CN107972291B - 可释放rtm成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件及制造翼面结构的方法 - Google Patents

可释放rtm成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件及制造翼面结构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可释放RTM成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件及利用该翼尖挡块组件制造翼面结构的方法。翼尖挡块组件包括：密封于模具一端，用以接收翼面结构因模具收缩而产生的压应力，并通过形变将压应力释放的弹性压块；密封于模具内，设置于翼面结构的翼尖和弹性压块之间，用以将压应力传递给弹性压块的楔形挡块；其中，所述楔形挡块的前端侧面的部分或者全部同翼尖尾部接触，所述楔形挡块的后端侧面的全部同所述弹性压块的一侧面贴合，且从后端至前端，所述楔形挡块的厚度逐渐变小。模具冷却过程中楔形挡块稍微受力就能发生移动，移动时将硅橡胶进行压缩，使模具收缩时翼尖挡块对翼面在展向方向的压应力得到自动释放。

Description

可释放RTM成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡 块组件及制造翼面结构的方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种可释放RTM成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件及利用该翼尖挡块组件制造翼面结构的方法。
背景技术
复合材料低成本液态成型工艺(如RTM(Resin Transfer Molding)、VARI((VacuumAssisted Resin Infusion)等)已经广泛应用于复合材料的各个技术领域，并逐步由生产次承力结构件向生产主承力结构件方向发展。
采用RTM成型的碳纤维复合材料翼面产品因具有整体性好、尺寸精度高、承载能力强等优点也得到了大量应用。但碳纤维复合材料在纤维方向具有零膨胀特性，而成型的模具大部分都是由钢制材料制成，会发生比较明显的热胀冷缩现象，因此，成型后的碳纤维复合材料翼面产品在模具冷却过程中会受到比较明显的模具热胀冷缩引起的压应力，严重时会导致产品出现明显变形或甚至出现分层缺陷。
为了翼面类产品的装模、脱模方便，在设计碳纤维复合材料翼面模具时，一般会在翼尖设计一个可拆卸的翼尖挡块。采用模压成型工艺生产的碳纤维复合材料翼面产品一般成型后在模具冷却降温时可将翼尖挡块松掉，从而将模具收缩对翼面类产品展向的压应力释放掉。但RTM成型碳纤维复合材料翼面产品受到RTM成型工艺的限制，模具有密封要求，翼尖挡块无法与外界连通，导致模具冷却降温过程中无法将密封在模具内部的翼尖挡块松掉。如果翼尖挡块参照模压模具设计为长方体结构+金属压块结构时，RTM翼面产品很容易出现明显变形或甚至出现分层缺陷。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有RTM工艺中翼面类产品RTM模具内部翼尖挡块无法松掉，导致模具热胀冷缩压应力将翼面类产品压变形或局部分层问题，本发明提供了一种可释放RTM成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件及利用该翼尖挡块组件制造翼面结构的方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种可释放RTM成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件，所述翼尖挡块组件包括：
