CN111376389A - 一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具及制备方法，该模具包括芯筒、镶块、端盖、法兰轴、匀压板和脱模工装，其中脱模工装包含脱模架和顶板两部分；通过本发明技术方案可以解决带翻边的变截面筒形陶瓷基复合材料薄壁构件成型难度大的问题；保证成型过程中能够为预浸料提供充分的成型压力，保证构件各型面受压均匀，避免构件出现缺陷；通过分块镶块设计及脱模工装保证构件成型后可安全顺利从模具上取下，提高了该类构件的成型质量和成型效率。

Description

一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具及制备方法
技术领域
本发明是一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具及制备方法，属于复合材料成型制造技术领域。
背景技术
陶瓷基复合材料因其优异的耐高温性能、抗氧化、耐腐蚀和密度低等特点，在航空航天等领域具有重要应用，特别是在航空发动机领域，是替代传统金属材料制备关键热端部件的首选。目前，以美国GE公司为代表的企业已成功实现陶瓷基复合材料的批量化生产，制备了燃烧室、火焰筒、排气混合器、涡轮导叶、涡轮外环、尾喷管中心体等不同结构的构件，并成功在LEAP等型号航空发动机上实现了商业应用。
陶瓷基复合材料为材料-工艺-构件一体化材料，在材料制备过程中即需考虑最终构件的外形尺寸，构件的模具及其制备方法是关键技术之一。目前陶瓷基复合材料较为成熟的固化方法为模压定型，但由于无法均匀加压、操作难度大等原因，该方法不适用于制备带翻边的变截面筒形构件。此外，国内近几年内刚刚突破预浸料-熔渗工艺制备陶瓷基复合材料的关键技术，采用预浸料制备陶瓷基复合材料构件开展的研究相对较少。因此，对带翻边的变截面筒形构件的成型模具及制备方法进行研究具有重要的意义
发明内容：
本发明的目的是针对上述现有技术的成型难题，提供了一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具及制备方法，其目的是实现带翻边的变截面筒形陶瓷基复合材料构件的整体成型，提高成型质量与制备效率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具，其特征在于：包括镶块1、芯筒2、端盖3、法兰轴4、匀压板7和脱模工装10；
芯筒2一端为带锥度的筒形结构，另一端为圆筒形结构，圆筒与锥筒外表面交界处通过轴向定位台对镶块1进行轴向定位，芯筒2的锥筒表面均匀设置多个销钉孔及螺栓孔，销钉孔及螺栓孔的数量与镶块的数量一致；多个镶块1沿芯筒2的锥筒圆周围合形成镶块组件8，每个镶块1侧面与邻近镶块侧面紧密配合，镶块组件8的内表面与芯筒2外表面相互配合，镶块组件8的外表面与筒形复合材料构件内表面一致，各镶块1内表面分别设置销钉孔及螺栓孔与芯筒2上相应的孔对应，销钉孔及螺栓孔周围开环状槽，用以安装高温橡胶密封条；
端盖3共两件，为圆形盘状结构，分别固定连接在芯筒2两端，端盖3中心开孔与法兰轴4连接；
法兰轴4为带法兰盘的轴结构，共两件，通过螺栓与端盖连接；
匀压板由薄板制成，为对称的两部分构成，组合后其外形与构件外表面形状一致；
脱模工装10分为脱模架6及顶板5两部分，脱模架6为中空结构，上表面开圆孔，顶板5固定在脱模架上表面上。
所述芯筒2锥度为0.1～10o。
所述镶块组件8中任意一块的形状为沿垂直于轴的任意平面剖开，形成的剖面图中，外表面对应的弧长需小于内表面对应的弧长，以保证筒形复合材料构件成型后镶块可向筒内方向进行拆卸。
所述顶板5为两段直径不同的圆柱组合结构，小径部分与脱模架6圆孔配合，大径部分通过螺栓固定在脱模架上表面上。
所述镶块1通过从桶内安装销钉及螺栓实现的周向定位及安装。
所述芯筒2的锥筒表面多个销钉孔及螺栓孔在同一圆周面上。
