CN109571996B - 样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置 - Google Patents

样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置，它包括芯模、阳模、轴、大法兰、小法兰、固定套，芯模外套装阳模，芯模与阳模之间固定连接，芯模底部内侧与大法兰固定连接，芯模顶部内侧与小法兰固定连接，大法兰、小法兰的中心通过轴连接，固定套沿轴向将轴与大法兰、小法兰固定，本结构硬模成型装置结构简单，操作方便，实用安全，具有可以方便有效的对产品施加固化压力、产品尺寸容易保证等优点，产品大量生产而模具耐用可进一步降低生产成本。

Description

样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置
技术领域
本发明属于样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置，具体涉及一种用于航天领域的小曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置。
背景技术
复合材料网格结构因其结构重量轻、强度刚度高等诸多优点，在航天火箭、导弹研制系统中得到了越来越广泛的应用。
随着工程实践的深入，急需设计制造出气动和水动外形良好从而能够降低火箭导弹发射时的载荷，且能够承受很大轴外压联合作用的轻质结构。理论计算表明，外形是三次样条曲线流线形回转体的复合材料网格结构可以满足上述。这种结构因其几何形状复杂，其成型难度明显大于柱段、锥段复合材料网格结构。
复合材料构件必须用专门设计制造的装置来使材料的复合过程和构件的成型过程同时完成。制件固化成型后几乎不再作任何加工。其内部结构、力学性能应达到设计要求。表面质量、外表尺寸应满足装配协调要求。不允许强迫装配。因而成型复合材料模具的优劣对制品的外形及内部质量起着决定性作用。模具的设计及制造是复合材料结构成型工艺的基础。
三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置要满足复合材料成型模具的基本要求，如：
(1)满足产品设计的精度要求；
(2)有足够的刚度和强度；
(3)较高的导热率、良好的热传导性和热稳定性；
(4)模具壁厚适宜从而使成型温度均匀、减少制件热应力；
(5)热膨胀系数满足脱模要求；
(6)模具材料在较高温度和压力(0.6MPa)下能长期工作；
(7)重量轻、材料来源充分、成本低、易于加工；
(8)维护及维修简便。
模具是保证该产品尺寸及形面精度的关键，是复合材料结构制作的重要组成部分，并关系到复合材料构件制造、固化、脱模等工艺过程的难易。三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置在满足复合材料成型模具基本要求的同时，还要克服其自身特有的设计成型困难。
复合材料内加筋圆柱段正置正交网格结构、三角网格结构和圆锥段正置正交网格结构、三角网格结构在我国航天领域结构研制中已得到应用。其成型制造装置已有相对成熟的经验和技术。而三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构是最新研制的一种结构形式，其成型装置的设计与制造没有成熟的经验和技术可以借鉴。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种小曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置，它包括芯模、阳模、轴、大法兰、小法兰、固定套，芯模外套装阳模，芯模与阳模之间固定连接，芯模底部内侧与大法兰固定连接，芯模顶部内侧与小法兰固定连接，大法兰、小法兰的中心通过轴连接，固定套沿轴向将轴与大法兰、小法兰固定。
作为本发明的一种优选技术方案，所述阳模外形母线及纵筋筋槽轨迹为经过给定节点的三次样条曲线。
