CN112873906A - 一种复合材料筒体结构的rtm成型模具 - Google Patents

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郭纪璋
罗楚养
钟翔屿
包建文
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Abstract

本发明涉及一种复合材料筒体结构的RTM成型模具，复合材料筒体结构具有腔内纵横加强筋，该成型模具包括下端模、上端模、组合的外成型模、组合式的内芯模、芯模底座和芯模顶盖；其中，所述内芯模包括工型芯模和O型成型模，所述工型芯模套设在O型成型模外，所述外成型模套设在工型芯模外；所述上端模可拆卸封设在内芯模的一端，所述下端模可拆卸封设在内芯模的另一端；所述芯模顶盖可拆卸封设在内芯模的一端，所述芯模底座可拆卸封设在内芯模的另一端。本发明应用于成型模具技术领域。

Description

一种复合材料筒体结构的RTM成型模具
技术领域
本发明涉及成型模具技术领域，特别是涉及一种具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构的RTM成型模具。
背景技术
先进树脂基复合材料具有较高的比强度和比刚度、可设计性强、优异的耐腐蚀、便于大面积整体成型的独特优点，使之成为航空航天飞行器结构中不可或缺的战略材料。复合材料在航空武器装备上的大量应用可有效提高性能、减轻结构重量、降低运营成本、增强市场竞争力。先进复合材料在飞机结构中的应用越来越多。一方面，复合材料用量比例在军民机中不断提高，另一方面，先进复合材料的应用部位已从过去的次承力结构发展到主承力结构；成型方法从高成本的热压罐成型工艺向低成本的树脂传递模塑(Resin TransferMolding，RTM)整体成型技术转化。
RTM工艺具有闭模成型的工艺特点，制件的内外表面均由模具型面控制，因此制件的外形尺寸精度高，通过合理的铺层优化以及成型模具设计可以实现复杂结构制件的整体化制造，有效提高结构减重效率、降低复合材料制件的制造及装配成本。内型面纵横加强筋筒体复合材料结构是航天领域典型的主承力结构，采用纵横加强筋可对筒体结构进行加强，提高整体结构的强度和刚度。此外，复合材料固化脱模后存在收缩变形的情况，而对于筒体结构来说，复合材料制件的形状规整度尤为重要。基于以上要求，具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构宜采用RTM成型工艺进行整体化制造。
采用RTM成型工艺制备具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件，在成型模具设计时，存在一个关键的设计要素，即成型纵横加强筋的内芯模在复合材料制件成型固化后如何脱出。对于半封闭复合材料结构内芯模如何脱出的问题。传统的解决方案包括：1)使用气囊作为内芯模、2)采用膨胀橡胶作为内芯模、3)采用腊模作为内芯模、4)采用不溶性陶瓷作为内芯模。以上解决方案都是基于整体化的内芯模成型方案，但是内芯模刚度较差，在高温、高压下易变形，复合材料制件型面无法得到有效保证，不适用于RTM成型工艺。
因此，发明人提供了一种具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构的RTM成型模具。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构的RTM成型模具，通过下端模、上端模、组合的外成型模和组合式的内芯模，解决了易变形、型面无法保证的技术问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种复合材料筒体结构的RTM成型模具，复合材料筒体结构具有腔内纵横加强筋，成型模具包括下端模、上端模、组合的外成型模、组合式的内芯模、芯模底座和芯模顶盖；
其中，所述内芯模包括工型芯模和O型成型模，所述工型芯模套设在O型成型模外，所述外成型模套设在工型芯模外；
所述上端模可拆卸封设在内芯模的一端，所述下端模可拆卸封设在内芯模的另一端；
所述芯模顶盖可拆卸封设在内芯模的一端，所述芯模底座可拆卸封设在内芯模的另一端。
进一步改进的，所述外成型模包括模具本体，所述模具本体套设在工型芯模外，所述模具本体的两侧分别嵌设有侧模。
进一步改进的，所述模具本体和侧模之间设有第一密封槽。
进一步改进的，所述模具本体与工型芯模接触的两端倒有圆角。
进一步改进的，所述模具本体和侧模之间设有配合的第二定位台和第二定位槽。
进一步改进的，所述下端模靠近内芯模的一端设有第二密封槽、第一定位槽和环向凸台；
