CN109986722B - 一种碳纤维复合材料叶栅的加工装置及叶栅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空设备领域，具体涉及一种碳纤维复合材料叶栅的加工装置及叶栅。这种加工装置包括底座、第一芯模和第二芯模，第一芯模与底座可拆卸地相连，第二芯模与底座可拆卸地相连；第一芯模和第二芯模与底座相连时，底座上形成用于材料成型的成型腔；第一芯模材料的热膨胀系数大于第二芯模材料的热膨胀系数；常温时，第一芯模的体积小于第二芯模的体积；在碳纤维复合材料的固化温度下，第一芯模的体积能够等于或大于第二芯模的体积。在加工过程中，第一芯模能够对碳纤维复合材料施加压力，减少叶栅上的空腔形成。本发明提供的叶栅由上述的加工装置加工而得到。

Description

一种碳纤维复合材料叶栅的加工装置及叶栅

技术领域

本发明涉及航空设备领域，特别是一种碳纤维复合材料叶栅的加工装置及叶栅。

背景技术

叶栅是飞机上的重要零件。叶栅厚度方向的一端为第一表面，叶栅厚度方向的另一端为第二表面，叶栅上具有多个孔，孔的一端延伸至第一表面，另一端延伸至第二表面。孔沿曲线延伸，使得现有技术中的叶栅无法通过模具直接成型。

现有技术中的飞机叶栅通过金属材料制成，其制作过程是首先通过模具进行大致成型，然后对叶栅上的孔进行机加工，使孔最终成型，从而满足叶栅的结构要求。

随着技术的进步，金属的材料综合性能与碳纤维复合材料产生了较大的差距，采用碳纤维复合材料制成的叶栅具有传统的金属叶栅不能媲美的优良性能。但在碳纤维复合材料叶栅的加工过程中，无法对碳纤维复合材料采用机加工来进行孔的成型。而若直接采用模具成型，容易由于压力不足而使成型后的碳纤维复合材料中产生空腔或材料分层。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种碳纤维复合材料叶栅的加工装置及叶栅，以解决碳纤维复合材料叶栅加工过程中的材料空腔和分层问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种碳纤维复合材料叶栅的加工装置，包括底座、第一芯模和第二芯模，第一芯模与底座可拆卸地相连，第二芯模与底座可拆卸地相连；第一芯模和第二芯模与底座相连时，底座上形成用于材料成型的成型腔；第一芯模材料的热膨胀系数大于第二芯模材料的热膨胀系数；常温时，第一芯模的体积小于第二芯模的体积；在碳纤维复合材料的固化温度下，第一芯模的体积能够等于或大于第二芯模的体积。

通过本发明提供的加工装置，加工时，在第一芯模和第二芯模的周围包裹碳纤维复合材料的原材料片，然后将第一芯模、第二芯模与碳纤维复合材料一起安装到底座上。对加工装置及加工装置上的碳纤维复合材料施加合适的压力和温度载荷，使碳纤维复合材料的原材料片固化，从而在第一芯模和第二芯模所处的位置形成叶栅上的孔。各个第一芯模和第二芯模周围的碳纤维复合材料融合到一起，形成叶栅。

在固化碳纤维复合材料的过程中，温度由常温升高至碳纤维复合材料的固化温度，第一芯模的膨胀体积较大，能够在碳纤维复合材料固化的过程中，对碳纤维复合材料施以较大的压力，从而避免成型后的叶栅中产生空腔或材料分层，有利于提高成型后的材料性能。

作为本发明的优选方案，各第一芯模被第二芯模隔开。

加工过程中，第一芯模的受热膨胀量较大，第二芯模的受热膨胀量较小，因此第二芯模的维型能力较好。使第一芯模被第二芯模隔开，避免各个第一芯模互相相邻，有利于在成型过程中保持叶栅孔的形状。

作为本发明的优选方案，第一芯模或第二芯模由弹性材料制成。

第一芯模或第二芯模采用弹性材料制成，在脱模的过程中，通过第一芯模或第二芯模产生可恢复的变形来实现脱模，有利于降低脱模难度。当然，在本发明的其他实施方式中，第一芯模和第二芯模也可以不采用弹性材料制成，而通过敲击等传统方式实现脱模。

