CN114833970A - 一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具及其制作方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具，包括三层：内层为泡沫层、中间层为玻璃钢层、外层为钢板层、聚四氟乙烯胶带；泡沫层为多块分结构粘接拼接形成；玻璃钢层为多层纤维布在泡沫层和钢板层之间通过浸润树脂形成；钢板层为多块多边形钢板拼接形成；四氟乙烯胶带层为单面胶带，胶面粘贴于所述钢板层表面；玻璃钢层的厚度为1.5‑2.5mm之间；钢板层的厚度为3‑5mm之间。本发明天线罩模具在铺层基础上通过真空导入工艺将树脂导入泡沫层和钢板层之间进行一体成型。

Description

一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具及其制作方法

技术领域

本发明总体地涉及复合材料成型模具设计，具体涉及一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具及其制作方法。

背景技术

复合材料天线罩作为一种功能性复合材料制件，由于其优异的力学性能、电性能、工艺性能，以及产品可设计性强等特点，被广泛应用于国防工业领域，多数舰载、船载雷达天线罩均采用复合材料材质。

针对天线罩的科研工作也日渐增多，用于研发用途的天线罩制备需求越来越大。天线罩成型中，模具制备是先决条件之一，当前技术中模具制备多为普通钢材质模具或传统工艺制作的玻璃钢模具。

舰载、船载天线罩多为大型球体结构，结构尺寸较大，一般直径在2m以上，由于研发项目所设计的天线罩一般为一次性产品，模具费用占研发费用的比例过高。

采用普通钢材质制作的模具尺寸精准，但对于大型构件，多采用组合式模具，模具拼装配合容易失准，造成尺寸误差，同时原材料费用和加工费用很高，成本花费很高，且钢材质很重，脱模难度和危险性比较大；传统方法制作玻璃钢模具，制作难度大，工艺要求高，首先用手糊代木树脂成型一个母模，对母模进行机械加工，达到要求尺寸后，在母模的基础上进行翻模，制作出所需要的玻璃钢模具，这样制作模具周期长，一般需要一、两个月左右，制作出来的玻璃钢模具表面容易存在气孔，影响产品成型质量，且这种大型模具的母模加工所需数控铣床要求高，加工成本高。

发明内容

本发明结合玻璃钢模具原理，在模具的玻璃钢层外覆盖一层普通钢材质层，直接制作成型的一次性模具。模具成型简单，成本低，尺寸精度符合产品要求，脱模时直接破坏模具，脱模方便。这样可以避免普通钢材质模具(模具制作的时间，人工，同时制造难度很大。)高昂的成本，避免传统方式制作玻璃钢模具的制造难度大，制作周期长，工艺要求高的情况。

本发明首先提供了一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具，包括三层：内层为泡沫层、中间层为玻璃钢层、外层为钢板层；所述泡沫层为多块分结构粘接拼接形成；所述玻璃钢层为多层纤维布在泡沫层和钢板层之间通过浸润树脂形成；所述钢板层为多块多边形钢板拼接形成。

进一步的，本发明的天线罩模具还包括聚四氟乙烯胶带，所述四氟乙烯胶带层为单面胶带，胶面粘贴于所述钢板层表面；所述玻璃钢层的厚度为1.5-2.5mm之间；所述钢板层的厚度为3-5mm之间。

进一步的，本发明的泡沫层为聚氨酯泡沫层，所述聚氨酯泡沫层耐温140℃，密度60g/cm³。泡沫层选用聚氨酯泡沫，耐温140℃，密度60g/cm³，聚氨酯泡沫耐温高，可根据需求选用；PVC泡沫耐温一般在100℃甚至更低，适用范围小，一般预浸料固化温度都在超过100℃了；PMI泡沫耐温性好，适用性好，但是价格昂贵，使用成本太高。

进一步的，本发明的玻璃钢层中的纤维布为无碱玻璃纤维方格布，编织方式为平纹或斜纹均可，面密度200g/cm²或400g/cm²；浸润树脂为环氧树脂体系，Tg不低于165℃。无碱玻璃纤维方格布造价便宜，成型后强度可满足一个大气压的负荷；树脂为环氧树脂体系，Tg温度高。