密封于模具一端，用以接收翼面结构因模具收缩而产生的压应力，并通过形变将压应力释放的弹性压块；和
密封于模具内，设置于翼面结构的翼尖和所述弹性压块之间，用以将所述压应力传递给所述弹性模块的楔形挡块；
其中，所述楔形挡块的前端侧面的部分或者全部同翼尖尾部接触，所述楔形挡块的后端侧面的全部同所述弹性压块的一侧面贴合，且从后端至前端，所述楔形挡块的厚度逐渐变小。
优选地，所述楔形挡块上设有至少一个两端分别靠近所述楔形挡块的前端和后端的椭圆形螺孔；
模具的下模底部设有与所述椭圆形螺孔配合的底面螺孔，供穿过所述椭圆形螺孔的螺栓固定所述楔形挡块和下模。
进一步优选地，所述翼尖挡块组件还包括：弹性密封圈；和
所述楔形挡块靠近前端的区域环绕该处所述楔形挡块设有一圈凹槽；
所述弹性密封圈嵌装在所述凹槽中，用以密封所述楔形挡块和模具之前的缝隙。
更优选地，所述凹槽的宽度为1～10mm，优选为4～6mm。
优选地，所述翼尖尾部侧面的全部区域同所述楔形挡块的前端侧面接触；和/或
所述弹性压块同所述楔形挡块的后端侧面贴合的侧面的面积超出所述楔形挡块后端侧面的面积5％～20％，优选为10％～20％。
优选地，所述塑料选自聚苯硫醚、氯化聚醚、聚芳砜、聚醚醚酮、聚苯酯、氨基塑料、可熔的聚酰亚胺、聚四氟乙烯、环氧树脂、酚醛树脂、通过耐热改性使其耐温性能不低于200℃的塑料中的任一种；
所述弹性压块的材质为硅橡胶；和/或
所述弹性密封圈的材质为硅橡胶。
进一步优选地，所述弹性压块的材质为硅橡胶；和/或
所述弹性密封圈的材质为硅橡胶。
利用上述翼尖挡块组件制造翼面结构的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)制作RTM成型所用的模具，包括上模和下模；
(2)在下模内表面按照设计要求铺设碳纤维材料层；
(3)将所述翼尖挡块组件放置于经步骤(2)处理后的下模中；
(4)合模；
(5)注射树脂；
(5)固化；
(6)冷却并在冷却后脱模。
所述翼面结构为平直翼、梯形翼、后掠翼、三角翼、变后掠翼、前掠翼中的任一种。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
针对现有RTM工艺中翼面类产品RTM模具内部的翼尖挡块无法松掉，导致模具热胀冷缩压应力将翼面类产品压变形或局部分层问题，本发明提出了一种新型的翼尖挡块组件，包含楔形挡块和弹性压块。模具冷却过程中楔形挡块稍微受力就能发生移动，移动时将弹性压块进行压缩，使模具收缩时翼尖挡块对翼面在展向方向的压应力得到自动释放，该方法可以将翼尖挡块对翼面的水平测量和无损检测质量的影响降至最低。
附图说明
图1是本发明提供的可释放RTM成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件的结构示意图；
图中：1：翼面结构；2：楔形挡块；3：弹性压块(硅橡胶压块)；4：下模；5：椭圆形螺孔；6：弹性密封圈(硅橡胶密封圈)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
第一、本发明提供了一种可释放RTM成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件，所述翼尖挡块组件包括：密封于模具一端，用以接收翼面结构因模具收缩而产生的压应力，并通过形变将压应力释放的弹性压块；和密封于模具内，设置于翼面结构的翼尖和所述弹性压块之间，用以将所述压应力传递给所述弹性压块的楔形挡块；其中，所述楔形挡块的前端侧面的部分或者全部同翼尖尾部接触，所述楔形挡块的后端侧面的全部同所述弹性压块的一侧面贴合，且从后端至前端，所述楔形挡块的厚度逐渐变小。模具冷却收缩时，已经固化成型的翼面结构由于被密封在模具内，产生一定的压应力。此时，也被密封在模具内的翼尖挡块中的楔形挡块的前端和所述翼面结构中的翼尖尾部接触，并受力出现滑移，挤压与其后端紧密贴合在一起的弹性压块，从而通过弹性压块的变形将模具收缩对翼面产品展向方向的压应力释放，使翼面结构保证理论尺寸外形，不会出现变形或分层。
