CN108789962A - 一种制备复合材料加筋结构的模具 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种制备复合材料加筋结构的模具,该模具包括阳模(1)、右滑块(2)、阴模(3)、芯模挡条(6)、紧固螺栓(5)、芯模(7)及左滑块(8)。其特征是:阴模(3)左右两边设置挡边(14),四角设置斜面立柱(10)与阳模四角滑道(17)配合;左滑块(8)、右滑块(2)与阴模(3)配合面呈一定角度;两滑块中间设置芯模(3),与滑块配合成型构件(4)内部型腔;阴模(3)、左滑块(8)、右滑块(2)以及芯模(3)组合构成构件(4)的成型空间;芯模(3)两端设置定位挡条(6)。若采用预浸料‑熔渗工艺制备陶瓷基复合材料(CMC)加筋构件时,可采用该模具模压成型加筋结构预制体,为成型CMC加筋结构提供毛坯件。

Description

一种制备复合材料加筋结构的模具
技术领域
本发明是一种制备复合材料加筋结构的模具,属于复合材料成型领域。
背景技术
复合加筋壁板结构的成型方法多采用热压罐成型,其过程是根据制件形状和尺寸要求将预浸料铺层,并在模具中定型封装,随后在热压罐中固化成型,制备加筋结构。也有采用模压成型的方法,复合材料加筋结构模压成型时,通过分次固化各个区域并最终共固化制备完整加筋结构构件。树脂基加筋构件成型的研究较多,而陶瓷基复合材料由于应用规模相对较小,因此对这种材料加筋结构成型方法的报道较少;国外制备陶瓷基复合材料典型件的结构较为简单,较少有加筋结构构件,国内多采用PIP或CVI工艺制备陶瓷基复合材料,因此采用碳化硅纤维预浸料成型陶瓷基复合材料加筋结构预制体的研究鲜有报道。
现阶段用于航空航天领域需求的陶瓷基复合材料构件,尤其应用于发动机的CMC构件,形状复杂,成型难度大。相比之下MI工艺的优势非常明显,不但大幅度缩短了构件的制备周期,而且有效提高了构件的密实度,使其孔隙率可降低到5%以内,美国GE公司近几年采用MI工艺制备得到性能优异的CMC构件,并成功应用于航空航天领域。采用MI工艺制备陶瓷基复合材料,需采用热压成型预制体,从现阶段国内外相关成型方案中,采用CVI或PIP工艺均采用纤维编织预制体或在磨具中先铺贴出此类性状,后采用气相沉积或先驱体浸渍的方法致密化,如专利CN 103804005 A公开采用编织预制体多次循环浸渍裂解的方法得到倒T字型截面构件;专利CN 104494166 A公开了T型加筋结构的气囊成型方法,采用热压罐成型加筋结构;专利CN 103963319 A公开了一种采用预浸料作为蒙皮,采用干纤维和树脂胶膜通过热压罐成型的方法制备了复合材料加筋壁板。采用预浸料热压成型制备加筋结构预制体并采用MI工艺制备陶瓷基复合材料加筋构件并未有相关报道。同时陶瓷基复合材料成型所用SiC纤维预浸料硬度较大,成型过程中需提供较大成形压力;成形过程中厚度方向收缩较大,故需要成型过程中需要沿厚度方向出现较大位移;且加筋结构的热压成型质量决定后续碳化/熔渗工艺的质量及构件最终使用寿命,采用阴/阳模配合热压成型无法保证加筋结构的成形压力,易出现各处受压不均,导致构件出现成型缺陷,同时也会对加筋结构的成形厚度难以控制,成型过程中模具易对预浸料产生剪切,造成加筋处纤维破坏严重。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种制备复合材料加筋结构的模具,其目的是提供一种复杂结构的复合材料构件的制备方法,并解决了碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料加筋结构的生产难题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
该种制备复合材料加筋结构的模具,其特征在于:该模具包括阳模1、右滑块2、阴模3、紧固螺栓5、芯模挡条6、芯模7及左滑块8,其中,阴模3是在一块方形或长方形的金属坯料上加工完成的,沿金属坯料的前、后向加工一个贯通的凹槽9,在凹槽9在四个角位置处形成带斜面的立柱10,每一个立柱10包括左、右朝向的横向斜面11和前、后朝向纵向斜面12两个斜面,两个斜面相交为一个斜线13,将凹槽9的左、右的侧面加工为呈斜面的挡边14,该挡边14位于前、后两个立柱10的纵向斜面12内,在左、右两个挡边14上设置左滑块8、右滑块2,左滑块8、右滑块2的外侧面与挡边14的斜面相配合,左滑块8、右滑块2的内侧面与设置在凹槽9中间的芯模7相配合形成构件4的筋板15的成型空间,芯模7的底部与凹槽9之间相配合形成构件4的主体结构16的成型空间,阳模1安装在阴模3的上方并通过四角设置的滑道与阴模3配合,阳模1的向下的压力作用在芯模7、右滑块2和左滑块8上;
