CN113954272A - 一种模具及使用该模具制作异型复合材料回转体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模具及使用该模具制作异型、变截面复合材料回转体的方法，属于异型变截面薄壁回转体制作技术领域，一种模具，包括回转体外模a、回转体外模b，所述回转体外模a与回转体外模b之间可拆卸连接，所述回转体外模a、回转体外模b连接后形成的腔体内设有回转体内模，所述回转体内模与回转体外模a、回转体外模b的内壁之间的形成有间隙；通过该模具制作长径比大于10，且壁厚小于4mm的异型变截面薄壁回转体。本发明制作的长径比大、薄壁、异型、变截面复合材料回转体，具有不易变形、尺寸精度高、内外表面光洁度高，后续的表面处理工艺简单，经济性高的特点。

Description

一种模具及使用该模具制作异型复合材料回转体的方法
技术领域
本发明涉及异型变截面薄壁回转体制作技术领域，具体涉及一种模具及使用该模具制作异型复合材料回转体的方法。
背景技术
长径比大、薄壁复合材料回转体，行业内常用的制作方法有缠绕工艺、拉挤工艺。
缠绕工艺是一种在控制张力和预定线型的条件下，应用专门的缠绕设备将连续纤维束或布带浸渍树脂胶液后连续、均匀且有规律地缠绕在芯模或内衬上，然后在一定温度环境下使之固化，成为一定形状制品的复合材料成型方法。经缠绕工艺制作的长径比大、薄壁的复合材料回转体，纵向强度偏低、纵向易变形、外表面光洁度低；且缠绕工艺设备的投资及维护成本高，设备通用性较差，只能缠绕圆形结构的制品。
拉挤工艺是将纱架上的无捻玻璃纤维粗纱和其他连续增强材料、聚脂表面毡等进行树脂浸渍，然后通过保持一定截面形状的成型模具，并使其在模内固化成型后连续出模，由此形成拉挤制品的一种自动化生产工艺。经拉挤工艺制作的长径比大、薄壁复合材料回转体，横向强度低、各向均易变形，树脂储量偏低，气密性和耐腐蚀性偏低；且拉挤工艺设备的投资及使用成本高，设备只能生产单一截面形状的线型制品，无法制作异型、变截面制品。
对于长径比大于10、壁厚小于4mm的异形复合材料制品，在航空航天领域，采用制作方法有自动铺带（丝）机+热压罐成型工艺、多维编织+真空袋成型工艺；但此两种方法，均需非常高的设备投入成本和制作成本，其他行业一般不适合进行应用、推广。
为了解决缠绕工艺的纵向强度低、表面光洁度低、设备投资成本高、设备通用性较差，拉挤工艺的横向强度低、树脂储量偏低、设备投资成本高、无法制作异型和变截面制品，热压罐成型、真空袋成型等工艺的设备投入昂贵、工艺研发投入高等技术问题，本发明提出一种模具，并提出一种使用该模具制作长径比大、薄壁、异型、变截面的复合材料回转体的工艺方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种模具及使用该模具制作异型复合材料回转体的方法，制作的长径比大、薄壁、异型、变截面复合材料回转体，具有不易变形、尺寸精度高、内外表面光洁度高，后续的表面处理工艺简单，经济性高的特点。
为解决上述技术问题，本发明提供一种模具，包括回转体外模a、回转体外模b，所述回转体外模a与回转体外模b之间可拆卸连接，所述回转体外模a、回转体外模b连接后形成的腔体内设有回转体内模，所述回转体内模与回转体外模a、回转体外模b的内壁之间的形成有间隙。
进一步的，所述回转体外模a、回转体外模b连接后形成的腔体以及回转体内模1伸入到腔体内的结构形状均与异型变截面薄壁回转体的形状相同。
进一步的，所述回转体内模的两端均设有可拆卸的且用于限位异型变截面薄壁回转体的限位块。
进一步的，所述回转体内模的两端均设有向外伸出的作用柱。
进一步的，所述回转体内模与回转体外模a、回转体外模b的内壁之间的形成有间隙与异型变截面薄壁回转体的壁厚相同。
进一步的，所述回转体外模a与回转体外模b相对的对接边之间通过定位销定位，且通过第一螺栓紧固连接。
进一步的，所述回转体外模a与回转体外模b的外壁上均设有侧加强板。
进一步的，所述限位块的侧面呈L型，所述限位块的一个平面通过第二螺栓固定于回转体内模的端面上，所述限位块的另一个平面的朝向异型变截面薄壁回转体的底边用于限位异型变截面薄壁回转体。
一种使用上述模具制作异型复合材料回转体的方法，包括如下步骤：
（1）铺层设计：根据待制作的异型变截面薄壁回转体的壁厚确定所需增强材料层数和基体材料；具体根据强度、隐身等性质确定复合材料，在复合材料中凡是能增强基体力学性能的物质统称为增强材料；增强材料即短切毡、玻纤布、碳纤维等。增强材料用作支撑复合材料基体的结构，作为整个复合材料的支架；如玻璃钢中的玻璃纤维，碳纤维复合材料中的碳纤维；
（2）内铺层：按设计的层数、顺序将各增强材料层依次铺设在回转体内模（1）上，并逐层使用基体材料对各增强材料层进行涂覆、浸润；
