CN112091067A - 一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，包括芯模分块、定位销、拉杆、紧固螺母、垫板、流通水道和温控系统。组合式芯模根据待成形构件的特征划分为多个层，每层再从中心分割成多个独立扇形小块，即芯模分块，芯模分块上打有定位销孔。组合式芯模内环向开有流通水道，流通水道与温控系统相连。芯模分块通过定位销确定、控制相互之间位置关系。拉杆贯穿整个组合式芯模，并利用紧固螺母与垫板从拉杆两端将芯模分块压紧，固定为一个整体。采用分块组合的形式，脱模时拆卸方便、易于坯料与芯模的分离。采用塑料、实木、钢材、石墨等材料为原料加工芯模，具有良好的热稳定性和抗变形能力，并且可以重复多次使用，有效降低了生产成本。

Description

一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模

技术领域

本发明涉及一种组合式芯模，具体涉及一种金属箔带叠层铺放过程中易于脱模、温度可控、可重复利用的组合式芯模。

背景技术

随着航空、航天技术的迅猛发展，新一代飞行器飞行速度、承载能力不断提高，这对飞行器的进气道、燃料喷管等关键部件的服役性能提出了更高要求。现阶段常用的钛合金、高温合金的500℃服役温度逐渐难以满足需求，所以具有更高耐热性能的TiAl、NiAl等金属间化合物逐渐成为研究热点。除了良好的耐热性能，金属间化合物还具有密度低、硬度高、抗氧化性优良、抗腐蚀性好、结构稳定性高等优点，因此在高温工程领域其综合性能优于钛合金、高温镍基合金，是一种理想的高温结构材料。

传统用于钛合金、高温合金复杂薄壁异形构件的制造方法是通过轧制、挤压等方式获得薄壁板坯或管坯，然后采用超塑成形或者热冲压成形等技术获得最终零件。但是，对于TiAl、NiAl等金属间化合物，由于其常温的本征脆性，以及高温下的高强度等特点，传统的轧制、挤压制造方式难以制备出薄壁板坯或管坯，即使能制备出板坯或管坯，也难以通过超塑成形或热冲压成形出复杂构件。为解决此问题，发明专利(专利号：201710448620.5和201910444894.6)提出了NiAl合金曲面板件与管件的合成制备和成形一体化方法，该方法将大尺寸Ni箔与Al箔交替叠放后进行热压制坯，再通过热气胀成形获得构件形状，接着通过高温真空热处理等步骤获得最终的NiAl合金零件。由于该方法最初制备的坯料形状简单，所以在热气胀过程中坯料会发生较大且复杂的变形，容易出现局部减薄、开裂、起皱等缺陷。为减少上述缺陷的产生，发明专利(申请号：202010031405.7)提出了一种采用金属箔带铺放制坯的耐高温薄壁构件一体化制造方法，即利用金属箔带直接缠绕铺放出最终零件的形状，然后在高温高压下反应合成实现材料改性，最终获得材料、形状均符合需求的零件。

金属箔带在叠层铺放过程中，需要采用芯模来对箔带进行支撑，在铺放完成后，需要将芯模与叠层箔坯料分离。芯模的形状精度及其脱模过程会对最终成型零件的质量产生重要影响。发明专利(申请号：202010031405.7)以泡沫塑料为原料采用3D打印等技术制备芯模。现阶段3D打印技术虽然逐渐成熟，但是对于大尺寸构件的制造仍然受到一定限制，并且加工精度较低，成本较高。泡沫塑料刚度低，抗变形能力差，箔带铺放过程中的给予箔带的拉力会致使芯模变形，进而导致最终构件的形状精度的降低。更为重要的是，3D打印的芯模为整体结构，在使用后无法直接取出，所以泡沫塑料为原料，利用加热使其融化脱模，因此在脱模过程中，会有一定程度上的泡沫塑料残留，给后续的反应合成引入了杂质，导致材料的力学性能下降。并且，由于这种芯模无法重复使用，大大增加了生产的成本。合适的芯模材质与结构是叠层箔制造过程的基础，该芯模在实现对箔带进行支撑的同时，还应该具有良好的抗变形能力和易于脱模的特点，并且可以重复利用，从而降低成本。

