CN112318896A - 一种曲面金属蜂窝复合材料的模具和成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种曲面金属蜂窝复合材料的模具和成型方法，模具包括凹模和挡板，凹模和挡板可拆卸地连接；凹模上设置有与曲面金属蜂窝复合材料相匹配的成型面，挡板与成型面形成空腔；挡板包括基准挡板和限位挡板，基准挡板在与空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第一上避让槽和第一下避让槽，限位挡板在与空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第二上避让槽和第二下避让槽。本发明的模具使各层原材料之间紧密贴合且很好的贴紧在成型曲面上，确保复合材料热压固化成型中受力均匀，保证复合材料的胶接质量，精确控制复合材料的尺寸，提高复合材料的成品率和产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制造技术领域，特别涉及一种曲面金属蜂窝复合材料的模具和成型方法。
背景技术
蜂窝复合材料是由蜂窝芯材与表面材料粘接而成具有夹层结构的复合材料，因其在使用方面具有很好的性能，其具有比较好的强度，同时，抗冲击性能很好，使用时能够进行很好的设计，因此得到了非常广泛的应用，尤其应用于航空航天飞行器结构中作为主、次承力结构件，特别地，它可以作为反推力装置的一个组件，而反推力装置是飞机发动机上的一个动力装置部分，对飞机的直接工作成本和工作性能有很大影响。
蜂窝复合材料的性能主要由蜂窝芯的材料性能决定，蜂窝芯材的高度、材质、密度以及形状都对蜂窝复合材料的性能有很大影响。目前，以铝蜂窝芯材料为中间夹层的蜂窝复合材料是应用最广泛的。本发明涉及到一种曲面金属蜂窝复合材料，如图1所示的复合材料的结构图，复合材料由原材料下蒙皮1、铝蜂窝芯2、上蒙皮3以及层间的胶膜通过共胶接固化而成，该复合材料是曲面的，在成型过程中采用具有与复合材料匹配的成型面的模具，在模具上设置有对原材料进行定位和限位的挡板，挡板和成型面形成空腔，将下蒙皮1、铝蜂窝芯2、上蒙皮3和胶膜放置在空腔内然后热压固化成型。对于空腔大小的设置，当空腔过大时，原材料可以很好的放置在空腔内，但由于空腔大，在压力的作用下容易使原材料发生移动，各层材料之间定位不准，产品合格率低；当空腔大小刚好合适或者略小时，原材料在加工过程中存在公差，存在原材料无法放入空腔内，出现不同层的原材料之间有缝隙，甚至易出现上蒙皮压在挡块上的情况，这样会原材料在热压固化成型过程中受力不均匀，成型后的复合材料各层之间粘接力不够，胶接质量不好，导致复合材料在后续使用过程中容易出现分层，严重影响复合材料力学性能和使用寿命。因此，需要重新设计一种模具用于金属蜂窝复合材料的成型。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供了一种曲面金属蜂窝复合材料的模具和成型方法，采用该模具能使原材料很好的贴合在模具的成型曲面上，确保复合材料在热压固化成型中受力均匀，保证复合材料的胶接质量，提高复合材料的成品率和产品质量。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种曲面金属蜂窝复合材料的模具，包括凹模和挡板，所述凹模和所述挡板可拆卸地连接；所述凹模上设置有与曲面金属蜂窝复合材料相匹配的成型面，所述挡板与所述成型面形成空腔；
所述挡板包括基准挡板和限位挡板，所述基准挡板在与所述空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第一上避让槽和第一下避让槽，所述限位挡板在与所述空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第二上避让槽和第二下避让槽，所述第一上避让槽和第二上避让槽相匹配，所述第一下避让槽和第二下避让槽相匹配。
本发明所述的曲面金属蜂窝复合材料的模具与曲面金属蜂窝复合材料的形状和弧度相匹配，其中凹模用于成型曲面金属蜂窝复合材料的曲面，挡板用于复合材料原材料下蒙皮、铝蜂窝芯和上蒙皮等的定位和限位，挡板在成型面上围合形成空腔，空腔用于放置复合材料的原材料，在基准挡板和限位挡板上均设置有避让槽，原材料中上蒙皮和下蒙皮的多余部分可放置在避让槽内，可轻松地将各层原材料组装在空腔中进行热压固化成型，各层原材料之间紧密贴合且很好的贴紧在模具的成型曲面上，原材料与挡板之间不会产生干涉，确保复合材料热压固化成型中受力均匀，保证复合材料的胶接质量，精确控制复合材料的尺寸，提高复合材料的成品率和产品质量。
作为本发明的优选方案，所述凹模上设置有定位孔，所述挡板上设有与所述定位孔匹配的通孔，所述凹模和所述挡板通过螺钉连接，实现可拆卸地连接。
