CN112571823B - 一种复合材料骨架、成型模具及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合材料骨架、成型模具及其成型方法，所述复合材料骨架成型模具包括相对设置的顶板、底板，以及设置于所述顶板与所述底板之间的前侧板、后侧板、左侧板以及右侧板；所述顶板、所述底板、所述前侧板、所述后侧板、所述左侧板以及所述右侧板共同围合构成骨架的成型区；其中，所述前侧板的底端与所述底板相铰接，所述前侧板的顶端与所述顶板可拆卸连接。本发明提供的复合材料骨架成型模具，通过在相邻连接板之间设置铰接结构，从而减少了复合材料骨架成型模具的零件数量，减少了装配以及拆卸的步骤，从而简化了装配以及拆卸过程，提高了装配以及拆卸效率，进而提高了复合材料骨架的成型效率。

Description

一种复合材料骨架、成型模具及其成型方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种复合材料骨架、成型模具及其成型方法。

背景技术

复合材料因具有可设计性强、高比强度、高比模量、重量轻、耐腐蚀、抗疲劳、减震降噪等优点，被广泛的应用于汽车、轨道交通以及航空等众多领域。

基于复合材料优异的特性，目前很多产品的骨架均采用复合材料骨架，以便于在保证骨架力学性能的基础上，还能够实现产品的减重。

由于许多产品骨架的结构均较为复杂，导致复合材料骨架的成型模具也较复杂；为便于脱模，目前复合材料骨架的模具均为多个部件组成的拼装结构，因零部件较多，装配过程繁琐，装配效率不高。

发明内容

本发明解决的问题是目前复合材料骨架的成型模具装配过程繁琐。

为解决上述问题，本发明提供一种复合材料骨架成型模具，包括相对设置的顶板、底板，以及设置于所述顶板与所述底板之间的前侧板、后侧板、左侧板以及右侧板；

所述顶板、所述底板、所述前侧板、所述后侧板、所述左侧板以及所述右侧板共同围合构成骨架的成型区；

其中，

所述前侧板的底端与所述底板相铰接，所述前侧板的顶端与所述顶板可拆卸连接。

可选地，所述前侧板与所述左侧板以及所述右侧板之间均设置有定位结构。

可选地，所述定位结构包括设置于所述前侧板上的定位销，以及设置于所述左侧板与所述右侧板上的定位孔，所述定位孔适于与所述定位销相配合，实现所述前侧板与所述左侧板以及所述右侧板之间的定位。

可选地，所述定位孔的顶端为弧形面。

可选地，所述定位销上设置有凸起，所述定位孔内设置有与所述凸起相适配的凹槽。

可选地，所述定位销与所述前侧板沿竖直方向滑动连接。

可选地，所述前侧板上设置有滑槽，所述定位销设置于所述滑槽内，且所述定位销通过弹簧与所述滑槽的顶端相连。

可选地，所述成型区内设置有连接孔定位结构。

本发明的另一目的在于提供一种复合材料骨架的成型方法，通过如上所述的复合材料骨架成型模具进行成型；

所述复合材料骨架的成型方法包括如下步骤：

S1：制备预浸料以及铜网；

S2：对所述复合材料骨架成型模具进行预处理；

S3：利用所述预浸料，分别于所述所述顶板、所述底板、所述前侧板、所述后侧板、所述左侧板以及所述右侧板的铺贴区进行铺贴，得到不同区域的铺层；

S4：在所述铺层上铺放所述铜网；

S5：将所述前侧板与所述底板合拢，并将所述前侧板的顶端与所述顶板相连；

S5：对铺放有所述铺层的所述复合材料骨架成型模具进行固化成型，得到骨架；

S6：对所述前侧板的顶端与所述顶板打开，并通过铰接位置将所述前侧板向外侧旋转，进行脱模。

本发明的又一目的在于提供一种复合材料骨架，通过如上所述的复合材料骨架成型模具成型。

与现有技术相比，本发明提供的复合材料骨架成型模具具有如下优势：

本发明提供的复合材料骨架成型模具，通过在相邻连接板之间设置铰接结构，从而减少了复合材料骨架成型模具的零件数量，减少了装配以及拆卸的步骤，从而简化了装配以及拆卸过程，提高了装配以及拆卸效率，进而提高了复合材料骨架的成型效率。