因此，为了解决叠层箔铺放成形工艺过程中整体芯模难以脱模，以泡沫塑料为材质的芯模又存在精度不足，抗变形能力差，脱模后芯模不可重复利用且有残余杂质等问题，需要开发一种精度高，具有良好的抗变形能力和易于脱模的新型芯模。

发明内容

本发明为解决采用金属箔带铺放制坯的耐高温薄壁构件一体化制造方法中，整体芯模难以脱模，以泡沫塑料为材质的芯模又存在精度不足，抗变形能力差，脱模后芯模不可重复利用且有残余杂质等问题，提出了一种新型组合式芯模。

本发明技术方案：

一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，包括芯模分块1、定位销2、拉杆3、紧固螺母4、垫板5、流通水道6和温控系统7；

所述组合式芯模根据待成形构件的特征划分为多个层，每层再从中心分割成多个独立扇形小块，即芯模分块1，芯模分块1上打有定位销孔；

所述组合式芯模内环向开有流通水道6，流通水道6与温控系统7相连，水道6在芯模层内沿环向布置，整体沿轴向相互串联；

所述芯模分块1通过定位销2确定、控制相互之间位置关系；

所述拉杆3贯穿整个组合式芯模，并利用紧固螺母4与垫板5从拉杆3两端将芯模分块1压紧，固定为一个整体。

所述芯模分块1以金属、石墨、实木、塑料为原材料，采用数控精密加工获得型面。

一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模使用方法，具体包括以下步骤：

步骤一：根据待成形构件的截面特征将构件内腔划分为多个芯模分块；

步骤二：根据待成形构件进行箔带铺放时的力、温度等工艺参数，选择合适的芯模材料，然后依据步骤一确定的芯模分块形状进行加工；

步骤三：将加工完成的芯模分块利用定位销、拉杆、紧固螺母、垫板连接固定为一个整体；

步骤四：对芯模表面进行清洗，去除油污、灰尘等污染物，喷涂脱模剂；

步骤五：将芯模安装于箔带铺放专用设备上，进行箔带的铺放，开启温控系统，对芯模及箔带温度进行调整；

步骤六：箔带铺放完成后，松开锁紧螺母，抽出拉杆，依次取出芯模分块，将芯模与叠层箔坯料分离；

步骤七：回收芯模分块并清洗、保存，等待下一次使用。

本发明有益效果：

本发明的一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，包含温控系统与流通水道，可以对芯模的温度进行实时调整，从而改变箔带铺放时的箔带与芯模的温度，实现对芯模的降温或箔带的加热；

本发明的一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，采用分块组合的形式，将整体芯模拆分为多个小块，利用拉杆进行紧固，脱模时拆卸方便、易于坯料与芯模的分离；

本发明的一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，采用分块组合的形式，各个分块可以独立加工，然后进行组装，避免了大型结构件整体加工困难的问题，并且，各个分块采用高精度数控加工，加工精度高，表面质量好；

本发明的一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，采用模块化设计，分块具有良好的互换性，当构件局部特征变化时，只需更换相应位置分块，有效减少了芯模加工的时间和成本。

本发明的一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，采用塑料、实木、钢材、石墨等材料为原料加工芯模，具有良好的热稳定性和抗变形能力，并且可以重复多次使用，有效降低了生产成本。

附图说明

图1为一种用于箔带连续叠层铺放的组合式复杂异形芯模三维示意图；

图2为一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模轴向分层示意图；

图3为一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模层内分块示意图；

图4为一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模的水道布置示意图；

图5为一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模的工作状态图；

图6为一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模脱模示意图；

图7为一种用于箔带连续叠层铺放的组合式沙漏型芯模三维示意图；

图中：1芯模分块，2定位销，3拉杆，4紧固螺母，5垫板，6水道，7温控系统，8叠层箔坯料，9上芯模，10下芯模。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

具体实施方式一：结合图1至图5说明，本发明为一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，芯模分块1，定位销2，拉杆3，紧固螺母4，垫板5，水道6，温控系统7，叠层箔坯料8，上芯模9，下芯模10。

