型结构设计进行相应的机械精加工后得到模型；机械精加工的温度不超过80℃；
S3模型的后处理：将S2得到的模型进行打磨后得到所述光弹性模型。
具体地，所述光弹性模型毛坯模具包括毛坯模具外壳、紧贴毛坯模具外壳的内侧的弹性层和贴于弹性层内侧的防渗层；毛坯模具外壳包括一个底面和四个侧面，所述四个侧面的底部分别通过固定部件固定于底面的四边，各个侧面相对于底面均有一定程度的倾斜使得安装后毛坯模具外壳整体呈倒凸台形状；至少有一组相对的侧面之间通过固定部件固定连接。浇注时选用所述光弹性模型毛坯模具，在开模时能一次性成功，有效降低毛坯边缘应力，且使得存在边缘应力的边缘厚度比较薄。
具体地，使用真空浇注成型机进行浇注能有效消除“云雾”和降低浇注的初应力，浇注的光弹性模型毛坯内部光学和力学性能好，浇注过程对人体无损害。
进一步地，根据需要浇注的光弹性模型的重量，将步骤S1中128环氧树脂与顺丁烯二酸酐按质量配比100:33～34称量并混合均匀。
更进一步地，128环氧树脂与顺丁烯二酸酐的质量配比为100:33。
具体地，浇注毛坯时每次浇注5～10kg，分3～5批次浇注，浇注的毛坯可集中进行等温固化。
进一步地，步骤S1中所述等温固化过程中温度保持60℃，停止抽所述光弹性模型毛坯模具内的真空，且不主动往光弹性模型毛坯模具内进气，让模具内的真空度缓慢降低，确保空气不进入毛坯内部，毛坯上表层有一个薄层可能会存在少量微小气孔。
进一步地，步骤S1中所述二次固化过程为：常温0～1小时，60℃恒温24小时，再以每小时升温1～3℃的速度加热至120℃后恒温保持8～24小时，后再以每小时升温1～3℃的速度加热至145℃并恒温保持8～24小时，最后以每小时降低1℃的速度使恒温箱中温度降低至80℃后使恒温箱内温度自然冷却。
具体地，为去除边缘应力，使得模型毛坯内部应力接近零，步骤S1所得模型毛坯的边缘去除量为4～6mm。
去除毛坯边缘的方式优选为手工缓慢切割。
进一步地，步骤S2中为保证局部加工精度，所述机械精加工采用精度较高的磨、拉等工序加工关键尺寸，从而保证高质量光弹性模型的一次成功率，其它中间工序采用常规加工方法。
具体地，榫槽的精加工设备采取拉床，榫头的精加工设备采用磨床。
进一步地，为避免产生边缘效应，机械加工时采用不含水的液体作为冷却液。
优选地，所述冷却液为机油。
机械加工后计量关键尺寸，保证误差小于0.01mm。
进一步地，步骤S3中所述打磨的打磨工具优选为细砂纸。
进一步地，打磨处理后的光弹性模型的退火过程为：常温0～1小时，60℃恒温24小时，再以每小时升温1～3℃的速度加热至120℃后恒温保持8～24小时，后再以每小时升温1～3℃的速度加热至145℃并恒温保持8～24小时，最后以每小时降低1℃的速度使恒温箱中温度降低至80℃后使恒温箱内温度自然冷却。
为使得到的光弹性模型保存时有防水、抗氧化的功能，在模型表面涂覆甘油，同时可提高光弹性模型的光洁度。
步骤S3所得模型如立即用于试验则无需进行退火处理，模型内的应力在试验的冻结过程中会自动消除。
优选地，为降低加工成本，所述模型应和原型同时加工，可节约人工劳动和降低机械设备的损耗。
因模型的原材料易崩裂，更优选地，模型设计时只选取优化设计的局部，仅加工局部模型，保证高质量光弹性模型制作的高成功率和低成本，其它均可根据等效原理采用等效块进行替代。
采用上述任一所述的光弹性模型制作方法制作得到的光弹性模型。
试验前需对模型进行装配，确保制作的模型满足试验要求。
对于原型为浇注件，模型尺寸误差允许大于0.1mm的试验模型，不宜采用本方法进行加工，以免试验成本太高。
本发明所述光弹性模型制作方法过程简单，得到的模型质量高、内部应力接近于零、外部尺寸误差小于0.01mm，有利于提高光弹性试验的精度，满足航空发动机复杂构件定量光弹性试验的要求。
128环氧树脂与顺丁烯二酸酐的质量比为100:30～35配比，能合理缩短固化时间、减小模型毛坯的内应力，在提升生产效率的同时提高产品的质量。
采用光弹性模型毛坯模具在开模时能一次性成功，可降低毛坯边缘的初始应力并且有存在边缘应力的厚度比较薄。
使用真空浇注成型机及光弹性模型的真空浇注工艺方法，设备及其工艺自动化程度高，工艺流程简单，操作方便，提高了原材料的纯度，避免了材料的不均匀，恒温浇注和搅拌均匀能有效消除“云雾”和降低浇注的初应力，浇注的光弹性模型毛坯内部光学和力学性能好，浇注过程对人体无损害。
