CN108943775A - 一种整体化制备工型纵横加筋复合材料壁板的模具 - Google Patents
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Abstract
本发明属于树脂基复合材料成型技术领域，涉及一种整体化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板的模具。本发明提出采用组合式内芯模的设计思路，将“工”型翻边没有覆盖的部位设计成可自由脱出的U型芯模，然后在U型芯模外表面通过螺栓连接经分块设计的C型成型模，采用该种芯模制备的纵横加筋壁板在脱模时，可先将U型芯模脱出，然后沿垂直于“工”型加强筋腹板方向将C型成型模按设计顺序依次取出。同时基于RTM成型工艺要求，提出了一整套适用于“工”型纵横加筋壁板的成型模具设计思路。
Description
技术领域
本发明属于树脂基复合材料成型技术领域，涉及一种整体化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板的模具。
背景技术
目前，飞机上越来越多的部位采用了复合材料，利用先进复合材料高比强度、高比刚度以及可设计性等优点减轻结构重量，提高飞机机动性或运载能力。加筋壁板类复合材料结构因其具有较好的刚度而成为复合材料机身、机翼和尾翼等构件广泛采用的结构形式。通常采用的加筋壁板按加强筋截面的不同，可分为“T”型、“J”型、“工”型和混合型加筋壁板等。
传统的成型方法是采用预浸料/热压罐工艺，分别将蒙皮和加强筋固化后，采用紧固件进行机械连接，或采用胶接的手段形成壁板结构。这种成型工艺方案是按加强筋以及蒙皮的外形分别设计模具，模具结构相对比较简单，但是加强筋和蒙皮在成型后容易变形，导致后续机械连接或胶接质量下降，且紧固件成本和装配成本高，同时紧固件或胶膜的大量应用使加筋壁板的减重效率下降。随着复合材料用量的不断扩大，变形控制、减重和降低成本的需求更显突出，因此设计部门将越来越多的飞机结构设计为整体结构。
近年来以树脂传递模塑(Resin Transfer Molding,RTM)工艺为代表的低成本、整体化制造的液体成型技术得到快速发展，RTM工艺具有闭模成型的工艺特点，制件的内外表面均由模具型面控制，因此制件的外形尺寸精度高，通过合理的铺层优化以及成型模具设计可以实现复杂结构制件的整体化制造，有效缓解制件的变形问题、提高结构减重效率、降低复合材料制件的制造及装配成本。
无论是采用传统的预浸料热/热压罐工艺还是采用RTM成型工艺整体化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板，都存在芯模无法脱出的问题。由于“工”型筋存在向左和向右的翻边，在两条或两条以上的“工”型纵横加筋壁板就会形成“井”型的半封闭结构，因此，芯模是无法正常脱出的。综合“工”型加筋复合材料壁板预制体的制备技术以及脱模的可实施性，模具内芯模设计成为制备“工”型纵横加筋复合材料壁板的关键因素。
发明内容
本发明的目的是针对纵横交错的“工”型筋内型面模具的脱出问题：提供一种整体化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板的模具，以满足纵横加筋壁板整体化制造的工艺要求。
本发明的技术解决方案是：模具各组元包括上模、下模、组合式内芯模、外芯模、纵向滑块和横向滑块，
(a)上模为阴模设计，上模侧向内型面为斜面；底部型面与蒙皮的理论型面一致，并且底部型面的长度和宽度在蒙皮理论外形的基础上进行延长；在上模的分型面上制作与下模配合的字口定位槽；
(b)下模为阴模设计，下模侧向内型面为斜面；底部型面与“工”型纵横加强筋的凸缘型面一致，在底部型面上刻出纵横交错凸缘的理论外形，并且在凸缘理论宽度的基础上进行延长；在下模的分型面上制作与上模相配合的字口定位台；在下模的分型面上设置密封槽，底部型面上制作用于固定组合式内芯模的下陷定位槽，下陷定位槽内部配有密封槽；