进一步的，本发明的钢板层材质为Q235钢材质强度满足要求，同时拥有良好的焊接性能。

本发明同时提供了上述低成本大型多边形壳体结构天线罩模具的制备方法，包括以下步骤：

S1、泡沫层材料选择和加工：按照产品的尺寸确定泡沫层的厚度，泡沫层厚度等于产品厚度减去钢板层与玻璃钢层厚度之和；

S2、泡沫层拼接：将步骤S1的泡沫材料进行预先组装，目的是测量尺寸以防止泡沫加工过程存在误差，然后进行粘结组装，使用刮板将胶粘剂均匀涂抹在泡沫粘接面，依次将分块的泡沫拼接粘合形成泡沫层；泡沫层拼接完成后按照尺寸进行检查，对有误差的地方进行局部修整；

S3、中间层纤维布铺放：进行工艺试验，确定浸润树脂后厚度为中间层设计厚度的玻璃钢层所需纤维布的层数，按照这个层数在泡沫层表面铺放，铺放时使用定型喷胶辅助固定，纤维布拼接方式采用对接以避免因为纤维布搭接造成局部区域层数过多导致浸润树脂后厚度超标；

S4、钢板层铺设，焊接：钢板层按照每个多边形面的理论尺寸进行加工，从模具最顶部开始依次往下铺设，每条棱边两侧的钢板对好位置，采取固定方式确保钢板固定在中间层表面，钢板表面设置通孔，以用于后续导入浸润树脂；每条棱边选取三个点进行点焊，确保钢板能固定在表面，钢板的边不能有错位的情况，否则会造成模具尺寸误差；选用钢板可以每个多边形面尺寸准确，同时用铅焊固定后保证了整个产品的尺寸准确性；钢板表面间距50mm加工一个直径为4mm的通孔，用来后续导入树脂的时候中间层能充分浸润树脂，同时通孔内充满树脂与中间层玻璃钢为一体的，也可以固定钢板，增加外层钢板的结构稳定性。

S5、封装制袋：完成步骤S4的模具工件放置在金属平台表面上，在所述金属台表面上铺放封装制袋的封装辅助材料，然后在平台周边粘贴密封胶，用真空袋将模具密封，进行抽真空和保压测试；对表面进行辅助材料的铺放：依次为脱模布、导流网、树脂管路，然后在平台周边粘贴密封胶，用真空袋将模具密封，连接真空泵抽真空，真空数值达到-0.097MPa以上，进行保压测试，关闭真空后观察真空表的数值，5min内下降不超过0.003MPa，确保真空符合要求，如果超出这一标准，真空泄露太多的话，要对密封胶进行再次按压或者重新制袋，直到符合要求；

S6、导入树脂并固化：导入配置好的树脂，按照固化制度放入烘箱进行固化；按照规定的配置比例要求将树脂和固化剂配置好，搅拌均匀进行导入树脂的操作；所用树脂的Tg(玻璃化转变温度)要求比实际产品固化的温度高30℃左右，这样可以保证模具在产品固化过程中性能保持稳定，结构尺寸不会发生变化；按照导入树脂的固化制度放入烘箱进行固化；

S7、打磨、填料填充修整：对固化好的模具外表面进行打磨，并对钢板层表面钢板之间的缝隙用树脂混合白炭黑粉末制成的填料进行填充修整；固化好的模具对外表面进行打磨，将表面的树脂打磨的干净平滑；由于固化后内层聚氨酯泡沫，中间层玻璃钢，外层钢板已经粘接在一起，形成了一个整体，此时可以对之前用来连接固定钢板的焊点进行打磨，将焊点凸出的部位打磨掉，对钢板之间的接缝用树脂混合白炭黑粉末制成的填料进行填充修整，将每个棱边修整到规定的尺寸；

