CN109466088A - 一种织物预浸料复合材料圆筒的模具及模压成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种织物预浸料复合材料圆筒的模具及模压成型方法，模具包括阳模、下模、上模和阴模，阳模的底部圆柱和顶部圆柱分别插在下模和上模的内孔中；下模和上模互为对称结构；阴模为分多块具有相同结构组成的圆筒形阴模结构，阴模内型面与阳模中间的圆柱外型面、脱模环的上型面和法兰端面压环下型面构成的空间形成制作制件的型腔。本发明采用热压机和专用模具完成制件制备，避免了缠绕机、烘箱或热压罐等设备投入，在提高产品性能稳定性的同时，降低了产品制造成本，实现织物预浸料复合材料圆筒低成本、大批量制造，特别对某些高温或高载荷成型的复合材料圆筒制件，提供了一种简单有效的制造途径。

Description

一种织物预浸料复合材料圆筒的模具及模压成型方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料圆筒成型方法，特别涉及一种织物预浸料模压成型复合材料圆筒方法。

背景技术

圆筒结构是复合材料应用最广泛的结构之一，带法兰圆筒制件通常用于连接其它部件，例如火箭的复合裙、仓段等结构。相比铝合金、钛合金等金属材料，复合材料圆筒制件具有明显的减重及和复合材料部件匹配性好的优点，将逐步代替金属材料成为复合材料部件连接结构的主要方向。

目前通常采用连续纤维缠绕、RTM和热/液压罐工艺成型复合材料筒形构件。连续纤维缠绕成型是通过缠绕机将纤维纱束缠绕在芯轴上，通过烘箱固化成型的方法，该方法的优点主要在于复合材料纤维缠绕角度灵活可设计，一般用于大长径比形制件的制备。RTM成型方法是将纤维织物铺放在模具型腔中，通过注射机在型腔中冲入树脂基体，采用烘箱固化，该方法具有工艺简单的特点。热/液压罐是通过将织物预浸料铺放在模具上，通过热压罐或液压罐加压固化成型，一般用于制备小长径比筒形制件。但是，连续纤维缠绕和热/液压罐热压工艺生产成本较高、对设备条件要求高、投入大；RTM工艺制品纤维含量低、比模量和比强度相对较差。而当前热压机模压成型复合材料技术，仅实现轴向施压，因此主要用于制备平面板材和无纤维取向制品。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种织物预浸料复合材料圆筒的模具,以解决实现含法兰结构的织物预浸料复合材料圆筒低成本制造的问题。

为解决存在的技术问题，本发明采用的技术方案为：一种织物预浸料复合材料圆筒的模具，包括阳模、下模、上模和阴模，

所述阳模为阶梯圆柱结构，阳模中间的圆柱型面与制件的内圆柱面相对应，阳模中间的圆柱型面的上阶梯面安装有脱模环；脱模环由阳模圆柱结构定位，脱模环的上型面与制件的上部内端面相对应，脱模环上部安装法兰端面压环；法兰端面压环位置由阳模顶部圆柱定位，阳模顶部圆柱型面对齐插入在法兰端面压环的内孔中，法兰端面压环下型面与制件的法兰外端面相对应，用于成型制件的法兰外端面，法兰端面压环的外径与制件的外径相同；阳模的底部圆柱和顶部圆柱分别插在下模和上模的内孔中；

所述下模和上模互为对称结构，下模和上模的中间开设有内孔，下模和上模的圆周边设置有内向斜面的滑轨，滑轨上开设有限位槽，下模和上模通过中间的内孔分别安装在在阳模的底部圆柱和顶部圆柱上，并由阳模的底部圆柱和顶部圆柱定位；

所述阴模为分多块具有相同结构组成的圆筒形阴模结构，每块阴模的上端面和下端面分别设置有与下模和上模的滑轨相对应的阴模滑轨，并在阴模滑轨上与下模和上模的限位槽对应位置设置有限位轨；阴模安装在下模和上模之间，阴模的阴模滑轨分别与下模和上模的滑轨接触配合，限位轨分别与下模和上模的限位槽配合，下模和上模挤压阴模时，阴模滑轨在滑轨的斜面上滑动实现对阴模的环向压力的加载；组成圆筒形的阴模内型面与阳模中间的圆柱外型面、脱模环的上型面和法兰端面压环下型面构成的空间形成制作制件的型腔。