所述镶块组件8的高度长于筒形陶瓷基复合材料构件内腔高度。
所述筒形复合材料构件的成型方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在镶块1内表面环状槽中安装密封条后，将其安装在芯筒2外表面，用螺栓将密封条压实；
步骤二：在芯筒2两端分别安装端盖3及法兰轴4后，将其置于专用卧式支架上；
步骤三：在镶块1远离芯筒2定位台的端面铺贴预浸料后，翻折至镶块1外表面，铺贴密实后进行预压实，并对毛坯件边缘进行裁切修整；
步骤四：预压实后依次铺贴聚四氟乙烯隔离膜、匀压板7和透气毡，然后粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜，抽真空进行预压实；预压实在铺贴过程中进行，每铺叠2～5层进行一次预压实；预压实完成后，拆除真空尼龙薄膜、透气毡、匀压板7、聚四氟乙烯隔离膜；
步骤五：预浸料全部铺贴完成后，修剪毛坯件边缘，依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、匀压板和透气毡，然后粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜并固化；
步骤六：固化完成后，拆除真空尼龙薄膜和透气毡，取下匀压板7，拆除端盖；
步骤七：将芯筒2较小一端安装到脱模架6上表面圆孔中，取下固定镶块的螺栓后，将芯筒2沿轴向脱出；然后将顶板5安装到脱模架上，将镶块向筒内方向脱出，防止镶块掉落。
所述预浸料为碳化硅纤维预浸料或碳纤维预浸料或氧化物纤维预浸料。
所述步骤五固化是采用真空袋-热压罐法或者真空袋-烘箱法。
本发明技术方案的优点和特点如下：
1.本发明提供的带翻边的变截面的陶瓷基复合材料构件成型模具及制备方法可解决该类陶瓷基复合材料成型难度大的问题，可以制备纤维体积分数均匀，外形精度高的变截面的陶瓷基复合材料构件，可有效提高陶瓷基复合材料构件的成型质量；
2.本发明提供的分体式镶块结构及脱模工装，可以保证陶瓷基复合材料构件成型后可安全顺利从模具上取下，提高了该类构件的成型效率；
本发明还适用于含内部加强筋及其他异形变截面筒形构件的制备。
附图说明
图1为筒形构件的主视图与俯视图
图2为本发明所述成型模具与筒形构件及匀压板组装示意图
图3为本发明所述成型模具中脱模工装主视图，主视图A-A方向剖视图及俯视图
图4为本发明所述模具中第一组镶块结构三视图
图5为本发明所述模具中第二组镶块结构三视图
图6为本发明所述模具中第三组镶块结构三视图
图7为本发明所述镶块组件8俯视爆炸图
图中，1为镶块，2为芯筒，3为端盖，4为法兰轴，5为顶板，6为脱模架，7为匀压板，8为镶块组件，10为脱模工装
具体实施方式
以下将结合附图和具体实例说明备带翻边的筒形复合材料构件的成型模具及制备方法。
如图2所示，本实施例中，所述带翻边的筒形构件端面为圆环形底面，侧面为锥形与圆柱形相连的筒状结构，针对该种陶瓷基复合材料构件的成型模具包括：
芯筒2一端为带锥度的筒形结构，锥度为2o，另一端为圆筒形结构，锥筒外形面与镶块1内型面一致；圆筒外表面直径比锥筒大头直径多10mm，圆筒与锥筒交界处通过轴向定位台对镶块进行轴向定位，芯筒2表面分别设置销钉孔及螺栓孔，通过从桶内安装销钉及螺栓实现镶块1的周向定位及安装，销钉孔及螺栓孔的数量与镶块1的数量一致；
如图4、5、6所示，镶块1为分体结构，共分为3组，每组两块结构相同，共6块，安装到芯筒上形成一周，所述镶块组件8其中一组的形状为沿垂直于轴的任意平面剖开，形成的剖面图中，外表面对应的弧长需小于内表面对应的弧长，以保证筒形复合材料构件成型后镶块可向筒内方向进行拆卸；镶块1侧面与邻近镶块侧面相互配合，内表面与芯筒外表面相互配合，外表面与筒形构件内表面一致，其高度比筒形复合材料构件内腔高度多20mm；各镶块内表面分别设置2个销钉孔及2个螺栓孔与芯筒上相应的孔对应，销钉孔及螺栓孔周围开环状槽，用以安装高温橡胶密封条；
