CN112592187B - 基于碳陶材料的航空叶片成型工装及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于碳陶材料的航空叶片成型工装及工艺，解决采用现有成型模具，在成型过程中存在模具定位偏心及成型后气膜槽加工困难的问题。成型工装，包括内模、外模、卡板组件与限位工装；卡板组件用于与内模及外模配合，实现内模及外模定位；限位工装用于在内模使用型面包裹纤维织物的过程中，在纤维织物相应部位加工气膜槽；在加工过程中，利用限位工装精确定位气膜槽间以及气膜槽与纤维织物的相对位置，防止人工测量引起的误差，导致叶片报废；利用卡板组件固定内模与外模的相对位置，防止内模与外模在成型过程中发生相对滑移，导致纤维织物型面(壁厚、曲率)发生变化，影响后期叶片加工的可操作性及叶片性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳陶材料的航空叶片模具及利用该模具制备叶片结构构件的方法。
背景技术
叶片是航空发动机的重要组成部分，是航空发动机中承受严苛的工作应力和高温、高压的重要部件，其研制技术和制造水平对发动机性能具有重要影响。
SiC/SiC复合材料与C/SiC复合材料是一种新型热结构/功能一体化战略材料，具有低密度、耐高温、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀，对裂纹不敏感，不发生灾难性损毁等特点，广泛应用于航空、航天、核电、光伏等重点领域。
碳陶材料结构件中纤维整体成型且纤维连续性较强，无需在线铆接或加工，可进一步的提高SiC/SiC复合材料以及C/SiC复合材料结构件的性能。碳陶材料结构件一般采用在成型模具上叠层SiC/SiC或C/SiC复合材料纤维织物后通过化学气象浸渗的方法制备，但是现有成型模具采用实心的内、外模整体结构，通过人工控制内、外模相对位置的成型工艺，在成型过程中存在模具定位偏心及成型后气膜槽加工困难的问题，因此无法应用于高精度要求的叶片的成型过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于碳陶材料的航空叶片成型工装及工艺，解决采用现有成型模具，在成型过程中存在模具定位偏心及成型后气膜槽加工困难的问题。
本发明的技术方案是提供一种基于碳陶材料的航空叶片成型工装，包括内模与外模，上述内模包括第一内模和第二内模；上述外模包括第一外模和第二外模；
其特殊之处在于：
还包括卡板组件与限位工装；上述卡板组件用于与内模及外模配合，实现内模及外模定位；上述限位工装用于在内模使用型面包裹纤维织物的过程中，在纤维织物相应部位加工气膜槽；
上述第一内模和第二内模的两端头均设有与卡板组件配合定位的内模定位凸台；
上述第一外模和第二外模的两端头均设有与卡板组件配合定位的外模定位凸台；
上述卡板组件上开设有与内模定位凸台及外模定位凸台相配合的定位槽或定位孔；内模定位凸台及外模定位凸台与定位槽或定位孔相配合；合模后，卡板组件紧靠外模与内模的端头，且卡板组件外表面与内模定位凸台及外模定位凸台端面齐平；
上述限位工装包括第一金属贴片和第二金属贴片，第一金属贴片及第二金属贴片的型面与纤维织物曲率相同，上述第一金属贴片上开设梳齿结构，梳齿槽的宽度、尺寸及数量与纤维织物气模槽的宽度、尺寸及数量相同；第一金属贴片与第二金属贴片上设有与外模对应的定位孔。
进一步地，上述卡板组件包括第一卡板、第二卡板、第三卡板与第四卡板；
上述第一卡板与第二卡板叠层相互配合实现内模与外模左端定位；
上述第三卡板与第四卡板叠层相互配合实现内模与外模右端定位；
上述第一卡板上端设有与第二外模左端外模定位凸台相适配的定位槽；上述第一卡板下端设有与第一内模及第二内模左端内模定位凸台相适配的定位槽；