附图说明

图1为本发明所述的复合材料骨架成型模具的结构简图；

图2为本发明所述的复合材料骨架成型模具的爆炸图一；

图3为本发明所述的复合材料骨架成型模具的爆炸图二；

图4为图3中A处的局部放大图；

图5为本发明所述的定位孔结构简图；

图6为本发明所述的复合材料骨架的俯视图；

图7为本发明所述的复合材料骨架的前视图；

图8为本发明所述的复合材料骨架的后视图。

附图标记说明：

1-顶板；2-底板；21-凸台；3-前侧板；31-滑槽；32-缺口；4-后侧板；5-左侧板；6-右侧板；7-定位结构；71-定位销；711-凸起；712-弹簧；72-定位孔；721-凹槽；8-复合材料骨架；801-第一铺层区域；802-第二铺层区域；803-第三铺层区域；804-第四铺层区域；805-第五铺层区域；806-第六铺层区域；807-第七铺层区域；808-第八铺层区域；809-第九铺层区域；810-第十铺层区域；811-第十一铺层区域；812-第十二铺层区域；813-第十三铺层区域；814-第十四铺层区域；815-第十五铺层区域。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中表示，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第一特征之“上”或之“下”，可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

为解决目前复合材料骨架的成型模具装配过程繁琐，导致复合材料骨架的成型过程繁琐的问题，本发明提供一种复合材料骨架成型模具，参见图1、图2所示，该复合材料骨架成型模具包括相对设置的顶板1、底板2，以及设置于顶板1与底板2之间的前侧板3、后侧板4、左侧板5以及右侧板6；顶板1、底板2、前侧板3、后侧板4、左侧板5以及右侧板6共同围合构成骨架的成型区，围合构成成型区的各板的具体结构根据需要成型的骨架的结构而定，本文不对各板的具体结构进行限定。

本申请提供的复合材料成型模具为单面模具，适用于热压罐成型；并优选通过阴模成型来制备复合材料骨架，从而根据复合材料骨架的外形来对复合材料骨架成型模具，即对该成型模具中各板的结构进行设计，以复合材料骨架的外表面(装配面)作为贴膜面，保证制备的复合材料骨架外表面满足装配精度要求。

具体的，该复合材料骨架的成型模具使用过程中，顶板1与底板2平行相对设置，前侧板3、后侧板4、左侧板5以及右侧板6的上端均与顶板1相连，下端均与底板2相连，此外，相邻侧板之间也可以相连，以便于提高成型过程中模具结构的稳定性，提高制备的骨架的质量。

为便于成型过程中进行预浸料铺层，以及便于成型后进行脱模，目前的复合材料骨架成型模具中，相邻各板之间的连接方式均设置为可拆卸连接的方式；进行铺层处理时，将相邻各板之间从连接处进行拆卸，使各板单独放置；根据复合材料骨架的结构，分别对各单独放置的板进行铺层；铺层完成后，将各板相连，围合构成复合材料骨架；再将该放置有铺层的复合材料骨架成型模具进行固化处理，即可得到复合材料骨架；进行脱模时，将相邻各板从连接处进行拆卸，依次将各板取下，取出复合材料骨架，完成复合材料骨架的制造。

为减少复合材料骨架成型模具的零部件数量，本申请优选将该复合材料成型模具中的部分相邻板之间的连接方式设置为铰接，以便于在不影响铺层以及脱模操作的同时，减少复合材料骨架成型模具的零部件数量，简化对该复合材料骨架成型模具进行装配以及拆卸的步骤，提高效率。