(c)组合式内芯模包括U型芯模和C型成型模，U型芯模内腔具有可拆装螺栓的操作空间；C型成型模外形与“工”型纵横加强筋内型面形状一致，并且C型成型模沿“工”型纵横加强筋的腹板方向分块；分块后的C型成型模通过螺栓固定在U型芯模的外表面；U型芯模的上端置于下模的底部型面的下陷定位槽中；
(d)“工”型纵横加筋壁板的外围每个“工”型加强筋的内型面中放置一个外芯模，外芯模另一个型面与“工”型纵横加筋壁板的凸缘垂直；
(e)纵向滑块和横向滑块分别置于“工”型纵横加筋复合材料壁板的外围并与外芯模配合；纵向滑块和横向滑块的外侧面上部与上模侧向内型面的角度一致，纵向滑块和横向滑块的外侧面下部与下模侧向内型面的角度一致；
合模时，先将组合式内芯模置于下模的下陷定位槽中，再将外芯模放置在“工”型纵横加筋复合材料壁板的外围，然后将纵向滑块和横向滑块放置于外芯模的外侧，将上模与下模对合，在螺栓紧固作用下，上模与下模合模间隙逐渐减小，同时纵向滑块和横向滑块在上、下模侧向内型面的作用下发生面内移动并将外芯模置于理论位置。
所述的模具各组元采用45#钢、P20钢或其组合体进行加工制造。
所述的上模侧向内型面的斜度为15°～20°，底部型面的长度和宽度在蒙皮理论外形的基础上各延长10mm～20mm；字口定位槽的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～ 80mm、深度为10mm～30mm、斜度控制在5°～20°之间。
所述的下模侧向内型面的斜度为15°～20°，底部型面上刻出纵横交错凸缘的外形轮廓，并且在凸缘理论宽度的基础上延长10mm～20mm；字口定位台的长度为30mm～ 80mm、宽度为30mm～80mm、高度为10mm～30mm、斜度控制在5°～20°之间；密封槽的宽度为4mm～5mm、深度为5mm～6mm；下陷定位槽的深度为5mm～10mm，同时密封槽的宽度为4mm～5mm、深度为5mm～6mm。
所述的组合式内芯模的U型芯模壁厚为20mm～50mm；C型成型模可分成4块～ 16块。
本发明具有的优点和有益效果，本发明提出采用组合式内芯模的设计思路，将“工”型翻边没有覆盖的部位设计成可自由脱出的U型芯模，然后在U型芯模外表面通过螺栓连接经分块设计的C型成型模，采用该种芯模制备的纵横加筋壁板在脱模时，可先将 U型芯模脱出，然后沿垂直于“工”型加强筋腹板方向将C型成型模按设计顺序依次取出。同时基于RTM成型工艺要求，提出了一整套适用于“工”型纵横加筋壁板的成型模具设计思路。本发明组合式的内芯模设计，成功地解决了“工”型纵横加筋壁板的脱模问题。采用本发明制备的“工”型纵横加筋复合材料壁板尺寸精度高、内外表面质量优良，且加强筋与蒙皮一次固化整体成型，有效降低了复合材料的制造成本，同时也避免了因二次胶接或机械连接引起的制件变形问题。
附图说明
图1本发明“工”型纵横加筋壁板结构示意图；
图2本发明“工”型纵横加筋壁板模具示意图；
图3本发明上模1结构示意图；
图4本发明下模2结构示意图；
图5本发明组合式内芯模3结构示意图；
图6本发明外芯模4结构示意图；
图7本发明纵向滑块5、横向滑块6结构示意图；
图8本发明“工”型四纵四横加筋壁板结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。以附图1所示典型结构为例，该结构由两纵两横“工”型加强筋构成的蒙皮壁板加筋结构，其中7为蒙皮，8为“工”型加强筋的腹板，9为“工”型加强筋的凸缘。蒙皮7根据设计要求可采用预浸料或者干态预定型织物或者二者的组合体进行铺覆，“工”型加强筋根据设计要求可采用干态预定型织物进行铺覆，完成合模后通过RTM工艺进行整化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板。本发明的成型模具包括上模1、下模2、组合式内芯模3(由U型芯模3-1和C型成型模3-2组成)、外芯模4、纵向滑块5和横向滑块6，如图2所示，图2为整体模具沿横向的剖面图，在图2中未体现横向滑块6的截面，如果沿纵向剖切，横向滑块6的截面与纵向滑块5的截面是一致的。