S8、贴单面带胶的聚四氟乙烯胶带：所有尺寸核验完成后，在钢板层外表面全贴一层聚四氟乙烯胶带。

本发明优选聚氨酯泡沫，因为聚氨酯泡沫耐温性比PVC泡沫好，高温下体积收缩量小，对尺寸影响小；PMI泡沫性能优越，但价格昂贵，不符合本发明的思路，故不选用。根据产品所用原材料的固化温度决定选用不同耐温程度的聚氨酯泡沫，一般聚氨酯泡沫的耐温程度比产品高20℃左右。

进一步的，上述步骤S2中，泡沫粘结剂为常温固化，Tg高于产品固化温度的粘结剂；所述胶粘剂按照200-300g/㎡的用量涂抹在泡沫粘接面；所述步骤S4中，用铅焊进行对每条棱边两侧的钢板进行局部点焊，每条棱边选取三个点进行点焊；通孔在钢板表面每隔50mm间距设置，通孔直径为4mm；所述步骤S8中，胶带厚度0.13mm。

进一步的，上述步骤S2中的泡沫粘结剂为黑龙江石油化学科学院的结构胶粘剂J-241。这款胶粘剂粘接强度高，可以在室温下固化，也可以适当升温固化，同时可在150℃下长期使用，而目前大部分中温固化的产品的固化温度为120℃，高出30℃，可以保证模具内层泡沫的粘接强度不受影响。泡沫粘接完成后先在40℃烘烤8h，使胶粘剂初步固化，达到可操作强度，后续在中间层和外层的制作过程中在室温下继续固化，达到最大强度。也可根据要求选择玻璃化转变温度更高的胶粘剂。

与现有最好技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明降低了大型复合材料成型的成本；传统玻璃钢模具需要预先制作母模，再翻模，耗时长达数月，人工成本高，同时母模太大，加工难度大，成本高，钢材质模具材料费和加工费高。

2.本发明缩短了产品模具的制备周期：本发明步骤简单，一次成型，无需制作母模。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1为本发明实施例中一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具的外形示意图；

图2为本发明实施例中一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具的结构层示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具，其外形结构如图1所示，为多块拼接形成的多边形结构，模具的剖面层结构为：内层为聚氨酯泡沫，中间层为2mm厚玻璃钢层，外层为4mm厚钢板。

其制备方法为：首先按结构尺寸对内层聚氨酯泡沫进行分块加工，对外层钢板按照多边形每个形状的尺寸进行加工。将加工完的聚氨酯泡沫采用结构胶粘剂粘接组合成模具内层，在泡沫表面铺放一定层数的玻璃纤维布，然后将各多边形对应的钢板放置在外层，对好棱边位置，钢板之间通过铅焊预先固定；按照真空导入工艺要求对其进行封装制袋并浸润树脂，使中间层的玻璃钢成型，并且与内层的聚氨酯泡沫和外层的钢板进行粘接，使之成为一个整体；对铅焊凸出的部位进行打磨，使用填料对棱边进行修整，外表面铺贴一层单面带胶的聚四氟乙烯胶带，得到产品模具。

实施例2

一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具的成型方法，具体包括以下步骤：

1.聚氨酯泡沫选择及加工。聚氨酯泡沫耐温性比PVC泡沫好，高温下体积收缩量小，对尺寸影响小；PMI泡沫性能优越，但价格昂贵，不符合本发明的思路，故不选用。根据产品所用原材料的固化温度决定选用不同耐温程度的聚氨酯泡沫，一般聚氨酯泡沫的耐温程度比产品高20℃左右。按照产品的尺寸确定聚氨酯泡沫的尺寸，即产品厚度方向尺寸减去外层钢板厚度和中间层玻璃钢厚度。由于泡沫厚度一般多为50mm以内，所以采用分块加工的方式，利用高精度CNC对泡沫进行加工，保证尺寸。

