CN114311744B - 曲面窄腔回转体模具及其制备曲面窄腔回转体零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种曲面窄腔回转体模具及其制备曲面窄腔回转体零件的方法，解决现有的制备方法中，将拆分的零件铆接导致铆接处接触间隙大及整体强度低的技术问题。该模具包括内模单元和由下外模组件和上外模组件构成的外模单元；内模单元的上内模、下内模及内模侧边的外侧面缠绕所需层数的碳纤维布；下外模组件和上外模组件与内模单元相匹配。该方法包括：1、内模单元合模；2、在内模单元的外侧面铺层缠绕碳纤维布，制备厚度H1预制体；3、在相应的位置铺设所需层数的碳纤维布，制备出厚度H2预制体；4、在预制体上，进行对穿缝制；5、将外模单元与内模单元合模；6、成型和致密化处理后，拆除模具得到毛坯；7、将毛坯加工即可。
Description
技术领域
本发明涉及一种曲面窄腔回转体模具及其制备曲面窄腔回转体零件的方法。
背景技术
高超声速飞行器的工况主要有高燃气温度、强氧化性、强冲刷性等特点，故对进气道和燃烧室的材料有严格的要求。C/SiC陶瓷基复合材料的特点主要有：低密度(1.8～2.0g/cm3)、零热胀系数、耐高温、抗氧化，使用该复合材料能够减轻发动机的重量，提高工作温度，进而提高发动机的整体性能。
进气道零件内腔空间狭小，且曲面曲率变化较大，如图1-图4所示，01为一种曲面窄腔回转体零件，该零件为由上曲面03、下曲面02和两个侧面04构成的中空腔体，所述中空腔体包括第一端口05和第二端口06，两个侧面04的宽度从第一端口05到第二端口06逐渐扩大，上曲面03靠近第二端口06一侧设置有向第二端口06倾斜的凸台07，该凸台07沿上曲面03向两个侧边延伸并与部分侧边相接；设凸台07最高处的厚度为H2，上曲面03的其余位置和下曲面02厚度为H1。
目前，采用C/SiC复合材料制备该曲面窄腔回转体零件时，使用拆分成开口的C/SiC复合材料U型零件，将C/SiC复合材料U型零件制备到要求密度后，再将其铆接起来，制成曲面窄腔回转体零件。但该结构设计存在零件接触间隙大、整体强度不足的问题；如果将该曲面窄腔回转体零件设计成整体曲面回转体，又因C/SiC复合材料的曲面窄腔回转体零件制备难度较大，因此在成型过程中需要特定的模具才能实现。
发明内容
本发明目的在于解决现有的曲面窄腔回转体零件在制备时，使用拆分成开口的C/SiC复合材料U型零件，将拆分的零件铆接时会导致铆接处接触间隙大及整体强度低的技术问题，提出一种曲面窄腔回转体模具及其制备曲面窄腔回转体零件的方法。
本发明提供的技术方案为：
一种曲面窄腔回转体模具，其特殊之处在于：包括内模单元、外模单元和至少一个加强框；
所述内模单元为两端相通的空腔，包括上内模、下内模和设置在下内模两侧的内模侧边；
所述内模单元外侧面沿上内模、下内模及内模侧边缠绕碳纤维布；
所述外模单元包括下外模组件和上外模组件；所述下外模组件包括第一上模板、第一下模板和第一侧边，所述上外模组件包括第二上模板和第二侧边；
所述下外模组件的第一上模板与缠绕碳纤维布的下内模相适配，所述上外模组件的第二上模板与缠绕碳纤维布的上内模相适配，所述下外模组件的第一侧边与上外模组件的第二侧边相抵接，且第一侧边和第二侧边与缠绕碳纤维布的内模侧边相适配；
所述上内模、下内模、内模侧边均匀设置有多个内模透气通孔，所述第一上模板、第一下模板、第一侧边、第二上模板和第二侧边均匀设置有多个外模透气通孔；所述加强框套设在外模单元的外侧用于固定内模单元和外模单元。
进一步地，所述内模单元的空腔包括第一内模端口和第二内模端口，两个内模侧边的宽度沿第一内模端口到第二内模端口逐渐扩大；
