CN113246493B - 一种闭角零件的成型模具及其制造与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种闭角零件的成型模具及其制造与使用方法；所述的成型模具由金属模具和复合材料模具组合而成；复合材料模具的内型面与金属模具的外型面贴合，且复合材料模具的内型面无闭角，复合材料模具的外型面上至少设置有一个闭角α；且闭角α根据零件上所需形成的闭角进行仿形设置。本发明的闭角零件成型模具是采用复合材料模具和金属模具组合的方式进行这种闭角结构零件的成型，既不会因为金属与复合材料的热膨胀系数不同产生相对运动而影响制品的表面质量，也不会由于脱模困难而造成金属模具和零件的损伤；同时本发明的复合材料模具可以用一套模具制造多件，方便替换，提高了生产效率。

Description

一种闭角零件的成型模具及其制造与使用方法

技术领域

本发明涉及复合材料制造技术领域，具体涉及一种闭角零件的成型模具及其制造与使用方法。

背景技术

碳纤维材料是在上世纪六十年代末才首次投入市场，我国掌握碳纤维材料生产技术也是近十年的事情，但碳纤维材料凭借其独特的性能优势——高比强度、高比模量、耐磨、导电性、长期受力不发生蠕变和疲劳、X射线透过性好、尺寸稳定、热膨胀系数小、耐腐蚀、耐高温等等特点，成为性能广、用途多的增强纤维之一，广泛用于宇航、卫星、精密仪器、民用、火箭、飞机、X射线装置、医学等各个领域。在零件设计制造中，会遇到由于空间限制或功能要求，往往会有一些带闭角(即夹角小于90°)结构的零件。

对于这种结构的复材零件，在制造过程中会遇到各种问题，比如脱模问题和零件表面质量问题。可能会在强行进行脱模的过程中对零件表面造成损伤，也会由于借助工具使得模具表面损伤，难免保证零件的表面质量和下一批次零件的表面质量稳定性，模具返修和更换成本较高。现有技术中，一般会采用组合模具，对模具进行分块设计，通过把模具进行拆分成多块，来进行模具与零件的分离。但现有的组合模具设计和制造成本高，且多次使用无法保证精度。这就需要有一种新的技术来克服这种零件制造所产生的问题。

发明内容

对于目前航空航天领域对复合材料大范围应用的迫切需求；复合材料制件大规模应用,有些结构由于空间限制和功能要求会有闭角的形状，这种闭角零件在制造过程中往往会因为脱模困难，而增加生产周期和成本，同时制件的质量也无法保证。

针对上述的问题本发明提供了一种闭角零件的成型模具，本发明的这种模具其制造简单，便于生产形成具有闭角的零件；本发明的另一目的在于依托所述的成型模具提供一种简单可靠的闭角零件的加工方法，提高了生产效率。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种闭角零件的成型模具，其特征在于，所述的成型模具由金属模具和复合材料模具组合而成；所述复合材料模具的内型面与所述金属模具的外型面贴合，且所述复合材料模具的内型面无闭角，所述复合材料模具的外型面上至少设置有一个闭角α；且所述的闭角α根据零件上所需形成的闭角进行仿形设置。

如图1所示，传统的闭角零件是用复合材料预浸料铺层的复材零件，采用的是金属阳模和金属阴模两种预成型方式，在金属阳模或金属阴模上进行铺贴预浸料达到所需厚度，然后将铺贴好的制品在热压罐中加压固化，固化后将成品从金属阳模或金属阴模中取出；然而，采用这种两种方法制造闭角零件具有如下的问题：(1)第一个问题是由于金属模具(金属阳模、金属阴模)和复合材料之间的热膨胀系数的差异，这种差异导致了在加热和冷却循环过程中，模具和成型的复合材料零件之间的相对运动破坏了制品的表面，影响零件的质量；(2)另一个问题是如果采用传统的金属阳模或金属阴模制造这种闭角的零件，在脱模时由于闭角原因会无法顺利脱模，需要借助工具来使零件发生形变再脱出，这种操作会使金属模具(金属阳模、金属阴模)表面因使用不合适的工具(如螺丝刀)从模具上卸下复材零件而造成损坏，为了保证下一件零件的表面精度就需要对金属模具进行修补或者更换，这样会耽误生产周期和增加成本。另外对于厚度较大的零件并不容易产生形变，如果闭角的角度较大，这种借助工具强变形的方法是不能够取出闭角零件的。

