CN112549581A - 一种复合材料筋条成型模具及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合材料筋条成型模具及成型方法。包括左模具、右模具、下模具、前密封板和后密封板；左模具上设置有用于铺贴复合材料的铺贴槽一，铺贴槽一与左模具的过渡处设置为斜面一；右模具上设置有用于铺贴复合材料的铺贴槽二，铺贴槽二与右模具的过渡处设置为斜面二；铺贴槽一与铺贴槽二互为镜像；左模具与右模具连接在下模具上；前密封板和后密封板连接在左模具和右模具的两端，用于合模后将模具两端之间的缝隙密封。成型方法：S1预浸料准备；S2模具预处理；S3预浸料铺贴；S4合模密封；S5固化成型；S6脱模。本发明的成型模具结构简单，成本低；本发明的模具及方法制得的筋条胶接共固化后所得产品不会形成褶皱，不影响产品外观和性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料成型领域，具体涉及一种复合材料筋条成型模具及成型方法。
背景技术
先进复合材料用于加工主承力结构和次承力结构，其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前被大量地应用在飞机机身结构制造上和小型无人机整体结构制造上。以典型的第四代战斗机F/A-22为例复合材料占24.2％，主要应用部位为机翼、中机身蒙皮和隔框、尾翼等。为了减少重量和降低装配难度，通常会设计一体件，就是把两个或者多个零件一起成型，无需通过紧固件或其他方法进行连接，所述一体件成型工艺常见有以下3种:(1)二次胶接(两个或多个零件分别固化，然后组装二次胶接)；(2)共固化(两个或多个零件分别铺叠预成型，再组装胶接共固化)；(3)胶接共固化(一个或者其中几个零件固化，再与未固化的预成型零件胶接共固化)。这三种成型工艺各有优缺点，在选择成型方式时，必须结合产品的结构形式、外形尺寸和设计使用要求等确定适合的成型方式。目前大型碳纤维复合材料结构的成型目前普遍选择胶接共固化工艺，相对于二次胶接，胶接共固化有较好的胶接质量，节省了一次热压罐的使用，并且成型效率较高。相对于共固化，胶接共固化的模具结构相对简单，工装设计加工成本低。
对于胶接共固化由于不是通过紧固件连接，两者可能由于胶接质量不好而分离，从而影响结构的性能，因此，保证两者之间的粘接质量要求就显得尤为重要。传统的零件厚度方向与宽度方向是垂直的，对于胶接共固化工艺(干筋条、湿平板)来说，成型后容易在零件粘接旁边区域产生褶皱，如图1所示。产生原因是因为传统的胶接共固化工艺是一个或者其中几个零件先固化，再与未固化的预成型零件胶接，然后再用真空袋封装后，抽真空，一起进热压罐固化。在抽真空过程中，真空袋会在两个零件粘接贴合面的边缘产生一个真空腔，并不能很好的压实整个零件表面，如图2所示；在固化后出来的产品就会在此处形成褶皱。从而导致制造出来的产品不仅外观质量不好，另外还影响其产品性能。如图2所示，已固化零件与预成型体进行粘接后用真空袋封装抽真空，由于厚度突变，形成台阶，此处真空袋不能完整的贴合预成型体，从而产生真空腔，在进行热压罐加热固化过程中由于此处压力与其他处压力不同，从而会产生褶皱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合材料筋条成型模具及成型方法，通过本发明的方案成型得到的复合材料筋条在与预成型零件胶接共固化后出来的产品不会形成褶皱，从而不会导致制造出来的产品其外观和性能受到影响；且本发明所提供的成型模具其结构简单、操作方便、成本低；本发明还提供了一种工艺简