一般，为了解决固化过程流胶粘接斜面滑轨的问题，本发明所述阳模中间的圆柱型面的底部还设置有溢胶孔和流胶槽。

特别地，为了方便制件的拔出脱模，本发明所述脱模环上还设置有脱模螺孔。

一般，可根据模压工艺需求将阴模分成块以上的阴模，本发明所述阴模为优选分四块阴模。

一种织物预浸料复合材料圆筒的模压成型方法，其成型步骤为：

（1）裁布

根据制件性能指标要求，选择合适的织物预浸料，根据制件尺寸及织物成型厚度确定铺层数；

（2）铺放

铺放前，先根据织物预浸料使用温度要求，将芯模进行预热，然后再把裁剪好的预浸料按铺层设计有序铺放在阳模上；

（3）闭模

待织物铺放完成后，将阴模和上模组装闭模，完成模具组装；

（4）固化

将模具安装到热压机上，然后按照固化工艺进行固化；

（5）脱模及制孔

脱模时先将上模、法兰端面压环和阴模依次取下，再将脱模环和制件拔出，再将两者分离，然后可对圆筒法兰划线，加工法兰孔。

特别地，本发明所述固化时，加热前，优选给予不超过0.5MPa的预压压力，待预浸料完全软化后再加载至设计压力。

本发明解决了热压机模压成型复合材料轴向和环向同步压缩的问题。含法兰复合材料圆筒为小长径比制件，由纤维织物预浸料成型。纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。织物结构包括无纬布、平纹布、缎纹布等。预浸料树脂基体包括环氧树脂、酚醛树脂、苯并噁嗪树脂、双马来酰亚胺树脂等。

本发明的下模、上模及阴模采用斜面滑轨的方式实现了环向压力的加载。在下模、上模及阴模上设计定位槽，解决了阴模侧滑的问题。在阳模上设计流胶槽和溢胶孔，解决了固化过程流胶粘接斜面滑轨的问题。通过阳模、阴模和法兰端面压环成型内、外径，实现了圆筒厚度定位。

有益效果：

本发明通过模具和简单的热压系统，解决了热压机模压成型复合材料轴向和环向同步压缩的问题，实现含法兰结构的织物预浸料复合材料圆筒低成本、大批量制造。采用热压机和专用模具完成制件制备，避免了缠绕机、烘箱或热压罐等设备投入，降低了产品制造成本，特别对某些高温或高载荷成型的复合材料圆筒制件，提供了可行有效的制造途径。

附图说明

图1 法兰圆筒制件俯视图；

图2法兰圆筒制件侧视剖面图；

图3阳模示意图，图中包括：阳模1，脱模环3，溢胶孔5，流胶槽6；

图4脱模环，图中包括螺栓连接孔14，脱模螺孔15；

图5脱模环剖面图，图中包括螺栓连接孔14；

图6阳模铺放位置示意图，图中包括：制件2，下模4；

图7阴模正视图，图中包括阴模滑轨16，限位轨17；

图8阴模俯视图；

图9上模示意图，图中包括：滑轨7，限位槽8；

图10下模示意图；

图11模具正视图；

图12模具效果图；

图13模具剖面结构示意图，图中包括：上模9，阴模10，法兰端面压环11，脱模环3，阳模1，型腔12，下模4，紧固螺栓13。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细的说明。

本实施例的法兰圆筒制件2，如附图1和2所示，制件2的主体为圆筒形，制件2上端面向中心延伸呈圆环，圆环上均布多个法兰孔。

如图13所示，所采用的模具主要分为上模9，4个阴模10，法兰端面压环11，脱模环3，阳模1，型腔12，下模4组成。其中，脱模环3与阳模1配合使用，脱模环3由阳模1圆柱结构定位，如图3所示，两者之间利用紧固螺栓13进行连接，脱模环3与阳模1共同用于成型制件内型面，脱模环3脱模螺孔15，如图4和5所示，用于制件的拔出脱模；下模4与阳模1配合使用，使用时需将阳模1底部圆柱插入下模4的内孔，如图6所示，下模4由阳模1底部圆柱定位；法兰端面压环11用于成型法兰外端面，其位置由阳模1顶部圆柱定位，在完成制件预浸料铺放工艺后进行安装，安装时需将法兰端面压环11的内孔与阳模1顶部圆柱型面对齐插入；阴模10如附图7和8所示，四块阴模10共同组成阴模结构，待完成法兰端面压环11的安装后，将四个阴模10分别与下模4配合组装，阴模的阴模滑轨16与下模的滑轨7接触配合，限位轨17与限位槽8配合，上模9和下模4如附图9和10所示；待完成阴模组装后，开始安装上模，上模9与下模4结构相同，上模9的位置由阳模1、阴模的限位轨17和阴模滑轨16共同决定，安装时上模4内孔与阳模1顶部的圆柱结构对齐，上模的滑轨7与滑轨16接触配合，限位槽8与限位轨17接触配合安装，模具如附图11和12所示。

模压过程中上模9向下运动，压迫法兰端面压环11向下运动，同时上模9承载部分压力通过滑轨7传递到阴模10，迫使其延滑轨7和限位槽8滑动，最终完成合模。

所用材料纤维织物预浸料，所用设备为热压机。具体模压成型方法如下：

（1）裁布，按设计尺寸要求剪裁纤维织物预浸料。

根据制件性能指标要求，选择合适的织物预浸料，根据制件尺寸及织物成型厚度确定铺层数。为充分发挥材料性能，可通过计算机有限元分析的方法优化铺层设计方案。通过裁布机或人工的方法将织物预浸料裁剪至设计尺寸。

