CN108274767A - 一种条型复合材料预成型体的缝制模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种条型复合材料预成型体的缝制模具及方法，属于复合材料预成型体的制备领域。该方法包括以下步骤：首先，裁剪纤维布并叠层；第二，初步固定各层纤维布的相对位置；第三，将芯模拼块连接在一起，以倒U型的形式放置；第四，将纤维布置于芯模之上；第五，将底模拼块连接在一起，盖在纤维布上并固定；第六，将左右两侧模块全部连接到芯模与底模上，合模完成；第七，将该位置对应的芯模、底模及侧模拼块卸下，进行缝合，待缝完该位置后，再将对应位置的模块安装；第八，重复第七步直至全部缝合完成。本发明保证了预成型体较高的尺寸精度和尺寸稳定性，同时具有较高的纤维体积含量，最终的复合材料制品具有优异的力学性能。

Description

一种条型复合材料预成型体的缝制模具及方法

技术领域

本发明涉及条型复合材料预成型体的制造领域，具体涉及一种具有U型截面的条型复合材料预成型体的缝制方法。该预成型体主要用于对力学性能和尺寸精度要求比较高的碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料或树脂基复合材料等。

背景技术

传统二维层合复合材料各层之间没有纤维增强，只是靠基体树脂起着粘结和传递载荷的作用，因此垂直于铺层方向以及铺层之间的性能相对较弱。当受到外部载荷作用时，层合复合材料往往首先产生层间破坏，较低的层间强度将导致较差的抗损伤性能。为了改善层合复合材料的这些缺点，出现了很多提高复合材料层间韧性的技术。缝合技术是在铺层完成的纤维布上使用纤维束进行Z向的缝合。这种方法由于成本较低，增韧效果较好，受到学术界和工业界的广泛关注。

条型复合材料广泛地应用于航空航天用结构件中，例如：机翼加强筋、飞行器蒙皮或各种梁式构件等。现有的具有U型截面的条型复合材料预成型体的缝制方法为：首先缝制出平板型预成型体；然后，将其置于模具中加压，强迫其产生形变，从而形成U型截面形状。但是，这种方法导致了大部分面内纤维发生了屈曲变形、弯折甚至断裂，严重降低了最终复合材料制件的力学性能，预成型体尺寸稳定性差，难以保证较高的尺寸精度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出一种条型预成型体的缝制模具及方法，该缝制模具及方法在缝制过程中预成型体一直保持U型的截面形状，面内纤维始终为顺直状态，缝制完成后的预成型体平整无褶皱，从而保持了复合材料制件较高的力学性能。同时，本发明能够保证条型预成型体在缝合过程中具有较高的尺寸精度和尺寸稳定性，用本发明方法缝制的条型预成型体还具有较高的纤维体积含量，其复合材料具有优异的力学性能。

为达到上述目的，本发明揭示一种条型复合材料预成型体的缝制模具与方法，本发明中的缝制模具具有如下特征：1.在预成型体截面方向上，模具由芯模、底模、左侧模及右侧模四部分组成，这四部分模具所围成的内部空间为模具的型腔；2.在预成型体长度方向上，模具由可拆卸的若干组拼块组成，每组拼块沿预成型体截面方向均包含芯模、底模、左侧模及右侧模拼块，拼块长度均在30mm至200mm之间；3.模具的所有芯模拼块和底模拼块能在相对应的芯模架和底模架上组合成完整的芯模和底模；4.在缝合的过程中每组拼块均能独立拆卸及安装。

一种条型复合材料预成型体的缝制方法如下：

首先，按照预成型体的尺寸裁剪纤维布，并按照设计的铺层角度及顺序叠放在一起；

第二，在平铺叠放的纤维布对应U型截面中心位置处沿长度方向进行1至3行的缝合，从而初步固定各层纤维布的相对位置；

第三，将芯模拼块连接在一起，以倒U型的形式放置；

第四，将缝合固定的纤维布置于芯模之上；

第五，将底模拼块连接在一起，型面对正，盖在纤维布上并固定；

第六，将左右两侧模块全部连接到芯模与底模上，合模完成；

第七，对合模完成的预成型体进行缝合，缝合到某一位置时，将该位置对应的芯模、底模及侧模拼块卸下，待缝合完该位置后，再将对应的模块安装；

第八，重复第七步直至预成型体全部缝合完成。

本发明所述模具拼块之间及其与模具架之间的定位技术为现有技术，在本说明书中不作详细介绍。

本发明所述预成型体的纤维可以为石英纤维、碳纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯等。

本发明所述模具拼块材质可以是铝合金、木质材料、电木、尼龙或聚氯乙烯塑料等。

本发明所述的条型预成型体在缝合的过程中，除缝合区域外，其他部位均被模具夹持固定，使得未缝合部位不会在缝合应力的作用下发生变形，缝合区域在缝合完成后立即重新使用模具夹持，能够及时矫正缝合应力作用下产生的小变形，从而保证了预成型体在缝制过程中保持较高的尺寸精度和尺寸稳定性。由于条型预成型体在缝制过程中大部分区域都被模具夹持，可以使叠层纤维布具有较高的紧密度，从而利用本发明方法缝制的条型预成型体具有较高的纤维体积含量(50％以上)。