上述第二卡板下端设有与第一外模左端外模定位凸台相适配的定位槽；上述第二卡板上端设有与第一内模及第二内模左端内模定位凸台相适配的定位槽；该定位槽与第一卡板下端的定位槽配合形成定位孔，第一内模及第二内模左端内模定位凸台插入相应定位孔实现定位；
上述第三卡板上端设有与第二外模右端外模定位凸台相适配的定位槽；下端设有与第一内模及第二内模右端内模定位凸台相适配的定位槽；
上述第四卡板下端设有与第一外模右端外模定位凸台相适配的定位槽；上述第四卡板上端设有与第一内模及第二内模右端内模定位凸台相适配的定位槽；该定位槽与第三卡板下端的定位槽配合形成定位孔，第一内模及第二内模右端内模定位凸台插入相应定位孔实现定位。
进一步地，为了便于后期合模固定，该成型工装还包括垫块，上述垫块用于限位第一外模和第二外模间距，同时起支撑作用。
本发明还提供一种基于碳陶材料的航空叶片成型工艺，其特殊之处在于，利用上述的基于碳陶材料的航空叶片成型工装实现，包括以下步骤：
步骤1：在第一内模和第二内模上分别包裹所需厚度的纤维织物；安装卡板组件分别固定第一内模和第二内模，确保第一内模和第二内模的内模定位凸台端面与卡板组件外表面齐平，然后在内模外表面再包裹上需厚度的纤维织物；
步骤2：安装第二外模，确保第二外模左右两端外模定位凸台与卡板组件对应的定位槽紧密贴合，第二外模左右两端外模定位凸台端面与卡板组件外表面齐平；
步骤3：在第一金属贴片和第二金属贴片之间装夹与叶片气膜槽等厚的纸张或木片(等厚硬纸板或正常打印纸均可)，同时使用定位销固定第一金属贴片和第二金属贴片，沿第一金属贴片的梳齿槽裁剪纸张或木片，获得与气膜槽单槽宽度相等、数量相同的纸条或木片；
步骤4：拆除第一金属贴片和第二金属贴片之间上夹剩余纸张或木片，将第二金属贴片安装在第二外模上，将需开设与气膜槽等厚的若干层纤维织物铺设在第二金属贴片上，通过第一金属贴片压紧后利用定位销与定位孔将金属限位工装固定在第二外模上；沿第一金属贴片的梳齿槽裁剪需开设气膜槽的若干层纤维织物，去除裁剪掉的、与气膜槽单槽宽度相等、数量相同的纤维织物条，在纤维织物相应部位形成气膜槽；
步骤5：拆除限位工装，重新使用定位销固定第一金属贴片于第二外模上；将步骤3获得的与气膜槽单槽宽度相等、数量相同的纸条或木片，参考第一金属贴片梳齿槽位置，分别嵌入纤维织物的气膜槽中；
步骤6：依次拆除第一金属贴片、定位销及第二外模；
步骤7：纤维织物尾部贴合后，使用碳纤维缝制纤维织物，内模使用前加工缝制孔，纤维织物尾部贴合处(无模具处)单独贯穿缝制；
步骤8：安装外模，要求第一外模、第二外模左右两端外模定位凸台与卡板组件凹槽紧密贴合，第一外模、第二外模两端的外模定位凸台端面分别与卡板组件外表面齐平；第一外模、第二外模开口处垫塞垫块；
步骤9：紧固模具，要求模具整体固定后，外模、内模、卡板组件四周端面齐平；
步骤10：叶片致密化成型过程中，依次去除紧固件及外模；
步骤11：叶片在进一步密化成型过程中，清除气膜槽内的纸条或木片(高温条件下已碳化)；然后依次去除卡板组件与内模；
步骤12：根据叶片结构加工相关尺寸。
进一步地，步骤1中，安装卡板组件分别固定第一内模和第二内模，具体步骤为：
将第一内模及第二内模左、右端内模定位凸台分别放置在第二卡板、第四卡板上端定位槽；
之后将第一卡板和第三卡板分别叠放在第二卡板和第四卡板上端，确保内模左端内模定位凸台位于第一卡板下端定位槽与第二卡板上端定位槽配合形成定位孔内，内模右端内模定位凸台位于第三卡板下端与第四卡板上端定位槽配合形成定位孔内；然后分别使用螺栓、螺母固定卡板组件，确保内模左、右端内模定位凸台端面与卡板组件外表面齐平。
本发明的有益效果是：
1、本发明模具定位精确；