所述模具本体上设有与第一定位槽配合的第一定位台。
进一步改进的，所述上端模靠近内芯模的一端设有第三密封槽。
进一步改进的，所述的第二密封槽的深度为3～10mm，第一定位槽的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、深度为10mm～30mm、斜度为5°～20°；所述环向凸台宽度为5mm～15mm、高度为5mm～15mm、斜度为3°～5°；
所述的第三密封槽的深度为3～10mm；
所述外成型模3分成2～4块，所述第一密封槽的深度为3～10mm，所述第一定位台的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、高度为10mm～30mm、斜度为5°～20°，所述圆角为3°～5°；所述第二定位台的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、高度为10mm～30mm、斜度为5°～20°；所述第二定位槽的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、深度为10mm～30mm、斜度为5°～20°；
所述工型芯模的壁厚20mm～70mm，所述O型成型模壁厚为10mm～30mm。
进一步改进的，所述芯模底座、芯模顶盖分别通过螺栓和内芯模可拆卸相连。
进一步改进的，所述下端模、上端模、组合的外成型模、内芯模、芯模底座和芯模顶盖分别采用45#钢或P20钢或45#钢和P20钢的组合体制成。
(3)有益效果
综上，本发明具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件由外蒙皮和纵横加强筋组成。合模时，先将组合式的内芯模与芯模底座分离，再将其与下端模通过螺栓紧固，然后将外成型模与下端模依次配合，之后取下芯模顶盖，将上端模与外成型模对合，在螺栓紧固作用下，下端模、上端模与外成型模合模间隙逐渐减小，同时组合式的内芯模在下端模、上端模与外成型模内型面的作用下发生移动，最终达到合模理论位置。
工型芯模内腔具有可拆装螺栓的操作空间，主要用于组合式的内芯模的组装以及拆卸；O型成型模需要沿着制件轴向分块，分块的目的是在脱模时，O型成型模可以按设计顺序在沿垂直于制件轴向的方向外力作用下，逐步从封闭腔体内移出。
本发明提出采用组合式内芯模的设计思路，将组合式的内成型模仅起支撑作用的部分设计为可自由脱出的工型芯模，然后在工型芯模外表面通过卡槽连接经分块设计的O型成型模，采用该种芯模制备的腔内纵横加强筋筒体结构复合材料制件在脱模时，可先将工型芯模脱出，然后沿复合材料轴向方向将O型成型模按设计顺序依次取出。同时基于RTM成型工艺要求，提出了一整套适用于腔内纵横加强筋筒体结构复合材料制件的RTM成型模具设计思路。
芯模底座与芯模顶盖型面与组合式的内芯模的端头型面一致，芯模底座与芯模顶盖通过螺栓与组合式的内芯模的工型芯模和O型成型模连接，主要是在预成型体铺覆过程中起到紧固组合式的内芯模的作用。
本发明具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构的RTM成型模具，成功地解决了复合材料腔内纵横加强筋筒体结构内芯模的脱模问题。采用本发明具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件尺寸精度高、内外表面质量优良，纵横加强筋与外蒙皮一次固化整体成型，有效降低了复合材料的制造成本，同时也避免了因二次胶接或机械连接引起的制件变形问题，使具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件型面能够得到有效保证。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是本发明一实施例中具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件的示意图。
图2是本发明一实施例中下端模、上端模、组合的外成型模、组合式的内芯模的连接关系图。
图3是本发明一实施例中下端模的结构示意图。
图4是本发明一实施例中上端模的结构示意图。
图5是本发明一实施例中外成型模的结构示意图。
图6是本发明一实施例中内芯模的结构示意图。
图7是本发明一实施例中芯模底座的结构示意图。
图8是本发明一实施例中芯模顶盖的结构示意图。
图中：