作为本发明的优选方案，第一芯模的材料为橡胶，第二芯模的材料为钢。

使第一芯模的材料为橡胶，橡胶材料既具有极佳的弹性，又具有较大的热膨胀系数。与橡胶材料相比，钢的热膨胀系数相对较低，硬度高，具有较好的维型作用，能够在加温加压的条件下，使叶栅孔的形状保持与第二芯模保持一致。这两种材料配合设置，使得既能够增加固化过程中对碳纤维复合材料的压力，又能够保持较高的维型能力。

作为本发明的优选方案，第一芯模和/或第二芯模包括成型组件，成型组件上具有与叶栅上的孔的形状适配的成型表面，成型表面用于与碳纤维复合材料接触；成型组件包括第一组合块、第二组合块和脱模镶块，脱模镶块能够设于第一组合块与第二组合块之间，并与第一组合块和第二组合块拼接形成成型表面；脱模镶块、第一组合块和第二组合块拼接形成成型表面时，脱模镶块能够沿叶栅的第二表面到第一表面的方向滑动；脱模镶块被设置为，当成型表面周围包裹碳纤维复合材料时，若滑动脱模镶块，使脱模镶块与第一组合块和第二组合块分离，则能够使第一组合块和第二组合块活动，以使第一组合块和第二组合块与碳纤维复合材料分离。

在加工时，使第一组合块、第二组合块和脱模镶块拼接在一起，并形成成型表面，在成型表面的周围包裹碳纤维复合材料的原材料片，然后将第一芯模、第二芯模与碳纤维复合材料一起安装到底座上。对加工装置及加工装置上的碳纤维复合材料施加合适的压力和温度载荷，使碳纤维复合材料的原材料片固化，从而在第一芯模和第二芯模所处的位置形成叶栅上的孔。各个芯模周围的碳纤维复合材料融合到一起，形成叶栅。

脱模时，首先使脱模镶块与第一组合块和第二组合块分离，在脱模镶块所处的位置产生了空隙，从而为第一组合块和第二组合块留出足够的活动空间，使得第一组合块和第二组合块能够与已经成型的碳纤维复合材料分离。

作为本发明的优选方案，第一芯模包括定位件，第二芯模包括定位件，基板上设有与定位件适配的定位部。

定位件的设计，有利于将第一芯模和第二芯模安装到底座上的相应位置上，从而确定叶栅上的孔的位置。

作为本发明的优选方案，成型组件上形成容置空间，定位件置于容置空间中。

作为本发明的优选方案，脱模镶块包括第一镶块和第二镶块，第一组合块、第二组合块、第一镶块和第二镶块之间形成容置空间。

具体的，在生产该第一芯模和/或第二芯模时，可以先根据孔的形状制造出第一芯模和/或第二芯模的基本结构，然后分解该基本结构，将该基本结构分解为第一组合块、第二组合块、第一镶块、第二镶块和中心块，中心块不与成型表面相连。在分解后，去掉中心块，在中心块所处的位置处形成容置空间，用于容纳定位件。通过这种方式实现第一芯模和/或第二芯模的生产，具有以下优势：能够保证成型表面的精度；定位件可以单独生产，有利于降低第一芯模和/或第二芯模的成本和加工难度。

作为本发明的优选方案，底座包括基板、挡块和活动模块；挡块的数量为两个，两个挡块相对设置，挡块与基板相连；活动模块与基板可拆卸地相连；活动模块、挡块与基板围成用于安装第一芯模和第二芯模的安装空间。

第一芯模和第二芯模安装到底座上，第一芯模和第二芯模所处的位置形成叶栅上的孔，各个芯模之间、以及各个芯模与底座之间形成用于碳纤维复合材料固化并成型的成型腔。

一种叶栅，由碳纤维复合材料制成，叶栅是由上述的加工装置加工而成的。

本发明提供的叶栅能够通过上述的加工装置加工而成，因此，在模具成型后，叶栅上的孔的形状即能够满足设计要求，无需采用机加工对叶栅上的孔再次成型，故这种叶栅成型后的空腔少，能够采用碳纤维复合材料制作，同时具有加工效率高的优势。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.采用本发明提供的加工装置，在加工过程中，第一芯模能够对碳纤维复合材料施加较大的压力，有利于避免叶栅上形成空腔或产生材料分层，有利于提高叶栅的性能；