另外,阴模3的前端面与芯模7的前端面、阴模3的后端面与芯模7的后端面均通过芯模挡条6进行连接,并通过紧固螺栓5将芯模挡条6固定在阴模3的端面上。
阳模1四角设置滑道17与阴模3配合,成型过程中为左滑块8、右滑块2及芯模7提供压力,驱动滑块产生位移,成型构件外形,确保成型过程中加筋构件各处受压均匀,保证构件各处成型质量;阴模3左右两边设置挡边(14),四角设置斜面立柱10,用于保证左滑块8、右滑块2在受压运动过程中的运动轨迹;右滑块2,左滑块8均为异形结构,二者与阴模3配合面呈一定角度,保证受压过程中横/纵向位移的比例关系,在热压成型过程中可以产生较大幅度位移,从而保证成型构件4的外形及尺寸;右滑块2、左滑块8中间设置芯模7,与左滑块8、右滑块2配合成型构件内部型腔,芯模7设计具有特殊性要求,以便构件成型后芯模7易于拆卸同时满足后续工艺要求;芯模7两端设置挡条4,用于保证芯模7在成型过程中的轴向位置;芯摸挡条4通过紧固螺栓5固定于阴模上。
进一步,构件4形状为平板件或圆弧件。
进一步,空模具合模时,阳模与阴模滑道相接触的行程的长度为构件厚度的2~5倍。
进一步,阴模挡边14斜面为平面或弧面。
进一步,左滑块8、右滑块2与阴模3配合面角度为20°~70°。
通过模具整体设计,保证成型过程中能够为预浸料提供较大成形压力;成型过程中筋板沿厚度方向可以出现较大收缩;保证各处受压均匀,避免构件出现成型缺陷,实现对加筋结构的成形厚度的控制,避免成型过程中模具易对预浸料产生剪切造成对加筋处纤维破坏严重。
本发明的优点和特点:
1.本发明通过模具设计实现碳化硅纤维预浸料-MI工艺制备陶瓷基复合材料加筋结构的整体成型,有利于提高构件成型质量及使用寿命;
2.本发明通过对阴模和滑块配合斜面的设计及芯模的结构设计实现构件在成型过程中各部分受力均匀,成型结束后易于拆模;
3.本发明通过对阴模及阳模之间的滑道保证成型过程中滑块、芯模及构件的相对位置,成型过程中操作方便,避免成型过程中发生变形;
4.本发明通过可拆卸式芯模挡条实现芯模定位,芯模方便拆卸有利于模具清理及预浸料铺层;
5.本发明采用SiC纤维预浸料通过模压成型制备树脂基预制体,碳化制备多孔体,熔渗制备CMC构件,有效提高CMC构件的制备效率。
附图说明
图1为本发明所述模具的装配示意图
图2为本发明所述模具的结构示意图
图3为本发明所述阴模的结构示意图
图4为本发明所述阳模的结构示意图
图5为采用本发明模具制备碳化硅纤维陶瓷基复合材料加筋结构的工艺流程图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述:
参见附图1所示,该种制备复合材料加筋结构的模具包括阳模1、右滑块2、阴模3、芯模挡条6、紧固螺栓5、芯模7及左滑块8,其中,阴模3是在一块方形或长方形的金属坯料上加工完成的,沿金属坯料的前、后向加工一个贯通的凹槽9,在凹槽9在四个角位置处形成带斜面的立柱10,每一个立柱10包括左、右朝向的横向斜面11和前、后朝向纵向斜面12两个斜面,两个斜面相交为一个斜线13,将凹槽9的左、右的侧面加工为呈斜面的挡边14,该挡边14位于前、后两个立柱10的纵向斜面12内,在左、右两个挡边14上设置左滑块8、右滑块2,左滑块8、右滑块2的外侧面与挡边14的斜面相配合,左滑块8、右滑块2的内侧面与设置在凹槽9中间的芯模7相配合形成构件4的筋板15的成型空间,芯模7的底部与凹槽9之间相配合形成构件4的主体结构16的成型空间,阳模1安装在阴模3的上方并通过四角设置的滑道与阴模3配合,阳模1的向下的压力作用在芯模7、右滑块2和左滑块8上;
另外,阴模3的前端面与芯模7的前端面、阴模3的后端面与芯模7的后端面均通过芯模挡条6进行连接,并通过紧固螺栓5将芯模挡条6固定在阴模3的端面上。
实施例1
参见附图2所示,采用上述模具制备一种陶瓷基复合材料加筋结构,成型的步骤及模具使用方法如下:
步骤一、采用45加工成型模具,其成型制件结构为平板加筋结构,加工挡边及滑块配合面角度为25~50°,加工阳模与阴模滑道配合长度为构件厚度的3倍。
步骤二、按照成型构件的尺寸要求将SiC纤维预浸料裁剪、铺贴,随后将预浸料放置于模压成型模具中,安装成型模具的左右滑块、芯模。确认各个模块的安装位置,保证安装无误后,安装芯模挡条及阳模;
步骤三、将模具放置于压机上,设置压机升温速率为2℃/min,升温至300℃,压力设置为10Mpa,保压5h;
