CN107244081A - 一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具 - Google Patents

一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具 Download PDF

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Abstract

一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，本发明包括芯子成型模具、面板成型模具和固化模具；芯子成型模具包括阳模和五个阴模，所述阳模为四分之一圆环，阳模的内壁设置有多个相等的四边形单元，多个四边形单元沿阳模的轴向方向设置五个，多个四边形单元沿阳模的环向方向设置三个，五个阴模并排设置且阴模上的四边形单元与阳模上的四边形单元完全咬合；面板成型模具包括内模、中模和底座，中模和内模由内至外依次设置在凹弧中；固化模具包括内支撑和外支撑，所述外支撑为两个相同的半圆环扣合而成，外支撑的半径与凹弧的半径相同；芯子成型模具、面板成型模具和固化模具依次顺序设置。本发明用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳。

Description

一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具
技术领域
本发明涉及一种复合材料成型技术领域，具体涉及一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具。
背景技术
夹层结构应用于飞机机身承力筒、整流罩、发动机外壳、级间段等航空航天结构时，都需要将其制备成曲面或者圆柱壳结构。目前，应用于大型航天结构的圆柱壳主要是加筋圆柱壳、蜂窝夹芯圆柱壳等。但其存在着不可避免的缺点：(1)复合材料加筋圆柱壳的成型工艺主要是纤维缠绕法，制备工艺复杂，成型质量不可控，工艺成本较高；(2)封闭的内部结构容易积聚冷凝水，且不利于热量的传输，将导致结构过早破坏降低其使用寿命。褶皱夹芯结构因其优异的力学性能、开放的内部通道以及简单的制备工艺，近年来得到了科学家们的广泛研究。由于褶皱芯子相对复杂的几何构型，目前关于其制备工艺研究主要集中于平板结构，褶皱夹芯圆柱壳结构的制备鲜有研究。
发明内容
本发明为解决目前尚未有制备褶皱夹芯圆柱壳工艺的问题，而提出一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具。
本发明的一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，所述组合模具包括芯子成型模具、面板成型模具和固化模具；
芯子成型模具包括阳模和五个阴模，所述阳模为四分之一圆环，阳模的内壁设置有多个相等的四边形单元，多个四边形单元阵列布置，多个四边形单元沿阳模的轴向方向设置五个，多个四边形单元沿阳模的环向方向设置三个，每个阴模的轴向方向设置一个四边形单元，每个阴模的环向方向设置三个四边形单元，五个阴模并排设置且阴模上的四边形单元与阳模上的四边形单元完全咬合；
面板成型模具包括内模、中模和底座，所述内模为半圆柱体，所述中模为二分之一圆环，所述底座的上端设有凹弧，中模和内模由内至外依次设置在凹弧中；
固化模具包括内支撑和外支撑，所述内支撑包括中空圆筒和定位圆盘，定位圆盘设置在中空圆筒的任意端面，所述外支撑为两个相同的半圆环扣合而成，每个半圆环的环向圆心角为170°，外支撑的半径与凹弧的半径相同；
芯子成型模具、面板成型模具和固化模具依次顺序设置。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，与现有的复合材料加筋圆柱壳、蜂窝夹芯圆柱壳等结构的成型工艺相比，成型工艺简单、精度高、质量可控，大大提高了生产效率，有利于实现碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳结构的大批量工业化生产。
二、本发明的碳纤维增强褶皱圆柱芯子为折线形，与波纹夹芯结构相比，褶皱芯子对内面板和外面板约束能力要比波纹芯子强。因此，褶皱结构在弯曲载荷作用下抵抗面板起皱的能力更强。
三、利用本发明制备的碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的芯层沿着轴线方向为开放通道，流体可以通过夹芯壳的芯层，即冷凝水或者热量可以及时地从芯层流出，保证了碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的力学性能和使用寿命。
附图说明
图1是组合模具中芯子成型模具1的立体图(图中只标出了一个阴模1-2；
图2是阳模1-1的立体图；
图3是阴模1-2的立体图；
图4是组合模具中面板成型模具2的立体图；
图5是内模2-1的立体图；
图6是中模2-2和放置座2的俯视图；
图7是底座2-3的立体图；
图8是组合模具中固化模具3的立体图；
图9是中空圆筒3-1-1的立体图；
图10是外支撑3-2的立体图；
图11是具体实施方式七中步骤g中两个内面板扣合设置组成内圆筒6的立体图；
图12是具体实施方式七中步骤i中两个外面板扣合设置组成外圆筒8的立体图；
图13是具体实施方式七中步骤h中四个四分之一圆弧状褶皱增强碳纤维组装成褶皱增强碳纤维圆筒7的立体图；
图14是具体实施方式七中步骤k中得到的碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳9的立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图10说明本实施方式，本实施方式为制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，该组合模具包括芯子成型模具1、面板成型模具2和固化模具3；