单的复合材料筋条成型方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种复合材料筋条成型模具，其特征在于，包括左模具、右模具、下模具、前密封板和后密封板；所述左模具上设置有用于铺贴复合材料的铺贴槽一，所述铺贴槽一沿所述左模具上两个连续的侧面设置，且所述铺贴槽一与其中一个侧面的过渡处设置为斜面一；所述右模具上设置有用于铺贴复合材料的铺贴槽二，所述铺贴槽二沿所述右模具上两个连续的侧面设置，且所述铺贴槽二与其中一个侧面的过渡处设置为斜面二；所述铺贴槽一与所述铺贴槽二互为镜像；所述左模具与所述右模具连接在所述下模具上；所述前密封板和所述后密封板分别连接在所述左模具和所述右模具的两端，用于合模后将所述左模具与所述右模具两端之间的缝隙进行密封。具体地，所述的铺贴槽一开设在所述左模具的侧面上并且沿着该侧面延伸至相邻的一个侧面；所述的铺贴槽二开设在所述右模具的侧面上并且沿着该侧面延伸至相邻的一个侧面。在所述铺贴槽一和所述铺贴槽二的一端设置所述斜面一和所述斜面二，这样在铺贴复合材料后可以成型带有斜面的复合材料筋条；然后在复合材料筋条与预成型零件胶接共固化的过程中，由于筋条上斜面的存在，不会在筋条与预成型零件之间产生空腔，从而在胶接共固化后的产品中产生褶皱，提升了产品的品质。
进一步地，所述左模具上设置有若干第一固定孔；所述右模具上设置有若干第二固定孔；且所述第一固定孔与所述第二固定孔一一对应。具体地，所述的第一固定孔和所述第二固定孔为螺纹孔，通过在所述第一固定孔和所述第二固定孔中连接螺栓可将合模后的所述左模具和所述右模具紧密连接在一起，使得所述左模具与所述右模具合模后更紧密，利于模具中的复合材料固化成型。
进一步地，所述左模具上还设置有若干空腔一，且所述空腔一贯穿所述左模具；所述右模具上设置有与所述空腔一相同的空腔二。具体地，在所述左模具和所述右模具上分别设置所述空腔一和所述空腔二，此设计可以使得在复合材料固化成型时能够受热均匀，且升温快，提高成型效率和质量。
进一步地，所述空腔一中对应设置有第三固定孔；所述空腔二中也对应设置有第四固定孔；所述下模具上设置有与所述第三固定孔和所述第四固定孔对应的第五固定孔。具体地，所述的第三固定孔、所述第四固定孔和所述的第五固定孔均为螺纹孔；通过在所述第三固定孔和所述第五固定孔中连接螺栓将所述左模具固定连在所述下模具上，通过在所述第四固定孔和所述第五固定孔中连接螺栓将所述右模具固定连在所述下模具上，将所述左模具与所述右模具固定在所述下模具上即完成合模。
进一步地，所述前密封板上设置有榫卯卡槽一；所述后密封板上设置有榫卯卡槽二；所述左模具的两端分别设置有榫头一和榫头二；所述右模具的两端分别设置有榫头三和榫头四；且合模后所述榫头一和所述榫头三处于同一水平线上、所述榫头二和所述榫头四处于同一水平线上，且所述榫头一与所述榫头三插接在所述榫卯卡槽一中、所述榫头二和所述榫头四插接在所述榫卯卡槽二中。通过榫卯的连接方式将所述前密封板和所述后密封板连接在所述左模具和所述右模具的两端，此结构简单美观且连接牢靠，成本低。
进一步地，所述左模具和所述右模具上分别设置有用于合模后转运模具的起吊环一和起吊环二，且所述起吊环一靠近所述前密封板设置，所述起吊环二靠近所述后密封板设置。具体地，将所述的起吊环一设置在所述左模具上靠近所述前密封板的一侧，将所述的起吊环二设置在所述右模具上靠近所述后密封板的一侧，是为了方便合模后模具起吊保持平衡。
一种复合材料筋条成型方法，其特征在于，利用上述的成型模具进行复合材料筋条铺贴成型，包括如下步骤：
S1、预浸料准备：根据复合材料筋条的成分，准备预浸料；