作为本发明的优选方案，所述第一上避让槽的深度为1-10mm，所述第一下避让槽的深度为1-10mm，所述第一下避让槽的深度是指所述第一下避让槽沿所述基准挡板宽度方向的深度，所述第一上避让槽的深度是指所述第一上避让槽沿所述基准挡板宽度方向的深度。
作为本发明的优选方案，所述第一上避让槽的高度a，上蒙皮厚度为a1，a1<a≤1.3a1，所述第一上避让槽的高度是指所述第一上避让槽沿所述基准挡板厚度方向的高度。
作为本发明更优选方案，所述第一下避让槽的高度b，下蒙皮厚度为b1，b1<b≤1.3b1，所述下避让槽的高度是指所述下避让槽沿所述基准挡板厚度方向的高度。
作为本发明的优选方案，所述基准挡板上设置有至少一个第一限位块，所述限位挡板上设置有至少一个第二限位块，所述第一限位块和所述第二限位块用于限制上蒙皮，防止上蒙皮在垂直于所述成型面切面的方向上发生移动。
作为本发明的优选方案，所述基准挡板包括第一挡板和第二挡板，所述第一挡板在与所述空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第一上避让槽和第一下避让槽。
作为本发明的优选方案，所述限位挡板包括第三挡板和第四挡板，所述第三挡板在与所述空腔对应面上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第二上避让槽和第二下避让槽。
作为本发明更优选方案，所述第一挡板是由至少两个第一条形块拼接而成，所述第二挡板是由至少两个第二条形块拼接而成，所述第三挡板是由至少两个第三条形块拼接而成，所述第四挡板是由至少两个第四条形块拼接而成；每个所述第一条形块或每个所述第二条形块或每个所述第三条形块或每个所述第四条形块之间相同或不同，且每个所述第一条形块、每个所述第二条形块、每个所述第三条形块和每个所述第四条形块之间各不相同。更更优选地，每个所述第一条形块或每个所述第二条形块或每个所述第三条形块或每个所述第四条形块之间不相同。在本发明中，第一挡板、第二挡板、第三挡板和第四挡板均采用拼接而成，这种拼接的方式可以让所述挡板和所述成型面更好地匹配连接；若挡板中的局部损坏或变形，也方便维修或更换。
作为本发明更优选方案，所述第一限位块设置于所述第一挡板的顶面，所述第二限位块设置于所述第三挡板的顶面。
作为本发明更优选方案，每个所述第一限位块靠近所述空腔的一面与所述第一上避让槽的底面相平齐，每个所述第二限位块靠近所述空腔的一面与所述第二上避让槽的底面相平齐，所述第一上避让槽的底面是指所述第一上避让槽沿第一挡板厚度方向的一面，所述第二上避让槽的底面是指所述第二上避让槽沿第三挡板厚度方向的一面。
本发明还提供了一种曲面金属蜂窝复合材料的成型方法，采用上述所述的模具，包括以下步骤：
S1、将所述基准挡板连接在所述凹模上；
S2、在所述凹模的成型面上铺设下蒙皮，将所述限位挡板连接在所述凹模上；在下蒙皮上从下到上依次铺设胶膜、铝蜂窝芯、胶膜和上蒙皮；
S3、在S2中的模具上封装真空袋并抽真空；然后送入热压罐设备中进行热压固化成型；
S4、冷却至60℃以下，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
作为本发明的优选方案，S3中对真空袋抽真空后，真空袋内的真空度大于-0.6bar。
作为本发明的优选方案，S3中送入热压罐设备后，先对模具进行加压，压力大于2.0bar。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明所述的模具与曲面金属蜂窝复合材料的形状和弧度相匹配，在基准挡板和限位挡板上均设置有避让槽，可轻松地将各层原材料组装在空腔中进行热压固化成型，各层原材料之间紧密贴合且很好的贴紧在模具的成型面上，原材料与挡板之间不会产生干涉，确保复合材料热压固化成型中受力均匀，保证复合材料的胶接质量，精确控制复合材料的尺寸，提高复合材料的成品率和产品质量。
2、本发明所述的模具在基准挡板和限位挡板上分别设置有第一限位块和第二限位块，可以防止上蒙皮在垂直于所述成型面切面的方向上发生移动。
3、本发明所述的成型方法采用的模具结构简单，使用方便，可广泛应用于不同形状或类型的蜂窝复合材料。
附图说明：
图1为本发明曲面金属蜂窝复合材料爆炸图；
图2为本发明实施例1中模具的三维结构示意图；
图3为本发明实施例1中凹模的三维结构示意图；
图4为本发明实施例1中第一挡板的三维结构示意图；
图5为图4中A部放大图；
图6为本发明实施例1中第一挡板的侧面示意图；
图7为本发明实施例1中第二挡板的三维结构示意图；
图8为本发明实施例1中第三挡板的三维结构示意图；
图9为图8中B部放大图；
图10为本发明实施例1中第四挡板的三维结构示意图；
图11为本发明实施例2中原材料在模具中的放置示意图；