端盖3共两件，为圆形盘状结构，分别安装在芯筒2两端，并与两端适配，端盖中心开孔与法兰轴连接；
法兰轴4为带法兰盘的轴结构，共两件，通过螺栓与端盖连接；
匀压板7由薄板制成，为对称的两部分构成，组合后其外形与构件外表面形状一致；
脱模工装10分为脱模架6及顶板5两部分，脱模架6上表面开圆孔，圆孔直径比芯筒2小头直径多30mm，比将镶块1安装到芯筒2上的总直径少40mm；顶板5为两段直径不同的组合圆柱结构，上半部分圆柱直径比脱模架圆孔直径少8mm，高度与脱模架上表面厚度一致，下半部分直径比脱模架圆孔直径多50mm，通过螺栓可固定到脱模架上。
采用上述成型模具制备带翻边的变截面筒形陶瓷基复合材料构件的步骤如下：
步骤一：在镶块1内表面环状槽中安装密封条后，将其安装在芯筒外表面，用螺栓将密封条压实；
步骤二：在芯筒2两端分别安装端盖3及法兰轴4后，将其置于专用卧式支架上；
步骤三：在镶块1远离芯筒2定位台的端面铺贴预浸料后，翻折至镶块1外表面，铺贴密实后进行预压实，并对毛坯件边缘进行裁切修整；
步骤四：预压实依次铺贴聚四氟乙烯隔离膜、匀压板7和透气毡，然后粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜，抽真空进行预压实，保持时间10～30min；预压实在铺贴过程中进行，每铺叠2～5层进行一次预压实；预压实完成后，拆除真空尼龙薄膜、透气毡、工艺均压板、聚四氟乙烯隔离膜，继续未完成的铺贴步骤；
步骤五：预浸料全部铺贴完成后，修剪毛坯件边缘，依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、匀压板7和透气毡，然后粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜，置于热压罐中将真空袋抽真空，热压罐温度为160～230℃、压力0.8～5MPa，保压时间60～200min，自然降温至室温；
步骤六：固化完成后，拆除真空尼龙薄膜和透气毡，取下匀压板7，拆除端盖3；
步骤七：将芯筒2较小一端安装到脱模架上表面圆孔中，取下固定镶块1的螺栓后，将芯筒2沿轴向脱出；然后将顶板5安装到脱模架6上，防止镶块掉落造成损伤；先将外表面对应的弧长小于内表面对应的弧长的镶块1向筒内方向脱出。
步骤八、固化结束后，拆出得到网格加筋构件预制体，放入碳化炉碳化，碳化炉升温速率设置为5℃/min，升温至1400℃保温2h得到多孔体构件；
步骤九、将多孔体构件放入熔渗炉，熔渗炉温度设置为10℃/min，升温至1600℃保温1h，熔融渗硅，制备致密的陶瓷基复合材料网格加筋构件，构件密度达2.72g/cm3，孔隙率低于4％。
通过本发明技术方案保证了成型过程中能够为预浸料提供均匀、充分的成形压力，实现构件的整体成型，同时通过镶块的分块设计保证了模具的顺利脱出，有效提高了该类构件的成型质量及成型效率。

Claims (10)

1.一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具，其特征在于：包括芯筒(2)、镶块(1)、端盖(3)、法兰轴(4)、匀压板(7)和脱模工装(10)；
芯筒(2)一端为带锥度的筒形结构，另一端为圆筒形结构，圆筒与锥筒外表面交界处通过轴向定位台对镶块(1)进行轴向定位，芯筒(2)的锥筒表面均匀设置多个销钉孔及螺栓孔，销钉孔及螺栓孔的数量与镶块的数量一致；多个镶块(1)沿芯筒(2)的锥筒圆周围合形成镶块组件(8)，每个镶块(1)侧面与邻近镶块侧面紧密配合，镶块组件(8)的内表面与芯筒(2)外表面相互配合，镶块组件(8)的外表面与筒形复合材料构件内表面一致，各镶块(1)内表面分别设置销钉孔及螺栓孔与芯筒(2)上相应的孔对应，销钉孔及螺栓孔周围开环状槽，用以安装高温橡胶密封条；