优选地，所述楔形挡块上设有至少一个(例如可以为1个、可以为2个、可以为3个)两端分别靠近所述楔形挡块的前端和后端的椭圆形螺孔；模具的下模底部设有与所述椭圆形螺孔配合的底面螺孔，供穿过所述椭圆形螺孔的螺栓固定所述楔形挡块和下模。椭圆形螺孔既可以将楔形挡块和下模固定在一起，以保证翼面结构的理论外形，同时，固定后的楔形挡块在受力后仍可以沿翼面结构展方向移动，从楔形挡块的后端向前端移动或从前端向后端移动。当模具收缩时，楔形挡块从前端向后端移动，挤压弹性压块，通过弹性压块的形变释放压应力。在具体实施例中，弹性压块上可以设置孔洞，也可以不设置孔洞。
进一步优选地，所述翼尖挡块组件还包括：弹性密封圈；和所述楔形挡块靠近前端的区域环绕该处所述楔形挡块设有一圈凹槽；所述弹性密封圈嵌装在所述凹槽中，用以密封所述楔形挡块和模具之前的缝隙。弹性密封圈将同凹槽对应的模具内壁之间的缝隙密封，避免RTM成型过程中树脂堵住椭圆形通孔。由于弹性密封圈嵌装在凹槽中，若凹槽宽度太宽，适应这一凹槽宽度的弹性密封圈和模具内壁的接触面积过大，楔形挡块在受力后不易发生移动，导致翼尖挡块组件无法起到释放压应力的作用；但凹槽宽度也不能太小，否则无法起到很好的密封作用。可选的范围为1～10mm，例如可以为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，优选为4～6mm。
优选地，所述翼尖尾部侧面的全部区域同所述楔形挡块的前端侧面接触；和/或所述弹性压块同所述楔形挡块的后端侧面贴合的侧面的面积超出所述楔形挡块后端侧面的面积5％～20％，可以为5％、8％、10％、12％、15％、18％、20％，可以使楔形挡块的压力可以顺利全部传递到橡胶压块上，通过橡胶压块的变形来释放模具收缩产生的压应力。优选为10％～20％。
优选地，所述楔形挡块的材质为金属、陶瓷、玻璃、耐温不低于200℃的塑料中的任一种；此处的耐温不低于200℃(指热变形温度不低于200℃)的塑料包括聚苯硫醚、氯化聚醚、聚芳砜、聚醚醚酮、聚苯酯、氨基塑料、可熔的聚酰亚胺、聚四氟乙烯、环氧树脂、酚醛树脂中的任一种。此外，还包括任何一种通过耐热改性方法(比如，塑料的填充耐热性、塑料的增强耐热性、塑料的添加耐热改性剂耐热改性、塑料的共混耐热改性、塑料的交联耐热改性及塑料的形态控制改性等)使其耐温不低于200℃的塑料。
所述弹性压块的材质为橡胶，优选为硅橡胶；和/或
所述弹性密封圈的材质为橡胶，优选为硅橡胶。
第二、本发明还提供了利用上述翼尖挡块组件制造翼面结构的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)制作RTM成型所用的模具，包括上模和下模；
(2)在下模内表面按照设计要求铺设碳纤维材料层，例如，有孔洞的地方预留出孔洞；
(3)将所述翼尖挡块组件放置于经步骤(2)处理后的下模中；
(4)合模；
(5)注射树脂；
(5)固化；
(6)冷却并在冷却后脱模。
所述翼面结构为平直翼、梯形翼、后掠翼、三角翼、变后掠翼、前掠翼中的任一种。
以下是本发明列举的几个实施例。
实施例1
一种可释放RTM成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件，如图1所示，所述翼尖挡块组件包括：
密封于模具一端，用以接收翼面结构1因模具收缩而产生的压应力，并通过形变将压应力释放的硅橡胶压块3；和