作为本发明的一种优选技术方案，根据工程实践需要，结构母线需要通过的105个点，用三次样条曲线逐段插值出结构外轮廓母线。为方便成型，结构分头部和体部两部分，体部母线经过下部66个给定节点，其曲率远小于经过上部39个给定节点的头部母线，体部三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构曲率小而网格尺寸精度要求高，可采用铝合金阳模(硬模)成型装置进行成型，而头部大曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构需另外设计成型装置进行成型。
作为本发明的一种优选技术方案，所述芯模为三锥段。
作为本发明的一种优选技术方案，所述阳模在纵向及环向分成若干瓣，环向分瓣线除最下层外，采用了分瓣面垂直于结构轴线的平行分瓣方式，纵向分瓣线沿所述阳模的母线均布。
作为本发明的一种优选技术方案，所述轴材料为钢35，所述大法兰材料为铸钢ZG270-500，所述小法兰材料为铸钢ZG270-500，所述固定套材料为钢Q235。
与现有技术相比，本发明的装置具有可以方便有效的对产品施加固化压力、产品尺寸容易保证等优点。
(1)三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构具有良好的流线型外形，气动和水动性能良好，能够有效降低火箭导弹发射时的载荷。合理设计的正置正交复合材料网格结构承受轴外压联合作用效率高，结构质量轻。在金属网格阳模上自动铺放成型的结构整体性好、成型工艺性好、生产效率高。
(2)芯模为三锥段，在此情况下，安装于芯模上的阳模分瓣组合模块基本上是均匀等厚的，可保证固化时结构受热均匀。三锥段芯模与流线型芯模相比，不仅降低了芯模内外表面及阳模内表面加工难度，而且能确保顺利脱模
(3)阳模块环向分瓣时除最下层斜向上外，采用了分瓣面垂直于结构轴线的平行分瓣方式。环向分瓣面若不是垂直于结构轴线，将是较复杂的曲面，造成加工困难。脱模时，自下而上逐层斜向下脱模可保证顺利脱模。
(4)体部成型模中阳模的拼瓣和筋槽的加工是模具加工的关键，可实现标准化生产并更多地利用车加工工艺，提高生产效率，降低成本。
(5)金属模具成型的三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构膨胀量易于预估和修正，网格尺寸控制精确，便于结构网格间仪器安装。金属模具分瓣阳模可多次重复使用，耐用且不易变形，自动铺放成型的自动化优势得到充分发挥，符合武器批量生产的要求。产品大量生产而模具耐用可进一步降低生产成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明所述一种小曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置结构图；
图2为本发明所述芯模剖面结构图；
图3所述阳模纵向分瓣示意图；
图4为通过给定节点的三次样条曲线示意图。
图中：1、芯模；2、阳模；3、轴；4、大法兰；5、小法兰；6、固定套。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种小曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置，它包括芯模1、阳模2、轴3、大法兰4、小法兰5、固定套6，芯模1外套装阳模2，芯模1与阳模2之间固定连接，芯模1底部内侧与大法兰4固定连接，芯模1顶部内侧与小法兰5固定连接，大法兰4、小法兰5的中心通过轴3连接，固定套6沿轴向将轴3与大法兰4、小法兰5固定，阳模3外形母线及纵筋筋槽轨迹为经过给定节点的三次样条曲线，根据工程实践需要，结构母线需要通过的105个点，用三次样条曲线逐段插值出结构外轮廓母线，为方便成型，结构分头部和体部两部分，体部母线经过下部66个给定节点，其曲率远小于经过上部39个给定节点的头部母线，体部三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构曲率小而网格尺寸精度要求高，可采用铝合金阳模成型装置进行成型，而头部大曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构需另外设计成型装置进行成型，芯模1为三锥段，阳模2在纵向及环向分成若干瓣，环向分瓣线除最下层外，采用了分瓣面垂直于结构轴线的平行分瓣方式，纵向分瓣线沿阳模2的母线均布，轴3材料为钢35，大法兰4材料为铸钢ZG270-500，小法兰5材料为铸钢ZG270-500，固定套6材料为钢Q235。
