CN111688234B - 一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具及工作方法，组合模具包括主模胎、柔性镶块模具、挡块和刚性镶块模具，主模胎用于成形复合材料坯件，在主模胎的型面上铺放用于成型复合材料坯件的预浸料时，柔性镶块模具为刚性气囊结构，设置在主模胎的边缘型面位置上，在柔性镶块模具上设有进气阀，挡块设置在主模胎的侧端面，且挡块至少高出柔性镶块模具的底面位置，用于对其限位，当预浸料铺放完成后，刚性镶块模具取代柔性镶块模具，设置在主模胎的边缘型面位置上，且刚性镶块模具的上表面型面与复合材料坯件的表面形状相匹配，柔性镶块模具上表面的工作面曲率小于刚性镶块模具上表面的工作面曲率。

Description

一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具及工作方法
技术领域
本发明涉及复合材料零件制造技术领域，特别是涉及一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具及工作方法。
背景技术
树脂基复合材料广泛的应用于航空航天、高铁等军用或民用领域，应用结构越来越复杂，对于制造质量和制造效率的要求也越来越高。目前，树脂基复合材料零件的制造依然以手工为主，但是随着自动化、智能化技术的发展，越来越多的自动化制造技术被应用于复合材料成型制造领域，基于预浸料自动铺丝的复合材料零件制造是近几年迅速发展的一种自动化制造技术，该技术利用仿真软件规划丝束路径，并采用铺放机械头实现预浸料铺贴，使变曲率复杂结构的铺贴更高效、更准确、低成本。然而，自动铺丝技术由于机械铺丝头的存在，对于复合材料结构型面及模具有着严格的要求，尤其在阴模结构中，若存在超过设备转弯半径的位置存在，则会产生设备与模具的碰撞干涉问题。同时，由于气动面结构精度的要求，航空飞行器较多的气动面需要在阴模中成型，但对于曲率较大的零件无法直接实现自动铺丝，而是首先在阳模上完成自动铺丝，而后使复合材料坯体脱离阳模，转放入阴模中固化成型，这种操作工艺不利于制造稳定性和制造效率。
本发明为了解决这些问题，在复合材料零件高曲率部位的模具采用镶块模具，主动降低局部曲率，自动铺放时使用低曲率柔性模具，铺放完成后，再使用刚性模具使复合材料坯体变形恢复到理论曲率，从而避免高曲率曲面的直接铺放导致的干涉问题。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明提出一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具及工作方法，利用组合模具解决了在复合材料零件的制造中，复合材料铺放模具与设备容易碰撞干涉，导致复合材料零件制造稳定性差和制造效率低的技术问题。
(2)技术方案
第一方面，本发明的实施例提出了一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具，所述组合模具包括主模胎、柔性镶块模具、挡块和刚性镶块模具，所述主模胎用于成形复合材料坯件，在所述主模胎的型面上铺放用于成型所述复合材料坯件的预浸料时，所述柔性镶块模具设置在所述主模胎的边缘型面位置上，在所述柔性镶块模具上设有进气阀，所述挡块设置在所述主模胎的侧端面，且所述挡块至少高出所述柔性镶块模具的底面位置，用于对其限位，当所述预浸料铺放完成后，所述刚性镶块模具取代所述柔性镶块模具，设置在所述主模胎的边缘型面位置上，且所述刚性镶块模具的上表面型面与所述复合材料坯件的表面形状相匹配，所述柔性镶块模具上表面的工作面曲率小于所述刚性镶块模具上表面的工作面曲率。