其中，参见图3所示，本申请优选前侧板3的底端与底板2相铰接，前侧板3的顶端与顶板1可拆卸连接。

具体的，本申请中的可拆卸连接可以是通过紧固件连接。

使用该具有铰接结构的复合材料骨架成型模具时，将前侧板3的顶端与顶板1拆开，通过铰接结构将前侧板3与相邻的顶板1、左侧板5以及右侧板6分离，使前侧板3与底板2处于平放状态，同时将首先分别在组成该成型模具的各板相应的铺贴区进行铺层铺贴，然后分别将顶板1与后侧板4的顶端、左侧板5的顶端以及右侧板6的顶端相连，并将底板2与后侧板4的底端、左侧板5的底端以及右侧板6的底端高端相连，然后将前侧板3与顶板1合拢，并将前侧板3的顶端与顶板1通过紧固件连接，即可完成装配。

同样，固化成型后，进行拆卸过程中，由于前侧板3的底端与底板2铰接，脱模过程中，不需要将前侧板3的底端与底板2进行拆卸，将前侧板3的顶端与顶板2进行拆卸后，将前侧板2向外拉即可实现前侧板2位置处的脱模。

本发明提供的复合材料骨架成型模具，通过在相邻连接板之间设置铰接结构，从而减少了复合材料骨架成型模具的零件数量，减少了装配以及拆卸的步骤，从而简化了装配以及拆卸过程，提高了装配以及拆卸效率，进而提高了复合材料骨架的成型效率。

其中铰接的具体结构可选用现有技术中的相关铰接结构，本申请不对铰接的具体结构进行限定；需要指出的是，为保证合模后前侧板3与顶板1以及左侧板5、右侧板6之间的间隙满足复合材料骨架的外表面精度需求，本申请优选前侧板3的底端设置有缺口32，底板2上设置有与缺口32相适配的凸台21，以便于在前侧板3与顶板1合拢后，底板2上的凸台21插入前侧板3底端的缺口32中，通过凸台21与缺口32相配合，使得前侧板3与顶板1以及左侧板5、右侧板6之间能够紧密接触，避免因铰接结构的存在而影响制备的复合材料骨架外表面的精度。

进一步的，为提高复合材料骨架成型模具的装配精度，参见图3～图5所示，本申请优选前侧板3与左侧板5以及右侧板6之间均设置有定位结构7，即在前侧板3与左侧板5相接触的位置，以及前侧板3与哟蹙二班6相接触的位置均设置有定位结构7；其中定位结构7的数量可根据复合材料骨架成型模具的尺寸而定。

本申请通过在前侧板3与左侧板5以及右侧板6之间设置定位结构，一方面有助于提高装配精度，从而提高复合材料骨架装配面的质量；另一方面通过定位还有助于降低装配难度，提高装配效率。

具体的，本申请优选定位结构7包括设置于前侧板3上的定位销71，以及设置于左侧板5与右侧板6上的定位孔72，定位孔72适于与定位销71相配合，实现前侧板3与左侧板5以及右侧板6之间的定位。

即在左侧板5以及右侧板6上均设置有定位孔72，同时，在前侧板3上设置有与左侧板5上的定位孔72相适配的定位销71，以及与右侧板6上的定位孔72相适配的定位销71；在对复合材料骨架成型模具进行装配过程中，将前侧板3与顶板1合拢过程时，前侧板3逐渐向左侧板5以及右侧板6靠近，通过定位销71插入相应的定位孔72中，实现定位。

进一步的，由于将前侧板3逐渐向左侧板5以及右侧板6靠近时，由于前侧板3与底板2相铰接，因此前侧板3定位销71插入定位孔72的过程中，前侧板3通过绕轴旋转的方式与顶板1合拢，从而定位销71插入定位孔72的过程中，定位销71于定位孔72中的高度呈弧形状变化，为便于在定位过程中对定位销71进行导向，参见图5所示，本申请优选定位孔72的顶端为弧形面，从而进一步降低复合材料骨架成型模具的装配难度。