去除毛坯的边缘可有效使所得光弹性模型的内部应力接近于零，机械精加工过程采用高精度的设备加工关键尺寸，保证了关键尺寸的精度。机械加工过程中温度控制在80℃以内，为降低光弹性模型的内部应力起到进一步辅助作用。
结合模型制作局部化方法，高质量光弹性模型一次成功率可达100％。运用本方法加工模型使得光弹性试验技术在航空发动机原型机研制阶段发挥了重要作用。
附图说明
图1为实施例1～3所述航空发动机涡轮工作叶片榫槽光弹性模型的结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明优选实施例的光弹性模型制作方法是在真空浇注成型机上进行的，该真空浇注成型机为2010年6月9日公告的公告号为CN201501072U的中国专利所揭示的真空浇注成型机。该真空浇注成型机包括真空搅拌控温室、模型成型室及用于控制该真空浇注成型机的控制室。该模型成型室内还设有一个具有升降平台的固化模具室。
本发明优选实施例的光弹性模型毛坯模具是采用2015年4月1日公开的公开号为CN104476708A的中国专利所揭示的光弹性模型毛坯模具。
本发明优选实施例的浇注方法是采用2012年8月22日公告的公告号为CN102642263A的中国专利所揭示的光弹性模型的真空浇注工艺方法。
真空浇注成型机由真空搅拌控温室、控制室、模型成型室和抽排气装置组成，真空搅拌控温室内设有可控混合料斗，第一可控料斗和第二可控料斗，真空搅拌控温室内的可控混合料斗上增设有过滤网，在真空搅拌控温室与模型成型室之间设有带密封盖的隔热板；抽排气装置的排气管道后设有过滤罐。
光弹性模型毛坯模具包括毛坯模具外壳、紧贴毛坯模具外壳的内侧的弹性层和贴于弹性层内侧的防渗层；毛坯模具外壳包括一个底面和四个侧面，所述四个侧面的底部分别通过固定部件固定于底面的四边，各个侧面相对于底面均有一定程度的倾斜使得安装后毛坯模具外壳整体呈倒凸台形状；至少有一组相对的侧面之间通过固定部件固定连接。
光弹性模型的真空浇注工艺方法包括1.根据需要浇注的光弹性模型按照一定的重量比例分别称好后在真空搅拌控温室的真空的条件下混合均匀，提高原材料的纯度，避免材料的不均匀；2.对模型成型室抽真空后，将步骤1中混合均匀的材料注入成型模具内进行浇注成型；3.对已经浇注成型的光弹性模型进行固化。
本发明的一种光弹性模型的制作方法，包括以下步骤：
S1毛坯制作：采用128环氧树脂、顺丁烯二酸酐在真空条件下混合后，采用恒温全真空浇注工艺注入真空浇注成型机上的光弹性模型毛坯模具内成型，毛坯进行等温固化，待毛坯固化至外部已固化，内部未完全固化时从模具中取出，进行二次固化后得到毛坯,128环氧树脂与顺丁烯二酸酐的质量比为100:30～35；
S2毛坯的机械加工：将S1所得毛坯的边缘进行切割去除，切割温度不超过80℃，并按模型结构设计进行相应的机械精加工后得到模型；机械精加工的温度不超过80℃；
S3模型的后处理：将S2得到的模型进行打磨后得到所述光弹性模型。
实施例1
一种航空发动机涡轮工作叶片榫槽光弹性模型的制作方法，包括以下步骤：
S1毛坯制作：将光弹性模型毛坯模具安装在真空浇注成型机的升降平台上，调节升降平台的高度直到方便通过模型成型室的观察窗可以观看光弹性模型毛坯模具的进料口和出料口为止，再把真空浇注成型机的真空搅拌室内的导流装置接入光弹性模型毛坯模具的正上方。
将128环氧树脂、顺丁烯二酸酐按100:35的质量比称量8kg，在真空搅拌控温室内进行混合均匀，对模型成型室抽真空，对固化模具室加热，当固化模具室内的温度保持60℃时，将128环氧树脂、顺丁烯二酸酐的混合液通过导流装置流向光弹性模型毛坯模具的进料口进行光弹性模型的浇注成型，整个浇注成型过程中，固化模具室内的温度一直保持60℃。
当128环氧树脂、顺丁烯二酸酐的混合液倾倒完毕后，即可对毛坯进行等温固化，等温固化过程中温度保持60℃，停止抽所述光弹性模型毛坯模具内的真空，且不主动往光弹性模型毛坯模具内进气，让模具内的真空度缓慢降低，确保空气不进入毛坯内部，毛坯上表层有一个薄层可能会存在少量微小气孔。
待毛坯等温固化至外部固化、而内部未完全固化时，拆开光弹性模型毛坯模具，取出毛坯进行二次固化。