密封于模具内，设置于翼面结构1的翼尖和所述硅橡胶压块3之间，用以将所述压应力传递给所述硅橡胶压块3的金属楔形挡块2；
其中，所述楔形挡块2的前端的部分或者全部同翼尖尾部接触，所述楔形挡块2的后端的全部同所述硅橡胶压块3的一侧面贴合，且从后端至前端，所述楔形挡块2的厚度逐渐变小。
模具冷却收缩时，已经固化成型的翼面结构1由于被密封在模具内，产生一定的压应力。此时，也被密封在模具内的翼尖挡块中的楔形挡块2的前端和所述翼面结构1中的翼尖尾部接触，并受力出现滑移，挤压与其后端紧密贴合在一起的硅橡胶压块3，从而通过硅橡胶压块3的变形将模具收缩对翼面产品展向方向的压应力释放，使翼面结构1保证理论尺寸外形，不会出现变形或分层。
实施例2
在实施例1的基础上，对翼尖挡块组件进行了如下的改进：
所述楔形挡块2上设有一个两端分别靠近所述楔形挡块2的前端和后端的椭圆形螺孔5；模具的下模4底部设有与所述椭圆形螺孔5配合的底面螺孔，供穿过所述椭圆形螺孔5的螺栓固定所述楔形挡块2和下模4。椭圆形螺孔5既可以将楔形挡块2和下模4固定在一起，以保证翼面结构1的理论外形，同时，固定后的楔形挡块2在受力后仍可以沿翼面结构1展方向移动，从楔形挡块2的后端向前端移动或从前端向后端移动。当模具收缩时，楔形挡块2从前端向后端移动，挤压弹性压块3，通过弹性压块3的形变释放压应力。
所述硅橡胶压块3上设置有多个孔洞。
所述翼尖挡块组件还包括：硅橡胶密封圈6；和
所述楔形挡块2靠近前端的区域环绕该处所述楔形挡块2设有一圈宽度为6mm的凹槽；所述硅橡胶密封圈嵌装在所述凹槽中，用以密封所述楔形挡块和模具之前的缝隙。硅橡胶密封圈6将同凹槽对应的模具内壁之间的缝隙密封，避免RTM成型过程中树脂堵住椭圆形通孔。
实施例3
同实施例2提供的翼尖挡块组件结构基本上相同，不同之处在于：
楔形挡块的材质为酚醛树脂；
凹槽的宽度为1mm。
实施例4
同实施例2提供的翼尖挡块组件结构基本上相同，不同之处在于：
楔形挡块的材质为聚四氟乙烯；
凹槽的宽度为10mm。
实施例5
实施例5提供了一种利用实施例1至实施例4提供的翼尖挡块组件制造翼面结构的方法，利用RTM工艺成型碳纤维复合材料翼面，翼展1500mm，翼根弦长400mm，翼尖弦长200mm。所用RTM树脂固化温度130℃，产品脱模温度为40℃。
具体包括如下步骤：
(1)制作RTM成型所用的模具，包括上模和下模；
(2)在下模内表面按照设计要求铺设碳纤维材料层，在下模底部相应位置预留出相应的底面螺孔；
(3)将所述翼尖挡块组件放置于经步骤(2)处理后的下模中，需要用螺栓将楔形挡块和下模进行固定的，则将螺栓依次穿过椭圆形螺孔、底面螺孔，再用螺母固定；
(4)合模；
(5)注射树脂；
(5)固化；
(7)冷却并在冷却后脱模，成型模具从130℃降温到40℃后脱模，对脱模后的翼面进行水平测量和无损检测；
(8)为了产品美观，出厂前还可对翼面进行打磨、抛光。
对比例1
对比例1所用的翼尖挡块组件和实施例2所用的翼尖挡块组件基本上相同，但存在如下差异：对比例1的翼尖挡块组件包括长方体挡块和金属压块。
利用这一翼尖挡块组件制造翼面结构的方法同实施例5基本上相同，不同之处在于：
在步骤(2)中，金属压块在压紧长方体挡块后被取出，产品注射树脂过程中该区域被RTM树脂填充。
对比例2
对比例2所用的翼尖挡块组件和实施例2所用的翼尖挡块组件基本上相同，但存在如下差异：对比例2的翼尖挡块组件包括长方体挡块和金属压块。
利用这一翼尖挡块组件制造翼面结构的方法同实施例5基本上相同，不同之处在于：
在步骤(2)中，金属压块在压紧长方体挡块后被取出，再用硅橡胶块填充金属压块的位置，但硅橡胶块同长方体挡块侧面贴合的侧面的面积小于该长方体挡块侧面的面积。产品注射树脂过程中填充的硅橡胶块周围间隙被RTM树脂填充。