图中标记：1-下蒙皮，2-铝蜂窝芯，3-上蒙皮，4-凹模，41-定位孔，5-第一挡板，51-第一下避让槽，52-第一上避让槽，53-第一限位块，6-第二挡板，7-第三挡板，71-第二下避让槽，72-第二上避让槽，73-第二限位块，8-第四挡板。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作作为本发明的优选方案的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1-10所示，一种曲面金属蜂窝复合材料的模具，包括凹模4和挡板，凹模4和挡板可拆卸地连接；凹模4上设置有与曲面金属蜂窝复合材料相匹配的成型面，挡板与成型面形成空腔；挡板包括基准挡板和限位挡板，基准挡板在与空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第一上避让槽52和第一下避让槽51，限位挡板在与空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第二上避让槽72和第二下避让槽71，第一上避让槽52和第二上避让槽72相匹配，第一下避让槽51和第二下避让槽71相匹配。
成型面设置在凹模4凹面的中间，如图2-3所示，成型面是一个双曲面，在凹模上设置有定位孔41，定位孔41有多个，在挡板上设定有与每个定位孔匹配的通孔，螺钉能贯穿通孔拧紧在定位孔41中，通过螺钉实现凹模4和挡板的可拆卸连接。
基准挡板包括第一挡板5和第二挡板6，第一挡板5由两个第一条形块拼接而成，两个第一条形块不相同，如图4所示，第一挡板5沿着凹模4的成型面的左侧水平连接在凹模4上。如图7所示，第二挡板6由三个第二条形块拼接而成，三个第二条形块各不相同。第二挡板6沿着凹模4的成型面的上弧面方向连接在凹模4上，第一挡板5在与空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第一上避让槽52和第一下避让槽51；第一挡板5顶面设置第一限位块53，第一挡板5上有四个第一限位块53，每个第一限位块53靠近空腔的一面与第一上避让槽52的底面相平齐，如图5-6所示。
限位挡板包括第三挡板7和第四挡板8，第三挡板7由两个第三条形块拼接而成，两个第三条形块不相同，如图8所示，第三挡板7沿着凹模4的成型面的右侧水平连接在凹模4上。如图10所示，第四挡板8由三个第四条形块拼接而成，三个第四条形块各不相同，第四挡板8沿着凹模4的成型面的下弧面方向连接在凹模4上，第三挡板7在与空腔对应面上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第二上避让槽72和第二下避让槽71，如图9所示。第三挡板7顶面设置第二限位块73，第三挡板7上有四个第二限位块73，第二限位块73靠近空腔的一面与第二上避让槽72的底面相平齐。第一限位块53和第二限位块73用于限制上蒙皮3，防止上蒙皮3在垂直于成型面切面的方向上发生移动。
进一步地，第一上避让槽52的高度a，上蒙皮3厚度为a1，a1<a≤1.3a1，第一下避让槽51的高度b，下蒙皮1厚度为b1，b1<b≤1.3b1；具体地，在本实施例中第一上避让槽52的高度和第一下避让槽51的高度均为1mm。
进一步地，第一上避让槽52的深度为1-10mm，第一下避让槽51的深度为1-10mm，具体地，在本实施例中，第一上避让槽52的深度为4mm，第一下避让槽51的深度为3mm。第一上避让槽52和第二上避让槽72的大小相同，第一下避让槽51和第二下避让槽71的大小相同。
实施例2
本实施例提供了一种曲面金属蜂窝复合材料的成型方法，采用实施例1的模具，包括以下步骤：
S1、将基准挡板连接在凹模上；
S2、在凹模的成型面上铺设下蒙皮，将限位挡板连接在凹模上；在下蒙皮上从下到上依次铺设胶膜、铝蜂窝芯、胶膜和上蒙皮；
S3、在S2中的模具上封装真空袋并抽真空；然后送入热压罐设备中进行热压固化成型；
S4、冷却至60℃以下出罐，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
具体地，本实施例中的上蒙皮1和下蒙皮2均采用钣金蒙皮。在步骤S1中，依次将第一挡板5和第二挡板6通过螺钉固定连接在凹模4上，作为原材料的基准边；在步骤S2中，按照定位，先将下蒙皮3铺设在凹模4的成型面上，铺设过程中，若下蒙皮1左侧有多余部分可伸入第一下避让槽51内，然后按照定位依次将第三挡板7和第四挡板8通过螺钉固定连接在凹模4上，若下蒙皮1右侧有多余部分可伸入第二下避让槽71内，在下蒙皮1上从下到上依次铺设胶膜、铝蜂窝芯2、胶膜和上蒙皮3，在铺设上蒙皮3中，若上蒙皮3有多余部分可伸入第一上避让槽52和第二上避让槽72内，在模具上放置好原材料如图11所示。