(a)本发明利用限位工装精确定位气膜槽间以及气膜槽与纤维织物的相对位置，防止人工测量引起的误差，导致叶片报废；
(b)本发明利用卡板组件固定内模与外模的相对位置，防止内模与外模在成型过程中发生相对滑移，导致纤维织物型面(壁厚、曲率)发生变化，影响后期叶片加工的可操作性及叶片性能；
2、本发明气膜孔易于加工；
气膜孔开口尺寸一般小于10*10mm，深度30mm左右，且型面为曲面，目前使用刀杆直径均大于1mm，无法加工深度方向为曲面的气膜孔；本发明利用限位工装在内模使用型面包裹纤维织物的过程中，在纤维织物相应部位加工气膜槽，叶片成型过程，清除气膜槽位置预留纸条或木片，气膜孔自然形成，无需采用刀杆加工。
附图说明
图1为叶片结构示意图；
图2为纤维织物结构示意图；
图3为限位工装结构示意图；
图4为内模的安装位置示意图；
图5为外模结构示意图；
图6为卡板结构示意图，其中a为第一卡板与第二卡板叠层后的结构示意图，b为第三卡板与第三卡板叠层后的结构示意图；
图7为内模包裹纤维织物结构示意图；
图8为安装卡板组件结构示意图；
图9为安装第二外模结构示意图；
图10为利用限位工装裁剪后纸条或木片的结构示意图；
图11为利用限位工装裁剪气膜槽的结构示意图；
图12为安装外模结构示意图；
图13为模具整体固定结构示意图；
图14为图13中去除紧固件后的结构示意图；
图15为图14中去除外模结构示意图；
图16为清除气膜槽内的纸条或木片后的结构示意图；
图17为去除卡板组件后的结构示意图；
图18为去除内模的结构示意图；
图19为加工后叶片结构示意图。
图中附图标记为：01-气膜孔，1-外模，10-第一外模，11-第二外模，12-外模定位凸台，2-内模，20-第一内模，21-第二内模，22-内模定位凸台，3-卡板组件，30-第一卡板，31-第二卡板，32-第三卡板，33-第四卡板，34-卡板组件外表面，4-限位工装，40-第一金属贴片，41-第二金属贴片，42-梳齿槽，43-定位孔， 5-纤维织物。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
如图1所示，为本实施例需加工的叶片结构示意图，可以看出，其上开设有多个气膜孔01。图2为纤维织物结构示意图，其上相应的也开设有多个气膜孔。因该气膜孔开口尺寸一般小于10*10mm，深度30mm左右，且型面为曲面，利用刀杆无法加工。因此本发明设计一种成型工装，利用成型工装在内模使用型面包裹纤维织物的过程中，在纤维织物相应部位加工气膜槽，叶片成型过程，气膜孔自然形成。
结合图3至图6，本实施例的成型工装包括内模2、外模1、卡板组件3、与限位工装4及连接件。如图4所示，内模2包括第一内模20和第二内模21；第一内模20和第二内模21的两端头均设有与卡板组件3配合定位的内模定位凸台22。如图5所示，外模1包括第一外模10和第二外模11；第一外模10和第二外模11的两端头均设有与卡板组件3配合定位的外模定位凸台12。卡板组件3用于与内模2及外模1配合，实现内模2及外模1定位。如图6所示，卡板组件3包括方形的第一卡板30、第二卡板31、第三卡板32与第四卡板33；第一卡板30与第二卡板31叠层相互配合实现内模2与外模1左端定位；第三卡板32与第四卡板33叠层相互配合实现内模2与外模1右端定位；第一卡板 30上端设有与第二外模11左端外模定位凸台12相适配的定位槽；第一卡板30 下端设有与第一内模20及第二内模21左端内模定位凸台22相适配的定位槽；第二卡板31下端设有与第一外模10左端外模定位凸台12相适配的定位槽；第二卡板31上端设有与第一内模20及第二内模21左端内模定位凸台22相适配的定位槽；与第一卡板30下端的定位槽配合形成定位孔，第一内模20及第二内模21左端内模定位凸台22插入相应定位孔实现定位；第三卡板32上端设有与第二外模11右端外模定位凸台12相适配的定位槽；下端设有与第一内模20 及第二内模21右端内模定位凸台22相适配的定位槽；第四卡板33下端设有与第一外模10右端外模定位凸台12相适配的定位槽；第四卡板33上端设有与第一内模20及第二内模21右端内模定位凸台22相适配的定位槽；与第三卡板32 下端的定位槽配合形成定位孔，第一内模20及第二内模21右端内模定位凸台 22插入相应定位孔实现定位。