CN111055512B - 一种共固化加强片的复合材料构件制备工装及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共固化加强片的复合材料构件制备工装，包括根据复合材料构件数字模型制做出用于复合材料构件成型的盖模、上成型模、芯模及下成型模，还包括用于定位制备工装的定位机构，定位机构包括结构相同的第一定位筋和第二定位筋，第一定位筋上设有用于芯模定位的第一定位销和用于固定芯模的第一固定螺栓，第一定位筋两端设有用于芯模装配的第二定位销，第二定位筋上设有用于芯模定位的第三定位销和用于固定芯模的第二固定螺栓，第二定位筋两端设有用于芯模装配的第四定位销，与粘接加强片制备的复合材料构件相比，本发明降低了复合材料构件变形的概率，避免了加强片粘接过程中可能产生的脱粘缺陷。

Description

一种共固化加强片的复合材料构件制备工装及方法

技术领域

本发明涉及树脂基复合材料液体成型技术，具体涉及一种共固化加强片的复合材料构件制备工装及方法。

背景技术

树脂转移模塑成型(Resin Transfer Molding，RTM)技术，其主要原理为首先在模腔中铺放设计好的预制体，在采用注射设备将专用树脂体系注入模腔，通过树脂流动排出模腔内的气体同时浸润纤维，再经加热固化、冷却脱模即可得到复合材料制件。一般制备复合材料力学性能试验件时，先制备好试验件的中间层板材，再将加工好的加强片部分采用胶膜或胶粘剂分别粘贴到试验件中间层板材上方和下方的对称加强片位置，完成带加强片的复合材料力学性能试验件的制备。采用上述粘贴试验件加强片部分的方法，加强片与复合材料中间层板材的界面之间在胶膜或胶粘剂固化时容易产生内应力，引起试验件的变形。同时，由于胶膜或胶粘剂在粘接时的分布不均匀，在粘接界面之间容易产生缺陷，进而影响试验件在力学测试过程中试验结果的准确性。采用RTM成型技术将四周加强片与中间层纤维预制体在模具中一体成型固化可以避免上述问题。由于纤维预制体采用干态纤维织物，柔性织物和刚性模具在配合过程中容易变形和移位，合模定位过程中容易造成中间部分纤维铺层上方与下方加强片位置的不对称，需要在模具装模过程中通过定位工装并按照特定的操作顺序保证加强片纤维铺层的合模位置精度。

发明内容

本发明实施例提供了一种共固化加强片的复合材料构件制备工装及方法，能够对加强材料的纤维织物精确的定位并合模，解决合模时上方加强片与上模具的对准问题，制备出的共固化加强片复合材料构件上下加强片的位置精确对称，满足力学性能试验对复合材料构件加强片位置的精确要求。

第一方面，本发明的实施例提出了一种共固化加强片的复合材料构件制备工装，包括根据复合材料构件数字模型制做出用于复合材料构件成型的盖模、上成型模、芯模及下成型模，还包括用于定位制备工装的定位机构，定位机构包括结构相同的第一定位筋和第二定位筋，第一定位筋上设有用于芯模定位的第一定位销和用于固定芯模的第一固定螺栓，第一定位筋两端设有用于芯模装配的第二定位销，第二定位筋上设有用于芯模定位的第三定位销和用于固定芯模的第二固定螺栓，第二定位筋两端设有用于芯模装配的第四定位销。

根据权利要求1所述的一种共固化加强片的复合材料构件制备工装，其特征在于，所述复合材料构件为“回”字形结构，包括复合材料中间层，复合材料中间层上下分布设有上加强片和下加强片，上加强片和下加强片对称分布在复合材料中间层四周。

进一步地，下成型模包括设在下成型模中心的第一凸台，第一凸台中心沿竖直方向设有注胶孔，第一凸台四周设有下成型腔，下成型腔的深度与下加强片厚度相同，下成型模还设有用于上成型模定位的第五定位销，下成型模外侧壁设有与第二定位销和第四定位销相配合的第一定位孔。

进一步地，上成型模包括设在上成型模中心用于放置盖模的容置腔；设在上成型模四角的顶杆螺栓孔，顶杆螺栓孔内设有顶杆螺栓，还设有用于与第五定位销相配合的第二定位孔，所述的上成型模四角还设有出胶孔。