对于上述传统闭角零件制造过程中遇到的问题，本发明提出了一种新的闭角零件成型模具来解决此问题：本发明是在金属模具和闭角零件两者之间放置一个复合材料的中间模具，也就是说用与要成型的零件相同(或至少相似)的材料制成的复合材料模具，这种方法一方面避免了由热膨胀系数差异引起的问题，即由于材料一致，热膨胀系数一致，不会因金属与复材膨胀系数不一致而影响制品的表面质量，而且还有进一步的优势。本发明的成型模具采用金属模具和复合材料模具组合模具的方式，由于本发明的金属模具外型面和复合材料模具内型面之间不存在闭角，在固化成型后容易先把金属模具分离出来；同时选用的复合材料模具具有柔性，施加力后容易弯曲变形，能够顺利与复合材料固化后形成的闭角零件进行分离，这样既不会造成零件表面损伤，也不会造成金属模具的损伤，如果该复合材料模具使用次数过多，精度达不到要求时，还可以对复合材料模具进行更换，这种复合材料模具制作简单，大大节约了成本和时间。

进一步地，所述的金属模具为长方体结构；所述的复合材料模具中内型面的角为直角或钝角；且60°＜α＜90°。所述复合材料模具外型面上的闭角α，其范围在60°-90°；α角度的范围根据零件中需要的闭角大小进行调节。

进一步地，所述复合材料模具的材质与所述零件相同。选用与要成型的闭角零件相同的复合材料制成的复合材料模具，可以避免由热膨胀系数差异引起的问题。

进一步地，所述复合材料模具的厚度为1-3mm。本发明通过优选的设置复合材料模具的厚度，使其本身具有柔性，能够容易弯曲变形，顺利与复合材料闭角零件进行分离，这样既不会造成零件表面损伤，也不会造成金属模具的损伤。

一种闭角零件的成型模具的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：具体的，该方法相当于是所述复合材料模具的制造方法：

S1、铺贴模具准备：铺贴模具为金属材质，且所述的铺贴模具中设置有铺贴槽，且所述铺贴槽的内型面设置有闭角α；所述铺贴槽的内型面根据所述复合材料模具的外型面仿形设置；所述铺贴槽的尺寸由底部向开口处逐渐递减，且所述铺贴槽开口处的尺寸大于所述金属模具，便于后期将所述金属模具放入到所述铺贴槽中；

S2、复合材料模具的制备：在所述铺贴槽的内型面中铺贴复合材料预浸料形成所述复合材料模具的预成型件，并且使得所述预成型件的内型面无闭角；在该复合材料预浸料铺贴过程中有闭角α的一侧采用丢层的方式铺贴，铺贴完成后将所述金属模具放入所述铺贴槽中，并使得所述金属模具的外型面与所述预成型件的内型面贴合；然后一起加热加压固化成型；待所述预成型件固化成型后，将所述金属模具从所述铺贴槽中移除(相当于将所述金属模具从所述预成型件的内型面中移除)，再施加力使固化后的预成型件产生变形，将之从所述铺贴槽中分离出来，即可得到所述复合材料模具(同一套可以制作多个复合材料模具用来后期进行更换)；具体的所述的预成型件固化成型后即为复合材料模具；应当注意的是：在铺贴槽中铺设复合材料预浸料时，除了采用丢层方式铺设的一侧，其余几侧的复合材料预浸料铺贴厚度应为等厚1-3mm，此即为所述复合材料模具的厚度；丢层铺设的一侧根据闭角的实际情况进行铺贴；

S3、成型模具：将所述金属模具与所述复合材料模具组合，即为闭角零件的成型模具。

进一步地，步骤S2、所述复合材料预浸料的铺贴方向采用90°、45°、-45°进行铺贴，比例为8：1：1。具体的，为了方便复合材料模具的弯曲变形，而又不发生破坏，复合材料模具的铺层方向可以采用90°、45°、-45°进行铺贴，比例建议为8:1:1。本发明通过优选地设置复合材料模具的厚度和复合材料铺贴角度，使其具有柔性，能够容易弯曲变形，顺利与复合材料闭角零件进行分离。具体的，对于90°方向的定义为：90°方向是与变形方向平行的方向。另外步骤S2、在向所述铺贴槽中放入所述金属模具之前，先在金属模具的外型面上涂抹脱模剂，便于固化成型后金属模具与复合材料模具分离。