为了限定第一外模10和第二外模11之间的间距，在二者之间塞入垫块6。模具整体固定后，要求外模1、内模2、卡板组件3四周端面齐平，公差±0.1mm，模具间贴合间隙小于0.1mm。
限位工装4用于在内模2使用型面包裹纤维织物的过程中，在纤维织物相应部位加工气膜槽。从图3可以看出，限位工装4包括第一金属贴片40和第二金属贴片41，第一金属贴片40及第二金属贴片41的型面与纤维织物曲率相同，第一金属贴片40上开设梳齿结构，梳齿槽42的宽度、尺寸及数量与纤维织物气模槽的宽度、尺寸及数量相同，从图中可以看出，本实施例总共包括六个梳齿槽。第一金属贴片40 与第二金属贴片41 上设有与外模1对应的定位孔43。
通过以下步骤成型：
步骤1：如图7及图8，在第一内模20和第二内模21分别包裹所需厚度的纤维织物5，将第一内模20及第二内模21左、右端内模定位凸台22分别放置在第二卡板31、第四卡板33上端定位槽；之后将第一卡板30和第三卡板32分别叠放在第二卡板31和第四卡板33上端，确保内模2左端内模定位凸台22位于第一卡板30下端定位槽与第二卡板31上端定位槽配合形成定位孔内，内模2 右端内模定位凸台22位于第三卡板32下端与第四卡板33上端定位槽配合形成定位孔内；然后分别使用螺栓、螺母固定卡板组件3，确保内模2左、右端内模定位凸台22端面与卡板组件外表面34齐平，公差要求±0.1mm。然后在内模2 外表面再包裹所需厚度的纤维织物。
步骤2：如图9，安装第二外模11，要求第二外模11左右两端外模定位凸台12与卡板组件3对应的定位槽紧密贴合，第二外模11两端外模定位凸台12 端面与卡板组件外表面34齐平，公差要求±0.1mm。
步骤3：在金属限位工装4的第一金属贴片40和第二金属贴片41之间装夹与叶片气膜槽等厚的普通白纸或硬纸板(其他材料可以，如木片等)，同时使用 M12定位销固定第一金属贴片40和第二金属贴片41，使用刀片，沿第一金属贴片40的梳齿槽42裁剪纸张，获得与气膜槽单槽宽度相等、数量相同的纸条，纸条形状如图10所示。
步骤4：如图11，拆除第一金属贴片40和第二金属贴片41之间所夹剩余纸张，将第二金属贴片41安装在第二外模11上，将需开设与气膜槽等厚的若干层纤维织物5铺设在第二金属贴片41上，通过第一金属贴片40压紧后，使用M12定位销穿过定位孔43将金属限位工装4固定在第二外模11上。沿第一金属贴片40的梳齿槽42裁剪需开设气膜槽的若干层纤维织物5，去除裁剪掉的、与气膜槽单槽宽度相等、数量相同的纤维织物条，在纤维织物5相应部位形成气膜槽；
步骤5：拆除限位工装4，重新使用定位销固定第一金属贴片40于第二外模11上；将步骤3所裁剪纸条参考金属限位工装4梳齿槽位置分别镶嵌入纤维织物5的气膜槽中。
步骤6：依次拆除第一金属贴片40、定位销及第二外模11。
步骤7：使用1K碳纤维缝制纤维织物5，内模2使用前加工缝制孔，纤维织物5尾部贴合处无模具处单独贯穿缝制。
步骤8：如图12，安装外模1，要求第一外模10、第二外模11左右两端外模定位凸台12与卡板组件3凹槽紧密贴合，第一外模10、第二外模11两端的外模定位凸台12的端面分别与卡板组件外表面34齐平；公差要求±0.1mm。在第一外模10与第二外模11开口处垫塞入垫块6。