进一步地，所述柔性镶块模具为矩形框架结构，包括柔性外壳、刚性面板和柔性支撑杆，所述柔性镶块模具的四周外表面为所述柔性外壳，多个等长的所述柔性支撑杆并排间隔支撑在中间区域，形成纵向空腔，在并排设置的所述柔性支撑杆的两侧杆端分别连接等长的所述刚性面板，所述进气阀设在所述柔性外壳的侧壁上，通向所述柔性支撑杆形成的中间空腔部分。
进一步地，所述柔性外壳为橡胶材质，厚度不大于2mm。
进一步地，所述刚性镶块模具的上表面的型面与待成型的所述复合材料坯件边缘区域的目标型面匹配，均为曲面。
进一步地，所述主模胎的型面边缘处开有台阶槽，用于安装所述柔性镶块模具或所述刚性镶块模具。
进一步地，所述台阶槽的槽长与所述柔性镶块模具或所述刚性镶块模具的长度相同。
第二方面，提供了一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具的工作方法，采用第一方面所述的组合模具，所述加工方法包括：
步骤S110，将柔性镶块模具放置在主模胎边缘型面的镶块位置，并使用挡块固定；
步骤S120，通过进气阀向柔性镶块模具充气，使柔性镶块模具在气压作用下鼓起，柔性镶块模具内部达到支撑压力后关闭进气阀；
步骤S130，通过复合材料自动铺放设备按照预定程序在主模胎和柔性镶块模具上铺放复合材料预浸料，形成复合材料坯件；
步骤S140，复合材料预浸料铺放完成后，打开进气阀，使柔性镶块模具内腔与大气联通，取下挡块；
步骤S150，用刚性镶块模具替换柔性镶块模具，从主模胎和复合材料坯件之间取出柔性镶块模具，将刚性镶块模具推入镶块位置，推入过程中，使复合材料坯件沿刚性镶块模具的外表面变形，安装挡块，完成模具的组合后，按照复合材料坯件的固化工艺进行固化。
进一步地，步骤S130中的所述复合材料预浸料为环氧树脂碳纤维预浸料或双马树脂碳纤维预浸料，所述复合材料坯件为飞机蒙皮。
进一步地，在步骤S120中，通过进气阀向柔性镶块模具充气的气压为0.2～0.8MPa。
(3)有益效果
综上，本发明利用组合模具能够解决含有高曲率边缘的复合材料零件在自动铺丝时容易与阴模模具干涉的问题，通过在主模胎上安装低曲率的柔性镶块模具，降低模具局部曲率，避免设备与模具干涉，所使用的柔性镶块模具为刚性气囊结构，刚性气囊结构内部通过充入高压气体能实现整体支撑，保证丝束铺放时压辊可施加一定的压力；在铺丝完成后将成型零件型面的刚性镶块模具替换柔性镶块模具，使零件恢复理论外形。该方法具有成型效率高、操作简便、质量一致性高等特点，减少了阳模的投入，降低了零件制造成本，也避免了零件在阳模与阴模之间转移造成的工艺风险。
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柔性镶块模具与主模胎组合后的铺放蒙皮坯体示意图。
图2是柔性镶块模具的横截面示意图。
图3是柔性镶块模具俯视示意图。
图4是刚性镶块模具使用示意图。
图5是刚性镶块模具与主模胎组合示意图。
图中：
1-复合材料坯件；2-柔性镶块模具；3-挡块；4-主模胎；5-刚性镶块模具；6-柔性外壳；7-刚性面板；8-柔性支撑杆；9-进气阀。
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。
结合图1～图5说明本实施例的具体实施方式。
图1揭示了柔性镶块模具2与主模胎4组合后铺放预浸料成型复合材料坯件(蒙皮)1示意图，图2和图3揭示了柔性镶块模具2的内部结构，图4揭示了柔性镶块模具2取出后，刚性镶块模具5推入过程，图5揭示了刚性镶块模具5与主模胎4组合示意图。