2.内层聚氨酯泡沫拼接。加工完的聚氨酯泡沫先预先组装一下，测量尺寸，防止泡沫加工过程存在误差。预装结束后重新对泡沫进行粘接，将配置好的胶粘剂按照200g/㎡用刮板均匀的涂抹在泡沫粘接面，依次将分块的泡沫拼接起来。泡沫粘接选用黑龙江石油化学科学院的结构胶粘剂J-241，这款胶粘剂粘接强度高，可以在室温下固化，也可以适当升温固化，同时可在150℃下长期使用，而目前大部分中温固化的产品的固化温度为120℃，高出30℃，可以保证模具内层泡沫的粘接强度不受影响。泡沫粘接完成后先在40℃烘烤8h，使胶粘剂初步固化，达到可操作强度，后续在中间层和外层的制作过程中在室温下继续固化，达到最大强度。也可根据要求选择玻璃化转变温度更高的胶粘剂。

3.尺寸检查。泡沫拼接完成后按照尺寸进行检查，对有误差的地方进行局部修整。

4.中间层纤维布铺放。本发明所制备的模具采用真空导入工艺一体成型，中间层预先铺放纤维布，最后浸润树脂固化成型。纤维布选用200g/㎡的无碱玻璃纤维方格布，价格便宜，浸润性好，和树脂结合后强度能满足要求。本模具中间层为2mm厚，事前进行工艺试验，确定浸润树脂后厚度为2mm的玻璃钢所需玻璃纤维方格布的层数，按照这个层数在泡沫表面铺放，铺放时使用3M定型喷胶辅助，方格布铺放需要裁剪的区域，纤维布拼接方式采用对接，避免因为纤维布搭接造成局部区域层数过多，浸润树脂后厚度超标。

5.外层钢板铺设，焊接。钢板按照每个多边形面的理论尺寸进行加工，从模具最顶部开始依次往下铺设，每条棱边两侧的钢板对好位置，用铅焊进行局部点焊，每条棱边选取三个点进行点焊，确保钢板能固定在表面，钢板的边不能有错位的情况，否则会造成模具尺寸误差。选用钢板可以每个多边形面尺寸准确，同时用铅焊固定后保证了整个产品的尺寸准确性。钢板表面间距50mm加工一个直径为4mm的通孔，用来后续导入树脂的时候中间层能充分浸润树脂，同时通孔内充满树脂与中间层玻璃钢为一体的，也可以固定钢板，增加外层钢板的结构稳定性。

6.封装制袋。模具所需材料全部铺放完成后，将模具放置在足够大的金属平台表面。对表面进行辅助材料的铺放，依次为脱模布、导流网、树脂管路，然后在平台周边粘贴密封胶，用真空袋将模具密封，连接真空泵抽真空，真空数值达到-0.097MPa以上，进行保压测试，关闭真空后观察真空表的数值，5min内下降不超过0.003MPa，确保真空符合要求，如果超出这一标准，真空泄露太多的话，要对密封胶进行再次按压或者重新制袋，直到符合要求。

7.导入树脂并固化。按照规定的配置比例要求将树脂和固化剂配置好，搅拌均匀进行导入树脂的操作。所用树脂的Tg(玻璃化转变温度)要求比实际产品固化的温度高30℃左右，这样可以保证模具在产品固化过程中性能保持稳定，结构尺寸不会发生变化。按照导入树脂的固化制度放入烘箱进行固化。

8.打磨、填料填充修整。固化好的模具对外表面进行打磨，将表面的树脂打磨的干净平滑；由于固化后内层聚氨酯泡沫，中间层玻璃钢，外层钢板已经粘接在一起，形成了一个整体，此时可以对之前用来连接固定钢板的焊点进行打磨，将焊点凸出的部位打磨掉，对钢板之间的接缝用树脂混合白炭黑粉末制成的填料进行填充修整，将每个棱边修整到规定的尺寸。

9.贴单面带胶的聚四氟乙烯胶带。所有尺寸核验完成后，在外表面全贴一层胶带，聚四氟乙烯具有不粘性，用来辅助脱模，胶带厚度0.13mm，在产品尺寸公差范围内。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种低成本大型多边形壳体结构天线罩模具，其特征在于，包括三层：内层为泡沫层、中间层为玻璃钢层、外层为钢板层；