在步骤S3中，在模具上封装真空袋，采用密封胶带将真空袋固定，制作真空系统，对真空袋抽真空，抽真空至-0.35～-0.33bar，抽至真空度后，检查真空袋的气密性，保证真空袋与原材料表面紧密贴合，合格之后将模具送入热压罐中，先对模具进行充气加压，压力为3.0±0.2bar，然后进行热压固化成型，热压罐温度设置为180±5℃，升温速度不大于3℃/min，固化时间2.5～3h，整个过程需对真空袋抽真空。热压固化完成后，在热压罐内降温，采用水冷以不大于2℃/min速率进行降温，降温至60℃以下出罐，自然冷却降至常温，卸真空；将模具取出，拆下固定的螺钉，将复合材料与模具脱模，得到曲面金属蜂窝复合材料。
本发明的模具与曲面金属蜂窝复合材料的形状和弧度相匹配，在基准挡板和限位挡板上均设置有避让槽，可轻松地将各层原材料组装在空腔中进行热压固化成型，各层原材料之间紧密贴合且很好的贴紧在模具的成型面上，原材料与挡板之间不会产生干涉，模具在基准挡板和限位挡板上分别设置有第一限位块和第二限位块，可以防止上蒙皮在垂直于所述成型面切面的方向上发生移动。本发明的模具确保复合材料热压固化成型中受力均匀，保证复合材料的胶接质量，精确控制复合材料的尺寸，提高复合材料的成品率和产品质量。
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 (10)
1.一种曲面金属蜂窝复合材料的模具，包括凹模(4)和挡板，所述凹模(4)和所述挡板可拆卸地连接，其特征在于，所述凹模(4)上设置有与曲面金属蜂窝复合材料相匹配的成型面，所述挡板与所述成型面形成空腔；
所述挡板包括基准挡板和限位挡板，所述基准挡板在与所述空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第一上避让槽(52)和第一下避让槽(51)，所述限位挡板在与所述空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第二上避让槽(72)和第二下避让槽(71)，所述第一上避让槽(52)和第二上避让槽相匹配(72)，所述第一下避让槽(51)和第二下避让槽(71)相匹配。
2.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述凹模(4)上设置有定位孔(41)，所述挡板上设有与所述定位孔(41)匹配的通孔，所述凹模(4)和所述挡板通过螺钉连接。
3.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述第一上避让槽(52)的深度为1-10mm，所述第一下避让槽(51)的深度为1-10mm。
4.根据权利要求3所述的模具，其特征在于，所述第一上避让槽(52)的高度a，上蒙皮(3)厚度为a1，a1<a≤1.3a1；所述第一下避让槽(51)的高度b，下蒙皮(1)厚度为b1，b1<b≤1.3b1。
5.根据权利要求1所述的模具，其特征在于，所述基准挡板上设置有至少一个第一限位块(53)，所述限位挡板上设置有至少一个第二限位块(73)。
6.根据权利要求5所述的模具，其特征在于，所述基准挡板包括第一挡板(5)和第二挡板(6)，所述第一挡板(5)在与所述空腔对应面的上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第一上避让槽(52)和第一下避让槽(51)。
7.根据权利要求6所述的模具，其特征在于，所述限位挡板包括第三挡板(7)和第四挡板(8)，所述第三挡板(7)在与所述空腔对应面上边缘和下边缘分别设置有凹陷的第二上避让槽(72)和第二下避让槽(71)。
8.根据权利要求7所述的模具，其特征在于，所述第一限位块(53)设置于所述第一挡板(5)顶面，所述第二限位块(73)设置于所述第三挡板(7)顶面。
9.根据权利要求8所述的模具，其特征在于，每个所述第一限位块(53)靠近所述空腔的一面与所述第一上避让槽(52)的底面相平齐，每个所述第二限位块(53)靠近所述空腔的一面与所述第二上避让槽(72)的底面相平齐。
10.一种曲面金属蜂窝复合材料的成型方法，其特征在于，采用权利要求1-9任意一项所述的模具，包括以下步骤：
S1、将所述基准挡板连接在所述凹模(4)上；
S2、在所述凹模(4)的成型面上铺设下蒙皮(1)，将所述限位挡板连接在所述凹模(4)上；在下蒙皮(1)上从下到上依次铺设胶膜、铝蜂窝芯(2)、胶膜和上蒙皮(3)；
S3、在S2中的模具上封装真空袋并抽真空；然后送入热压罐设备中进行热压固化成型；
S4、冷却至60℃以下，脱模得到曲面金属蜂窝复合材料。
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