上内模和下内模靠近第一内模端口和第二内模端口位置均匀设置有多个定位凹槽，下内模上的相邻定位凹槽之间设置有内模支撑柱，所述内模支撑柱与上内模固定连接。
进一步地，所述下内模上设置有多条加强筋，所述加强筋设置在下内模与上内模相对应的一侧。
进一步地，所述下外模组件由对称设置的第一下外模和第二下外模组成，所述第一下外模和第二下外模通过固定连接组件固定；
所述上外模组件由对称设置的第一上外模和第二上外模组成，所述第一上外模和第二上外模通过固定连接组件固定；所述上外模组件还包括一个用于安装第二上模板和第二侧边的框架。
进一步地，所述固定连接组件包括固定板，设置在固定板上的至少两组定位销钉和螺栓螺母组件，固定连接组件通过设置在所述下外模组件或上外模组件两端的端板上实现拼接。
本发明还提供一种制备曲面窄腔回转体的方法，其特殊之处在于，采用上述的曲面窄腔回转体模具，包括以下步骤：
S1、将上内模与下内模拼装，下内模的内模侧边与上内模的边沿相抵接，并使用黏胶将两者粘接固定；
S2、采用碳纤维布在内模单元的外侧面沿上内模、侧边和下内模铺层缠绕，碳纤维布层与层之间通过粘性物质粘接，直至达到所需厚度H1，制备出厚度H1预制体；
S3、裁剪所需长度和宽度的碳纤维布，在上内模和两个内模侧边上与拟制备曲面窄腔回转体凸台对应的位置铺设碳纤维布，所述碳纤维布层与层之间通过粘性物质粘接，预留多余量，直至铺设达到所需厚度H2，制备出厚度H2预制体；所述厚度H1预制体和厚度H2预制体构成曲面窄腔回转体预制体；
S4、在步骤S3的曲面窄腔回转体预制体上，使用碳纤维束沿内模单元上的内模透气通孔对曲面窄腔回转体预制体进行对穿缝制，缝制密度与内模透气通孔的分布密度一致；
S5、将下外模组件设置在铺设有碳纤维布的下内模之下，将上外模组件设置在铺设有碳纤维布的上内模之上，并用至少一个加强框固定在外模单元的外侧，得到组合模具；
S6、将步骤S5的组合模具放入加工设备中进行成型和致密化处理后，拆除上外模组件和下外模组件，将内模单元去除，得到曲面窄腔回转体毛坯；
S7、将曲面窄腔回转体毛坯采用磨削加工方法，按照曲面窄腔回转体零件的结构，去除预留多余量，完成曲面窄腔回转体零件的制备。
进一步地，所述步骤S2中采用碳纤维布在内模单元的外侧面沿上内模、侧边和下内模铺层缠绕时，具体包含以下操作：
A1、基于内模单元的曲率差异，在靠近第二内模端口铺设的碳纤维布局部剪开，在铺层缠绕中形成V形裁剪口；
A2、再裁剪出与V形裁剪口相同大小的碳纤维布进行粘贴或通过电脑设计相应的形状，使用自动裁剪设备裁剪出相应形状的碳纤维布后进行粘贴。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的曲面窄腔回转体模具中，内模单元为两端相通的空腔结构，在进行成型和致密化处理时，相较于之前内模结构的实心结构，更有利于提高碳纤维布在进行成型和致密化处理时与相应的化学组分充分、均匀接触，以提升C/SiC陶瓷基复合材料曲面窄腔回转零件的质量。
2、基于曲面窄腔回转体零件存在曲面结构厚度不均匀，在靠近内模单元的第二内模端口端具有倾斜的凸台，在进行制备时，先按照曲面窄腔回转体零件的厚度H1均匀的在内模单元外侧铺设碳纤维布，在考虑预留多余量的情况下裁剪合适宽度和长度的碳纤维布，铺设在内模单元相应的位置至厚度H2，再进行合模，并进行成型及致密化处理；这种方式制备的曲面窄腔回转体零件结构完整，不需要铆接，整体强度增强。
附图说明
图1为C/SiC复合材料曲面窄腔回转体零件立体结构示意图；
图2为C/SiC复合材料曲面窄腔回转体零件侧视图；