所述泡沫层为多块分结构粘接拼接形成；

所述玻璃钢层为多层纤维布在泡沫层和钢板层之间通过浸润树脂形成；

所述钢板层为多块多边形钢板拼接形成。

2.如权利要求1所述的低成本大型多边形壳体结构天线罩模具，其特征在于，

还包括聚四氟乙烯胶带，所述四氟乙烯胶带层为单面胶带，胶面粘贴于所述钢板层表面；

所述玻璃钢层的厚度为1.5-2.5mm之间；

所述钢板层的厚度为3-5mm之间。

3.如权利要求1所述的低成本大型多边形壳体结构天线罩模具，其特征在于，

所述泡沫层为聚氨酯泡沫层，所述聚氨酯泡沫层耐温140℃，密度60g/cm³。

4.如权利要求1所述的低成本大型多边形壳体结构天线罩模具，其特征在于，

所述玻璃钢层中的纤维布为无碱玻璃纤维方格布，编织方式为平纹或斜纹均可，面密度200g/cm²或400g/cm²；浸润树脂为环氧树脂体系，Tg不低于165℃。

5.如权利要求1所述的低成本大型多边形壳体结构天线罩模具，其特征在于，

所述钢板层材质为Q235钢。

6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的低成本大型多边形壳体结构天线罩模具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、泡沫层材料选择和加工：按照产品的尺寸确定泡沫层的厚度，泡沫层厚度等于产品厚度减去钢板层与玻璃钢层厚度之和；

S2、泡沫层拼接：将步骤S1的泡沫材料进行预先组装，然后进行粘结组装，使用刮板将胶粘剂均匀涂抹在泡沫粘接面，依次将分块的泡沫拼接粘合形成泡沫层；

S3、中间层纤维布铺放：进行工艺试验，确定浸润树脂后厚度为中间层设计厚度的玻璃钢层所需纤维布的层数，按照这个层数在泡沫层表面铺放，铺放时使用定型喷胶辅助固定，纤维布拼接方式采用对接以避免因为纤维布搭接造成局部区域层数过多导致浸润树脂后厚度超标；

S4、钢板层铺设，焊接：钢板层按照每个多边形面的理论尺寸进行加工，从模具最顶部开始依次往下铺设，每条棱边两侧的钢板对好位置，采取固定方式确保钢板固定在中间层表面，钢板表面设置通孔，以用于后续导入浸润树脂；

S5、封装制袋：完成步骤S4的模具工件放置在金属平台表面上，在所述金属台表面上铺放封装制袋的封装辅助材料，然后在平台周边粘贴密封胶，用真空袋将模具密封，进行抽真空和保压测试；

S6、导入树脂并固化：导入配置好的树脂，按照固化制度放入烘箱进行固化；

S7、打磨、填料填充修整：对固化好的模具外表面进行打磨，并对钢板层表面钢板之间的缝隙用树脂混合白炭黑粉末制成的填料进行填充修整。

7.如权利要求6所述的低成本大型多边形壳体结构天线罩模具的制备方法，其特征在于，

还包括步骤S8，具体为：

S8、贴单面带胶的聚四氟乙烯胶带：所有尺寸核验完成后，在钢板层外表面全贴一层聚四氟乙烯胶带。

8.根据权利要求6所述的低成本大型多边形壳体结构天线罩模具的制备方法，其特征在于：

所述步骤S2中，泡沫粘结剂为常温固化，Tg高于产品固化温度的粘结剂；所述胶粘剂按照200-300g/㎡的用量涂抹在泡沫粘接面；

所述步骤S4中，用铅焊进行对每条棱边两侧的钢板进行局部点焊，每条棱边选取三个点进行点焊；通孔在钢板表面每隔50mm间距设置，通孔直径为4mm；

所述步骤S8中，胶带厚度0.13mm。

9.如权利要求6所述的低成本大型多边形壳体结构天线罩模具的制备方法，其特征在于，

所述步骤S2中的泡沫粘结剂为黑龙江石油化学科学院的结构胶粘剂J-241。

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