第二方面，提供了一种采用第一方面的一种共固化加强片的复合材料构件制备方法，包括如下步骤：

步骤1：铺放下加强片铺层，将下成型模固定在平台上，以下成型模中心的第一凸台外边缘为基准，在第一凸台四周铺放下加强片铺层，下加强片铺层的内边缘与第一凸台的外边缘对齐；

步骤2：铺放复合材料中间层，在下加强片铺层上铺放复合材料中间层，复合材料中间层与第一凸台上平面平齐；

步骤3：组装芯模与下成型模，将定位机构安装在下成型模上，并通过定位机构与芯模连接，将第一定位销穿过第一定位筋和芯模，用第一固定螺栓穿过第一定位筋将第一定位筋与芯模组装，将第三定位销穿过第二定位筋和芯模，用第二固定螺栓穿过第二定位筋将第二定位筋与芯模组装，将组装好的芯模和定位筋移动至下成型模正上方，将第二定位销和第四定位销插入第一定位孔，完成芯模与下成型模的组装；

步骤4:定位芯模，将步骤三中组装好的芯模和下成型模，旋转第一固定螺栓和第二固定螺栓，芯模在第一定位销和第三定位销的导向下下降，待芯模下表面与步骤2中的复合材料中间层接触后，停止旋转第一固定螺栓和第二固定螺栓；

步骤5：铺放上加强片铺层，取出第一固定螺栓、第一定位销、第二固定螺栓和第三定位销，将“回”字形上加强片铺层放置在芯模正上方，并将第一固定螺栓、第一定位销、第二固定螺栓和第三定位销复位且第一固定螺栓、第一定位销、第二固定螺栓和第三定位销均位于上加强片铺层的内环中，以芯模外边缘为基准进行上加强片铺层的铺放，铺放完毕后将芯模放置在下成型模上并去除定位机构；

步骤6：安装上成型模，将顶杆螺栓穿过顶杆螺栓孔且所述的顶杆螺栓下端露出下成型模下端面，在第五定位销导向作用下，将上成型模放置在下成型模正上方，上成型模通过顶杆螺栓支撑在下成型模上端面且两者间隔设置，间隔的距离等于顶杆螺栓露出下成型模下端面的距离；

步骤7：合模，将定位机构安装在下成型模上，并通过定位机构与芯模连接，第一定位筋通过第二定位销与下成型模连接，并通过第一固定螺栓和第一定位销与芯模连接，第二定位筋通过第四定位销与下成型模连接，并通过第二固定螺栓和第三定位销与芯模连接，旋转顶杆螺栓，缩短步骤6中上成型模与下成型模之间的间隔，当上成型模下端面与下成型模上端面贴合后，通过紧固螺栓将上成型模和下成型模固定连接完成合模，完成合模后去除定位机构；完成合模后，芯模下表面相对于上成型模的模腔成型面形成第二凸台，第二凸台的高度与上加强片的厚度相同；

步骤8：安装盖模，将盖模放置在上成型模容置腔内，并通过紧固螺栓与上成型模连接；

步骤9：注胶固化，注胶孔和出胶孔连接管道，向模具内注射树脂；

步骤10：脱模，待模具冷却后，依次去除盖模，上成型模和芯模，完成复合材料构件的制备。

进一步地，步骤6中上成型模与下成型模之间的间隔距离等于顶杆螺栓露出下成型模下端面的距离。

进一步地，步骤8中芯模的上表面与盖模下表面位于同一平面内。

进一步地，上加强片铺层、下加强片铺层及复合材料中间层的材质可相同或不相同。

进一步地，上加强片铺层和下加强片为2D纤维铺层，纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维。

进一步地，复合材料中间层可以为2D纤维铺层、2.5D纤维编织物或3D纤维编织物，纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维。

综上，本发明采用RTM成型技术将加强片与中间层复合材料中间层预制在模具中一体成型固化，制备出的复合材料构件中间层与加强片之间的界面间内应力小，降低了复合材料构件变形的概率，同时避免了加强片粘接过程中可能产生的脱粘缺陷，加强片与复合材料中间层界面之间的层间厚度与复合材料中间层板材的层间厚度一致，制备的共固化加强片的复合材料构件上方与下方加强片位置的对称精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种共固化加强片的复合材料构件结构图；