S2、模具预处理：将所述铺贴槽一和所述铺贴槽二清洗，然后在其中涂覆脱模剂；
S3、预浸料铺贴：分别在涂覆了脱模剂的所述铺贴槽一和所述铺贴槽二中铺贴所述预浸料；且所述预浸料铺贴时边界逐层递增，沿所述斜面一和所述斜面二铺贴；
S4、合模、密封：待所述铺贴槽一和所述铺贴槽二中的预浸料全部铺贴完成后，将所述左模具和所述右模具合模并固定于所述下模具上；然后将所述前密封板和所述后密封板分别连接到合模后的所述左模具和所述右模具的两端；
S5、固化成型：将合模后的模具转移到热压罐中，按照所述预浸料的固化曲线固化成型；
S6、脱模：固化成型后脱模，得到复合材料筋条。
一种复合材料筋条成型方法，包括如下具体的步骤：
S1、预浸料准备：根据复合材料筋条的成分，准备预浸料；
S2、模具预处理：将所述铺贴槽一和所述铺贴槽二清洗，清洗后晾干，然后在所述铺贴槽一和所述铺贴槽二中涂覆脱模剂；
S3、预浸料铺贴：分别在涂覆了脱模剂的所述铺贴槽一和所述铺贴槽二中铺贴所述预浸料；由于且所述铺贴槽一和所述铺贴槽二中分别设置有斜面一和斜面二，因此在预浸料铺贴时边界需要逐层递增，沿所述斜面一和所述斜面二的表面铺贴；
S4、合模、密封：待所述铺贴槽一和所述铺贴槽二中的预浸料全部铺贴完成后，将所述左模具和所述右模具合模并通过在所述第三固定孔、所述第四固定孔和所述第五固定孔中连接螺栓，将所述左模具和所述右模具固定连接在所述下模具上；然后通过所述榫卯卡槽一将所述前密封板插接到所述榫头一和所述榫头三中，通过所述榫卯卡槽二将所述后密封板插接到所述榫头二和所述榫头四中，即将所述前密封板和所述后密封板分连接到合模后的所述左模具和所述右模具的两端，用于将左模具和右模具两端的缝隙密封；前密封板和后密封板固定好之后，然后在第六固定孔和第八固定孔中连接螺栓将前密封板进一步与左模具和右模具固定；在第七固定孔和第九固定孔中连接螺栓进一步将后密封板与左模具和右模具固定；
S5、固化成型：通过在起吊环一和起吊环二中连接外接设备，将合模并全部固定好之后的模具，转移到热压罐中，按照所述预浸料的固化曲线进行固化成型；
S6、脱模：固化成型后脱模，即得到复合材料筋条。
进一步地，S1、预浸料准备：所述的预浸料为玻璃纤维或石英纤维与环氧树脂或氰酸树脂或双马树脂的混合材料。即所述的预浸料为玻璃纤维/环氧树脂复合材料、玻璃纤维/氰酸树脂复合材料、玻璃纤维/双马树脂复合材料、石英纤维/环氧树脂复合材料、石英纤维/氰酸树脂复合材料、石英纤维/双马树脂复合材料中的任一种。
进一步地，S2、模具预处理：将所述铺贴槽一和所述铺贴槽二用丙酮清洗3-5次，并确认其成型面没有损伤，使用前在所述铺贴槽一和所述铺贴槽二中涂覆乐泰770-NC脱模剂。
本发明的有益效果：
本发明通过设计一种新的成型模具，其结构简单，操作方便，成本低；采用本发明的模具及方法制得的复合材料筋条在与预成型零件胶接共固化后出来的产品不会形成褶皱，从而不会导致制造出来的产品其外观和性能受到影响；解决了传统胶接共固化后产品产生褶皱的问题。通过本发明的成型模具及方法提高了制造效率，且成型质量好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，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附图。
图1为传统胶接共固化零件褶皱示意图；
图2为传统胶接共固化真空袋抽真空后示意图；
图3为本发明成型模具的结构示意图；
图4为本发明成型模具合模后的结构图；
图5为本发明成型模具左模具和右模具的剖面图；
图6为本发明左模具和右模具铺贴预浸料的示意图；