芯子成型模具1包括阳模1-1和五个阴模1-2，所述阳模1-1为四分之一圆环，阳模1-1的内壁设置有多个相等的四边形单元1-3，多个四边形单元1-3阵列布置，多个四边形单元1-3沿阳模1-1的轴向方向设置五个，多个四边形单元1-3沿阳模1-1的环向方向设置三个，每个阴模1-2的轴向方向设置一个四边形单元1-3，每个阴模1-2的环向方向设置三个四边形单元1-3，五个阴模1-2并排设置且阴模1-2上的四边形单元1-3与阳模1-1上的四边形单元1-3完全咬合；
面板成型模具2包括内模2-1、中模2-2和底座2-3，所述内模2-1为半圆柱体，所述中模2-2为二分之一圆环，所述底座2-3的上端设有凹弧2-3-1，中模2-2和内模2-1由内至外依次设置在凹弧2-3-1中；
固化模具3包括内支撑3-1和外支撑3-2，所述内支撑3-1包括中空圆筒3-1-1和定位圆盘3-1-2，定位圆盘3-1-2设置在中空圆筒3-1-1的任意端面，且定位圆盘3-1-2与中空圆筒3-1-1通过连接元件相互连接，所述外支撑3-2为两个相同的半圆环扣合而成，且两个半圆环通过连接元件相互连接，每个半圆环的环向圆心角为170°，外支撑3-2的半径与凹弧2-3-1的半径相同；
芯子成型模具1、面板成型模具2和固化模具3依次顺序设置。
具体实施方式二：结合图2和图5说明本实施方式，本实施方式为内模2-1的半径与阳模1-1的内壁半径相同。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式为中模2-2的内壁半径为内模2-1的半径加内面板预浸料4的厚度，中模2-2的外壁半径与阳模1-1的外壁半径相同。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图4和图7说明本实施方式，本实施方式为凹弧2-3-1的半径为中模2-2的外壁半径加外面板预浸料5的厚度。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图5和图9说明本实施方式，本实施方式为中空圆筒3-1-1的外壁半径与内模2-1的半径相同。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图9说明本实施方式，本实施方式为中空圆筒3-1-1从截面看被分割为三部分，分别为第一部分3-1-1-1、第二部分3-1-1-2和第三部分3-1-1-3。这样设计以方便脱模。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
利用本发明的组合模具制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的方法，该方法是通过以下步骤实现：
一、碳纤维增强褶皱圆柱芯子的制备：
步骤a、清洗芯子成型模具1：采用洗模剂清洗芯子成型模具1的内外表面，涂上脱模剂置于通风处晾干；
步骤b、折叠碳纤维预浸料：将铺层好的碳纤维预浸料和芯子成型模具1置于30℃的加热台，待碳纤维预浸料软化后将其置于阳模1-1表面，对阴模1-2施加压力，压力范围为0.5MPa～1MPa，直至阴模1-2全部压入阳模1-1形成的空间内，至此完成碳纤维预浸料压成所需的褶皱圆弧状；
步骤c、固化碳纤维预浸料：将步骤b得到的圆弧状褶皱纤维预浸料及芯子成型模具1一起封装于真空袋内，置于热压罐中固化，固化温度范围为100℃～200℃，固化压力为0.5MPa～2MPa，固化时间为1小时～3小时，至此完成圆弧状碳纤维增强褶皱芯子的制备；
重复步骤a、b、c三次，得到四个完全相同的圆弧状褶皱增强碳纤维。
二、碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳面板的制备：
步骤d、清洗模具：采用洗模剂清洗面板成型模具2的内外表面，涂上脱模剂置于通风处晾干；
步骤e、铺设碳纤维预浸料：将铺层好的半圆弧内面板预浸料4置于面板成型模具2中的内模2-1与中模2-2之间，将铺层好的半圆弧外面板预浸料5置于面板成型模具2中的底座2-3与中模2-2之间，对内模2-1施加压力，压力范围为0.5MPa～1MPa，直至内面板预浸料4和外面板预浸料5厚度达图纸要求，即h值，至此完成内面板预浸料4和外面板预浸料5的制备；
步骤f、固化内面板预浸料4和外面板预浸料5：将步骤e得到的内面板预浸料4和外面板预浸料5封装于真空袋内，置于热压罐中固化，固化温度范围为100℃～200℃，固化压力为0.5MPa～2MPa，固化时间为1小时～3小时，固化后得到内面板和外面板；
重复步骤d、e、f一次，得到两个完全相同的内面板和外面板；
三、碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组装、胶结和二次固化：
步骤g、将步骤二得到的两个内面板扣合设置组成内圆筒6(见图11)，将内圆筒6贴合在内支撑3-1的外表面上，并在内圆筒6的外表面上贴一层胶膜；
步骤h、将步骤一中的四个四分之一圆弧状褶皱增强碳纤维依次粘接在内圆筒6的外表面上，四个四分之一圆弧状碳纤维增强褶皱芯子组装成一个完整的碳纤维增强褶皱芯子圆筒7，见图13；
步骤i、将步骤二得到的两个外面板扣合设置组成外圆筒8(见图12)，将外圆筒8的内表面贴一层胶膜，并将外圆筒8粘接在碳纤维增强褶皱芯子圆筒7的外表面上；
步骤j、将外支撑3-2的两个半圆环贴合在外圆筒8的外表面上，通过连接元件将两个半圆环固定连接；
步骤k、将装有内圆筒6、碳纤维增强褶皱芯子圆筒7和外圆筒8的固化模具3置于120℃～150℃的烘箱中加热固化2小时～3小时，冷却后拆模，即可得到碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳9。