如图1所示，本发明所提供的一种小曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构成型装置，它包括芯模1、阳模2、轴3、大法兰4、小法兰5、固定套6。
芯模1外设有阳模2，芯模1与阳模2之间通过螺钉连接。
自动铺放时，大法兰4与芯模1的底顶端沿轴向通过螺钉连接，小法兰5与芯模1的顶端沿轴向通过螺钉连接。
轴3与固定套6之间沿径向通过螺钉连接，固定套6小法兰5之间沿轴向通过螺钉连接。
轴3与固定套6之间沿径向通过螺钉连接，固定套6大法兰4之间沿轴向通过螺钉连接。
芯模1为空心三锥体。芯模1材料为铸钢ZG270-500。
轴3材料为钢35，大法兰4材料为铸钢ZG270-500，小法兰5材料为铸钢ZG270-500，固定套6材料为钢Q235。
如图2、图3所示，体部结构的母线及纵筋中心线轨迹为三次样条曲线，相应的阳模2的母线及纵筋筋槽轨迹也是三次样条曲线。
结构母线需要通过的105个点，用三次样条曲线逐段插值出的结构外轮廓母线见图2。
如图1所示，为以体部三次样条曲线为外轮廓母线回转出的结构。
如图2所示，芯模为三锥段。在此情况下，安装于芯模上的阳模分瓣组合模块基本上是均匀等厚的，可保证固化时结构受热均匀。材料为铸钢。其上钻有通孔和销钉孔，用于定位和连接分瓣阳模。其前后两端面在结构自动铺放成型时用于连接法兰，结构固化时用于连接压环。
芯模若不是三锥段而是单锥段，由于三次样条曲线曲率的存在，阳模模块最薄处为40mm时，最厚处已达到80mm以上。即使是双锥段，阳模模块最薄处为40mm时，最厚处也已达到60mm以上。固化加热时产品受热不均，影响成型质量。
芯模若是流线型，则不仅导致芯模内外表面及阳模内表面加工难度增加，而且芯模中部最大处直径大于芯模下端直径，无法脱模，不可行。
阳模2在纵向及环向分成若干瓣，以能脱模为原则分瓣尽量少。体部流线形内表面与内加筋网格相结合导致脱模困难。由于环筋中线沿母线法线方向有利于结构受力，环筋按此方向成型，这进一步增加了脱模难度。
阳模2材料为铝5A06。环向分成16瓣，纵向分成30瓣。每瓣中只能有一道环筋槽，两道纵筋槽，以满足脱模需要。阳模块环向分瓣时除最下层斜向上、最上层斜向下外，采用了分瓣面垂直于结构轴线的平行分瓣方式。环向分瓣面若不是垂直于结构轴线，将是较复杂的曲面，造成加工困难。脱模时，自下而上逐层斜向下脱模可保证顺利脱模。下层模块的分瓣线大致与环筋中线平行。环筋中线是沿母线法线方向的。由于三次样条曲线曲率的存在，越到上层，模块纵向分瓣面与环筋中线的夹角就越大，脱模就越困难。曲率再大，将无法脱模。如图2所示，头部的曲率过大，若再采用铝合金阳模(硬模)成型装置，将无法脱模，需要另外设计硅橡胶阳模(软模)成型装置。分瓣组合后固定安装在芯模1外壁的阳模2整体为空心三次样条曲线回转体。
阳模2是复合材料产品成型的关键。因是热压成型，要考虑膨胀量问题。
膨胀量按下式计算：
Δl＝l0×(αm-αc)×(Tgel-t) (1)
式中：Δl——模具膨胀量；
l0——产品尺寸；
αm——模具材料热膨胀系数；
αc——产品热膨胀系数；
Tgel——树脂凝胶点温度；
Δα＝(αm-αc)为热膨胀系数差，按铝合金、钢合金热膨胀系数与碳材料热膨胀系数的差计算。
沿产品直径方向膨胀量的计算，因直径方向钢制芯模的膨胀是主要因素，钢与铝的热膨胀系数不同，且芯模与阳模之间存在装配间隙，直接带入钢的热膨胀系数计算会有偏差。为得到准确的热膨胀系数差Δα，先将阳模外径适当加大，生产工艺试验件，实测产品直径，再根据偏差修正阳模外径，反复两次，得到直径合格的产品。用模具的实际测量值反算热膨胀系数差Δα。