图7为本发明制得筋条与预成型零件的胶接共固化示意图。
图中：1左模具、2右模具、3下模具、4前密封板、5后密封板、11铺贴槽一、12斜面一、13第一固定孔、14空腔一、15第三固定孔、16榫头一、17榫头二、18第八固定孔、19起吊环一、20预成型零件、21铺贴槽二、22斜面二、23第二固定孔、24起吊环二、25榫头三、31第五固定孔、41榫卯卡槽一、42第六固定孔、51榫卯卡槽二、52第七固定孔、60筋条、70褶皱、80预成型零件、90真空腔、100真空袋、110预浸料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，传统的筋条60厚度方向与宽度方向是垂直的，对于胶接共固化工艺来说(即筋条60与预成型零件80胶接共固化)，共固化成型后容易在所制得的产品上产生褶皱70(即在筋条60和预成型零件80的粘接旁边区域产生褶皱70)。如图2所示，产生原因是因为传统的胶接共固化工艺是一个或者其中几个零件先固化，再与未固化的预成型零件80胶接，然后再用真空袋100封装后，抽真空，一起进热压罐固化；在抽真空过程中，真空袋100会在两个零件粘接贴合面的边缘产生一个真空腔90，并不能很好的压实整个零件表面。
实施例1
如图3-5所示，一种复合材料筋条成型模具，包括左模具1、右模具2、下模具3、前密封板4和后密封板5；左模具1上设置有用于铺贴复合材料的铺贴槽一11，所述铺贴槽一11沿所述左模具1上两个连续的侧面设置，且所述铺贴槽一11与其中一个侧面的过渡处设置为斜面一12；所述右模具2上设置有用于铺贴复合材料的铺贴槽二21，所述铺贴槽二21沿所述右模具2上两个连续的侧面设置，且所述铺贴槽二21与其中一个侧面的过渡处设置为斜面二22；所述铺贴槽一11与所述铺贴槽二21互为镜像；所述左模具1上设置有若干空腔一14，所述空腔一14贯穿所述左模具1；所述右模具2上设置有与所述空腔一14相同的空腔二(图中未示出)，设置空腔一和空腔二利于高温固化成型时升温，也使得受热均匀；所述空腔一14中对应设置有第三固定孔15；所述空腔二中也对应设置有第四固定孔(图中未示出)；所述下模具3上设置有与所述第三固定孔15和所述第四固定孔对应的第五固定孔31，在所述第三固定孔15、所述第四固定孔和所述第五固定孔31中连接螺栓，将所述左模具1和所述右模具2合模并固定于所述下模具3上；所述左模具1上设置有若干第一固定孔13，所述右模具2上设置有若干第二固定孔23；且所述第一固定孔13与所述第二固定孔23一一对应，在第一固定孔13和第二固定孔23中连接螺栓将合模后的左模具1和右模具2进一步紧密连接；所述前密封板4和所述后密封板5分别连接在所述左模具1和所述右模具2的两端，并用于合模后将所述左模具1与所述右模具2两端之间的缝隙进行密封。
优选地，上述前密封板4上设置有榫卯卡槽一41；所述后密封板5上设置有榫卯卡槽二51；所述左模具1的两端分别设置有榫头一16和榫头二17；所述右模具2的两端分别设置有榫头三25和榫头四(图中未示出)；且合模后所述榫头一16和所述榫头三25处于同一水平线上、所述榫头二17和所述榫头四处于同一水平线上，且所述榫头一16与所述榫头三25插接在所述榫卯卡槽一41中、所述榫头二17和所述榫头四插接在所述榫卯卡槽二51中。优选地，上述前密封板4上还设置有第六固定孔42；所述后密封板5上设置有第七固定孔52；所述左模具1和所述右模具2的两端设置有分别与所述第六固定孔42和所述第七固定孔52相对应的第八固定孔18和第九固定孔；通过在所述第六固定孔42和所述第八固定孔18中连接螺栓，进一步将所述前密封板4固定在合模后的左模具1和右模具2的两端；通过在所述第七固定孔52和所述第九固定孔中连接螺栓，进一步将所述后密封板5固定在合模后的左模具1和右模具2的两端，通过前密封板4和后密封板5使得合模后的模具密封性更好。