上模1为阴模设计，如图3所示，上模1侧向内型面为斜面，该斜面与纵向滑块5 以及横向滑块6的上半部分配合，提供沿面内滑移的驱动力；底部型面的长度和宽度在蒙皮理论外形的基础上进行延长，目的是预留出蒙皮的加工工艺余量；在上、下模对合时，字口定位槽1-1可以起到精确定位的作用；
(b)下模2为阴模设计，如图4所示，下模2侧向内型面为斜面，该斜面与纵向滑块5以及横向滑块6的下半部分配合，提供沿面内滑移的驱动力；底部型面上刻出纵横交错凸缘的理论外形，并且在凸缘理论宽度的基础上进行延长，目的是预留出凸缘的加工工艺余量；在下模2分型面处设置了可与字口定位槽1-1配合的字口定位台2-1；RTM 工艺实施的过程中，要求模具内部应处于密封状态，因此在下模2的分型面上设置密封槽2-2，其内部填充柔性橡胶密封条；在底部型面上制作的下陷定位槽2-3，主要是用来定位组合式内芯模，实现单个或多个组合式内芯模相对位置的固定，下陷定位槽2-3内部配有密封槽2-4主要是防止树脂注射时渗入U型芯模3-1中；
(c)组合式内芯模3包括U型芯模3-1和C型成型模3-2，如图5所示，U型芯模 3-1内腔具有可拆装螺栓的操作空间，主要用于组合内芯模的组装以及拆卸；C型成型模3-2需沿“工”型纵横加强筋的腹板方向分块，分块的目的是在脱模时C型成型模3-2 可以按设计顺序在垂直于腹板方向外力作用下，逐步从封闭腔体内移出；
(d)外芯模4主要用于成型“工”型纵横加筋壁板外围每个“工”型加强筋的内型面，并且外芯模4另一个型面与“工”型纵横加筋壁板的凸缘垂直，如图6所示；
(e)纵向滑块5和横向滑块6，如图7所示，分别置于“工”型纵横加筋复合材料壁板的外围并与外芯模4配合；纵向滑块5和横向滑块6的外侧面上部与上模1侧向内型面的角度一致，纵向滑块5和横向滑块6的外侧面下部与下模2侧向内型面的角度一致；
“工”型纵横加筋复合材料壁板的制备过程如下：
(1)在下模2凸缘定位线内按设计铺层铺覆纵横交错的凸缘，完成铺覆后对凸缘预制体进行真空预定型；
(2)通过螺栓将U型芯模3-1和C型成型模3-2连接成组合式内芯模3，在C型成型模3-2的外置按设计铺层铺覆C型预制体，并对预制体进行真空预定型；
(3)将组合式内芯模3置于下模2的下陷定位槽2-3中，对下模2与组合式内芯模 3进行真空预定型，使组合式内芯模3在下陷定位槽内完成精确定位；
(4)按设计铺层在外芯模4上铺覆干态预定型织物，并进行真空预定型，然后将外芯模4置于内芯模3的外围，按设计铺层在内芯模3和外芯模4的上表面铺覆蒙皮，并进行真空预定型；
(5)将纵向滑块5和横向滑块6放置于外芯模4的外侧，将上模1与下模2对合，在螺栓紧固作用下，上模1与下模2合模间隙逐渐减小，同时纵向滑块5和横向滑块6 在上、下模侧向内型面的作用下发生面内移动并将外芯模4置于理论位置；
(6)采用RTM成型工艺，通过向模具内注入低黏度液体成型树脂，树脂流动并浸浸润干态纤维预定型织物，在热的作用下，完成复合材料的固化；
(7)“工”型纵横加筋复合材料壁板在脱模时，将模具反向放置，即下模2朝上，去掉上、下模的连接螺栓，然后移走下模2，去掉U型芯模3-1与C型成型模3-2连接的螺栓，取出U型芯模3-1，沿垂直于腹板的方向取出分块的C型成型模3-2，移走纵向滑块5和横向滑块6，沿垂直于腹板的方向取出外芯模4，进而完成了“工”型纵横加筋复合材料壁板的脱模。
具体实施例一
典型结构如图1所示，由两纵两横“工”型加强筋构成的蒙皮壁板加筋结构，外型尺寸为450mm×400mm×150mm(长×宽×高)，其中“工”型加强筋凸缘宽度为60mm，蒙皮和“工”型加强筋均采用干态预定型织物制备，然后通过RTM工艺注入低黏度树脂，最后固化成型。我们采用了本发明的解决方案，模具所有组元均采用P20钢制造。