根据实测值反算出的热膨胀系数差为Δα＝10.7。
将确定体部外表面的66个点都向轴线平行内移体部蒙皮的厚度，之后逐点考虑热膨胀量，将66个点再移动到膨胀前的位置，之后过这66个点插值出三次样条曲线，形成回转体，此回转体就是阳模的外表面。
如图1所示，拼瓣前铝合金板材内侧铣出弧面与芯模外表面相配合，两侧铣角度相互配合。三次样条曲线回转体结构比柱段和锥段更为复杂，但仍可每层分为两种，可标准化生产。每个分瓣模块加工螺纹孔、芯模钻制相应通孔，用内六角螺栓将阳模块连接在芯模相应位置。分瓣模块两侧角度加工好后，上下面先不加工，先将奇数层模块拼装在芯模外表面，车加工上下面；之后再按此方法车加工偶数层模块上下面。将分瓣模块安装在芯模外表面、拼为正n边形，之后车加工阳模外圆，最后加工筋槽。由于小曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置的复杂性，在设计方法及加工方法采取了上述措施，仍需要高精度数控机床长时间加工才能完成。
如图1所示，本发明所提供的装置用于一种小曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构的自动铺放成型时，将轴3的两端放置在架车上，这样轴3可带动整个装置转动，使复合材料结构自动铺放成型。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术，例如本发明提及的芯模1、阳模2、轴3、大法兰4、小法兰5、固定套6及零部件之间的安装方式、连接方式均可以采用现有技术，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置，它包括芯模(1)、阳模(2)、轴(3)、大法兰(4)、小法兰(5)、固定套(6)，其特征在于，所述芯模(1)外套装所述阳模(2)，所述芯模(1)与所述阳模(2)之间固定连接，所述芯模(1)底部内侧与所述大法兰(4)固定连接，所述芯模(1)顶部内侧与所述小法兰(5)固定连接，所述大法兰(4)、所述小法兰(5)的中心通过所述轴(3)连接，所述固定套(6)沿轴向将所述轴(3)与所述大法兰(4)、所述小法兰(5)固定；所述阳模(2 )外形母线及纵筋筋槽轨迹为经过给定节点的三次样条曲线；根据工程实践需要，结构母线需要通过的105个点，用三次样条曲线逐段插值出结构外轮廓母线，为方便成型，结构分头部和体部两部分，体部母线经过下部66个给定节点，其曲率远小于经过上部39个给定节点的头部母线，体部三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构曲率小而网格尺寸精度要求高，可采用铝合金阳模成型装置进行成型，而头部大曲率三次样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构需另外设计成型装置进行成型；所述芯模(1)为三锥段，所述阳模(2)材料为铝，环向分成16瓣，纵向分成30瓣，每瓣中只能有一道环筋槽，两道纵筋槽，阳模块环向分瓣时除最下层斜向上、最上层斜向下外，采用了分瓣面垂直于结构轴线的平行分瓣方式，纵向分瓣线沿所述阳模(2)的母线均布；
拼瓣前铝合金板材内侧铣出弧面与芯模外表面相配合，两侧铣角度相互配合；每个分瓣模块加工螺纹孔、芯模钻制相应通孔，用内六角螺栓将阳模块连接在芯模相应位置；分瓣模块两侧角度加工好后，上下面先不加工，先将奇数层模块拼装在芯模外表面，车加工上下面；之后再按此方法车加工偶数层模块上下面；将分瓣模块安装在芯模外表面、拼为正n边形，之后车加工阳模外圆，最后加工筋槽。
2.根据权利要求1所述的样条曲线回转体正置正交复合材料网格结构硬模成型装置，其特征在于，所述轴(3)材料为钢35，所述大法兰(4)材料为铸钢ZG270-500，所述小法兰(5)材料为铸钢ZG270-500，所述固定套(6)材料为钢Q235。
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