二次固化过程为：常温0～1小时，60℃恒温24小时，再以每小时升温1～3℃的速度加热至120℃后恒温保持8～24小时，后再以每小时升温1～3℃的速度加热至145℃并恒温保持8～24小时，最后以每小时降低1℃的速度使恒温箱中温度降低至80℃后使恒温箱内温度自然冷却。
S2毛坯的机械加工：为去除边缘应力，使模型毛坯1内部应力接近零，将S1所得毛坯的边缘手工切割去除，去除量为5mm，切割过程中保证切割温度在80℃以内。
去除毛坯边缘后，按照模型结构设计进行相应的机械精加工，仅需对关键尺寸进行精加工，其它中间工序采用常规加工方法，榫槽2的机械加工工序包括下料、粗铣、去毛刺、倒角、平磨、加工槽部等，为确保加工精度，榫槽2的槽部形状采用拉床加工，加工过程均采用机油进行冷却，保证加工温度在80℃以内。
机械加工后对关键尺寸进行计量，保证误差小于0.01mm。
S3模型的后处理：将S2中模型机械加工产生的刮痕、碰伤等毛刺用细砂纸进行打磨，然后进行退火处理，退火过程为：常温0～1小时，60℃恒温24小时，再以每小时升温1～3℃的速度加热至120℃后恒温保持8～24小时，后再以每小时升温1～3℃的速度加热至145℃并恒温保持8～24小时，最后以每小时降低1℃的速度使恒温箱中温度降低至80℃后使恒温箱内温度自然冷却。
为使步骤S3所得到的榫槽2模型保存时有防水、抗氧化的功能，在模型表面涂覆甘油，同时提高了该模型的光洁度。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点在于，128环氧树脂与顺丁烯二酸酐的质量比为100:30。
实施例3
本实施例与实施例1的不同点在于，128环氧树脂与顺丁烯二酸酐的质量比为100:33。
根据记录固化时间及内应力检测，记录结果如下表所示：
实施例1 实施例2 实施例3
固化时间 10天 11天 9.5天
内应力 较小 较小 接近于零
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光弹性模型制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1毛坯制作：采用128环氧树脂、顺丁烯二酸酐在真空条件下混合后，采用恒温全真空浇注工艺注入真空浇注成型机上的光弹性模型毛坯模具内成型，所述光弹性模型毛坯模具包括毛坯模具外壳、紧贴毛坯模具外壳的内侧的弹性层和贴于弹性层内侧的防渗层；毛坯模具外壳包括一个底面和四个侧面，所述四个侧面的底部分别通过固定部件固定于底面的四边，各个侧面相对于底面均有一定程度的倾斜使得安装后毛坯模具外壳整体呈倒凸台形状；至少有一组相对的侧面之间通过固定部件固定连接，毛坯进行等温固化，等温固化过程中温度保持60℃，停止抽所述光弹性模型毛坯模具内的真空，且不主动往光弹性模型毛坯模具内进气，待毛坯固化至外部已固化，内部未完全固化时从模具中取出，进行二次固化后得到毛坯,所述二次固化过程为：常温0～1小时，60℃恒温24小时，再以每小时升温1～3℃的速度加热至120℃后恒温保持8～24小时，后再以每小时升温1～3℃的速度加热至145℃并恒温保持8～24小时，最后以每小时降低1℃的速度使恒温箱中温度降低至80℃后使恒温箱内温度自然冷却，128环氧树脂与顺丁烯二酸酐的质量比为100:33；
S2毛坯的机械加工：将S1所得毛坯的边缘进行切割去除，毛坯边缘的去除量为4～6mm，切割温度不超过80℃，并按模型结构设计进行相应的机械精加工后得到榫槽或榫头模型，所述榫槽的机械精加工设备为拉床，所述榫头的机械精加工设备为磨床；机械精加工的温度不超过80℃；
S3模型的后处理：将S2得到的模型进行打磨后再经过退火处理，退火过程为：常温0～1小时，60℃恒温24小时，再以每小时升温1～3℃的速度加热至120℃后恒温保持8～24小时，后再以每小时升温1～3℃的速度加热至145℃并恒温保持8～24小时，最后以每小时降低1℃的速度使恒温箱中温度降低至80℃后使恒温箱内温度自然冷却得到所述光弹性模型。
2.根据权利要求1所述的光弹性模型制作方法制作得到的光弹性模型。
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