图2是一种共固化加强片的复合材料构件剖视图；

图3是一种共固化加强片的复合材料构件工装结构图；

图4是复合材料构件模具中的下成型模结构；

图5是复合材料构件模具中上成型模和芯模的组合结构；

图6是芯模定位示意图；

图7是上方加强片铺放示意图；

图8是去除加强筋后的芯模状态示意图；

图9是上成型模定位后状态示意图；

图10是上成型模与下成型模完成合模后状态示意图；

图11是去除定位筋后的模具状态示意图；

图12是盖模组装示意图。

图中：

1、复合材料构件 2、复合材料中间层 3、上加强片 4、下加强片 5、下成型模 6、芯模 7、上成型模 8、盖模 9、第一定位筋 10、第二定位筋 11、第二定位销 12、第一固定螺栓13、第一定位销 14、第四定位销 15、第二固定螺栓 16、第三定位销 17、顶杆螺栓 18、第五定位销 19、第一定位孔 20、注胶孔 21、下成型模分型面 22、下加强片成型面 23、密封槽24、顶杆螺栓孔 25、第二定位孔 26、出胶孔 27、芯模下表面 28、模腔成型面 29、芯模上表面 30、盖模下表面 31、第二凸台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1至图12所示，一种共固化加强片的复合材料构件1制备工装，包括根据复合材料构件1数字模型制做出用于复合材料构件1成型的盖模8、上成型模7、芯模6及下成型模5，还包括用于定位制备工装的定位机构，定位机构包括结构相同的第一定位筋9和第二定位筋10，第一定位筋9上设有用于芯模6定位的第一定位销13和用于固定芯模6的第一固定螺栓12，第一定位筋9两端设有用于芯模6装配的第二定位销11，第二定位筋10上设有用于芯模6定位的第三定位销16和用于固定芯模6的第二固定螺栓15，第二定位筋10两端设有用于芯模6装配的第四定位销14。

作为本发明的一具体实施例，复合材料构件1为“回”字形结构，包括复合材料中间层2，复合材料中间层2上下分布设有上加强片3和下加强片4，上加强片3和下加强片4对称分布在复合材料中间层2四周。

作为本发明的一具体实施例，下成型模5包括设在下成型模5中心的第一凸台，第一凸台中心沿竖直方向设有下成型模分型面21，第一凸台四周设有下成型腔，下成型腔包括下成型模分型面21和下加强片成型面22，下成型腔的深度与下加强片4的厚度相同，下成型模5还设有用于上成型模7定位的第五定位销18，下成型模5外侧壁面设有与第二定位销11和第四定位销14相配合的第一定位孔19，为了确保下成型模5的密封性，下成型模5上端面设有密封槽23。

作为本发明的一具体实施例，上成型模7包括设在上成型模7中心用于放置盖模8的容置腔；设在上成型模7四角的顶杆螺栓孔24，顶杆螺栓孔24内设有用于连接上成型模7和下成型模5的顶杆螺栓17，还设有用于与第五定位销18相配合的第二定位孔25，所述的上成型模7四角还设有出胶孔26。

一种共固化加强片的复合材料构件1制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：铺放下加强片4铺层，将下成型模5固定在平台上，以下成型模5中心的第一凸台外边缘为基准，在第一凸台四周铺放下加强片4铺层，下加强片4铺层为“回”字形结构，下加强片4铺层的内边缘与第一凸台的外边缘对齐；

步骤2：铺放复合材料中间层2，在下加强片4铺层上铺放复合材料中间层2，复合材料中间层2与第一凸台上平面平齐；

步骤3：组装芯模6与下成型模5，将定位机构安装在下成型模5上，并通过定位机构与芯模6连接，将第一定位销13穿过第一定位筋9和芯模6，用第一固定螺栓12穿过第一定位筋9将第一定位筋9与芯模6组装，将第三定位销16穿过第二定位筋10和芯模6，用第二固定螺栓15穿过第二定位筋10将第二定位筋10与芯模6组装，将组装好的芯模6和定位筋移动至下成型模5正上方，将第二定位销11和第四定位销14插入第一定位孔19，完成芯模6与下成型模5的组装；