上模1为阴模设计，上模1侧向内型面的斜度为15°；底部型面设计成平面，底部型面的长度和宽度在蒙皮理论外形的基础上各延长10mm；字口定位槽1-1的长度为 40mm、宽度为50mm、深度为10mm、斜度为10°；
下模2为阴模设计，下模2侧向内型面的斜度为15°，底部型面上刻出纵横交错凸缘的外形轮廓，并且在凸缘理论宽度的基础上单边延长10mm；字口定位台2-1的长度为40mm、宽度为50mm、高度为10mm、斜度为10°；密封槽2-1的宽度为4.5mm、深度为5.5mm；下陷定位槽2-3的深度为10mm，同时密封槽2-4的宽度为4.5mm、深度为5.5mm；
组合式内芯模3包括U型芯模3-1和C型成型模3-2，U型芯模3-1内腔直径为 160mm，壁厚为40mm；C型成型模3-2分成8块；
“工”型纵横加筋壁板的外围每个“工”型加强筋的内型面中放置一个外芯模4，外芯模4另一个型面与“工”型纵横加筋壁板的凸缘垂直；
纵向滑块5和横向滑块6分别置于“工”型纵横加筋复合材料壁板的外围并与外芯模 4配合；纵向滑块5和横向滑块6的外侧面上部的斜面角度为15°，纵向滑块5和横向滑块6的外侧面下部的斜面角度为15°；
合模时，先将组合式内芯模3置于下模2的下陷定位槽2-3中，再将外芯模4放置在“工”型纵横加筋复合材料壁板的外围，然后将纵向滑块5和横向滑块6放置于外芯模 4的外侧，将上模1与下模2对合，在螺栓紧固作用下，上模1与下模2合模间隙逐渐减小，同时纵向滑块5和横向滑块6在上、下模侧向内型面的作用下发生面内移动并将外芯模4置于理论位置。
具体实施例二
“工”型四纵四横加强筋复合材料壁板如图8所示，外型尺寸为2300mm×1200mm ×150mm(长×宽×高)，其中“工”型加强筋凸缘宽度为80mm，蒙皮采用预浸料制备，“工”型加强筋采用干态预定型织物制备，然后通过RTM工艺注入低黏度树脂，最后固化成型。我们采用了本发明的解决方案，出于模具成本的考虑，组合式内芯模3 以及外芯模4采用P20钢制造，模具的其余部分采用45#钢制造。
上模1为阴模设计，上模1侧向内型面的斜度为20°；底部型面与蒙皮的理论型面一致，底部型面的长度和宽度在蒙皮理论外形的基础上各延长20mm；字口定位槽1-1 的长度为50mm、宽度为60mm、深度为20mm、斜度为15°；
下模2为阴模设计，下模2侧向内型面的斜度为20°，底部型面上刻出纵横交错凸缘的外形轮廓，并且在凸缘理论宽度的基础上单边延长15mm；字口定位台2-1的长度为50mm、宽度为60mm、高度为20mm、斜度为15°；密封槽2-1的宽度为4.5mm、深度为5.5mm；下陷定位槽2-3的深度为10mm，同时密封槽2-4的宽度为4.5mm、深度为5.5mm；
组合式内芯模3包括U型芯模3-1和C型成型模3-2，U型芯模3-1壁厚为50mm； C型成型模3-2分成8块；
“工”型纵横加筋壁板的外围每个“工”型加强筋的内型面中放置一个外芯模4，外芯模4另一个型面与“工”型纵横加筋壁板的凸缘垂直；
纵向滑块5和横向滑块6分别置于“工”型纵横加筋复合材料壁板的外围并与外芯模 4配合；纵向滑块5和横向滑块6的外侧面上部的斜面角度为20°，纵向滑块5和横向滑块6的外侧面下部的斜面角度为20°；
合模时，先将组合式内芯模3置于下模2的下陷定位槽2-3中，再将外芯模4放置在“工”型纵横加筋复合材料壁板的外围，然后将纵向滑块5和横向滑块6放置于外芯模 4的外侧，将上模1与下模2对合，在螺栓紧固作用下，上模1与下模2合模间隙逐渐减小，同时纵向滑块5和横向滑块6在上、下模侧向内型面的作用下发生面内移动并将外芯模4置于理论位置。
Claims (5)
1.一种整体化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板的模具，模具各组元包括上模(1)、下模(2)、组合式内芯模(3)、外芯模(4)、纵向滑块(5)和横向滑块(6)，其特征在于：