参见图1-图4组合模具包括主模胎4、柔性镶块模具2、挡块3和刚性镶块模具5，所述主模胎4用于成形复合材料坯件1，在所述主模胎4的型面上铺放用于成型所述复合材料坯件1的预浸料时，所述柔性镶块模具2为刚性气囊结构，设置在所述主模胎4的边缘型面位置上，在所述柔性镶块模具2上设有进气阀9，所述挡块3设置在所述主模胎4的侧端面，且所述挡块3至少高出所述柔性镶块模具2的底面位置，用于对其限位，当所述预浸料铺放完成后，所述刚性镶块模具5取代所述柔性镶块模具2，设置在所述主模胎4的边缘型面位置上，且所述刚性镶块模具5的上表面型面与所述复合材料坯件1的表面形状相匹配(也就是，主模胎4的型面上除镶块位置以外，其他位置与复合材料坯件1的型面相匹配)，所述柔性镶块模具2上表面的工作面曲率小于所述刚性镶块模具5上表面的工作面曲率。
本发明的一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具及工作方法，利用柔性镶块模具2首先降低阴模模具的边缘高曲率位置的曲率，使复合材料坯件的预浸料在主模胎和边缘处低曲率柔性镶块模具组合的模具上完成自动铺丝，而后将高曲率刚性镶块模具替换柔性镶块模具，实现复合材料坯件型面的恢复。该方法可实现高曲率复合材料坯件在阴模模具中的自动铺丝，不再受限零件边缘部位的高曲率变化，降低了模具投入成本，以及零件在现有技术采用阳模和阴模之间转移的风险，能够实现更高效率和重复性。
具体地，所述柔性镶块模具2为矩形框架结构，包括柔性外壳6、刚性面板7和柔性支撑杆8，所述柔性镶块模具2的四周外表面为所述柔性外壳6，多个等长的所述柔性支撑杆8并排间隔支撑在中间区域，形成多个纵向空腔，在并排设置的所述柔性支撑杆8的两侧杆端分别连接等长的所述刚性面板7，所述进气阀9设在所述柔性外壳6的侧壁上，通向所述柔性支撑杆8形成的中间空腔部分。
本实施例中柔性外壳6为橡胶材质，具体也可以采用硅胶等材质，柔性外壳6的厚度不大于2mm。
刚性镶块模具5的上表面的型面与待成型的所述复合材料坯件1边缘区域的目标型面匹配，均为曲面。也是就是说刚性镶块模具5与主模胎4组合后形成的型面与复合材料坯件1成型零件的贴模面相同，因此，通过在主模胎4边缘镶嵌的刚性镶块模具5的型面能将复合材料坯件1成型出目标曲率型面的零件。
此外，参见图1、图4、图5，本实施例中主模胎4的型面边缘处开有台阶槽，用于安装柔性镶块模具2或刚性镶块模具5。主模胎4上台阶槽的槽长与柔性镶块模具2或刚性镶块模具5的长度相同。
需要说明的是，作为拓展实施方式，柔性支撑杆8也可以采用柔性支撑墙的方式，多个柔性支撑墙并列间隔设置，相邻的柔性支撑墙之间形成纵向空腔，只需在柔性支撑墙上开通小孔相互联通各个空腔即可。
需要说明的是，在实践中，刚性镶块模具5可选用与主模胎4相同的材质，比如可用45#钢，Q345钢等。柔性镶块模具2可采用PP、PE、PET等塑料。
另一方面，本发明还提供了一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具的工作方法，加工方法至少包括以下步骤S110～S150：
步骤S110，将柔性镶块模具2放置在主模胎4边缘型面的镶块位置，并使用挡块3固定。
步骤S120，通过进气阀9向柔性镶块模具2充气，使柔性镶块模具2在气压作用下鼓起，柔性镶块模具2内部达到支撑压力后关闭进气阀9。基于柔性镶块模具2组成结构的材质，本实施例中向柔性镶块模具2内充气的气压为0.2～0.8MPa。
步骤S130，通过复合材料自动铺放设备按照预定程序在主模胎4和柔性镶块模具2上铺放复合材料预浸料，形成复合材料坯件1。在本步骤中，当所述的复合材料预浸料为环氧树脂碳纤维预浸料或双马树脂碳纤维预浸料等，所述复合材料坯件为飞机蒙皮。
步骤S140，复合材料预浸料铺放完成后，打开进气阀9，使柔性镶块模具2内腔与大气联通，取下挡块3。
步骤S150，用刚性镶块模具5替换柔性镶块模具2，从主模胎4和复合材料坯件1之间取出柔性镶块模具2，将刚性镶块模具5推入镶块位置，推入过程中，使复合材料坯件1沿刚性镶块模具5的外表面变形，安装挡块3，完成模具的组合后，按照复合材料坯件1的固化工艺进行固化。