端盖(3)共两件，为圆形盘状结构，分别固定连接在芯筒(2)两端，端盖(3)中心开孔与法兰轴(4)连接；
法兰轴(4)为带法兰盘的轴结构，共两件，通过螺栓与端盖连接；
匀压板(7)由薄板制成，为对称的两部分构成，组合后其外形与构件外表面形状一致；
脱模工装(10)分为脱模架(6)及顶板(5)两部分，脱模架(6)为中空结构，上表面开圆孔，顶板(5)固定在脱模架上表面上。
2.根据权利要求1所述的一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具，其特征在于：所述芯筒(2)锥度为0.1～10°。
3.根据权利要求1所述的一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具，其特征在于：所述镶块组件(8)中任意一块的形状为沿垂直于轴的任意平面剖开，形成的剖面图中，外表面对应的弧长需小于内表面对应的弧长。
4.根据权利要求1所述的一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具，其特征在于：所述顶板(5)为有凸台的柱状结构，小径部分与脱模架(6)圆孔配合，大径部分通过螺栓固定到脱模架上表面上。
5.根据权利要求1所述的一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具，其特征在于：所述镶块(1)通过从桶内安装销钉及螺栓实现的周向定位及安装。
6.根据权利要求1所述的一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具，其特征在于：所述芯筒(2)的锥筒表面多个销钉孔及螺栓孔在同一圆周面上。
7.根据权利要求1所述的一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具，其特征在于：所述镶块组件(8)的高度长于筒形陶瓷基复合材料构件内腔高度。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的筒形复合材料构件的成型方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在镶块(1)内表面环状槽中安装密封条后，将其安装在芯筒(2)外表面，用螺栓将密封条压实；
步骤二：在芯筒(2)两端分别安装端盖(3)及法兰轴(4)后，将其置于专用卧式支架上；
步骤三：在镶块(1)远离芯筒(2)定位台的端面铺贴预浸料后，翻折至镶块外表面，铺贴密实后进行预压实，并对毛坯件边缘进行裁切修整；
步骤四：预压实后依次铺贴聚四氟乙烯隔离膜、匀压板(7)和透气毡，然后粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜，抽真空进行预压实；预压实在铺贴过程中进行，每铺叠2～5层进行一次预压实；预压实完成后，拆除真空尼龙薄膜、透气毡、工艺均压板、聚四氟乙烯隔离膜；
步骤五：预浸料全部铺贴完成后，修剪毛坯件边缘，依次铺覆聚四氟乙烯隔离膜、吸胶层、聚四氟乙烯隔离膜、匀压板(7)和透气毡，然后粘贴密封胶带并封装真空尼龙薄膜并固化；
步骤六：固化完成后，拆除真空尼龙薄膜和透气毡，取下匀压板(7)，拆除端盖(3)；
步骤七：将芯筒(2)较小一端安装到脱模架(6)上表面圆孔中，取下固定镶块的螺栓后，将芯筒(2)沿轴向脱出；然后将顶板(5)安装到脱模架(6)上，将镶块(1)向筒内方向脱出。
9.根据权利要求8所述的一种带翻边的筒形复合材料构件成型模具及制备方法，其特征在于：所述预浸料为碳化硅纤维预浸料或碳纤维预浸料或氧化物纤维预浸料。
10.根据权利要求8所述的筒形复合材料构件的成型方法，其特征在于：脱模过程中，所述步骤五固化是采用真空袋-热压罐法或者真空袋-烘箱法。
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