1-下端模；1-1-第二密封槽；1-2-第一定位槽；1-3-环向凸台；2-上端模；2-1-第三密封槽；3-外成型模；3-1-模具本体；3-2-侧模；3-3-第一密封槽；3-4-第一定位台；3-5-圆角；3-6-第二定位台；3-7-第二定位槽；3-8-圆角；4-内芯模；4-1-工型芯模；4-2-O型成型模；5-芯模底座；6-芯模顶盖；7-外蒙皮；8-纵横加强筋。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参照图1至图8，一种具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构的RTM成型模具，包括下端模1、上端模2、组合的外成型模3、组合式的内芯模4、芯模底座5和芯模顶盖6；
其中，所述内芯模4包括工型芯模4-1和O型成型模4-2，所述工型芯模4-1套设在O型成型模4-2外，所述外成型模3套设在工型芯模4-1外；
所述上端模2可拆卸封设在内芯模4的一端，所述下端模1可拆卸封设在内芯模4的另一端；
所述芯模顶盖6可拆卸封设在内芯模4的一端，所述芯模底座5可拆卸封设在内芯模4的另一端。
具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件由外蒙皮7和纵横加强筋8组成。合模时，先将组合式的内芯模4与芯模底座5分离，再将其与下端模1通过螺栓紧固，然后将外成型模3与下端模1依次配合，之后取下芯模顶盖6，将上端模2与外成型模3对合，在螺栓紧固作用下，下端模1、上端模2与外成型模3合模间隙逐渐减小，同时组合式的内芯模4在下端模1、上端模2与外成型模3内型面的作用下发生移动，最终达到合模理论位置。
工型芯模4-1内腔具有可拆装螺栓的操作空间，主要用于组合式的内芯模4的组装以及拆卸；O型成型模4-2需要沿着制件轴向分块，分块的目的是在脱模时，O型成型模4-2可以按设计顺序在沿垂直于制件轴向的方向外力作用下，逐步从封闭腔体内移出。
本实施例提出采用组合式内芯模4的设计思路，将组合式的内成型模3仅起支撑作用的部分设计为可自由脱出的工型芯模4-1，然后在工型芯模4-1外表面通过卡槽连接经分块设计的O型成型模4-2，采用该种芯模制备的腔内纵横加强筋筒体结构复合材料制件在脱模时，可先将工型芯模4-1脱出，然后沿复合材料轴向方向将O型成型模4-2按设计顺序依次取出。同时基于RTM成型工艺要求，提出了一整套适用于腔内纵横加强筋筒体结构复合材料制件的RTM成型模具设计思路。
芯模底座5与芯模顶盖6型面与组合式的内芯模4的端头型面一致，如图7和图8所示，芯模底座5与芯模顶盖6通过螺栓与组合式的内芯模4的工型芯模4-1和O型成型模4-2连接，主要是在预成型体铺覆过程中起到紧固组合式的内芯模4的作用。
本实施例具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构的RTM成型模具，成功地解决了复合材料腔内纵横加强筋筒体结构内芯模的脱模问题。采用本实施例具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件尺寸精度高、内外表面质量优良，纵横加强筋8与外蒙皮7一次固化整体成型，有效降低了复合材料的制造成本，同时也避免了因二次胶接或机械连接引起的制件变形问题，使具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件型面能够得到有效保证。
进一步地，在一实施例中，外成型模3沿复合材料制件轴向分为4块，所述外成型模3包括模具本体3-1，所述模具本体3-1套设在工型芯模4-1外，所述模具本体3-1的两侧分别嵌设有侧模3-2。
进一步地，在一实施例中，所述模具本体3-1和侧模3-2之间设有第一密封槽3-3。用来在模具本体3-1与侧模3-2相配合时密封配合面；
进一步地，在一实施例中，所述模具本体3-1与工型芯模4-1接触的两端倒有圆角(3-5,3-8)。圆角3-5在合模过程中与环向凸台1-3相互配合，引导合模方向。
进一步地，在一实施例中，所述模具本体3-1和侧模3-2之间设有配合的第二定位台3-6和第二定位槽3-7。第二定位台3-6和第二定位槽3-7用于模具3-1与侧模3-2在合模过程中的定位。
进一步地，在一实施例中，所述下端模1靠近内芯模43的一端设有第二密封槽1-1、第一定位槽1-2和环向凸台1-3；
所述模具本体3-1上设有与第一定位槽1-2配合的第一定位台3-4。第一定位台3-4在合模过程中与第一定位槽1-2相配合，起到精确定位的作用。
进一步地，在一实施例中，所述上端模2靠近内芯模43的一端设有第三密封槽2-1。第二密封槽1-1用来密封外成型模3以及组合式的内芯模4的下表面，在下端模1与外成型模3以及内芯模4对合时，第一定位槽1-2和环向凸台1-3可以起到精确定位以及引导配合方向的作用。第三密封槽2-1用来对外成型模3及组合式内芯模4上表面进行密封。