一种复合材料筋条成型方法，使用上述实施例中的成型模具进行铺贴成型，包括如下的步骤：
S1、预浸料准备：根据复合材料筋条的成分，准备玻璃纤维/环氧树脂预浸料110；
S2、模具预处理：将所述铺贴槽一11和所述铺贴槽二21用丙酮清洗3，清洗后自然晾干，然后在所述铺贴槽一11和所述铺贴槽二21中涂覆乐泰770-NC脱模剂；
S3、预浸料铺贴：分别在涂覆了脱模剂的所述铺贴槽一11和所述铺贴槽二21中铺贴所述璃纤维/环氧树脂预浸料110；由于且所述铺贴槽一11和所述铺贴槽二21中分别设置有斜面一12和斜面二22，因此在璃纤维/环氧树脂预浸料铺贴时边界需要逐层递增，沿所述斜面一12和所述斜面二22的表面铺贴，如图6所示；
S4、合模、密封：待所述铺贴槽一11和所述铺贴槽二21中的预浸料全部铺贴完成后，将所述左模具1和所述右模具2合模并通过在所述第三固定孔15、所述第四固定孔和所述第五固定孔31中连接螺栓，将所述左模具1和所述右模具2固定连接在所述下模具3上；然后在所述第一固定孔13和所述第二固定孔23中连接螺栓将所述左模具1和所述右模具2拧紧使之紧密连接；然后通过所述榫卯卡槽一41将所述前密封板4插接到所述榫头一16和所述榫头三25中，通过所述榫卯卡槽二51将所述后密封板5插接到所述榫头二17和所述榫头四中，即将所述前密封板4和所述后密封板5分连接到合模后的所述左模具1和所述右模具2的两端，用于将合模后左模具1和右模具2两端的缝隙密封；前密封板4和后密封板5固定好之后，然后在第六固定孔42和第八固定孔中连接螺栓将前密封板4进一步与左模具1和右模具2固定；在第七固定孔52和第九固定孔中连接螺栓进一步将后密封板5与左模具1和右模具2固定；
S5、固化成型：通过在起吊环一19和起吊环二24中连接外接设备，将合模并全部固定好之后的模具，转移到热压罐中，按照所述预浸料的固化曲线进行固化成型；
S6、脱模：固化成型后脱模，即得到复合材料筋条。
如图7所示，将制得的复合材料筋条60与预成型零件80胶接并放入真空袋100中，然后在热压罐中共固化，不会产生如图1所示的褶皱，从而提升了胶接共固化后产品的外观品质以及产品性能。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种复合材料筋条成型模具，其特征在于，包括左模具(1)、右模具(2)、下模具(3)、前密封板(4)和后密封板(5)；所述左模具(1)上设置有用于铺贴复合材料的铺贴槽一(11)，所述铺贴槽一(11)沿所述左模具(1)上两个连续的侧面设置，且所述铺贴槽一(11)与其中一个侧面的过渡处设置为斜面一(12)；所述右模具(2)上设置有用于铺贴复合材料的铺贴槽二(21)，所述铺贴槽二(21)沿所述右模具(2)上两个连续的侧面设置，且所述铺贴槽二(21)与其中一个侧面的过渡处设置为斜面二(22)；所述铺贴槽一(11)与所述铺贴槽二(21)互为镜像；所述左模具(1)与所述右模具(2)连接在所述下模具(3)上；所述前密封板(4)和所述后密封板(5)分别连接在所述左模具(1)和所述右模具(2)的两端，用于合模后将所述左模具(1)与所述右模具(2)两端之间的缝隙进行密封。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料筋条成型模具，其特征在于，所述左模具(1)上设置有若干第一固定孔(13)；所述右模具(2)上设置有若干第二固定孔(23)；且所述第一固定孔(13)与所述第二固定孔(23)一一对应。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料筋条成型模具，其特征在于，所述左模具(1)上还设置有若干空腔一(14)，且所述空腔一(14)贯穿所述左模具(1)；所述右模具(2)上设置有与所述空腔一(14)相同的空腔二。