图3为图2中A-A剖面结构示意图；
图4为图3中B部分的放大示意图；
图5为本发明实施例曲面窄腔回转体模具结构示意图(未示出外模透气通孔)；
图6为本发明中内模结构立体示意图；
图7为本发明实施例中内模结构拆分示意图(未示出内模透气通孔)；
图8为本发明实施例中内模结构侧视图(未示出内模透气通孔)；
图9为图8中A-A剖面图(未示出内模透气通孔)；
图10为本发明实施例中下外模组件结构示意图(未示出外模透气通孔)；
图11为本发明实施例中下外模组件拆分结构示意图(未示出外模透气通孔)；
图12为本发明实施例中上外模组件结构示意图；
图13为本发明实施例中上外模组件拆分结构示意图(未示出外模透气通孔)；
图14为本发明实施例中碳纤维布铺设方式示意图；
图15为本发明实施例中厚度H1的预制体结构示意图；
图16为本发明实施例中曲面窄腔回转体预制体结构示意图；
图17为本发明实施例中曲面窄腔回转体预制体剖面结构示意图；
图18为图17中B部分放大示意图；
图19为本发明实施例中曲面窄腔回转体模具合模结构示意图(未示出外模透气通孔)；
图20为图19中B部分结构放大示意图。
附图标记如下：
图1-图4中，01-曲面窄腔回转体零件，02-下曲面，03-上曲面，04-侧面，05-第一端口，06-第二端口，07-凸台；
图5-图20中，1-内模单元，101-上内模，102-下内模，103-内模侧边，104-内模支撑柱，105-定位凹槽，106-加强筋，107-内模透气通孔；
2-下外模组件，201-第一上模板，202-第一下模板，203-第一侧边，204-第一下外模，205-第二下外模，206-定位销钉，207-固定板，208-螺栓组件；
3-上外模组件，301-第二上模板，302-第二侧边，303-第一上外模，304-第二上外模，305-外模透气通孔；
4-曲面窄腔回转体预制体，401-碳纤维布，402-厚度H1预制体，403-厚度H2预制体，5-加强框。
具体实施方式
参见图5，本实施例提供一种C/SiC陶瓷基复合材料曲面窄腔回转体零件的模具，该模具包括内模单元1、外模单元和两个加强框5。
参见图6-图9，内模单元1包括上内模101、下内模102和设置在下内模上的两个内模侧边103，上内模101、下内模102和两个内模侧边103形成两端相通的空腔，该空腔具有第一内模端口和第二内模端口，两个内模侧边103的宽度沿第一内模端口到第二内模端口逐渐扩大。
上内模101和下内模102靠近第一内模端口和第二内模端口位置均匀设置有多个定位凹槽105，下内模102上的相邻定位凹槽105之间设置有内模支撑柱104，所述内模支撑柱104与上内模101通过预留在上内模101上的螺钉孔实现固定连接，使上内模101和下内模102紧固。在下内模102与上内模101相对应的一侧设置有多条加强筋106，对下内模102进行加固。
内模单元1沿上内模101、下内模102及内模侧边103缠绕所需层数的碳纤维布401，所需层数拟制备曲面窄腔回转体的厚度相适应。
参见图10-图13，外模单元包括下外模组件2和上外模组件3。
下外模组件2由结构对称的第一下外模204和第二下外模205通过固定连接组件连接而成，下外模组件2包括第一上模板201、第一下模板202和第一侧边203，下外模组件2的第一上模板201与缠绕碳纤维布401的下内模102相适配，下外模组件2的第一下模板202设置有水平边框，可以水平放置，有利于后续加工时水平放置，同时方便进行加强固定时加强框5施加紧固力。