步骤四、保压结束后,拆模取出树脂基构件,放入管式炉碳化,管式炉升温速率设置为5℃/min,升温至1400℃保温2h得到多孔体构件;
步骤五、将多孔体构件放入熔渗炉,熔渗炉温度设置为10℃/min,升温至1600℃保温1h,制备致密的CMC构件,构件密度达2.72g/cm3,孔隙率低于4%。
实施例2
采用上述模具制备另一种陶瓷基复合材料加筋结构,成型的步骤及模具使用方法如下:
步骤一、采用3Cr2Mo加工成型模具,其成型制件结构为平板加筋结构,加工挡边及滑块配合面角度为30°~50°,加工阳模与阴模滑道配合长度为构件厚度的2倍。
步骤二、按照成型构件的尺寸要求将SiC纤维预浸料裁剪、铺贴,随后将预浸料放置于模压成型模具中,安装成型模具的左右滑块、芯模。确认各个模块的安装位置,保证安装无误后,安装芯模挡条及阳模;
步骤三、将模具放置于压机上,设置压机升温速率为2℃/min,升温至350℃,压力设置为8Mpa,保压6h;
步骤四、保压结束后,拆模取出树脂基构件,放入管式炉碳化,管式炉升温速率设置为5℃/min,升温至1300℃保温5h得到多孔体构件;
步骤五、将多孔体构件放入熔渗炉,熔渗炉温度设置为10℃/min,升温至1650℃保温0.5h,制备致密的CMC构件,构件密度约为2.7g/cm3,孔隙率低于5%。
实施例3
采用上述模具制备又一种陶瓷基复合材料加筋结构,成型的步骤及模具使用方法如下:
步骤一、采用3Cr2Mo加工成型模具,其滑块、阴模及阳模成型面均加工成弧形,用于制备圆弧件加筋结构,加工挡边及滑块配合面角度为30~45°,加工阳模与阴模滑道配合长度为构件厚度的5倍。
步骤二、按照成型构件的尺寸要求将SiC纤维预浸料裁剪、铺贴,随后将预浸料放置于模压成型模具中,安装成型模具的左右滑块、芯模。确认各个模块的安装位置,保证安装无误后,安装芯模挡条及阳模;
步骤三、将模具放置于压机上,设置压机升温速率为2℃/min,升温至330℃,压力设置为10Mpa,保压3h;
步骤四、保压结束后,拆模取出树脂基构件,放入管式炉碳化,管式炉升温速率设置为5℃/min,升温至1350℃保温2h得到多孔体构件;
步骤五、随后将多孔体构件放入熔渗炉,熔渗炉温度设置为10℃/min,升温至1580℃保温1.5h,制备致密的CMC构件,得到致密的CMC构件,构件密度接近2.74g/cm3,孔隙率约为3%左右的碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料。

Claims (5)

1.一种制备复合材料加筋结构的模具,其特征在于:该模具包括阳模(1)、右滑块(2)、阴模(3)、芯模挡条(6)、紧固螺栓(5)、芯模(7)及左滑块(8),其中,阴模(3)是在一块方形或长方形的金属坯料上加工完成的,沿金属坯料的前、后向加工一个贯通的凹槽(9),在凹槽(9)在四个角位置处形成带斜面的立柱(10),每一个立柱(10)包括左、右朝向的横向斜面(11)和前、后朝向纵向斜面(12)两个斜面,两个斜面相交为一个斜线(13),将凹槽(9)的左、右的侧面加工为呈斜面的挡边(14),该挡边(14)位于前、后两个立柱(10)的纵向斜面(12)内,在左、右两个挡边(14)上设置左滑块(8)、右滑块(2),左滑块(8)、右滑块(2)的外侧面与挡边(14)的斜面相配合,左滑块(8)、右滑块(2)的内侧面与设置在凹槽(9)中间的芯模(7)相配合形成构件(4)的筋板(15)的成型空间,芯模(7)的底部与凹槽(9)之间相配合形成构件(4)的主体结构(16)的成型空间,阳模(1)安装在阴模(3)的上方并通过四角设置的滑道与阴模(3)配合,阳模(1)的向下的压力作用在芯模(7)、右滑块(2)和左滑块(8)上;
另外,阴模(3)的前端面与芯模(7)的前端面、阴模(3)的后端面与芯模(7)的后端面均通过芯模挡条(6)进行连接,并通过紧固螺栓(5)将芯模挡条(6)固定在阴模(3)的端面上。
2.根据权利要求1所述的一种制备复合材料加筋结构的模具,其特征在于:构件(4)形状为平板件或圆弧件。
3.根据权利要求1所述的一种制备复合材料加筋结构的模具,其特征在于:空模具合模时,阳模与阴模滑道相接触的行程的长度为构件厚度的2~5倍。
4.根据权利要求1所述的一种制备复合材料加筋结构的模具,其特征在于:阴模挡边(14)斜面为平面或弧面。
5.根据权利要求1所述的一种制备复合材料加筋结构的模具,其特征在于:左滑块(8)、右滑块(2)与阴模(3)配合面角度为20°~70°。
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