CN114012875B - 一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具，包括底座、位于底座外围的内模模具、位于内模模具外围的外模模具以及铺设在内模模具的型面上的纤维布，内模模具与外模模具之间形成有预制体定型型腔；内模模具包括多个具有等壁厚型面的内模瓣以及分别设置在所述内模瓣上且用于将多个内模瓣定位连接的内模定位环；其结构可靠，该模具定型模具采用了径向阵列式的分体式组合方案，不仅有利于模具复杂凹凸型面的加工，同时大大降低了操作过程中合模的难度，进而能够保证纤维预制体的型面精度和定型压紧力的均匀性。

Description

一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具及使用方法
技术领域
本发明涉及混合器制备技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具及使用方法。
背景技术
混合器是一种在发动机内外涵气流之间的较为复杂的三维结构环形筒体构件，其结构一般具有多波瓣的复杂曲面特征。随着高性能发动机技术的发展，发动机总体设计对混合器构件的重量、使用温度和结构刚度等提出了更高的需求。
目前，混合器所采用的铁基、镍基或钛基合金材料已经难以满足先进发动机安全可靠工作所必需的结构减重和降噪需求。陶瓷基复合材料作为一种具有低密度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高韧性、高刚度等各种材料优点的热结构功能一体化材料，被国际公认为是发展先进发动机高温部件最具潜力的材料之一，其综合性能指标能够很好地满足高性能混合器构件的使用要求。
采用陶瓷基复合材料制备混合器构件时，第一个工艺流程就是纤维预制体的定型。纤维预制体的定型是通过内、外模具的合模操作实现对多层碳纤维布或碳化硅纤维布或氧化铝纤维布在预定刚性曲面上的贴合和压紧。然而，受制于混合器的复杂型面特征，定型过程中往往发生贴模率低、夹持力不均匀、脱模困难等问题，导致最终产品存在分层、孔隙缺陷和型面尺寸超差，从而影响构件的结构强度和降噪效果。因此，需要从定型模具设计和模具使用的角度进行技术优化，保证混合器构件定型的工艺可达性和便利性。
陶瓷基复合材料混合器预制体定型模具的设计难点在于复杂型面的加工可达性差、纤维预制体贴模均匀性差以及脱模时对纤维预制体的保护性低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具及使用方法，以解决现有陶瓷基复合材料混合器曲面加工可达性差、纤维预制体贴模均匀性差以及脱模时对纤维预制体的保护性低的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具，包括底座、位于底座外围的内模模具、位于内模模具外围的外模模具以及铺设在内模模具的型面上的纤维布，内模模具与外模模具之间形成有预制体定型型腔；
内模模具包括多个具有等壁厚型面的内模瓣以及分别设置在所述内模瓣上且用于将多个内模瓣定位连接的内模定位环。
进一步地，内模瓣包括具有斜边的第一型面段、第二型面段以及连接在第一型面段与第二型面段之间的第三型面段；
第一型面段、第二型面段的开口朝向均与第三型面段的开口朝向相反，第一型面段和第二型面段的斜边两端分别设置有定位凸台，定位凸台与U形段的顶面之间形成有卡腔，内模定位环卡设在卡腔内，相邻内模瓣之间通过定位凸台和内模定位环连接。
进一步地，第一型面段的斜边与第二型面段的斜边分别向底座方向延伸，并使得斜边上的定位凸台与底座的外壁相抵接。
进一步地，底座包括上座体以及设置在上座体下方且与上座体连接为一体式结构的下座体，所述内模瓣的定位凸台分别抵接在上座体和下座体的外壁上，且上座体与下座体呈类锥形结构。
进一步地，定位凸台上开设置有定位孔，定位孔内配合有连接件，通过连接件将相邻内模瓣进行连接。
进一步地，外模模具包括多个外模体以及设置在外模体上且用于对外模体进行径向定位的外模定位环，外模体上设置有通气孔，相邻外模体之间通过连接件连接。
进一步地，外模体包括第一外模段以及分别设置在第一外模段两侧的第二外模段，第一外模段上设置有与第三型面段相适配的凸块，第一外模段与第二外模段之间形成有与所述第一型面段、第二型面段相适配的U形腔。
进一步地，第一外模段的底端和第二外模段的底端分别设置有外模定位台，外模定位台上设置有外模定位环。
进一步地，第一外模段的连接板与第二外模段的连接板通过螺栓连接。
本发明还提供了一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具的使用方法，包括以下步骤：
S1：将底座固定在操作台上；
S2：将多个内模瓣进行连接，并保证相邻内模瓣的上、下端面和型面接口处齐平，并将内模定位环安装在定位凸台上，完成周向多个内模瓣沿径向方向的定位和固定；
S3：将纤维布逐层铺设至内模模具的型面上，铺设厚度为设计厚度的1.02-1.15倍；