下外模组件2上的固定连接组件包括固定板207，设置在固定板207上的四组定位销钉206和螺栓组件208，固定板207分别与第一下外模204和第二下外模205的端面相接，并分别通过两组定位销钉206和螺栓组件208与第一下外模204和第二下外模205固定连接。
上外模组件3由结构对称的第一上外模303和第二上外模304通过固定连接组件连接而成，上外模组件3包括第二上模板301和第二侧边302，上外模组件3的第二上模板301与缠绕碳纤维布401的上内模101相适配，所述上外模组件3还包括一个用于安装第二上模板301和第二侧边302的框架，该框架上端面为水平，方便进行加强固定时加强框5施加紧固力。
上外模组件3上的固定连接组件包括固定板207，设置在固定板207上的两组定位销钉206和螺栓组件208，固定板207分别与第一上外模303和第二上外模304的端面相接，并分别通过一组定位销钉206和螺栓组件208与第一上外模303和第二上外模304固定连接。
下外模组件2的两个第一侧边203与上外模组件3的两个第二侧边302分别对应抵接，且抵接后的第一侧边203和第二侧边302与缠绕碳纤维布401的内模侧边103相适配。
加强框5为方形，套设在外模单元的外侧用于固定内模单元1和外模单元。
在上内模101、下内模102、内模侧边103均匀设置多个内模透气通孔107，在第一上模板201、第一下模板202、第一侧边203、第二上模板301和第二侧边302均匀设置有多个外模透气通孔305，内模透气通孔107和外模透气通孔305设置间距为10～20mm，直径为φ4～φ7，参见图6和图12；内模透气通孔107用于在制备曲面窄腔回转体预制体4时，通过上内模101和下内模102上的内模透气通孔107对预制体进行固定，另一方面，内模透气通孔107和外模透气通孔305用于在通过化学气相浸渗(CVI)沉积进行成型和致密化时，C/SiC陶瓷基复合材料曲面窄腔回转体的预制体能充分与沉积过程中的化学成分接触，提高C/SiC陶瓷基复合材料曲面窄腔回转体毛坯的质量。
基于上述C/SiC陶瓷基复合材料曲面窄腔回转体零件的模具，制备C/SiC陶瓷基复合材料曲面窄腔回转体零件过程包括：
S1、将上内模101与下内模102拼装，下内模102的内模侧边103与上内模101的边沿相抵接，并使用502胶将两者粘接固定。
S2、采用碳纤维布401在内模单元1的外侧沿上内模101、内模侧边和下内模102铺层缠绕，直至达到所需厚度H1，制备出厚度H1预制体402。
参见图14和图15，碳纤维布401在下内模102进行铺层缠绕时，需要用粘性物质，例如固体胶，将碳纤维布401层层固定的内模单元1外侧面；另外，因为内模单元1从第一内模端口到第二内模端口，上内模101和下内模102的曲率变化较大，在进行碳纤维布401缠绕时局部会出现褶皱现象，为解决该问题，在靠近第二内模端口铺设时，将碳纤维布401局部剪开，在铺层缠绕中碳纤维布401会形成V形裁剪口；再裁剪出与V形裁剪口相同大小的碳纤维布401进行粘贴。可以理解的是还可以通过电脑设计相应的形状，使用自动裁剪设备裁剪出相应形状的碳纤维布401后进行粘贴。采用固体胶进行粘贴，后续在高温化学沉积过程，固体胶失效，不影响模具脱离，且对C/SiC材料的性能不会产生不良影响。
S3、基于C/SiC陶瓷基复合材料曲面窄腔回转体零件在靠近第二端口06设置有向第二端口倾斜的凸台07，在厚度H1预制体402的基础上，裁剪所需长度和宽度的碳纤维布401，在上内模101和两个内模侧边103上与拟制备曲面窄腔回转体零件上的凸台对应的位置铺设所需层数的碳纤维布401，碳纤维布401层与层间使用粘性物粘接，在预留多余量的情况下，铺设达到所需厚度H2，制备出厚度H2预制体403；厚度H1预制体402和厚度H2预制体403构成曲面窄腔回转体预制体4，参见图16-图18。