（2）铺放，将裁剪好的预浸料有序铺放在阳模型腔。

铺放前，先根据织物预浸料使用温度要求，将芯模进行预热，然后再把裁剪好的预浸料按铺层设计有序铺放在阳模上，如图2所示。在铺放预浸料时，相邻层次的织物对接缝隙要错搭，以减小缺陷深度。完成单层或数层织物预浸料铺贴后，可采用压辊碾压或纤维缠绕的方法使织物层间密实。

（3）闭模，将阴模和上模组装闭模。

待织物铺放完成后，完成模具组装，安装好的模具效果如图12所示。

（4）固化

将模具吊装到热压机上，然后按照设计的固化工艺进行固化。加热前，可给予适当的预压压力，一般不超过0.5MPa，待预浸料完全软化后再加载至设计压力。

（5）脱模及制孔。

脱模时先将上模、法兰端面压环和阴模依次取下，用螺栓或吊装的方法将脱模环和制件拔出，再将两者分离即可。然后可对圆筒法兰划线，加工法兰孔。

本发明已经过试验，通过该方法可以得到满足设计要求的圆筒形制件。

Claims (6)

1.一种织物预浸料复合材料圆筒的模具，包括阳模（1）、下模（4）、上模（9）和阴模（10），其特征在于：

所述阳模（1）为阶梯圆柱结构，阳模（1）中间的圆柱型面与制件（2）的内圆柱面相对应，阳模（1）中间的圆柱型面的上阶梯面安装有脱模环（3）；脱模环（3）由阳模（1）圆柱结构定位，脱模环（3）的上型面与制件（2）的上部内端面相对应，脱模环（3）上部安装法兰端面压环（11）；法兰端面压环（11）位置由阳模（1）顶部圆柱定位，阳模（1）顶部圆柱型面对齐插入在法兰端面压环（11）的内孔中，法兰端面压环（11）下型面与制件（2）的法兰外端面相对应，用于成型制件（2）的法兰外端面，法兰端面压环（11）的外径与制件（2）的外径相同；阳模（1）的底部圆柱和顶部圆柱分别插在下模（4）和上模（9）的内孔中；

所述下模（4）和上模（9）互为对称结构，下模（4）和上模（9）的中间开设有内孔，下模（4）和上模（9）的圆周边设置有内向斜面的滑轨（7），滑轨（7）上开设有限位槽（8），下模（4）和上模（9）通过中间的内孔分别安装在在阳模（1）的底部圆柱和顶部圆柱上，并由阳模（1）的底部圆柱和顶部圆柱定位；

所述阴模（10）为分多块具有相同结构组成的圆筒形阴模结构，每块阴模（10）的上端面和下端面分别设置有与下模（4）和上模（9）的滑轨（7）相对应的阴模滑轨（16），并在阴模滑轨（16）上与下模（4）和上模（9）的限位槽（8）对应位置设置有限位轨（17）；阴模（10）安装在下模（4）和上模（9）之间，阴模（10）的阴模滑轨（16）分别与下模（4）和上模（9）的滑轨（7）接触配合，限位轨（17）分别与下模（4）和上模（9）的限位槽（8）配合，下模（4）和上模（9）挤压阴模（10）时，阴模滑轨（16）在滑轨（7）的斜面上滑动实现对阴模（10）的环向压力的加载；组成圆筒形的阴模（10）内型面与阳模（1）中间的圆柱外型面、脱模环（3的）上型面和法兰端面压环（11）下型面构成的空间形成制作制件（2）的型腔（12）。

2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于：所述阳模（1）中间的圆柱型面的底部设置有溢胶孔（5）和流胶槽（6）。

3.根据权利要求1所述的模具，其特征在于：所述脱模环（3）上还设置有脱模螺孔（15）。

4.根据权利要求1所述的模具，其特征在于：所述阴模（10）为分四块阴模。

5.根据权利要求1-4任一所述模具的织物预浸料复合材料圆筒的模压成型方法，其成型步骤为：

（1）裁布

根据制件性能指标要求，选择合适的织物预浸料，根据制件尺寸及织物成型厚度确定铺层数；

（2）铺放

铺放前，先根据织物预浸料使用温度要求，将芯模进行预热，然后再把裁剪好的预浸料按铺层设计有序铺放在阳模上；

（3）闭模

待织物铺放完成后，将阴模和上模组装闭模，完成模具组装；

（4）固化

将模具安装到热压机上，然后按照固化工艺进行固化；

（5）脱模及制孔

脱模时先将上模、法兰端面压环和阴模依次取下，再将脱模环和制件拔出，再将两者分离，然后可对圆筒法兰划线，加工法兰孔。

6.根据权利要求5所述的模压成型方法，其特征在于：所述固化时，加热前，给予不超过0.5MPa的预压压力，待预浸料完全软化后再加载至设计压力。