步骤一：根据待成形构件的截面特征将构件内腔划分为多个芯模分块；

步骤二：根据待成形构件进行箔带铺放时的力、温度等工艺参数，选择合适的芯模材料，然后依据步骤一确定的芯模分块形状进行加工；

步骤三：如图1所示，将加工完成的芯模分块1沿拉杆3按顺序依次叠放，并采用定位销2控制相互之间的位置关系，然后利用紧固螺母4与垫板5将芯模分块连接固定为一个整体；

步骤四：对芯模表面进行清洗，去除油污、灰尘等污染物喷涂脱模剂；

步骤五：将芯模安装于箔带铺放专用设备上，进行箔带的铺放，开启温控系统，对芯模及箔带温度进行调整；

步骤六：如图5所示，箔带铺放完成后，松开锁紧螺母4，抽出拉杆3，依次取出芯模分块，将芯模与叠层箔坯料分离；

步骤七：回收芯模分块并清洗、保存，等待下一次使用。

具体实施方式二：如图1，2，3所示，在步骤一中，薄壁异型管件截面形状复杂多变，截面等效直径变化无明显规律性，故将芯模沿轴向均匀分块，然后再将每个轴向分块环向划分为3-10个分块，分块大小、形状在满足不破坏型面的基础上，以便于拆卸为优选。其余步骤与实施方式一相同。

具体实施方式三：如图6所示，在步骤一中，沙漏型芯模截面变化均匀，截面等效直径沿轴向先减小后增大，故将芯模在直径最小位置分割为上芯模7与下芯模8。其余步骤与实施方式一相同。

具体实施方式四：在步骤二中，待成形构件在高温下铺放Ni箔、Ti箔等强度较高的箔带，选取石墨、金属为芯模材料，采用数控精密加工制备各个芯模分块。其余步骤与实施方式一相同。

采用石墨或者金属为芯模材料，可以使芯模在较高温度下保持一定的刚度，避免芯模在箔带铺放过程中因外力或者高温而产生变形甚至破坏。

具体实施方式五：在步骤二中，待成形构件在常温下铺放Al箔等易变形材料，选取实木、塑料为芯模材料，采用数控精密加工制备各个芯模分块，其余步骤与实施方式一相同。

采用实木或者塑料为芯模材料，可以在保证芯模刚度的同时，有效降低芯模的生产制造成本。

具体实施方式六：在步骤四中，在清洗烘干芯模后，在芯模表面喷涂氮化硼粉末作为脱模剂，其余步骤与实施方式一相同。

易氮化硼为脱模剂可以有效的避免箔带在高温下与芯模产生粘接的现象，从而有利于随后的脱模工作顺利进行。

具体实施方式七：在步骤五中，当铺放钛箔、镍箔等常温下难变形、易回弹的材料时，通过温控系统在芯模水道中通过热油，提升芯模整体温度，其余步骤与实施方式一相同。

在水道中通过热油，提升芯模整体温度可以有效降低材料的强度，从而减少芯模坯料的回弹现象，提升预制坯的尺寸、形状精度。

Claims (2)

1.一种用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，其特征在于，该组合式芯模包括芯模分块(1)、定位销(2)、拉杆(3)、紧固螺母(4)、垫板(5)、流通水道(6)和温控系统(7)；

所述组合式芯模根据待成形构件的特征划分为多个层，每层再从中心分割成多个独立扇形小块，即芯模分块(1)，芯模分块(1)上打有定位销孔；

所述组合式芯模内环向开有流通水道(6)，流通水道(6)与温控系统(7)相连，流通水道(6)在芯模层内环向布置，水道整体轴向串联；

所述芯模分块(1)通过定位销(2)确定、控制相互之间位置关系；

所述拉杆(3)贯穿整个组合式芯模，并利用紧固螺母(4)与垫板(5)从拉杆(3)两端将芯模分块(1)压紧，固定为一个整体。

2.根据权利要求书1所述的用于箔带连续叠层铺放的组合式芯模，其特征在于，所述芯模分块(1)以金属、石墨、实木、塑料为原材料，采用数控精密加工获得型面。

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