此外，为提高装配后前侧板3与左侧板5以及右侧板6之间的连接强度，本申请优选定位销71上设置有凸起711，定位孔72内设置有与凸起711相适配的凹槽721，通过将凸起711设置于凹槽721内，避免点位销71从定位孔72中脱出。

进一步的，本申请优选定位销71与前侧板3沿竖直方向滑动连，即定位销71于前侧板3上沿竖直方向滑动，从而通过滑动来对定位销71的高度进行调节，便于在将前侧板3进行合拢的过程中将定位销71插入定位孔72中。

为实现定位销71与前侧板3的滑动连接，本申请优选前侧板3上设置有滑槽31，定位销71设置于该滑槽31内，且定位销71通过弹簧712与滑槽31的顶端相连。

在需要将定位销71插入定位孔72中时，向下拉伸定位销71，使定位销71于滑槽31中向下滑动至与定位孔72相适配的高度，在进一步将定位销71插入定位孔72中；在脱模过程中，将前侧板3与顶板1之间的连接结构打开的过程中，前侧板3逐渐远离顶板1，在该过程中，弹簧712对定位销71施加向上的拉力，在该拉力作用下，定位销71向上滑动，从而自动从定位孔72中脱出，实现定位销71的自动复位。

需要说明的是，本申请提供的复合材料骨架成型模具中，除前侧板3与底板2之间设置铰接结构外，其他相邻的连接板之间也可以设置铰接结构，具体铰接结构的结构形式可参照前侧板3与底板2之间的铰接结构。

进一步的，为便于后续的在复合材料骨架上进行钻孔，本申请优选成型区内设置有连接孔定位结构，即在顶板1、底板2、前侧板3、后侧板4、左侧板5以及右侧板6上的铺贴区内，根据复合材料骨架上的钻孔位置，设置有定位结构，从而使得通过本申请提供的复合材料骨架成型模具制备的复合材料骨架外表面上，设置有连接孔的定位痕迹，在将复合材料骨架上进行钻孔时，可直接通过定位痕迹来确定钻孔位置，一方面降低定位难度，提高钻孔效率，另一方面还有助于提高钻孔的定位精度。

本申请提供的复合材料骨架成型模具，可重复拆卸，从而便于后续脱模；当预浸料的铺贴结束后，沿着模具外围打真空袋，进热压罐成型；成型后将外侧的成型模具拆卸，即可得到复合材料骨架。