S4、在步骤S3的曲面窄腔回转体预制体4上，使用碳纤维束沿内模单元1上的内模透气通孔107对曲面窄腔回转体预制体4进行对穿缝制，缝制密度与内模透气通孔107分布密度一致；
S5、将下外模组件2的第一下外模204和第二下外模205通过固定连接组件连接，并设置在铺设有碳纤维布401的下内模102之下，将上外模组件3的第一上外模303和第二上外模304通过固定连接组件连接，并设置在铺设有碳纤维布401的上内模101之上，下外模组件2的两个第一侧边203和上外模组件3的两个第二侧边302相抵接；再用两个加强框5固定在外模单元的外侧，得到组合模具，参见图19-图20；
S6、将步骤S5的组合模具放入加工设备中进行成型和致密化处理后，拆除上外模组件3和下外模组件2，将内模单元1去除，得到C/SiC陶瓷基复合材料曲面窄腔回转体的毛坯。
本实施例采用CVI方法进行成型和致密化，具体的，组合模具装入CVI碳化硅沉积设备中，在800±100℃温度下，通入丙烯和氩气，沉积100±10h，完成界面层制备；然后，再次放入CVI碳化硅沉积设备中，在1000±150℃温度下，通入一甲基三氯硅烷(MTS)、氩气和氢气，沉积200±10h，将C/SiC陶瓷基复合材料构件制备至密度1.6-1.8g/cm3。
S7、采用磨削加工方法，按照曲面窄腔回转体零件的结构，去除预留多余量，将加工到位的零件后再次装入CVI碳化硅沉积设备中，在1000±150℃温度下，通入一甲基三氯硅烷、氩气和氢气，沉积200±10h，将C/SiC陶瓷基复合材料构件制备至密度1.8-2.0g/cm3，完成C/SiC陶瓷基复合材料曲面窄腔回转体零件的制备。
Claims (7)
1.一种曲面窄腔回转体模具，其特征在于：
包括内模单元(1)、外模单元和至少一个加强框(5)；
所述内模单元(1)为两端相通的空腔，包括上内模(101)、下内模(102)和设置在下内模(102)两侧的内模侧边(103)；
所述内模单元(1)沿上内模(101)、内模侧边(103)及下内模(102)缠绕碳纤维布(401)；
所述外模单元包括下外模组件(2)和上外模组件(3)；所述下外模组件(2)包括第一上模板(201)、第一下模板(202)和第一侧边(203)，所述上外模组件(3)包括第二上模板(301)和第二侧边(302)；
所述下外模组件(2)的第一上模板(201)与缠绕碳纤维布(401)的下内模(102)相适配，所述上外模组件(3)的第二上模板(301)与缠绕碳纤维布(401)的上内模(101)相适配，所述下外模组件(2)的第一侧边(203)与上外模组件(3)的第二侧边(302)相抵接，且第一侧边(203)和第二侧边(302)与缠绕碳纤维布(401)的内模侧边(103)相适配；
所述上内模(101)、下内模(102)、内模侧边(103)均匀设置有多个内模透气通孔(107)，所述第一上模板(201)、第一下模板(202)、第一侧边(203)、第二上模板(301)和第二侧边(302)均匀设置有多个外模透气通孔(305)；
所述加强框(5)套设在外模单元的外侧用于固定内模单元(1)和外模单元。
2.根据权利要求1所述的曲面窄腔回转体模具，其特征在于：
所述内模单元(1)的空腔包括第一内模端口和第二内模端口，两个内模侧边(103)的宽度沿第一内模端口到第二内模端口逐渐扩大；
上内模(101)和下内模(102)靠近第一内模端口和第二内模端口位置均匀设置有多个定位凹槽(105)，下内模(102)上的相邻定位凹槽(105)之间设置有内模支撑柱(104)，所述内模支撑柱(104)与上内模(101)固定连接。