S4：将多个外模体进行连接，并保证相邻外模体之间的上、下端面和型面接口处齐平，完成预制体模具的定型；
S5：通过定型后的预制体模具进行制备至脱模工序时，依次将外模定位环、外模模具、内模模具依次取出。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具及使用方法，其结构可靠，该模具定型模具采用了径向阵列式的分体式组合方案，不仅有利于模具复杂凹凸型面的加工，同时大大降低了操作过程中合模的难度，进而能够保证纤维预制体的型面精度和定型压紧力的均匀性。此外，该定型模具利用了混合器的波瓣型结构特征，采用径向插入型面模具，轴向插入定位模具的方式，既满足了纤维预制体径向压紧力的均匀性要求，又在定型操作时避免了对纤维预制体的摩擦和刮蹭损伤。采用本技术制备的混合器纤维预制体，其贴模率为85-97％，预制体不同部位的厚度差异小于0.3mm，可完全避免脱模时的纤维布整层脱落。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中内模模具结构示意图；
图3为本发明中内模模具安装完毕示意图(一瓣内模瓣未示)；
图4为本发明中内模瓣结构示意图；
图5为本发明中底座结构示意图；
图6为本发明中外模模具结构示意图；
图7为本发明中外模体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具，包括底座1、位于底座1外围的内模模具2、位于内模模具2外围的外模模具3以及铺设在内模模具2的型面上的纤维布，内模模具2与外模模具3之间形成有预制体定型型腔4。
底座1呈类锥形结构，用于内模模具2、外模模具3的安装定位。底座1固定在工作台上，防止定型模具在后续操作过程中发生转动和平移，提高稳定性能。通过外模模具3和内模模具2形成的预制体定型型腔4进行复杂型面混合器纤维预制体的高质量定型。内模模具2和外模模具3采用高温材料制备，如电极石墨、高纯石墨等。该模具利用了混合器的波瓣型结构特征，采用径向插入型面模具，轴向插入定位模具的方式，既满足了纤维预制体径向压紧力的均匀性要求，又在定型操作时避免了对纤维预制体的摩擦和刮蹭损伤。
如图2至图4所示，内模模具2包括多个具有等壁厚型面的内模瓣20以及分别设置在内模瓣20上且用于将多个内模瓣20定位连接的内模定位环21。内模瓣20包括具有斜边200的第一型面段201、第二型面段202以及连接在第一型面段201与第二型面段202之间的第三型面段203；第一型面段201的斜边200与第二型面段202的斜边200分别向底座1方向延伸，并使得斜边200上的定位凸台204与底座1的外壁相抵接。第一型面段201、第二型面段202的开口朝向均与第三型面段203的开口朝向相反，第一型面段201和第二型面段202的斜边200两端分别设置有定位凸台204，定位凸台204与U形段的顶面之间形成有卡腔205，内模定位环21卡设在卡腔205内，相邻内模瓣20之间通过定位凸台204和内模定位环21连接。内模定位环21包括内模上定位环和内模下定位环，通过内模上定位环和内模下定位环分别对内模模具2的上周面和下周面进行径向定位。定位凸台204上开设置有定位孔206，定位孔206内配合有连接件207，通过连接件207将相邻内模瓣20进行连接，该连接件207采用螺栓或定位销，通过连接件207对内模模具2进行周向定位，从而形成周向和径向的双向定位，提高稳定可靠性能。
如图5所示，底座1包括上座体10以及设置在上座体10下方且与上座体10连接为一体式结构的下座体11，内模瓣20的定位凸台204分别抵接在上座体10和下座体11的外壁上，且上座体10与下座体11呈类锥形结构。
如图6所示，外模模具3包括多个外模体30以及设置在外模体30上且用于对外模体30进行径向定位的外模定位环31，外模体30上设置有通气孔32，相邻外模体30之间通过连接件207连接。外模体30上具有等壁厚型面、螺栓安装孔及通气孔32，用于纤维预制体的固定、夹紧以及相邻模具间的连接固定。外模定位环31用于多个外模体30之间的紧固和定位，确保模具与纤维预制体接触的表面与构件设计型面一致。
如图7所示，外模体30包括第一外模段301以及分别设置在第一外模段301两侧的第二外模段302，第一外模段301上设置有与第三型面段203相适配的凸块303，第一外模段301与第二外模段302之间形成有与第一型面段201、第二型面段202相适配的U形腔304。
第一外模段301的底端和第二外模段302的底端分别设置有外模定位台305，外模定位台305上设置有外模定位环31。外模定位台305上具有卡口，外模定位环31卡设在卡口上。第一外模段301的连接板与第二外模段302的连接板通过螺栓连接。
本发明还提供了一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具的使用方法，包括以下步骤：
S1：将底座1固定在操作台上；