在本实施例中，具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件的制备过程如下：
(1)通过螺栓将组合式的内芯模4的工型芯模4-1以及O型成型模4-2与芯模底座5、芯模顶盖6相连接，之后在组合式的内芯模4上纵横加强筋8铺覆部位按设计铺层铺覆干态预定型织物，完成铺覆后对纵横加强筋8预制体进行真空预定型；
(2)在纵横加强筋8铺覆完成的基础上按照设计铺层进行制件外蒙皮7的铺覆，并真空预定型；
(3)将铺覆预成型体的组合式的内芯模4纵向放置，并拆除芯模底座5与组合式内型模4的紧固螺栓，同时，将下端模1与内芯模4配合并用螺栓连接；
(4)将外成型模3与下端模1通过第一定位台3-4配合，与此同时，模具本体3-1与侧模3-2在外成型模3与下端模1配合过程中也通过第二定位台3-6和第二定位槽3-7进行配合，之后通过螺栓对外成型模3与下端模1整体进行紧固；
(5)拆除芯模顶盖6并通过螺栓将上端模2与外成型模3、组合式的内芯模4进行连接，最后紧固所有螺栓，将模具各组元置于理论位置，完成合模；
(6)采用RTM成型工艺，通过向模具内注入低粘度液体成型树脂，树脂流动并浸润干态纤维预定型织物，在相应液体成型树脂适配的成型温度作用下，完成复合材料的固化；
(7)具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构在脱模时，去掉上端模2与外成型模3、组合式的内芯模4的紧固螺栓，取下上端模2之后，去掉工型芯模4-1与下端模1的紧固螺栓并脱出工形芯模4-1，然后根据设计脱模顺序沿着与制件轴向垂直的方向依次脱出O型成型模4-2；接着取下外成型模3，并将制件从下端模1上取出，即完成了具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件的脱模。
进一步地，在一实施例中，所述的第二密封槽1-1的深度为3～10mm，第一定位槽1-2的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、深度为10mm～30mm、斜度为5～20；所述环向凸台1-3宽度为5mm～15mm、高度为5mm～15mm、斜度为3°～5°；
所述的第三密封槽2-1的深度为3～10mm；
所述外成型模3分成2～4块，所述第一密封槽3-3的深度为3～10mm，所述第一定位台3-4的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、高度为10mm～30mm、斜度为5°～20°，所述圆角(3-5,3-8)为3°～5°；所述第二定位台3-6的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、高度为10mm～30mm、斜度为5°～20°；所述第二定位槽3-7的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、深度为10mm～30mm、斜度为5°～20°；
所述工型芯模4-1的壁厚20mm～70mm，所述O型成型模4-2壁厚为10mm～30mm。
进一步地，在一实施例中，所述芯模底座5、芯模顶盖6分别通过螺栓和内芯模4可拆卸相连。
进一步地，在一实施例中，所述下端模1、上端模2、组合的外成型模3、内芯模4、芯模底座5和芯模顶盖6分别采用45#钢或P20钢或45#钢和P20钢的组合体制成。
基于上述实施例的结合，在一具体的实施例中，具有腔内纵横加强筋的复合材料筒体结构制件如图1所示，由外蒙皮7与纵横加强筋8组成的筒体结构，外型尺寸：制件高度为650mm，内直径490.6mm，外直径500mm，制件壁厚4.7mm(外蒙皮7厚2.35mm、纵横加强筋8厚2.35mm)，采用干态预定型织物制备，然后通过RTM工艺注入低粘度树脂，最后固化成型。我们采用了本实施例的解决方案，模具所有组元均采用P20钢制造。
下端模1型面为平面，在下端模1的分型面上设计的第二密封槽1-
1，宽度为5.8mm、深度为4.8mm；第一定位槽1-2的长度为80mm、宽度为18mm、厚度为10mm、斜度为10°；环向凸台1-3宽11mm、厚度为7mm、侧型面斜度为3°；
上端模2型面为平面，在上端模2的分型面上设计的第三密封槽2-1宽度为5.8mm、深度为4.8mm；