3.根据权利要求2所述的曲面窄腔回转体模具，其特征在于：
所述下内模(102)上设置有多条加强筋(106)，所述加强筋(106)设置在下内模(102)与上内模(101)相对应的一侧。
4.根据权利要求1-3任一所述的曲面窄腔回转体模具，其特征在于：
所述下外模组件(2)由对称设置的第一下外模(204)和第二下外模(205)组成，所述第一下外模(204)和第二下外模(205)通过固定连接组件固定；
所述上外模组件(3)由对称设置的第一上外模(303)和第二上外模(304)组成，所述第一上外模(303)和第二上外模(304)通过固定连接组件固定；所述上外模组件(3)还包括一个用于安装第二上模板(301)和第二侧边(302)的框架。
5.根据权利要求4所述的曲面窄腔回转体模具，其特征在于：
所述固定连接组件包括固定板(207)，设置在固定板(207)上的至少两组定位销钉(206)和螺栓组件(208)，固定连接组件通过设置在所述下外模组件(2)或上外模组件(3)两端的端板上实现拼接。
6.一种制备曲面窄腔回转体零件的方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的曲面窄腔回转体模具，包括以下步骤：
S1、将上内模(101)与下内模(102)拼装，下内模(102)的内模侧边(103)与上内模(101)的边沿相抵接，并使用黏胶将两者粘接固定；
S2、采用碳纤维布(401)在内模单元(1)的外侧面沿上内模(101)、内模侧边(103)和下内模(102)铺层缠绕，碳纤维布(401)层与层之间通过粘性物质粘接，直至达到所需厚度H1，制备出厚度H1预制体(402)；
S3、裁剪所需长度和宽度的碳纤维布(401)，在上内模(101)和两个内模侧边(103)上与拟制备曲面窄腔回转体凸台对应的位置铺设碳纤维布(401)，所述碳纤维布(401)层与层之间通过粘性物质粘接，预留多余量，直至铺设达到所需厚度H2，制备出厚度H2预制体(403)；所述厚度H1预制体(402)和厚度H2预制体(403)构成曲面窄腔回转体预制体(4)；
S4、在步骤S3的曲面窄腔回转体预制体(4)上，使用碳纤维束沿内模单元(1)上的内模透气通孔(107)对曲面窄腔回转体预制体(4)进行对穿缝制，缝制密度与内模透气通孔(107)的分布密度一致；
S5、将下外模组件(2)设置在铺设有碳纤维布(401)的下内模(102)之下，将上外模组件(3)设置在铺设有碳纤维布(401)的上内模(101)之上，并用至少一个加强框(5)固定在外模单元的外侧，得到组合模具；
S6、将步骤S5的组合模具放入加工设备中进行成型和致密化处理后，拆除上外模组件(3)和下外模组件(2)，将内模单元(1)去除，得到曲面窄腔回转体毛坯；
S7、将曲面窄腔回转体毛坯采用磨削加工方法，按照曲面窄腔回转体零件的结构，去除预留多余量，完成曲面窄腔回转体零件的制备。
7.根据权利要求6所述的制备曲面窄腔回转体零件的方法，其特征在于：
所述步骤S2中，采用碳纤维布(401)在内模单元(1)的外侧面沿上内模(101)、内模侧边(103)和下内模(102)铺层缠绕时，包含以下操作：
A1、基于内模单元(1)的曲率差异，将在靠近第二内模端口铺设的碳纤维布(401)局部剪开，在铺层缠绕中形成V形裁剪口；
A2、再裁剪出与V形裁剪口相同大小的碳纤维布(401)进行粘贴，或通过电脑设计相应的形状，使用自动裁剪设备裁剪出相应形状的碳纤维布(401)后进行粘贴。
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