步骤4:定位芯模6，将步骤三中组装好的芯模6和下成型模5，旋转第一固定螺栓12和第二固定螺栓15，芯模6在第一定位销13和第三定位销16的导向下下降，待芯模下表面27与步骤2中的复合材料中间层2接触后，停止旋转第一固定螺栓12和第二固定螺栓15，在芯模6下降的过程中通过第一固定螺栓12和第二固定螺栓15调整芯模上表面29距离第一定位筋9和第二定位筋10之间的距离，使芯模6始终保持水平状态；

步骤5：铺放上加强片3铺层，取出第一固定螺栓12、第一定位销13、第二固定螺栓15和第三定位销16，将“回”字形上加强片3铺层放置在芯模6正上方，并将第一固定螺栓12、第一定位销13、第二固定螺栓15和第三定位销16复位且第一固定螺栓12、第一定位销13、第二固定螺栓15和第三定位销16均位于上加强片3铺层的内环中，以芯模6外边缘为基准进行上加强片3铺层的铺放，铺放完毕后将芯模6放置在下成型模5上并去除定位机构；

步骤6：安装上成型模7，将顶杆螺栓17穿过顶杆螺栓孔24且所述的顶杆螺栓17下端露出下成型模5下端面，在第五定位销18导向作用下，将上成型模7放置在下成型模5正上方，上成型模7过顶杆螺栓17支撑在下成型模5上端面且两者间隔设置，间隔的距离等于顶杆螺栓17露出下成型模5下端面的距离；

步骤7：合模，将定位机构安装在下成型模5上，并通过定位机构与芯模6连接，第一定位筋9通过第二定位销11与下成型模5连接，并通过第一固定螺栓12和第一定位销13与芯模6连接，第二定位筋10通过第四定位销14与下成型模5连接，并通过第二固定螺栓15和第三定位销16与芯模6连接，旋转顶杆螺栓24，缩短步骤6中上成型模7与下成型模6之间的间隔，当上成型模7下端面与下成型模6上端面贴合后，通过紧固螺栓将上成型模7和下成型模6固定连接完成合模，完成合模后去除定位机构；完成合模后，芯模6下表面相对于上成型模7的模腔成型面形成第二凸台31，第二凸台31的高度与上加强片3的厚度相同；

步骤8：安装盖模8，将盖模8放置在上成型模7容置腔内，并通过紧固螺栓与上成型模7连接；

步骤9：注胶固化，注胶孔20和出胶孔26连接管道，向模具内注射树脂；

步骤10：脱模，待模具冷却后，依次去除盖模8，上成型模7和芯模6，完成复合材料构件1的制备。

作为本发明的一具体实施例，步骤6中上成型模7与下成型模5之间的间隔距离等于顶杆螺栓17露出下成型模5下端面的距离。

作为本发明的一具体实施例，步骤8中芯模上表面29与盖模下表面30位于同一平面内。

作为本发明的一具体实施例，所述的上加强片3铺层、下加强片4铺层及复合材料中间层2的材质可相同或不相同。

作为本发明的一具体实施例，所述的上加强片3铺层和下加强片4铺层的材质为2D纤维铺层，纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维。

作为本发明的一具体实施例，复合材料中间层2的材质为2D纤维铺层、2.5D纤维编织物或3D纤维编织物，纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种共固化加强片的复合材料构件制备工装，其特征在于，包括根据复合材料构件数字模型制作出用于复合材料构件成型的盖模、上成型模、芯模及下成型模，还包括用于定位制备工装的定位机构，定位机构包括结构相同的第一定位筋和第二定位筋，第一定位筋上设有用于芯模定位的第一定位销和用于固定芯模的第一固定螺栓，第一定位筋两端设有用于芯模装配的第二定位销，第二定位筋上设有用于芯模定位的第三定位销和用于固定芯模的第二固定螺栓，第二定位筋两端设有用于芯模装配的第四定位销；

所述复合材料构件为“回”字形结构，包括复合材料中间层，复合材料中间层上下分别设有上加强片和下加强片，上加强片和下加强片对称分布在复合材料中间层四周；

所述下成型模包括设在下成型模中心的第一凸台，第一凸台中心沿竖直方向设有注胶孔，第一凸台四周设有下成型腔，下成型腔的深度与下加强片厚度相同，下成型模还设有用于上成型模定位的第五定位销，下成型模外侧壁面设有与第二定位销和第四定位销相配合的第一定位孔。