（3）缠绕层：增强材料铺设完成后，采用纤维缠绕机将具有设计张力要求的一层或多层的纤维束缠绕在增强材料的最外层，并使用基体材料进行涂覆、浸润；
（4）外型定型：缠绕结束后，在回转体内模上的基体材料固化前，将回转体内模两端的限位块紧固安装后，限位块分布于异型变截面薄壁回转体的端部圆周，随后将回转体内模放置于回转体外模a、回转体外模b之间，并将回转体外模a与回转体外模b进行合紧、装配；
（5）固化处理：将合紧后的模具整体进行充分固化处理；
（6）脱模：固化完成后，先用巴氏硬度计对异型变截面薄壁回转体进行硬度确认，然后进行脱模处理，即可得异型变截面薄壁回转体。
进一步的，步骤（6）中，进行脱模处理时，先将合紧的回转体外模a与回转体外模b之间的连接调松，然后将回转体内模两端的限位块取下，取出回转体内模，然后将回转体外模a与回转体外模b之间完成打开，即可得异型变截面薄壁回转体。
进一步的，步骤（6）中，得到的由复合材料制成的异型变截面薄壁回转体5的长径比大于10，且壁厚小于4mm。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1、本发明采用HFM复合工艺（Hand lay-up手糊工艺+Filament winding缠绕工艺+Molding process模压工艺）结合的方法，通过对增强材料顺序、铺设方向的控制，提高了回转体的各向强度；增加缠绕工序，不仅提高回转体横向强度，而且避免了增强材料层在合模后出现褶皱情况。
2、根据回转体的异型、变截面结构特点，制作的回转体内模和回转体外模，保证了回转体的结构特点、制作精度和质量一致性；外模合紧通过定位销定位，提高了合模的效率和精度；充分固化后再进行脱模，有效避免薄壁回转体的后期变形。
3、本发明制作的长径比大、薄壁、异型、变截面复合材料回转体，具有不易变形、尺寸精度高、内外表面光洁度高，后续的表面处理工序简单，节省了大量的人力成本。该方法只投入回转体内模和回转体外模，节省了设备的投入及维护成本，经济性较高。
附图说明
图1为本发明模具的爆炸图；
图2为图1中区域A的局部放大图；
图3为本发明模具装配后的部分结构示意图。
1、回转体内模；10、作用柱；2、第二螺栓；3、限位块；4、定位销；5、异型变截面薄壁回转体；6、回转体外模a；7、第一螺栓；8、回转体外模b，9、侧加强板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-3，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示：本发明提供一种模具，包括回转体外模a6、回转体外模b8，所述回转体外模a6与回转体外模b8之间可拆卸连接，所述回转体外模a6、回转体外模b8连接后形成的腔体内设有回转体内模1，所述回转体内模1与回转体外模a6、回转体外模b8的内壁之间的形成有间隙。
其中，所述回转体外模a6、回转体外模b8连接后形成的腔体以及回转体内模1伸入到腔体内的结构形状均与异型变截面薄壁回转体5的形状相同。
其中，所述回转体内模1的两端均设有可拆卸的且用于限位异型变截面薄壁回转体5的限位块3。
其中，所述回转体内模1的两端均设有向外伸出的作用柱10。
通过作用柱10的作用实现拿放回转体内模1，且模具整体装配好后，使用过程中，通过作用柱10便于拿放整体模具装配体。
其中，所述回转体内模1与回转体外模a6、回转体外模b8的内壁之间的形成有间隙与异型变截面薄壁回转体5的壁厚相同。
其中，所述回转体外模a6与回转体外模b8相对的对接边之间通过定位销4定位，且通过第一螺栓7紧固连接。
其中，所述回转体外模a6与回转体外模b8的外壁上均设有侧加强板9。
其中，所述限位块3的侧面呈L型，所述限位块3的一个平面通过第二螺栓2固定于回转体内模1的端面上，所述限位块3的另一个平面的朝向异型变截面薄壁回转体5的底边用于限位异型变截面薄壁回转体5。
一种使用上述模具制作异型、变截面复合材料回转体的方法，包括如下步骤：
（1）铺层设计：根据待制作的异型变截面薄壁回转体5的壁厚确定所需基体材料和增强材料层数；具体根据强度、隐身等性质确定复合材料，在复合材料中凡是能增强基体力学性能的物质统称为增强材料；增强材料即短切毡、玻纤布、碳纤维等。增强材料用作支撑复合材料基体的结构，作为整个复合材料的支架；如玻璃钢中的玻璃纤维，碳纤维复合材料中的碳纤维；
（2）内铺层：按设计的层数、顺序将各增强材料层依次铺设在回转体内模（1）上，并逐层使用基体材料对各增强材料层进行涂覆、浸润；
（3）缠绕层：增强材料铺设完成后，采用纤维缠绕机将具有设计张力要求的一层或多层的纤维束缠绕在增强材料的最外层，并使用基体材料进行涂覆、浸润；