2.通过本发明提供的加工装置，降低了碳纤维复合材料叶栅加工中的脱模难度，能够使叶栅上的孔在模具加工中一次成型，有利于提高加工效率；

3.通过对第一芯模和/或第二芯模的结构进行合理的分解，能够实现定位件的单独加工，有利于保证成型表面的结构完整性，降低加工装置上各个芯模的成本。

附图说明

图1是本发明提供的加工装置的结构示意图。

图2是本发明提供的加工装置的底座的结构示意图。

图3是图1中V部的局部放大图。

图4是本发明提供的叶栅的结构示意图。

图5是本发明提供的叶栅在另一视角下的结构示意图。

图6是本发明提供的加工芯模的结构示意图。

图7是本发明提供的加工芯模在另一视角下的结构示意图。

图8是本发明提供的第一组合块的结构示意图。

图9是本发明提供的第二组合块的结构示意图。

图10是本发明提供的第一镶块的结构示意图。

图11是本发明提供的第二镶块的结构示意图。

图12是本发明提供的加工装置上第一芯模和第二芯模的另一种布置方案的示意图。

图标：3-加工装置；31-底座；311-基板；312-挡块；313-活动模块；34-安装空间；35-成型腔；36-定位部；2-叶栅；21-孔；22-第一表面；23-第二表面；101-第一芯模；102-第二芯模；11-第一组合块；12-第二组合块；13-脱模镶块；131-第一镶块；132-第二镶块；14-定位件；15-容置空间；18-成型表面；142-插销；112-第一定位槽；122-第二定位槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参阅图1-图12。本实施例提供了一种碳纤维复合材料叶栅2的加工装置3。这种加工装置3包括底座31、多个第一芯模101和多个第二芯模102，第一芯模101与底座31可拆卸地相连，第二芯模102与底座31可拆卸地相连；第一芯模101和第二芯模102与底座31相连时，底座31上形成用于材料成型的成型腔35；第一芯模101材料的热膨胀系数大于第二芯模102材料的热膨胀系数；常温时(20℃)，第一芯模101的体积小于第二芯模102的体积；在碳纤维复合材料的固化温度下(通常为120℃到180℃)，第一芯模101的体积能够等于或大于第二芯模102的体积。

优选的，各第一芯模101被第二芯模102隔开。

请参阅图1及图12,在使用中，第一芯模101和第二芯模102布置的具体方案可以有多种，只要能够满足各个第一芯模101被第二芯模102隔开即可。其原因是，由于第一芯模101的热膨胀系数较大，加温时，第一芯模101膨胀量较多，容易产生形状的变化，使膨胀后的第一芯模101的形状与常温下的第一芯模101的形状产生差异，而第二芯模102的膨胀量相对较少，膨胀后的第二芯模102形状与常温下的第二芯模102的形状能够保持基本相同。因此，各个第一芯模101被第二芯模102隔开，能够利用第二芯模102的维型能力，使第一芯模101的形状保持不变，从而保证叶栅2上的孔21的形状能够得到控制。

优选的，第一芯模101或第二芯模102由弹性材料制成。

优选的，第一芯模101的材料为橡胶，第二芯模102的材料为钢。

在本发明的其他实施方式中，第一芯模101和第二芯模102还可以采用其他材料。例如，第一芯模101的材料为硬铝，第二芯模102的材料为钢，硬铝的热膨胀系数大于钢，因此，也可以实现在碳纤维复合材料的固化过程中挤压碳纤维复合材料。

当然，相比于将第一芯模101设置为硬铝、第二芯模102设置为钢的方案，本实施例提供的第一芯模101为橡胶、第二芯模102为钢的方案具有以下优势：相比于硬铝，橡胶的热膨胀系数更大，因此，在固化碳纤维复合材料时，更加容易对碳纤维复合材料施加压力，从而减少叶栅2中空腔的形成，在脱模时，橡胶容易发生变形，从而能够降低脱模的难度。

优选的，第一芯模101和/或第二芯模102包括成型组件，成型组件上具有与叶栅2上的孔21的形状适配的成型表面18，成型表面18用于与碳纤维复合材料接触；成型组件包括第一组合块11、第二组合块12和脱模镶块13，脱模镶块13能够设于第一组合块11与第二组合块12之间，并与第一组合块11和第二组合块12拼接形成成型表面18；脱模镶块13、第一组合块11和第二组合块12拼接形成成型表面18时，脱模镶块13能够沿叶栅2的第二表面23到第一表面22的方向滑动；脱模镶块13被设置为，当成型表面18周围包裹碳纤维复合材料时，若滑动脱模镶块13，使脱模镶块13与第一组合块11和第二组合块12分离，则能够使第一组合块11和第二组合块12活动，以使第一组合块11和第二组合块12与碳纤维复合材料分离。