步骤9：如图13，使用M12螺栓、螺母固定以及D8定位销紧固模具。要求模具整体固定后，外模1、内模2与卡板组件3四周端面齐平，公差±0.1mm，模具间贴合间隙小于0.1mm。
步骤10：叶片致密化成型过程中，依次去除M12螺栓、螺母、D8定位销与外模1，如图14与图15；
步骤11：叶片在进一步致密化成型过程中，清除所垫纸条(高温条件下已碳化，同理木片也在高温条件下已碳化)。然后依次去除卡板组件3与内模2，如图16至图18。
步骤12：根据叶片结构加工相关尺寸，最终加工成型的叶片结构如图19所示。
Claims (5)
1.一种基于碳陶材料的航空叶片成型工装，包括内模(2)与外模(1)，所述内模(2)包括第一内模(20)和第二内模(21)；所述外模(1)包括第一外模(10)和第二外模(11)；
其特征在于：
还包括卡板组件(3)与限位工装(4)；所述卡板组件(3)用于与内模(2)及外模(1)配合，实现内模(2)及外模(1)定位；所述限位工装(4)用于在内模(2)使用型面包裹纤维织物(5)的过程中，在纤维织物(5)相应部位加工气膜槽；
所述第一内模(20)和第二内模(21)的两端头均设有与卡板组件(3)配合定位的内模定位凸台(22)；
所述第一外模(10)和第二外模(11)的两端头均设有与卡板组件(3)配合定位的外模定位凸台(12)；
所述卡板组件(3)上开设有与内模定位凸台(22)及外模定位凸台(12)相配合的定位槽或定位孔；内模定位凸台(22)及外模定位凸台(12)与定位槽或定位孔相配合；
所述限位工装(4)包括第一金属贴片(40)和第二金属贴片(41)，第一金属贴片(40)及第二金属贴片(41)的型面与纤维织物(5)曲率相同，所述第一金属贴片(40)上开设梳齿结构，梳齿结构中梳齿槽(42)的尺寸及数量与纤维织物(5)预留气模槽的尺寸及数量相同；第一金属贴片(40 )与第二金属贴片(41 )上设有与外模(1)对应的定位孔(43)。
2.根据权利要求1所述的基于碳陶材料的航空叶片成型工装，其特征在于：
所述卡板组件(3)包括第一卡板(30)、第二卡板(31)、第三卡板(32)与第四卡板(33)；
所述第一卡板(30)与第二卡板(31)叠层相互配合实现内模(2)与外模(1)左端定位；
所述第三卡板(32)与第四卡板(33)叠层相互配合实现内模(2)与外模(1)右端定位；
所述第一卡板(30)上端设有与第二外模(11)左端外模定位凸台(12) 相适配的定位槽；所述第一卡板(30)下端设有与第一内模(20)及第二内模(21)左端内模定位凸台(22)相适配的定位槽；
所述第二卡板(31)下端设有与第一外模(10)左端外模定位凸台(12)相适配的定位槽；所述第二卡板(31)上端设有与第一内模(20)及第二内模(21)左端内模定位凸台(22)相适配的定位槽；与第一卡板(30)下端的定位槽配合形成定位孔，第一内模(20)及第二内模(21)左端内模定位凸台(22)插入相应定位孔实现定位；
所述第三卡板(32)上端设有与第二外模(11)右端外模定位凸台(12)相适配的定位槽；下端设有与第一内模(20)及第二内模(21)右端内模定位凸台(22)相适配的定位槽；
所述第四卡板(33)下端设有与第一外模(10)右端外模定位凸台(12)相适配的定位槽；所述第四卡板(33)上端设有与第一内模(20)及第二内模(21)右端内模定位凸台(22)相适配的定位槽；与第三卡板(32)下端的定位槽配合形成定位孔，第一内模(20)及第二内模(21)右端内模定位凸台(22)插入相应定位孔实现定位。
3.根据权利要求2所述的基于碳陶材料的航空叶片成型工装，其特征在于：还包括垫块(6)，所述垫块(6)用于限位第一外模(10)和第二外模(11)间距。