本申请的另一目的在于提供一种复合材料骨架的成型方法，该成型方法通过如带上所述的复合材料骨架成型模具进行成型；

复合材料骨架的成型方法包括如下步骤：

S1：制备预浸料以及铜网；

S2：对复合材料骨架成型模具进行预处理；

S3：利用预浸料，分别于所述顶板1、底板2、前侧板3、后侧板4、左侧板5以及右侧板6的铺贴区进行铺贴，得到不同区域的铺层；

S4：在铺层上铺放铜网；

S5：将前侧板3与底板2合拢，并将前侧板3的顶端与顶板1相连；

S5：对铺放有铺层的复合材料骨架成型模具进行固化成型，得到骨架；

S6：对前侧板3的顶端与顶板1打开，并通过铰接位置将前侧板3向外侧旋转，进行脱模。

预浸料的具体材料可根据估价的具体需求而定，本申请优选该骨架的复合材料为T700/P-1碳纤维高温环氧预浸料铺层，此材料的性能如下：

a)固化温度为180℃，tg值为130℃，具有良好的耐高温性，在100℃使用温度下力学性能下降较小；

(b)强度高、冲击韧性好；

(c)与内部金属不存在电位腐蚀问题。

T700/P-1碳纤维高温环氧预浸料的力学性能见表1所示：

表1 T700/P-1碳纤维预浸料主要力学性能

本申请中的铜网，通过防雷试验，能够满足电流等级要求，此外铜网表面的薄层能够为铜网提供一定的保护作用，使得铜网具备耐盐雾和霉菌腐蚀性能。

具体制备过程中，从冷库中取出单向预浸料、平纹预浸料以及铜网，放置于室温条件下，待用；准备复合材料成型模具，对成型模具的成型区表面进行清理；根据复合材料骨架使用时的实际工况，使用Abaqus等强度计算软件计算出满足复合材料骨架使用工况的预浸料铺层顺序，按此铺层顺序，剪裁预浸料，使用自动裁布机将铺层所需的各个角度的预浸料料片剪裁好待用；按照既定的铺层顺序，将预浸料铺贴在复合材料骨架成型模具上。

铺贴过程中，首先铺一层平纹预浸料，预浸料之间采用搭接的方式连接；随后铺贴碳纤维单向预浸料，为尽可能的减少相邻两层之间的空隙，在铺完第一层后，抽真空，后面的每隔4层抽一次真空；依据复合材料预先设计的原则，同方向、同角度铺层；预浸料铺贴完毕后整铺一层铜网，铜网采用搭接的方式连接，搭接缝在5-10mm之间；打真空袋进罐成型固化，在复合材料骨架成型模具两边各排布2～3个抽真空的位置，确保零件的真空状态，在合材料骨架成型模具的内腔和外部均埋上热电偶，监控箱体固化的温度；固化成型后，对成型的复合材料骨架进行脱模；脱模过程中，由于前侧板3与底板2之间为铰接，可先将前侧板3的顶端与顶板1之间的连接结构进行拆卸后，向外侧拉伸前侧板3，实现前侧板3与骨架之间的脱模，简化了脱模步骤，降低了脱模难度；脱模后进行贴模度检测和无损检测，当两者都合格时，按照切割线切割精修；对于有横梁的复合材料骨架，横梁可以通过在复合材料成型模具上设置相应的铺贴区，来制备与复合材料骨架一体成型的横梁结构，也可以单独对横梁进行制备，再将制备的横梁与复合材料主体结构进行粘接，本申请优选单独铺复合材料骨架的横梁，然后通过铆钉将骨架主体与横梁连接，粘接剂使用DG-3。

根据复合材料骨架的具体结构，将复合材料骨架成型模具内划分为多个不同的铺层区域，根据不同位置处复合材料骨架的具体受力情况，设计不同铺层区域内的铺层角度、铺层厚度等；具体的，参见图6～图8所示，本申请以一种复合材料骨架为例，来对分区域铺层进行说明。

根据复合材料骨架8各不同位置处的受力特点，将该复合材料骨架8划分为第一铺层区域801、第二铺层区域802、第三铺层区域803、第四铺层区域804、第五铺层区域805、第六铺层区域806、第七铺层区域807、第八铺层区域808、第九铺层区域809、第十铺层区域810、第十一铺层区域811、第十二铺层区域812、第十三铺层区域813、第十四铺层区域814以及第十五铺层区域815。

考虑到复合材料骨架主要为框架结构，而受力形式主要为框架梁的弯曲变形，所以要求复合材料骨架具有较好的抗弯曲性能，本申请优选复合材料骨架8的框架各方向应以0°、±45°按一定比例循环铺层，板状部分的铺层为0°、90°及±45°按一定比例循环铺层；各区域不同纤维取向预浸料层数如表2所示：

表2各铺层区域不同纤维取向预浸料层数

此外，本申请提供的成型方法，优选从复合材料骨架8的顶部开始铺层，最后在骨架的底部解耦股铺层，并在转角处加碳捻丝加强层。

本发明提供的复合材料骨架的成型方法，可以实现复合材料骨架的一步成型，操作步骤少，可降低热压罐的使用，进而降低能耗，同时减少连接件的使用。

本发明的另一目的在于提供一种复合材料骨架，该复合材料骨架通过如上所述的复合材料骨架成型模具成型。

本发明提供的复合材料骨架，为一体成型结构；该复合材料骨架的外表面为碳纤维或玻璃纤维层合板，内表面为防雷击铜网，具有较好的防雷击性能；由于该复合材料骨架采用阴模成型方法，复合材料骨架的外表面为贴模面，能够保证装配面的质量和平面度，使得复合材料骨架的尺寸精度高，表面质量好，能够满足机械设备的装配要求。