实施例5制得的翼面结构以及对比例1、2制得的翼面结构尺寸、模具尺寸均相同，翼面产品成型所用纤维、铺层方向、纤维体积含量相同，翼面产品注胶所用工艺温度、固化温度、脱模温度也相同，区别在于实施例5与对比例1、2的翼尖挡块不同。
水平测量和无损检测结果见表1。
表1
Figure BDA0001487615980000091
Figure BDA0001487615980000101
从检测结果看，本发明提新型的翼尖挡块组件具有突出的技术效果,可以使模具冷却过程中楔形挡块稍微受力就能发生移动，移动时将弹性压块进行压缩，使模具收缩时翼尖挡块对翼面在展向方向的压应力得到自动释放，可以有效解决现有RTM工艺中翼面类产品RTM模具内部的翼尖挡块无法松掉，导致模具热胀冷缩压应力将翼面类产品压变形或局部分层问题。该方法实施后，翼面类产品的水平测量结果和无损检测结果均明显好转，水平测量结果和无损检测结果合格率均提高20％左右。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种可释放RTM成型碳纤维复合材料翼面模具的压应力的翼尖挡块组件，其特征在于，所述翼尖挡块组件包括：
密封于模具一端，用以接收翼面结构因模具收缩而产生的压应力，并通过形变将压应力释放的弹性压块；和
密封于模具内，设置于翼面结构的翼尖和所述弹性压块之间，用以将所述压应力传递给所述弹性压块的楔形挡块；
其中，所述楔形挡块的前端侧面同翼尖尾部接触，所述楔形挡块的后端侧面同所述弹性压块的一侧面贴合，且从后端至前端，所述楔形挡块的厚度逐渐变小；
所述楔形挡块上设有至少一个两端分别靠近所述楔形挡块的前端和后端的椭圆形螺孔；模具的下模底部设有与所述椭圆形螺孔配合的底面螺孔，供穿过所述椭圆形螺孔的螺栓固定所述楔形挡块和下模；
所述翼尖挡块组件还包括弹性密封圈；所述楔形挡块靠近前端的区域环绕该处所述楔形挡块设有一圈宽度为1～10mm的凹槽；所述弹性密封圈嵌装在所述凹槽中，用以密封所述楔形挡块和模具之前的缝隙；
所述翼尖尾部侧面的全部区域同所述楔形挡块的前端侧面接触；所述弹性压块同所述楔形挡块的后端侧面贴合的侧面的面积超出所述楔形挡块后端侧面的面积5％～20％；
所述楔形挡块的材质为金属或耐温不低于200℃的塑料；所述弹性压块的材质为橡胶；所述弹性密封圈的材质为橡胶。
2.根据权利要求1所述的翼尖挡块组件，其特征在于，所述凹槽的宽度为4～6mm。
3.根据权利要求1所述的翼尖挡块组件，其特征在于，所述弹性压块同所述楔形挡块的后端侧面贴合的侧面的面积超出所述楔形挡块后端侧面的面积10％～20％。
4.根据权利要求1所述的翼尖挡块组件，其特征在于，所述塑料选自聚苯硫醚、氯化聚醚、聚芳砜、聚醚醚酮、聚苯酯、氨基塑料、可熔的聚酰亚胺、聚四氟乙烯、环氧树脂、酚醛树脂、通过耐热改性使其耐温性能不低于200℃的塑料中的任一种。
5.根据权利要求1所述的翼尖挡块组件，其特征在于，所述弹性压块的材质为硅橡胶；和/或
所述弹性密封圈的材质为硅橡胶。
6.利用权利要求1至5任一项所述的翼尖挡块组件制造翼面结构的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)制作RTM成型所用的模具，包括上模和下模；
(2)在下模内表面按照设计要求铺设碳纤维材料层；
(3)将所述翼尖挡块组件放置于经步骤(2)处理后的下模中；
(4)合模；
(5)注射树脂；
(5)固化；
(6)冷却并在冷却后脱模。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述翼面结构为平直翼、梯形翼、后掠翼、变后掠翼、前掠翼中的任一种。
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