采用本发明的组合模具及其工作方法可实现边缘具有高曲率的复合材料零件在阴模模具自动铺放丝束。以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请，并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。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 (9)

1.一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具，其特征在于，所述组合模具包括主模胎、柔性镶块模具、挡块和刚性镶块模具，所述主模胎用于成形复合材料坯件，在所述主模胎的型面上铺放用于成型所述复合材料坯件的预浸料时，所述柔性镶块模具为刚性气囊结构，设置在所述主模胎的边缘型面位置上，在所述柔性镶块模具上设有进气阀，所述挡块设置在所述主模胎的侧端面，且所述挡块至少高出所述柔性镶块模具的底面位置，用于对其限位，当所述预浸料铺放完成后，所述刚性镶块模具取代所述柔性镶块模具，设置在所述主模胎的边缘型面位置上，且所述刚性镶块模具的上表面型面与所述复合材料坯件的表面形状相匹配，所述柔性镶块模具上表面的工作面曲率小于所述刚性镶块模具上表面的工作面曲率。
2.根据权利要求1所述的用于复合材料自动铺放工艺的组合模具，其特征在于，所述柔性镶块模具为矩形框架结构，包括柔性外壳、刚性面板和柔性支撑杆，所述柔性镶块模具的四周外表面为所述柔性外壳，多个等长的所述柔性支撑杆并排间隔支撑在中间区域，形成纵向空腔，在并排设置的所述柔性支撑杆的两侧杆端分别连接等长的所述刚性面板，所述进气阀设在所述柔性外壳的侧壁上，通向所述柔性支撑杆形成的中间空腔部分。
3.根据权利要求2所述的用于复合材料自动铺放工艺的组合模具，其特征在于，所述柔性外壳为橡胶材质，厚度不大于2mm。
4.根据权利要求1所述的用于复合材料自动铺放工艺的组合模具，其特征在于，所述刚性镶块模具的上表面的型面与所述复合材料坯件边缘区域的目标型面匹配，均为曲面。
5.根据权利要求1所述的用于复合材料自动铺放工艺的组合模具，其特征在于，所述主模胎的型面边缘处开有台阶槽，用于安装所述柔性镶块模具或所述刚性镶块模具。
6.根据权利要求5所述的用于复合材料自动铺放工艺的组合模具，其特征在于，所述台阶槽的槽长与所述柔性镶块模具或所述刚性镶块模具的长度相同。
7.一种用于复合材料自动铺放工艺的组合模具的工作方法，采用如权利要求1所述的组合模具，其特征在于，所述工作方法包括：
步骤S110，将柔性镶块模具放置在主模胎边缘型面的镶块位置，并使用挡块固定；
步骤S120，通过进气阀向柔性镶块模具充气，使柔性镶块模具在气压作用下鼓起，柔性镶块模具内部达到支撑压力后关闭进气阀；
步骤S130，通过复合材料自动铺放设备按照预定程序在主模胎和柔性镶块模具上铺放复合材料预浸料，形成复合材料坯件；
步骤S140，复合材料预浸料铺放完成后，打开进气阀，使柔性镶块模具内腔与大气联通，取下挡块；
步骤S150，用刚性镶块模具替换柔性镶块模具，从主模胎和复合材料坯件之间取出柔性镶块模具，将刚性镶块模具推入镶块位置，推入过程中，使复合材料坯件沿刚性镶块模具的外表面变形，安装挡块，完成模具的组合后，按照复合材料坯件的固化工艺进行固化。
8.根据权利要求7所述的用于复合材料自动铺放工艺的组合模具的工作方法，其特征在于，步骤S130中的所述复合材料预浸料为环氧树脂碳纤维预浸料或双马树脂碳纤维预浸料，所述复合材料坯件为飞机蒙皮。
9.根据权利要求7所述的用于复合材料自动铺放工艺的组合模具的工作方法，其特征在于，在步骤S120中，通过进气阀向柔性镶块模具充气的气压为0.2～0.8MPa。
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