(a)上模(1)为阴模设计，上模(1)侧向内型面为斜面；底部型面与蒙皮的理论型面一致，并且底部型面的长度和宽度在蒙皮理论外形的基础上进行延长；在上模(1)的分型面上制作与下模(2)配合的字口定位槽(1-1)；
(b)下模(2)为阴模设计，下模(2)侧向内型面为斜面；底部型面与“工”型纵横加强筋的凸缘型面一致，在底部型面上刻出纵横交错凸缘的理论外形，并且在凸缘理论宽度的基础上进行延长；在下模(2)的分型面上制作与上模(1)相配合的字口定位台(2-1)；在下模(2)的分型面上设置密封槽(2-2)，底部型面上制作用于固定组合式内芯模(3)的下陷定位槽(2-3)，下陷定位槽(2-3)内部配有密封槽(2-4)；
(c)组合式内芯模(3)包括U型芯模(3-1)和C型成型模(3-2)，U型芯模(3-1)内腔具有可拆装螺栓的操作空间；C型成型模(3-2)外形与“工”型纵横加强筋内型面形状一致，并且C型成型模(3-2)沿“工”型纵横加强筋的腹板方向分块；分块后的C型成型模(3-2)通过螺栓固定在U型芯模(3-1)的外表面；U型芯模(3-1)的上端置于下模(2)的底部型面的下陷定位槽(2-3)中；
(d)“工”型纵横加筋壁板的外围每个“工”型加强筋的内型面中放置一个外芯模(4)，外芯模(4)另一个型面与“工”型纵横加筋壁板的凸缘垂直；
(e)纵向滑块(5)和横向滑块(6)分别置于“工”型纵横加筋复合材料壁板的外围并与外芯模(4)配合；纵向滑块(5)和横向滑块(6)的外侧面上部与上模(1)侧向内型面的角度一致，纵向滑块(5)和横向滑块(6)的外侧面下部与下模(2)侧向内型面的角度一致；
合模时，先将组合式内芯模(3)置于下模(2)的下陷定位槽(2-3)中，再将外芯模(4)放置在“工”型纵横加筋复合材料壁板的外围，然后将纵向滑块(5)和横向滑块(6)放置于外芯模(4)的外侧，将上模(1)与下模(2)对合，在螺栓紧固作用下，上模(1)与下模(2)合模间隙逐渐减小，同时纵向滑块(5)和横向滑块(6)在上、下模侧向内型面的作用下发生面内移动并将外芯模(4)置于理论位置。
2.根据权利要求l所述的一种整体化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的模具各组元采用45#钢、P20钢或其组合体进行加工制造。
3.根据权利要求l所述的一种整体化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的上模(1)侧向内型面的斜度为15°～20°，底部型面的长度和宽度在蒙皮理论外形的基础上各延长10mm～20mm；字口定位槽(1-1)的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、深度为10mm～30mm、斜度控制在5°～20°之间。
4.根据权利要求l所述的一种整体化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的下模(2)侧向内型面的斜度为15°～20°，底部型面上刻出纵横交错凸缘的外形轮廓，并且在凸缘理论宽度的基础上延长10mm～20mm；字口定位台(2-1)的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、高度为10mm～30mm、斜度控制在5°～20°之间；密封槽(2-1)的宽度为4mm～5mm、深度为5mm～6mm；下陷定位槽(2-3)的深度为5mm～10mm，同时密封槽(2-4)的宽度为4mm～5mm、深度为5mm～6mm。
5.根据权利要求l所述的一种整体化制备“工”型纵横加筋复合材料壁板的模具，其特征在于：所述的组合式内芯模(3)的U型芯模(3-1)壁厚为20mm～50mm；C型成型模(3-2)可分成4块～16块。
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