外成型模3沿复合材料制件轴向分为4块，包括模具本体3-1和侧模3-2，在模具本体3-1与3-2配合面上设置的第一密封槽3-3，第一密封槽3-3的宽度为5.8mm、深度为4.8mm；在模具本体3-1分型面上设置的与下端模1上第一定位槽1-2配合的第一定位台3-4的长度为80mm、宽度为18mm、深度为10mm、斜度为10°；圆角(3-5，3-8)，斜度为3°；第二定位台3-6的长度为80mm、宽度为18mm、高度为10mm、斜度为10°；第二定位槽3-7的长度为80mm、宽度为18mm、深度为10mm、斜度为10°；
组合式的内芯模4包括工型芯模4-1和O型成型模4-2，工型芯模4-1内腔直径为370mm，壁厚为35mm；O型成型模4-2分成5块，厚度为23mm、高度为640mm；
合模时，先将组合式的内芯模4与芯模底座5分离，再将其与下端模1通过螺栓紧固，然后将外成型模3与下端模1依次配合，之后取下芯模顶盖6，将上端模2与外成型3对合，在螺栓紧固作用下，下端模1、上端模2与外成型模3合模间隙逐渐减小，同时组合式内芯模4在下端模1、上端模2与外成型模3内型面的作用下发生移动，最终达到合模理论位置。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，包括下端模、上端模、组合的外成型模、组合式的内芯模、芯模底座和芯模顶盖；
其中，所述内芯模包括工型芯模和O型成型模，所述工型芯模套设在O型成型模外，所述外成型模套设在工型芯模外；
所述上端模可拆卸封设在内芯模的一端，所述下端模可拆卸封设在内芯模的另一端；
所述芯模顶盖可拆卸封设在内芯模的一端，所述芯模底座可拆卸封设在内芯模的另一端。
2.根据权利要求1所述的复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，所述外成型模包括模具本体，所述模具本体套设在工型芯模外，所述模具本体的两侧分别嵌设有侧模。
3.根据权利要求2所述的复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，所述模具本体和侧模之间设有第一密封槽。
4.根据权利要求3所述的复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，所述模具本体与工型芯模接触的两端倒有圆角。
5.根据权利要求4所述的复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，所述模具本体和侧模之间设有配合的第二定位台和第二定位槽。
6.根据权利要求5所述的复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，所述下端模靠近内芯模的一端设有第二密封槽、第一定位槽和环向凸台；
所述模具本体上设有与第一定位槽配合的第一定位台。
7.根据权利要求6所述的复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，所述上端模靠近内芯模的一端设有第三密封槽。
8.根据权利要求7所述的复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，所述的第二密封槽的深度为3～10mm，第一定位槽的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、深度为10mm～30mm、斜度为5°～20°；所述环向凸台宽度为5mm～15mm、高度为5mm～15mm、斜度为3°～5°；
所述的第三密封槽的深度为3～10mm；
所述外成型模3分成2～4块，所述第一密封槽的深度为3～10mm，所述第一定位台的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、高度为10mm～30mm、斜度为5°～20°，所述圆角为3°～5°；所述第二定位台的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、高度为10mm～30mm、斜度为5°～20°；所述第二定位槽的长度为30mm～80mm、宽度为30mm～80mm、深度为10mm～30mm、斜度为5°～20°；
所述工型芯模的壁厚20mm～70mm，所述O型成型模壁厚为10mm～30mm。
9.根据权利要求1至8任一项所述的复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，所述芯模底座、芯模顶盖分别通过螺栓和内芯模可拆卸相连。
10.根据权利要求1至8任一项所述的复合材料筒体结构的RTM成型模具，其特征在于，所述下端模、上端模、组合的外成型模、内芯模、芯模底座和芯模顶盖分别采用45#钢或P20钢或45#钢和P20钢的组合体制成。
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