CN106584719A - 一种适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模 - Google Patents

Abstract

本发明属于树脂基复合材料液态成型技术，涉及一种适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模。芯模由空心盒体、发泡材料和堵盖组成，空心盒体的一个面上开有两个通孔，一个通孔为导入孔，另一个通孔为透气孔，空心盒体的壁厚为5mm～30mm，空心盒体内置入发泡材料；发泡材料发泡后完全填充空心盒体[8]的内腔，所述空心盒体的材料为金属。本发明实施简单，仅仅需要对空心芯模进行简单的发泡处理即可，不需要对芯模结构进行重新设计，具有良好的可加工性，制造成本相对空心芯模增加不多，低于实心芯模的制造成本，成本低廉。

Description

一种适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模

技术领域

本发明属于树脂基复合材料液态成型技术，涉及一种适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、便于大面积整体成形等独特的优点，已广泛应用于航空飞行器和发动机结构，成为航空装备的关键材料，其用量也已成为航空装备先进性的标志之一。

树脂转移模塑成型技术，简称RTM技术(Resin Transfer Molding)是近年来在航空、航天等领域广泛应用的一种液态成型复合材料制造技术。其原理是在刚性模具型腔内铺放按性能和结构要求设计好的干态纤维预成型体，然后采用注射设备将低粘度树脂注入到闭合模腔内，使树脂与纤维充分浸润，最后按照树脂的工艺规范进行升温固化，最后得到与模具型腔形状一致的复合材料零件。腔形结构是航空飞行器中常用的复合材料结构，如翼面、舵面等结构，特别适用于采用RTM技术整体成型，成型的零件具有结构整体性好，减重效果明显，承载能力强的优点。但采用RTM成型腔形结构时，需在预成型体腔体内部预先放置成型芯模，对预成型体形成支撑作用，通常采用的成型芯模为实心结构、空心腔体结构或隔框加强空心腔体结构。实心结构芯模重量较重，不但不易于搬运，而且较大的自重将对零件的合模和脱模过程造成困难，需设计专门的合模和脱模工具，否则会出现模具合模不到位或脱模时对零件造成损伤的不利情况；此外，实心芯模不适用于夹芯多腔结构的成型，过重的芯模将会压坏预制体内部的芯材；因此，实心芯模在采用RTM工艺成型零件时具有较大的局限性。另一种芯模结构空心腔体结构虽然重量较轻，但过薄的腔壁无法耐受较大的注射压力，长期使用易变形，而采用较厚的腔壁与实心芯模相比减重效果不明显，此外，空心腔体自身刚性不够也易在机械加工过程中产生无法调整的应力变形。第三种芯模结构为隔框加强空心腔体结构，虽然能够耐受较大的注射压力，长期使用耐用性也较好，但自重仍较重，而且大大增加了加工难度和加工成本。综上，采用实心芯模、空心芯模和隔框加强空心芯模在RTM工艺成型复合材料零件时均具有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的是：针对传统树脂转移模塑成型腔形结构复合材料技术存在的不足，提出一种适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模。

本发明的技术解决方案是，芯模10由空心盒体8、发泡材料12和堵盖3和4组成，空心盒体8的一个面上开有两个通孔，一个通孔为导入孔5，另一个通孔为透气孔6，空心盒体8的壁厚为5mm～30mm，空心盒体8内置入发泡材料12；发泡材料12发泡后完全填充空心盒体8的内腔，发泡材料12的填充量由以下公式进行计算：