一种闭角零件的成型模具的使用方法，包括如下步骤：

a)将所述的复合材料模具装配到所述金属模具上，使所述复合材料模具的内型面与所述金属模具的外型面贴合；

b)然后在所述复合材料模具的外型面上铺贴用于形成所述零件的复合材料预浸料，铺贴完成后连同所述金属模具和所述复合材料模具一起置于真空袋中抽真空，然后放入热压罐中，按材料的固化曲线固化成型，即可得到带有闭角的零件(这里复合材料模具选用的材质与用于形成闭角零件的复合材料相同，为热固性复合材料；虽然两者的材质相同，但是由于复合材料模具为事先成型好的模具，因此在其外型面上再次铺设与之相同材质的复合材料预浸料时并不用担心固化后与之连成一体，即不用担心后期的复合材料模具与所形成的闭角零件的分离问题)；

c)待固化完成后，将所述金属模具固定，通过外部工具使所述复合材料模具和所述零件一起从所述金属模具上脱离；

d)然后施加外力使所述复合材料模具产生变形，即方便将所述复合材料模具和所述零件分开，将所述复合材料模具与所述零件分开后，即得到了带有闭角的零件。

本发明的有益效果：

本发明的闭角零件成型模具是采用复合材料模具和金属模具组合的方式进行这种闭角结构零件的成型，既不会因为金属与复合材料的热膨胀系数不同产生相对运动而影响制品(零件)的表面质量，也不会由于脱模困难而造成金属模具和零件的损伤；同时本发明的复合材料模具可以用一套模具制造多件，方便替换，提高了生产效率。

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为传统预浸料铺贴的闭角零件制作方式；

图2为本发明实施例1成型模具的剖面图；

图3为本发明复合材料模具的制作示意图；

图4为铺贴模具的结构示意图；

图5为闭角零件的铺贴示意图；

图6-8为闭角零件的脱模过程示意图。

图中：1金属模具、2复合材料模具、3铺贴模具、4铺贴槽、5零件、6金属阳模、7金属阴模、8预成型件。

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，传统的闭角零件5是用复合材料预浸料铺层的复材零件，采用的是金属阳模6和金属阴模7两种预成型方式，在金属阳模6或金属阴模7上进行铺贴复合材料预浸料达到所需厚度，然后将铺贴好的制品在热压罐中加压固化，固化后将成品从金属阳模6或金属阴模7中取出；然而，采用这种两种方法制造闭角零件5具有如下的问题：(1)第一个问题是由于金属模具(金属阳模6、金属阴模7)和复合材料之间的热膨胀系数的差异，这种差异导致了在加热和冷却循环过程中，模具和成型的复合材料零件5之间的相对运动破坏了制品的表面，影响零件5的质量；(2)另一个问题是如果采用传统的金属阳模6或金属阴模7制造这种闭角的零件5，在脱模时由于闭角原因会无法顺利脱模，需要借助工具来使零件5发生形变再脱出，这种操作会使金属模具(金属阳模6、金属阴模7)表面因使用不合适的工具(如螺丝刀)从模具上卸下复材零件5而造成损坏，为了保证下一件零件的表面精度就需要对金属模具进行修补或者更换，这样会耽误生产周期和增加成本。

实施例1

如图2所示，一种闭角零件的成型模具，所述的成型模具由长方体状的金属模具1和复合材料模具2共同组合而成；所述复合材料模具2的内型面与所述金属模具1的外型面贴合，且所述复合材料模具2的内型面无闭角(所述复合材料模具2中内型面的角均为直角)，所述复合材料模具2的外型面上设置有一个闭角α；且所述的闭角α根据零件5上需形成的闭角仿形设置，α＝85°。

优选地，所述的复合材料模具2的材质与需要制作的闭角零件材质相同；所述复合材料模具2的厚度为2mm。

如图3上述闭角零件的成型模具制造方法，包括如下步骤：

S1、铺贴模具准备：铺贴模具3为金属材质；如图4所示，所述的铺贴模具3中设置有铺贴槽4，且所述铺贴槽4的内型面设置有闭角α(α＝85°)；所述铺贴槽4的内型面根据所述复合材料模具2的外型面仿形设置；所述铺贴槽4的尺寸由底部向开口处逐渐递减，且所述铺贴槽4开口处的尺寸大于所述金属模具1；

S2、复合材料模具2的制备：在所述铺贴槽4的内型面中铺贴复合材料预浸料形成所述复合材料模具2的预成型件8，并且使得所述预成型件8的内型面无闭角(使所述预成型件内型面的角均为直角或钝角)；在预浸料铺贴过程中有闭角α的一侧采用丢层的方式铺贴，铺贴完成后将所述金属模具1放入所述铺贴槽4中，并使得所述金属模具1的外型面与所述预成型件8的内型面贴合；然后一起加热加压固化成型；待所述预成型件8固化成型后，将所述金属模具1从所述铺贴槽4中移除，再施加力使固化后的预成型件8产生变形，变形后方便将预成型件8(固化后的预成型件8即为复合材料模具2)从所述铺贴槽4中分离出来，即可得到所述复合材料模具2；优选地，在该步骤中复合材料预浸料的铺贴方向采用90°、45°、-45°进行铺贴，比例为8：1：1，这样方便复合材料模具2的弯曲变形，而又不发生破坏；优选地，在向铺贴槽4中放入所述金属模具1之前，先在金属模具1的外型面上涂抹脱模剂，便于固化成型后移除所述金属模具1；