4.根据权利要求3所述的一种复合材料筋条成型模具，其特征在于，所述空腔一(14)中对应设置有第三固定孔(15)；所述空腔二中也对应设置有第四固定孔；所述下模具(3)上设置有与所述第三固定孔(15)和所述第四固定孔对应的第五固定孔(31)。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料筋条成型模具，其特征在于，所述前密封板(4)上设置有榫卯卡槽一(41)；所述后密封板(5)上设置有榫卯卡槽二(51)；所述左模具(1)的两端分别设置有榫头一(16)和榫头二(17)；所述右模具(2)的两端分别设置有榫头三(25)和榫头四；且合模后所述榫头一(16)和所述榫头三(25)处于同一水平线上、所述榫头二(17)和所述榫头四处于同一水平线上，所述榫头一(16)与所述榫头三(25)插接在所述榫卯卡槽一(41)中、所述榫头二(17)和所述榫头四插接在所述榫卯卡槽二(51)中。
6.根据权利要求5所述的一种复合材料筋条成型模具，其特征在于，所述前密封板(4)上还设置有第六固定孔(42)；所述后密封板(5)上设置有第七固定孔(52)；所述左模具(1)和所述右模具(2)的两端设置有分别与所述第六固定孔(42)和所述第七固定孔(52)相对应的第八固定孔(18)和第九固定孔。
7.根据权利要求1所述的一种复合材料筋条成型模具，其特征在于，所述左模具(1)和所述右模具(2)上分别设置有用于合模后转运模具的起吊环一(19)和起吊环二(24)，且所述起吊环一(19)靠近所述前密封板(4)设置，所述起吊环二(24)靠近所述后密封板(5)设置。
8.一种复合材料筋条成型方法，其特征在于，利用上述权利要求1-7任一项所述的成型模具进行铺贴成型，包括如下步骤：
S1、预浸料准备：根据复合材料筋条的成分，准备预浸料；
S2、模具预处理：将所述铺贴槽一(11)和所述铺贴槽二(21)清洗，然后在其中涂覆脱模剂；
S3、预浸料铺贴：分别在涂覆了脱模剂的所述铺贴槽一(11)和所述铺贴槽二(21)中铺贴所述预浸料；且所述预浸料铺贴时边界逐层递增，沿所述斜面一(12)和所述斜面二(22)铺贴；
S4、合模、密封：待所述铺贴槽一(11)和所述铺贴槽二(21)中的预浸料全部铺贴完成后，将所述左模具(1)和所述右模具(2)合模并固定于所述下模具(3)上；然后将所述前密封板(4)和所述后密封板(5)分别连接到合模后的所述左模具(1)和所述右模具(2)的两端；
S5、固化成型：将合模后的模具转移到热压罐中，按照所述预浸料的固化曲线固化成型；
S6、脱模：固化成型后脱模，得到复合材料筋条。
9.根据权利要求8所述的一种复合材料筋条成型方法，其特征在于，S1、预浸料准备：所述的预浸料为玻璃纤维或石英纤维与环氧树脂或氰酸树脂或双马树脂的混合材料。
10.根据权利要求8所述的一种复合材料筋条成型方法，其特征在于，S2、模具预处理：将所述铺贴槽一(11)和所述铺贴槽二(21)用丙酮清洗3-5次，并确认其成型面没有损伤，使用前在所述铺贴槽一(11)和所述铺贴槽二(21)中涂覆乐泰770-NC脱模剂。
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