（4）外型定型：缠绕结束后，在回转体内模1上的基体材料固化前，将回转体内模1两端的限位块3紧固安装后，限位块3分布于异型变截面薄壁回转体5的端部圆周，随后将回转体内模1放置于回转体外模a6、回转体外模b8之间，并将回转体外模a6与回转体外模b8进行合紧、装配；
（5）固化处理：将合紧后的模具整体进行充分固化处理；
（6）脱模：固化完成后，先用巴氏硬度计对异型变截面薄壁回转体5进行硬度确认，然后进行脱模处理，即可得异型变截面薄壁回转体5。
进行脱模处理时，先将合紧的回转体外模a6与回转体外模b8之间的连接调松，然后将回转体内模1两端的限位块3取下，取出回转体内模1，然后将回转体外模a6与回转体外模b8之间完成打开，即可得异型变截面薄壁回转体5。
最终得到的由复合材料制成的异型变截面薄壁回转体5的长径比大于10，且壁厚小于4mm。
本方法通过对增强材料顺序、铺设方向的控制，提高了回转体的各向强度；增加缠绕工序，不仅提高回转体横向强度，而且避免了增强材料层在合模后出现褶皱情况；在回转体内模1周边增加限位块3，使回转体内模1在合模时居中，保证了异型变截面薄壁回转体5厚度均匀；外模即回转体外模a6与回转体外模b8合紧通过定位销4定位，提高了合模的效率和精度；充分固化后再进行脱模，有效避免异型变截面薄壁回转体5的后期变形。
本方法制作的长径比大、薄壁、异型、变截面复合材料回转体，具有不易变形、尺寸精度高、内外表面光洁度高，后续的表面处理工序简单，节省了大量的人力成本。该方法只投入回转体外模a6与回转体外模b8，节省了设备的投入及维护成本，经济性较高。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模具，其特征在于：包括回转体外模a（6）、回转体外模b（8），所述回转体外模a（6）与回转体外模b（8）之间可拆卸连接，所述回转体外模a（6）、回转体外模b（8）连接后形成的腔体内设有回转体内模（1），所述回转体内模（1）与回转体外模a（6）、回转体外模b（8）的内壁之间的形成有间隙。
2.如权利要求1所述的模具，其特征在于：所述回转体外模a（6）、回转体外模b（8）连接后形成的腔体以及回转体内模（1）伸入到腔体内的结构形状均与异型变截面薄壁回转体（5）的形状相同。
3.如权利要求2所述的模具，其特征在于：所述回转体内模（1）的两端均设有可拆卸的且用于限位异型变截面薄壁回转体（5）的限位块（3）。
4.如权利要求2所述的模具，其特征在于：所述回转体内模（1）的两端均设有向外伸出的作用柱（10）。
5.如权利要求1所述的模具，其特征在于：所述回转体内模（1）与回转体外模a（6）、回转体外模b（8）的内壁之间的形成有间隙与异型变截面薄壁回转体（5）的壁厚相同。
6.一种使用如权利要求1-5任一项所述的模具制作异型复合材料回转体的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）铺层设计：根据待制作的异型变截面薄壁回转体（5）的壁厚确定所需增强材料层数和基体材料；
（2）内铺层：按设计的层数、顺序将各增强材料层依次铺设在回转体内模（1）上，并逐层使用基体材料对各增强材料层进行涂覆、浸润；
（3）缠绕层：增强材料铺设完成后，采用纤维缠绕机将具有设计张力要求的一层或多层的纤维束缠绕在增强材料的最外层，并使用基体材料进行涂覆、浸润；
（4）外型定型：缠绕结束后，在回转体内模（1）上的基体材料固化前，将回转体内模（1）两端的限位块（3）紧固安装后，限位块（3）分布于异型变截面薄壁回转体（5）的端部圆周，随后将回转体内模（1）放置于回转体外模a（6）、回转体外模b（8）之间，并将回转体外模a（6）与回转体外模b（8）进行合紧、装配；
（5）固化处理：将合紧后的模具整体进行充分固化处理；
（6）脱模：固化完成后，先用巴氏硬度计对异型变截面薄壁回转体（5）进行硬度确认，然后进行脱模处理，即可得异型变截面薄壁回转体（5）。
7.如权利要求6所述的使用模具制作异型复合材料回转体的方法，其特征在于：步骤（6）中，进行脱模处理时，先将合紧的回转体外模a（6）与回转体外模b（8）之间的连接调松，然后将回转体内模（1）两端的限位块（3）取下，取出回转体内模（1），然后将回转体外模a（6）与回转体外模b（8）之间完成打开，即可得异型变截面薄壁回转体（5）。
8.如权利要求6所述的使用模具制作异型复合材料回转体的方法，其特征在于：步骤（6）中，得到的由复合材料制成的异型变截面薄壁回转体（5）的长径比大于10，且壁厚小于4mm。
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