4.一种基于碳陶材料的航空叶片成型工艺，其特征在于，利用权利要求1所述的基于碳陶材料的航空叶片成型工装实现，包括以下步骤：
步骤1：在第一内模(20)和第二内模(21)上分别包裹所需厚度的纤维织物(5)；安装卡板组件(3)分别固定第一内模(20)和第二内模(21)，确保第一内模(20)和第二内模(21)的内模定位凸台(22)端面与卡板组件外表面(34)齐平，然后在内模(2)外表面再包裹所需厚度的纤维织物(5)；
步骤2：安装第二外模(11)，确保第二外模(11)左右两端外模定位凸台(12)与卡板组件(3)对应的定位槽紧密贴合，第二外模(11)左右两端外模定位凸台(12)端面与卡板组件外表面(34)齐平；
步骤3：在第一金属贴片(40)和第二金属贴片(41)之间装夹与叶片气膜槽等厚的纸张或木片，同时使用定位销固定第一金属贴片(40)和第二金属贴片(41)，沿第一金属贴片(40)的梳齿槽(42)裁剪纸张或木片，获得与气膜槽单槽宽度相等、数量相同的纸条或木片；
步骤4：拆除第一金属贴片(40)和第二金属贴片(41)之间所夹剩余纸张或木片，将第二金属贴片(41)安装在第二外模(11)上，将需开设与气膜槽等厚的若干层纤维织物(5)铺设在第二金属贴片(41)上，通过第一金属贴片(40)压紧后利用定位销与定位孔(43)将金属限位工装(4)固定在第二外模(11)上；沿第一金属贴片(40)的梳齿槽(42)裁剪需开设气膜槽的若干层纤维织物(5)，去除裁剪掉的、与气膜槽单槽宽度相等、数量相同的纤维织物条，在纤维织物(5)相应部位形成气膜槽；
步骤5：拆除限位工装(4)，重新使用定位销固定第一金属贴片(40)于第二外模(11)上；将步骤3获得的与气膜槽单槽宽度相等、数量相同的纸条或木片，参考第一金属贴片(40)梳齿槽位置，分别嵌入纤维织物(5)的气膜槽中；
步骤6：依次拆除第一金属贴片(40)、定位销及第二外模(11)；
步骤7：纤维织物(5)尾部贴合后，使用碳纤维缝制纤维织物(5)，内模(2)使用前加工缝制孔，纤维织物(5)尾部贴合处单独贯穿缝制；
步骤8：安装外模(1)，要求第一外模(10)、第二外模(11)左右两端外模定位凸台(12)与卡板组件(3)凹槽紧密贴合，第一外模(10)、第二外模(11)两端的外模定位凸台(12)的端面分别与卡板组件外表面(34)齐平；第一外模(10)、第二外模(11)开口处垫塞垫块(6)；
步骤9：紧固模具，要求模具整体固定后，外模(1)、内模(2)、卡板组件(3)四周端面齐平；
步骤10：叶片致密化成型过程中，依次去除紧固件与外模(1)；
步骤11：叶片在进一步致密化成型过程中，清除所垫纸条或木片；然后依次去除卡板组件(3)与内模(2)；
步骤12：根据叶片结构加工相关尺寸。
5.根据权利要求4所述的基于碳陶材料的航空叶片成型工艺，其特征在于：
步骤1中，安装卡板组件(3)分别固定第一内模(20)和第二内模(21)，具体步骤为：
将第一内模(20)及第二内模(21)左、右端内模定位凸台(22)分别放置在第二卡板(31)、第四卡板(33)上端定位槽；
之后将第一卡板(30)和第三卡板(32)分别叠放在第二卡板(31)和第四卡板(33)上端，确保内模(2)左端内模定位凸台(22)位于第一卡板(30)下端定位槽与第二卡板(31)上端定位槽配合形成定位孔内，内模(2)右端内模定位凸台(22)位于第三卡板(32)下端与第四卡板(33)上端定位槽配合形成定位孔内；然后分别使用螺栓、螺母固定卡板组件(3)，确保内模(2)左、右端内模定位凸台(22)端面与卡板组件外表面(34)齐平。
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