附图说明

图1是本发明实施例中预缝合的碳纤维复合材料预成型体示意图；

图2是本发明实施例中预成型体的缝制用模具示意图；

图3是本发明实施例中预成型体的缝制用模具截面的示意图；

图4是本发明实施例中在铺好的碳纤维布长度方向中心缝合两行的示意图；

图5是本发明实施例中将所有芯模拼块用螺栓固定在芯模架上的示意图；

图6是本发明实施例中经缝合固定的纤维布覆盖在芯模上的示意图；

图7是本发明实施例中将所有底模拼块用螺栓固定在底模架上的示意图；

图8是本发明实施例中将底模倒扣在覆盖在芯模上的碳纤维布上的示意图；

图9是本发明实施例中将合模的模具以正U型状态置于支撑架上并去除芯模架后的示意图；

图10是本发明实施例中缝合时去除一组模具拼块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施案例。

本实施例最终成型的制件为U型碳纤维复合材料预成型体100，预成型体长为780mm，厚度为10mm，如图1所示，铺层角度为[0°，90°]。

预成型体100的缝合用模具200，见图2所示。在预成型截面方向上，模具200由芯模201，底模202，左侧模203及右侧模204组成，模具的截面图如图3所示。在模具的长度方向上芯模201、底模202、左侧模203及右侧模204均由15个拼块组成，每个拼块长为60mm(预成型体的长度为780mm，中间13个拼块所对应的部分是实际需要缝合的预成型体，最两端的两组拼块作为夹持模块使用)。芯模拼块201通过螺栓207固定在芯模架205上，底模202通过螺栓208固定在底模架206上，左侧模203和右侧模204分别通过螺栓209与芯模201和底模202紧固，芯模架205和底模架206通过螺栓210紧固，如图2所示。

该预成型体100缝制的具体步骤如下所述：

首先，根据设计要求裁剪碳纤维布110，在案台上按[0°，90°]角度进行平铺碳纤维布三十层(所选用碳纤维布为0.33mm/层，30层为10mm)，沿着铺设好的碳纤维布长度方向的中心线缝合两行，用以将叠放在一起的碳纤维布110固定起来，如图4所示

第二，将所有芯模拼块201用螺栓207固定在芯模架205上，并以倒U形态放置，如图5所示。

第三，将步骤二中固定好的碳纤维布110覆盖到步骤三中以倒U形态放置的芯模201上。并对齐中心线，如图6所示。对于局部较长的纤维布可作适当修剪。

第四，将所有底模拼块202用螺栓208固定在底模架206上，如图7所示。并将固定在底模架上的芯模紧扣在步骤四中覆盖在芯模201上的碳纤维布110上，对齐中心线并用螺栓210固定芯模架205与底模架206，如图8所示。

第五，用螺栓209将所有左侧模拼块203和右侧模拼块204固定在芯模201及底模202上，并将合模完成的模具架及模具以正U型形态放置在支撑架220上，并将芯模架205去除，如图9所示。

第六，去除第二组拼块，包括芯模、相应的左侧模、右侧模及底模，对显露出来的碳纤维布通过机械手臂进行缝合，如图10所示。第二组模具拼块位置缝合完成以后，将第二组模具拼块重新安装。

第七，卸下第三组模具拼块进行缝合，如此直至第十四组拼块缝合完成。若缝合空间较小，也可卸下相邻两组模具拼块进行缝合，但卸下的模具拼块越多，缝合的织物越易变形。

第八，缝合完成后去除所有模具拼块，得到最终的预成型体100。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对权利要求保护范围的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明技术方案进行的非本质修改或者等同替换，并不能脱离本发明技术方案的实质，且均应在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种条型复合材料预成型体的缝制模具，其特征在于：该模具包含以下特征：首先，在预成型体截面方向上，模具由芯模、底模、左侧模及右侧模四部分组成，这四部分模具所围成的内部空间为模具的型腔；第二，在预成型体长度方向上，模具由可拆卸的若干组拼块组成，每组拼块沿预成型体截面方向均包含芯模、底模、左侧模及右侧模拼块，拼块长度均在30mm至200mm之间；第三，模具的所有芯模拼块和底模拼块能在相对应的芯模架和底模架上组合成完整的芯模和底模；第四，在缝合的过程中每组拼块均能独立拆卸及安装。

2.一种条型复合材料预成型体的缝制方法，其特征在于：该缝制方法包含以下步骤：首先，按照预成型体的尺寸裁剪纤维布，并按照设计的铺层角度及顺序叠放在一起；第二，在平铺叠放的纤维布对应U型截面中心位置处沿长度方向进行1至3行的缝合，从而初步固定各层纤维布的相对位置；第三，将芯模拼块连接在一起，以倒U型的形式放置；第四，将缝合固定的纤维布置于芯模之上；第五，将底模拼块连接在一起，型面对正，盖在纤维布上并固定；第六，将左右两侧模块全部连接到芯模与底模上，合模完成；第七，对合模完成的预成型体进行缝合，缝合到某一位置时，将该位置对应的芯模、底模及侧模拼块卸下，待缝合完该位置后，再将对应的模块安装；第八，重复第七步直至预成型体全部缝合完成。