本发明提供的复合材料骨架，由于成型模具中设置有铰接结构，使得复合材料骨架的成型以及脱模过程均较为简单，从而有利于提高复合材料骨架的成型效率。

此外，由于复合材料骨架成型模具内设置有成型区内设置有连接孔定位结构，即在顶板1、底板2、前侧板3、后侧板4、左侧板5以及右侧板6上的铺贴区内，根据复合材料骨架上的钻孔位置，设置有定位结构，从而使得通过本申请提供的复合材料骨架成型模具制备的复合材料骨架外表面上，设置有连接孔的定位痕迹，在将复合材料骨架上进行钻孔时，可直接通过定位痕迹来确定钻孔位置，一方面降低定位难度，提高钻孔效率，另一方面还有助于提高钻孔的定位精度。

进一步的，本申请优选在复合材料骨架的装配面和其他装配面之间使用硅橡胶密封片和南大705硅橡胶粘贴，保证托板螺母处不会漏水，提高防水性能。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种复合材料骨架成型模具，其特征在于，包括相对设置的顶板（1）、底板（2），以及设置于所述顶板（1）与所述底板（2）之间的前侧板（3）、后侧板（4）、左侧板（5）以及右侧板（6）；

所述顶板（1）、所述底板（2）、所述前侧板（3）、所述后侧板（4）、所述左侧板（5）以及所述右侧板（6）共同围合构成骨架的成型区；

其中，

所述前侧板（3）的底端与所述底板（2）相铰接，所述前侧板（3）的顶端与所述顶板（1）可拆卸连接；

所述前侧板（3）与所述左侧板（5）以及所述右侧板（6）之间均设置有定位结构（7）；

所述定位结构（7）包括设置于所述前侧板（3）上的定位销（71），以及设置于所述左侧板（5）与所述右侧板（6）上的定位孔（72），所述定位孔（72）适于与所述定位销（71）相配合，实现所述前侧板（3）与所述左侧板（5）以及所述右侧板（6）之间的定位；

所述定位销（71）上设置有凸起（711），所述定位孔（72）内设置有与所述凸起（711）相适配的凹槽（721）；

所述定位销（71）与所述前侧板（3）沿竖直方向滑动连接；

所述前侧板（3）上设置有滑槽（31），所述定位销（71）设置于所述滑槽（31）内，且所述定位销（71）通过弹簧（712）与所述滑槽（31）的顶端相连。

2.如权利要求1所述的复合材料骨架成型模具，其特征在于，所述定位孔（72）的顶端为弧形面。

3.如权利要求1或2所述的复合材料骨架成型模具，其特征在于，所述成型区内设置有连接孔定位结构。

4.一种复合材料骨架的成型方法，其特征在于，通过如权利要求1~3任一项所述的复合材料骨架成型模具进行成型；

所述复合材料骨架的成型方法包括如下步骤：

S1：制备预浸料以及铜网；

S2：对所述复合材料骨架成型模具进行预处理；

S3：利用所述预浸料，分别于所述顶板（1）、所述底板（2）、所述前侧板（3）、所述后侧板（4）、所述左侧板（5）以及所述右侧板（6）的铺贴区进行铺贴，得到不同区域的铺层；

S4：在所述铺层上铺放所述铜网；

S5：将所述前侧板（3）与所述底板（2）合拢，并将所述前侧板（3）的顶端与所述顶板（1）相连；

S5：对铺放有所述铺层的所述复合材料骨架成型模具进行固化成型，得到骨架；

S6：对所述前侧板（3）的顶端与所述顶板（1）打开，并通过铰接位置将所述前侧板（3）向外侧旋转，进行脱模。

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