2.根据权利要求1所述的一种共固化加强片的复合材料构件制备工装，其特征在于，所述上成型模包括设在上成型模中心用于放置盖模的容置腔；设在上成型模四角的顶杆螺栓孔，顶杆螺栓孔内设有顶杆螺栓，还设有用于与第五定位销相配合的第二定位孔，所述的上成型模四角还设有出胶孔。

3.一种共固化加强片的复合材料构件制备方法，采用如权利要求2所述的一种共固化加强片的复合材料构件制备工装，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：铺放下加强片铺层，将下成型模固定在平台上，以下成型模中心的第一凸台外边缘为基准，在第一凸台四周铺放下加强片铺层，下加强片铺层的内边缘与第一凸台的外边缘对齐；

步骤2：铺放复合材料中间层，在下加强片铺层上铺放复合材料中间层，复合材料中间层与第一凸台上平面平齐；

步骤3：组装芯模与下成型模，将定位机构安装在下成型模上，并通过定位机构与芯模连接，将第一定位销穿过第一定位筋和芯模，用第一固定螺栓穿过第一定位筋将第一定位筋与芯模组装，将第三定位销穿过第二定位筋和芯模，用第二固定螺栓穿过第二定位筋将第二定位筋与芯模组装，将组装好的芯模和定位筋移动至下成型模正上方，将第二定位销和第四定位销插入第一定位孔，完成芯模与下成型模的组装；

步骤4:定位芯模，将步骤3中组装好的芯模和下成型模，旋转第一固定螺栓和第二固定螺栓，芯模在第一定位销和第三定位销的导向下下降，待芯模下表面与步骤2中的复合材料中间层接触后，停止旋转第一固定螺栓和第二固定螺栓；

步骤5：铺放上加强片铺层，取出第一固定螺栓、第一定位销、第二固定螺栓和第三定位销，将“回”字形上加强片铺层放置在芯模正上方，并将第一固定螺栓、第一定位销、第二固定螺栓和第三定位销复位且第一固定螺栓、第一定位销、第二固定螺栓和第三定位销均位于上加强片铺层的内环中，以芯模外边缘为基准进行上加强片铺层的铺放，铺放完毕后将芯模放置在下成型模上并去除定位机构；

步骤6：安装上成型模，将顶杆螺栓穿过顶杆螺栓孔且所述的顶杆螺栓下端露出下成型模下端面，在第五定位销导向作用下，将上成型模放置在下成型模正上方，上成型模通过顶杆螺栓支撑在下成型模上端面且两者间隔设置，间隔的距离等于顶杆螺栓露出下成型模下端面的距离；

步骤7：合模，将定位机构安装在下成型模上，并通过定位机构与芯模连接，第一定位筋通过第二定位销与下成型模连接，并通过第一固定螺栓和第一定位销与芯模连接，第二定位筋通过第四定位销与下成型模连接，并通过第二固定螺栓和第三定位销与芯模连接，旋转顶杆螺栓，缩短步骤6中上成型模与下成型模之间的间隔，当上成型模下端面与下成型模上端面贴合后，通过紧固螺栓将上成型模和下成型模固定连接完成合模，完成合模后去除定位机构；完成合模后，芯模下表面相对于上成型模的模腔成型面形成第二凸台，第二凸台的高度与上加强片的厚度相同；

步骤8：安装盖模，将盖模放置在上成型模容置腔内，并通过紧固螺栓与上成型模连接；

步骤9：注胶固化，注胶孔和出胶孔连接管道，向模具内注射树脂；

步骤10：脱模，待模具冷却后，依次去除盖模，上成型模和芯模，完成复合材料构件的制备。

4.根据权利要求3所述的一种共固化加强片的复合材料构件制备方法，其特征在于，所述步骤8中芯模的上表面与盖模下表面位于同一平面内。

5.根据权利要求3所述的一种共固化加强片的复合材料构件制备方法，其特征在于，所述的上加强片铺层、下加强片铺层及复合材料中间层的材质相同或不相同。

6.根据权利要求5所述的一种共固化加强片的复合材料构件制备方法，其特征在于，所述上加强片铺层和下加强片为2D纤维铺层，纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维。

7.根据权利要求5所述的一种共固化加强片的复合材料构件制备方法，其特征在于，所述复合材料中间层为2D纤维铺层、2.5D纤维编织物或3D纤维编织物，纤维材质为碳纤维、玻璃纤维、石英纤维或陶瓷纤维。

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