V1×D＝V2

其中V1为发泡材料12发泡前的体积，V2为空心盒体8的内腔体积，D为发泡材料12的发泡体积膨胀系数；

所述空心盒体8的材料为金属。

所述发泡材料12的耐压强度大于树脂传递模塑成型工艺施加的最大压力，发泡材料12的使用温度高于树脂传递模塑成型工艺中的固化温度。

所述空心盒体8的材料为铝、钢、铁、铜或其合金。

所述发泡材料12为聚氨酯、聚甲基丙烯酰亚胺、环氧树脂、聚乙烯、或聚丙烯发泡材料，常温下为液态或粉状固态。

制造如适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模的方法，包括如下步骤：

1)采用机械加工的方法加工空心盒体8；

2)根据空心盒体8的内腔体积计算得到发泡材料12的填充量，将发泡材料12由导入孔5倒入空心盒体8中；

3)根据所填充的发泡材料12的说明要求，对发泡材料12进行发泡处理，使发泡材料12完全填充满空心盒体8；

4)清理溢出空心盒体8的多余的发泡材料12；

5)将堵盖3和4分别塞紧空心盒体8上的导入孔5和透气孔6，采用焊接或螺纹连接将堵盖3和4和空心盒体8连接成整体并进行密封处理；

6)修整芯模10的整体外形，得到用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的芯模10。

所述芯模10的数量随成型制件的结构变化增加或减少，芯模的形状随成型制件的结构形状变化而变化。

本发明的优点和有益效果是：

1、本发明所涉及的轻质芯模在采用RTM工艺成型腔形结构复合材料时起到在树脂注射和固化过程中承受注射压力和固化应力保持零件形状的作用；

2、本发明所涉及的轻质芯模既具有实心芯模的耐压性、耐用性好的特点，又具有空心芯模的减重效果，具有既轻便又耐用，工艺适用性好的优点；

3、本发明所涉及的轻质芯模既克服了较大尺寸的实心芯模重量大，不利于移动，需要特别设计和加工专用的实心芯模搬运的工装的缺点，极大的减少了合模后组合工装的重量，也克服了空心芯模加工和使用过程中易变形，耐久性不强，使用环境受限的缺点，还克服了隔框加强空心芯模加工难度大，制造成本高的缺点；

4、本发明所涉及的轻质芯模不仅适用于常规的开敞单腔、多腔盒段结构复合材料的RTM整体成型，也适用于非开敞单腔、多腔翼面结构复合材料的RTM整体成型，还适用于其他需应用整体芯模RTM成型的复杂复合材料整体结构，具有良好的成型结构适用性；

5、本发明通过在芯模端部设计导入口，将液态可发泡轻质材料导入芯模内部并进行发泡，显著降低了芯模的重量，提高了空心芯模的刚性，并改善了复合材料零件的成型质量。

6、本发明实施简单，仅仅需要对空心芯模进行简单的发泡处理即可，不需要对芯模结构进行重新设计，具有良好的可加工性，制造成本相对空心芯模增加不多，低于实心芯模的制造成本，成本低廉。

综上所述，本发明是一种适用于复合材料树脂转移模塑成型技术的新型轻质耐用模具，在保证模具优良工艺适用性的同时，显著降低了成型模具的重量，具有成型零件的结构适用性好、模具制造成本低的优点。

本发明的工作原理为：

1、本发明在空心盒体8中填充了发泡材料12，采用轻质的发泡材料12替代了芯模10内部原有的金属材料部分，降低了芯模10的重量；

2、本发明在空心盒体8上设计了导入孔5和透气孔6，便于发泡材料12从导入孔5中倒入，空心盒体8中的气体从透气孔6中排出；

3、本发明中使用的发泡材料12所需的量需根据空心盒体8的内腔体积进行计算确定，要求发泡材料12发泡后能完全填充空心盒体8的内腔，可由以下公式进行计算：

V1×D＝V2

其中V1为发泡材料12发泡前的体积，V2为空心盒体8的内腔体积，D为发泡材料12的发泡体积膨胀系数；

4、在发泡材料12充分发泡完毕后，使用金属材质的堵盖3和塞垫4将导入孔5和透气孔6分别堵死，使芯模10的外表面全部为金属材料，方便芯模10进行最终的外形加工并提高使用过程中的耐用性；

5、发泡材料12选择的条件一是发泡材料12发泡后的耐压强度必须大于RTM工艺过程中使用的压力强度，防止RTM工艺过程中使用的压力强度超过发泡材料12的耐压强度而造成芯模损坏；

6、发泡材料12选择的条件二是发泡材料12发泡后的使用温度必须高于RTM工艺过程中固化的最高温度，防止RTM工艺过程中的固化温度超过发泡材料12的使用温度而造成芯模损坏。

附图说明

图1为本发明采用的轻质芯模的加工过程的示意图；

图2为本发明采用的三腔盒段零件的示意图；

图3为本发明采用的三腔盒段芯模的示意图；

图4为本发明采用的三腔盒段组合模具的示意图；

图5为本发明采用的三腔翼面零件的示意图；

图6为本发明采用的三腔翼面芯模的示意图；

图7为本发明采用的三腔翼面组合模具的示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

本发明涉及一种适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模，其特征在于：

芯模10由空心盒体8、发泡材料12和堵盖3和4组成，空心盒体8的一个面上开有两个通孔，一个通孔为导入孔5，另一个通孔为透气孔6，空心盒体8的壁厚为5mm～30mm，空心盒体8内置入发泡材料12；发泡材料12发泡后完全填充空心盒体8的内腔，发泡材料12的填充量由以下公式进行计算：