Claims (6)

1.一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，其特征在于：所述组合模具包括芯子成型模具(1)、面板成型模具(2)和固化模具(3)；
芯子成型模具(1)包括阳模(1-1)和五个阴模(1-2)，所述阳模(1-1)为四分之一圆环，阳模(1-1)的内壁设置有多个相等的四边形单元(1-3)，多个四边形单元(1-3)阵列布置，多个四边形单元(1-3)沿阳模(1-1)的轴向方向设置五个，多个四边形单元(1-3)沿阳模(1-1)的环向方向设置三个，每个阴模(1-2)的轴向方向设置一个四边形单元(1-3)，每个阴模(1-2)的环向方向设置三个四边形单元(1-3)，五个阴模(1-2)并排设置且阴模(1-2)上的四边形单元(1-3)与阳模(1-1)上的四边形单元(1-3)完全咬合；
面板成型模具(2)包括内模(2-1)、中模(2-2)和底座(2-3)，所述内模(2-1)为半圆柱体，所述中模(2-2)为二分之一圆环，所述底座(2-3)的上端设有凹弧(2-3-1)，中模(2-2)和内模(2-1)由内至外依次设置在凹弧(2-3-1)中；
固化模具(3)包括内支撑(3-1)和外支撑(3-2)，所述内支撑(3-1)包括中空圆筒(3-1-1)和定位圆盘(3-1-2)，定位圆盘(3-1-2)设置在中空圆筒(3-1-1)的任意端面，所述外支撑(3-2)为两个相同的半圆环扣合而成，每个半圆环的环向圆心角为170°，外支撑(3-2)的半径与凹弧(2-3-1)的半径相同；
芯子成型模具(1)、面板成型模具(2)和固化模具(3)依次顺序设置。
2.根据权利要求1所述的一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，其特征在于：所述内模(2-1)的半径与阳模(1-1)的内壁半径相同。
3.根据权利要求2所述的一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，其特征在于：所述中模(2-2)的内壁半径为内模(2-1)的半径加内面板预浸料(4)的厚度，中模(2-2)的外壁半径与阳模(1-1)的外壁半径相同。
4.根据权利要求3所述的一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，其特征在于：所述凹弧(2-3-1)的半径为中模(2-2)的外壁半径加外面板预浸料(5)的厚度。
5.根据权利要求4所述的一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，其特征在于：所述中空圆筒(3-1-1)的外壁半径与内模(2-1)的半径相同。
6.根据权利要求5所述的一种用于制备碳纤维增强褶皱夹芯圆柱壳的组合模具，其特征在于：所述中空圆筒(3-1-1)从截面看被分割为三部分，分别为第一部分(3-1-1-1)、第二部分(3-1-1-2)和第三部分(3-1-1-3)。
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