S2：将多个内模瓣20进行连接，并保证相邻内模瓣20的上、下端面和型面接口处齐平，并将内模定位环21安装在定位凸台204上，完成周向多个内模瓣20沿径向方向的定位和固定；
S3：将纤维布逐层铺设至内模模具2的型面上，铺设厚度为设计厚度的1.02-1.15倍；
S4：将多个外模体30进行连接，并保证相邻外模体30之间的上、下端面和型面接口处齐平，完成预制体模具的定型；
S5：通过定型后的预制体模具进行制备至脱模工序时，依次将外模定位环31、外模模具3、内模模具2依次取出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具的使用方法，其特征在于，该预制体定型模具包括底座(1)、位于所述底座(1)外围的内模模具(2)、位于所述内模模具(2)外围的外模模具(3)以及铺设在所述内模模具(2)的型面上的纤维布，所述内模模具(2)与所述外模模具(3)之间形成有预制体定型型腔(4)；
所述内模模具(2)包括多个具有等壁厚型面的内模瓣(20)以及分别设置在所述内模瓣(20)上且用于将多个所述内模瓣(20)定位连接的内模定位环(21)；所述内模瓣(20)包括具有斜边(200)的第一型面段(201)、第二型面段(202)以及连接在所述第一型面段(201)与第二型面段(202)之间的第三型面段(203)；所述第一型面段(201)、所述第二型面段(202)的开口朝向均与所述第三型面段(203)的开口朝向相反，所述第一型面段(201)和第二型面段(202)的斜边(200)两端分别设置有定位凸台(204)，所述定位凸台(204)与U形段的顶面之间形成有卡腔(205)，所述内模定位环(21)卡设在所述卡腔(205)内，相邻所述内模瓣(20)之间通过定位凸台(204)和内模定位环(21)连接；
所述外模模具(3)包括多个外模体(30)以及设置在所述外模体(30)上且用于对外模体(30)进行径向定位的外模定位环(31)，所述外模体(30)上设置有通气孔(32)，相邻所述外模体(30)之间通过连接件(207)连接；
使用该预制体定型模具时，包括以下步骤：
S1：将底座(1)固定在操作台上；
S2：将多个内模瓣(20)进行连接，并保证相邻内模瓣(20)的上、下端面和型面接口处齐平，并将内模定位环(21)安装在定位凸台(204)上，完成周向多个内模瓣(20)沿径向方向的定位和固定；
S3：将纤维布逐层铺设至内模模具(2)的型面上，铺设厚度为设计厚度的1.02-1.15倍；
S4：将多个外模体(30)进行连接，并保证相邻外模体(30)之间的上、下端面和型面接口处齐平，完成预制体模具的定型；
S5：通过定型后的预制体模具进行制备至脱模工序时，依次将外模定位环(31)、外模模具(3)、内模模具(2)依次取出。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具的使用方法，其特征在于，所述第一型面段(201)的斜边(200)与所述第二型面段(202)的斜边(200)分别向底座(1)方向延伸，并使得斜边(200)上的定位凸台(204)与底座(1)的外壁相抵接。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具的使用方法，其特征在于，所述底座(1)包括上座体(10)以及设置在所述上座体(10)下方且与上座体(10)连接为一体式结构的下座体(11)，所述内模瓣(20)的定位凸台(204)分别抵接在上座体(10)和下座体(11)的外壁上，且所述上座体(10)与所述下座体(11)呈类锥形结构。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具的使用方法，其特征在于，所述定位凸台(204)上开设置有定位孔(206)，所述定位孔(206)内配合有连接件(207)，通过所述连接件(207)将相邻内模瓣(20)进行连接。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具的使用方法，其特征在于，所述外模体(30)包括第一外模段(301)以及分别设置在所述第一外模段(301)两侧的第二外模段(302)，所述第一外模段(301)上设置有凸块(303)，所述第一外模段(301)与所述第二外模段(302)之间形成有U形腔(304)。
6.根据权利要求5所述的陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具的使用方法，其特征在于，所述第一外模段(301)的底端和第二外模段(302)的底端分别设置有外模定位台(305)，所述外模定位台(305)上设置有外模定位环(31)。
7.根据权利要求6所述的陶瓷基复合材料混合器的预制体定型模具的使用方法，其特征在于，所述第一外模段(301)的连接板与第二外模段(302)的连接板通过螺栓连接。
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