进一步的，可以将第一芯模101设置为整体式结构，第二芯模102按照上述方案分解为第一组合块11、第二组合块12和脱模镶块13。

优选的，第一芯模101包括定位件14，第二芯模102包括定位件14，基板311上设有与定位件14适配的定位部36。

优选的，成型组件上形成容置空间15，定位件14置于容置空间15中。

优选的，脱模镶块13包括第一镶块131和第二镶块132，第一组合块11、第二组合块12、第一镶块131和第二镶块132之间形成容置空间15。

优选的，底座31包括基板311、挡块312和活动模块313；挡块312的数量为两个，两个挡块312相对设置，挡块312与基板311相连；活动模块313与基板311可拆卸地相连；活动模块313、挡块312与基板311围成用于安装第一芯模101和第二芯模102的安装空间34。

一种叶栅2，由碳纤维复合材料制成，叶栅2是由上述的加工装置3加工而成的。

本发明提供的加工装置3的有益效果在于：

1.通过本发明提供的加工装置3，在加工过程中，第一芯模101能够对碳纤维复合材料施加较大的压力，有利于避免叶栅2上形成空腔，有利于提高成型后的叶栅2的性能；

2.采用这种加工装置3，降低了脱模难度，能够使叶栅2上的孔21在模具加工中一次成型，有利于提高加工效率；

3.通过对第一芯模101和/或第二芯模102的结构进行合理的分解，能够实现定位件14的单独加工，有利于保证成型表面18的结构完整性，降低加工装置3上各个芯模的成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碳纤维复合材料叶栅的加工装置，其特征在于，包括底座、多个第一芯模和多个第二芯模，所有所述第一芯模和所有所述第二芯模整体按矩形阵列排布，所述第一芯模与所述底座可拆卸地相连，所述第二芯模与所述底座可拆卸地相连；

所述第一芯模和所述第二芯模与所述底座相连时，所述底座上形成用于材料成型的成型腔；

所述第一芯模材料的热膨胀系数大于所述第二芯模材料的热膨胀系数；

常温时，所述第一芯模的体积小于所述第二芯模的体积；

在所述碳纤维复合材料的固化温度下，所述第一芯模的体积能够等于或大于所述的第二芯模的体积；

所述第一芯模和/或所述第二芯模包括成型组件，所述成型组件上具有与所述叶栅上的孔的形状适配的成型表面，所述成型表面用于与碳纤维复合材料接触；

所述成型组件包括第一组合块、第二组合块和脱模镶块，所述脱模镶块能够设于所述第一组合块与所述第二组合块之间，并与所述第一组合块和所述第二组合块拼接形成所述成型表面；

所述脱模镶块、所述第一组合块和所述第二组合块拼接形成成型表面时，所述脱模镶块能够沿所述叶栅的第二表面到第一表面的方向滑动；

所述脱模镶块被设置为，当所述成型表面周围包裹碳纤维复合材料时，若滑动脱模镶块，使脱模镶块与所述第一组合块和所述第二组合块分离，则能够使所述第一组合块和所述第二组合块活动，以使所述第一组合块和所述第二组合块与所述碳纤维复合材料分离。

2.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，各所述第一芯模被所述第二芯模隔开。

3.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述第一芯模或所述第二芯模由弹性材料制成。

4.根据权利要求3所述的加工装置，其特征在于，所述第一芯模的材料为橡胶，所述第二芯模的材料为钢。

5.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述第一芯模包括定位件，所述第二芯模包括定位件，所述底座上设有与所述定位件适配的定位部。

6.根据权利要求5所述的加工装置，其特征在于，所述成型组件上形成容置空间，所述定位件置于所述容置空间中。

7.根据权利要求6所述的加工装置，其特征在于，所述脱模镶块包括第一镶块和第二镶块，所述第一组合块、所述第二组合块、所述第一镶块和所述第二镶块之间形成所述容置空间。

8.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述底座包括基板、挡块和活动模块；

所述挡块的数量为两个，两个所述挡块相对设置，所述挡块与所述基板相连；

所述活动模块与所述基板可拆卸地相连；

所述活动模块、所述挡块与所述基板围成用于安装所述第一芯模和所述第二芯模的安装空间。

9.一种叶栅，其特征在于，由碳纤维复合材料制成，所述叶栅是由权利要求1-8中任意一项所述的加工装置加工而成的。