V1×D＝V2

其中V1为发泡材料12发泡前的体积，V2为空心盒体8的内腔体积，D为发泡材料12的发泡体积膨胀系数；

所述空心盒体8的材料为金属。

所述发泡材料12的耐压强度大于树脂传递模塑成型工艺施加的最大压力，发泡材料12的使用温度高于树脂传递模塑成型工艺中的固化温度。

所述空心盒体8的材料为铝、钢、铁、铜或其合金。

所述发泡材料12为聚氨酯、聚甲基丙烯酰亚胺、环氧树脂、聚乙烯、或聚丙烯发泡材料，常温下为液态或粉状固态。

制造如适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模的方法，包括如下步骤：

1)采用机械加工的方法加工空心盒体8；

2)根据空心盒体8的内腔体积计算得到发泡材料12的填充量，将发泡材料12由导入孔5倒入空心盒体8中；

3)根据所填充的发泡材料12的说明要求，对发泡材料12进行发泡处理，使发泡材料12完全填充满空心盒体8；

4)清理溢出空心盒体8的多余的发泡材料12；

5)将堵盖3和4分别塞紧空心盒体8上的导入孔5和透气孔6，采用焊接或螺纹连接将堵盖3和4和空心盒体8连接成整体并进行密封处理；

6)修整芯模10的整体外形，得到用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的芯模10。

所述芯模10的数量随成型制件的结构变化增加或减少，芯模的形状随成型制件的结构形状变化而变化。

实施例：

实施例1：

本实施例涉及芯模10的制备。

1)采用机械加工的方法加工空心盒体8，材质为P20钢，空心盒体8的内腔体积为5升，壁厚为10mm；

2)在空心盒体8上采用机械加工的方法加工导入孔5和透气孔6；

3)所选发泡材料12为黑龙江科学院石油化学研究院的J-60发泡胶，其膨胀系数为2，将2.5升发泡材料12由导入孔3倒入空心盒体8中；

4)根据J-60发泡胶的说明要求，在175℃±5℃，0.015MPa的条件下，对发泡材料12进行发泡处理2～3小时，使发泡材料12将空心盒体8完全填充满；

5)清理溢出空心盒体8的多余的发泡材料12；

6)将堵盖3和塞垫4分别塞紧空心盒体8上的导入孔5和透气孔6，采用焊接将堵盖3、塞垫4和空心盒体8连接成整体并进行密封处理；

7)按照图纸要求对塞垫4、塞垫5和空心盒体8进行整体外形加工，最终加工成芯模10；

8)芯模10可在175℃，4MPa的条件下长期使用。

实施例2：

本实施例涉及芯模10的制备。

1)采用机械加工的方法加工空心盒体8，材质为Q235钢，空心盒体8的内腔体积为10升，壁厚为5mm；

2)在空心盒体8上采用机械加工的方法加工导入孔5和透气孔6；

3)所选发泡材料12为中航复合材料有限责任公司的ACCPMI-71发泡胶，其膨胀系数为27，将0.37升发泡材料12由导入孔3倒入空心盒体8中；

4)根据ACCPMI-71发泡胶的说明要求，在180℃±5℃的条件下，对发泡材料12进行发泡处理2～3小时，使发泡材料12将空心盒体8完全填充满；

5)清理溢出空心盒体8的多余的发泡材料12；

6)将堵盖3和塞垫4分别塞紧空心盒体8上的导入孔5和透气孔6，采用焊接将堵盖3、塞垫4和空心盒体8连接成整体并进行密封处理；

7)按照图纸要求对塞垫4、塞垫5和空心盒体8进行整体外形加工，最终加工成芯模10；

8)芯模10可在180℃，0.4MPa的条件下长期使用。

实施例3：

本实施例涉及采用本发明的芯模制备零件。

零件为复合材料开敞三腔盒段结构，零件外形如图2所示。材料体系为CF3031/BA9912，材料的纤维体积含量为55％±3％；其中CF3031为山东威海拓展公司出品的规格为3K的T300级碳纤维织物，BA9912树脂为中航复合材料有限责任公司为液体成型工艺研发的中温环氧树脂，零件的外形尺寸为：2000mm×1002mm×200mm(长×宽×高)，零件壁厚为6mm，其中中间三个内腔尺寸为2000mm×250mm×182mm，两侧内腔尺寸为2000mm×120mm×182mm，设计要求零件成型后的厚度公差≤±5％。

1)按零件内腔尺寸分别将芯模10-1、芯模10-2、芯模10-3、芯模10-4、芯模10-5按如实施例1所述的方法加工成型，加工后芯模外形如图3所示；

2)将铺叠好的预成型体40放置在下半模20的模腔中；

3)依次将芯模10-1、芯模10-2、芯模10-3、芯模10-4、芯模10-5放入预成型体1中；

4)将上半模30与下半模20组合，并通过高强螺栓拧紧，密闭压实预成型体40，组合后系统如图4所示；

5)将整个模具放入烘箱中加热至35℃+5℃，将BA9912树脂在0.6MPa的压力下由进胶口21注入预制体40；

6)待出胶口22出胶后，关闭进胶口21和出胶口22，升温固化，固化工艺为在125℃+5℃条件下保温4小时；

7)待模具温度降低至70℃以下后，依次拆除上半模30、芯模10-1、芯模10-2、芯模10-3、芯模10-4、芯模10-5和下半模20，取出固化后的复合材料零件。