S3、成型模具：将所述金属模具1与所述复合材料模具2组合，即为闭角零件5的成型模具。

如图5所示，一种闭角零件的成型模具的使用方法，如下步骤：具体的，该成型模具的使用方法，即相当于闭角零件的制备方法：

a)将所述复合材料模具2装配到所述金属模具1上，使所述复合材料模具2的内型面与所述金属模具1的外型面贴合；

b)然后在所述复合材料模具2的外型面上铺贴用于形成所述零件的复合材料预浸料，铺贴完成后连同所述金属模具1和所述复合材料模具2一起置于真空袋中抽真空，然后放入热压罐中，按复合材料的固化曲线固化成型，即可得到带有闭角的零件；

c)待固化完成后，将所述的金属模具1固定，然后通过外部工具使所述复合材料模具2和所述零件一起从所述金属模具1上脱离；

然后施加外力使所述复合材料模具2产生变形，即方便将所述复合材料模具2和所述零件分开，得到带有闭角的零件(其中步骤c)-d)的操作过程，如图6-8所示)。

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 (4)

1.一种闭角零件的成型模具，其特征在于，所述的成型模具由金属模具(1)和复合材料模具(2)组合而成；所述复合材料模具(2)的内型面与所述金属模具(1)的外型面贴合，且所述复合材料模具(2)的内型面无闭角，所述复合材料模具(2)的外型面上至少设置有一个闭角α；且所述的闭角α根据零件(5)上所需形成的闭角进行仿形设置；所述的金属模具(1)为长方体结构；所述复合材料模具(2)中内型面的角为直角或钝角；且60°＜α＜90°；

闭角零件的成型模具的制造方法，包括如下步骤：

S1、铺贴模具准备：铺贴模具(3)为金属材质，且所述的铺贴模具(3)中设置有铺贴槽(4)，且所述铺贴槽(4)的内型面设置有闭角α；所述铺贴槽(4)的内型面根据所述复合材料模具(2)的外型面仿形设置；所述铺贴槽(4)的尺寸由底部向开口处逐渐递减，且所述铺贴槽(4)开口处的尺寸大于所述金属模具(1)；

S2、复合材料模具(2)的制备：在所述铺贴槽(4)的内型面中铺贴复合材料预浸料形成所述复合材料模具(2)的预成型件(8)，并且使得所述预成型件(8)的内型面无闭角；在预浸料铺贴过程中有闭角α的一侧采用丢层的方式铺贴，铺贴完成后将所述金属模具(1)放入所述铺贴槽(4)中，并使得所述金属模具(1)的外型面与所述预成型件(8)的内型面贴合；然后一起加热加压固化成型；待所述预成型件(8)固化成型后，将所述金属模具(1)从所述铺贴槽(4)中移除，再施加力使固化后的预成型件(8)产生变形，将之从所述铺贴槽(4)中分离出来，即可得到所述复合材料模具(2)；

S3、成型模具：将所述金属模具(1)与所述复合材料模具(2)组合，即为闭角零件(5)的成型模具；

步骤S2、所述复合材料预浸料的铺贴方向采用90°、45°、-45°进行铺贴，比例为8：1：1。

2.根据权利要求1所述的一种闭角零件的成型模具，其特征在于，所述复合材料模具(2)的材质与所述零件(5)相同。

3.根据权利要求1所述的一种闭角零件的成型模具，其特征在于，所述复合材料模具(2)的厚度为1-3mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种闭角零件的成型模具的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)将所述复合材料模具(2)装配到所述金属模具(1)上，使所述复合材料模具(2)的内型面与所述金属模具(1)的外型面贴合；

b)然后在所述复合材料模具(2)的外型面上铺贴用于形成所述零件的复合材料，铺贴完成后连同所述金属模具(1)和所述复合材料模具(2)一起置于真空袋中抽真空，然后放入热压罐中，按材料的固化曲线固化成型，即可得到带有闭角的零件(5)；

c)待固化完成后，将所述金属模具(1)固定，通过外部工具使所述复合材料模具(2)和所述零件一起从所述金属模具(1)上脱离；

d)然后施加外力使所述复合材料模具(2)产生变形，方便将所述复合材料模具(2)和所述零件(5)分开，得到带有闭角的零件(5)。

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