所得的复合材料零件外部光滑，采用千分尺对零件厚度进行测量，厚度公差为3.41％，满足设计要求。

实施例4：

本实施例涉及采用本发明的芯模制备零件。

零件为复合材料非开敞三腔翼面结构，零件外形如图5所示。材料体系为U-3160/BA9914，材料的纤维体积含量为56％±3％；其中U-3160为山东威海拓展公司出品的规格为3K的T300级碳纤维织物，BA9914树脂为中航复合材料有限责任公司为液体成型工艺研发的高温环氧树脂，零件的外形尺寸为：500mm×1002mm(长×宽)，一侧高度为300mm，一侧高度为0mm，零件壁厚为6mm，其中中间三个内腔尺寸为500mm×250mm×282mm，两侧内腔尺寸为500mm×120mm×282mm，设计要求零件成型后的厚度公差≤±5％。

1)按零件内腔尺寸分别将芯模10-1、芯模10-2、芯模10-3、芯模10-4、芯模10-5按如实施例2所述的方法加工成型，加工后芯模外形如图6所示；

2)将铺叠好的预成型体40放置在下半模20的模腔中；

3)依次将芯模10-1、芯模10-2、芯模10-3、芯模10-4、芯模10-5放入预成型体1中；

4)将上半模30与下半模20组合，并通过高强螺栓拧紧，密闭压实预成型体40，组合后系统如图7所示；

5)将整个模具放入烘箱中加热至80℃±5℃，将BA9914树脂在0.3MPa的压力下由进胶口21注入预制体40；

6)待出胶口22出胶后，关闭进胶口21和出胶口22，升温固化，固化工艺为在180℃条件下保温4小时；

7)待模具温度降低至70℃以下后，依次拆除上半模30、芯模10-1、芯模10-2、芯模10-3、芯模10-4、芯模10-5和下半模20，取出固化后的复合材料零件。

所得的复合材料零件外部光滑，采用千分尺对零件厚度进行测量，厚度公差为2.79％，满足设计要求。

Claims (6)

1.一种适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模，其特征在于：

芯模[10]由空心盒体[8]、发泡材料[12]和堵盖[3和4]组成，空心盒体[8]的一个面上开有两个通孔，一个通孔为导入孔[5]，另一个通孔为透气孔[6]，空心盒体[8]的壁厚为5mm～30mm，空心盒体[8]内置入发泡材料[12]；发泡材料[12]发泡后完全填充空心盒体[8]的内腔，发泡材料[12]的填充量由以下公式进行计算：

V1×D＝V2

其中V1为发泡材料[12]发泡前的体积，V2为空心盒体[8]的内腔体积，D为发泡材料[12]的发泡体积膨胀系数；

所述空心盒体[8]的材料为金属。

2.根据权利要求1所述的适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模，其特征在于：所述发泡材料[12]的耐压强度大于树脂传递模塑成型工艺施加的最大压力，发泡材料[12]的使用温度高于树脂传递模塑成型工艺中的固化温度。

3.根据权利要求1所述的适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模，其特征在于：所述空心盒体[8]的材料为铝、钢、铁、铜或其合金。

4.根据权利要求1所述的适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模，其特征在于：所述发泡材料[12]为聚氨酯、聚甲基丙烯酰亚胺、环氧树脂、聚乙烯、或聚丙烯发泡材料，常温下为液态或粉状固态。

5.一种制造如权利要求1所述的适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模的方法，包括如下步骤：

1)采用机械加工的方法加工空心盒体[8]；

2)根据空心盒体[8]的内腔体积计算得到发泡材料[12]的填充量，将发泡材料[12]由导入孔[5]倒入空心盒体[8]中；

3)根据所填充的发泡材料[12]的说明要求，对发泡材料[12]进行发泡处理，使发泡材料[12]完全填充满空心盒体[8]；

4)清理溢出空心盒体[8]的多余的发泡材料[12]；

5)将堵盖[3和4]分别塞紧空心盒体[8]上的导入孔[5]和透气孔[6]，采用焊接或螺纹连接将堵盖[3和4]和空心盒体[8]连接成整体并进行密封处理；

6)修整芯模[10]的整体外形，得到用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的芯模[10]。

6.根据权利要求5所述的适用于复合材料树脂传递模塑成型工艺的轻质芯模的方法，其特征是，所述芯模[10]的数量随成型制件的结构变化增加或减少，芯模的形状随成型制件的结构形状变化而变化。