CN116061466B

CN116061466B - 一种复合材料模具工装的制作方法及使用方法

Info

Publication number: CN116061466B
Application number: CN202310212083.XA
Authority: CN
Inventors: 王军; 李俊; 肖卫华; 介凯旋; 刘慧中; 马彦爽; 周倩; 韩旭; 高婷婷
Original assignee: Jiangsu Xinyang New Material Co ltd
Current assignee: Jiangsu Xinyang New Material Co ltd
Priority date: 2023-03-07
Filing date: 2023-03-07
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2043-03-07
Also published as: CN116061466A

Abstract

本发明设计复合材料领域，公开一种复合材料模具工装的制作方法及使用方法，制作方法包括以下步骤：步骤1）铺贴面单元制作，包括上蒙皮铺贴面单元和下蒙皮铺贴面单元的制作，两者制作过程相同，包括：选用金属板材作为母模，在母模的表面铺贴碳纤维预浸料，铺贴完成后进热压罐固化；步骤2）支撑框架单元制作，包括支撑框架方管、支撑框架栅板以及连接角片；步骤3）支撑框架单元组装，支撑框架栅板插接好后使用支撑框架方管串联在一起；步骤4）安装铺贴面单元，将铺贴面单元胶结在支撑框架栅板上，同时采用连接角片粘接支撑框架栅板与铺贴面单元，待胶水固化后得到复合材料模具，本发明解决了复合材料叶片制作精度较低的问题。

Description

一种复合材料模具工装的制作方法及使用方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种复合材料模具工装的制作方法。

背景技术

近年来为降低复合材料制品成型制造成本，越来越多使用复合材料制造其成型模具，常见有复合材料船舶玻璃钢模具、风电叶片玻璃钢模具、飞机复合材料零件碳纤维复材模具、复合材料压力容器砂芯模具、特殊复合材料产品金属复合材料模具等等。

以上所有的复合材料零件在生产过程中仅仅使用复合材料作为成型模具，若需要加工或其它工序，仍需要匹配相应的金属工装才能完成整个产品的制造。使用复合材料模具最为广泛的风电叶片行业也仅仅采用玻璃钢制作其模具和胶接工装，无法实现其机加工装的作用，效率低，且更换模具还会导致制成的叶片精度下降。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种复合材料模具工装的制作方法及使用方法，解决了复合材料叶片制作精度较低的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种复合材料模具工装的制作方法，包括以下步骤：

步骤1）铺贴面单元制作，包括上蒙皮铺贴面单元和下蒙皮铺贴面单元的制作，两者制作过程相同，包括：选用金属板材作为母模，在母模的表面铺贴碳纤维预浸料，铺贴完成后进热压罐固化；

步骤2）支撑框架单元制作，包括支撑框架方管、支撑框架栅板以及连接角片；

所述支撑框架方管的制作方法为：直接采用碳纤维预浸料在方形模具的外周铺贴，铺贴完成后进热压罐固化；

所述支撑框架栅板的制作方法为：直接采用碳纤维预浸料在平板模具表面铺贴，铺贴完成后进热压罐固化，固化后机加至支撑框架栅板相互之间插接所需尺寸；

所述连接角片的制作方法为：直接采用碳纤维预浸料在方管模具R角处铺贴，铺贴完成后进热压罐固化；

步骤3）支撑框架单元组装，支撑框架栅板插接好后使用支撑框架方管串联在一起，并通过结构胶胶结在一起，固化后机加至配合铺贴面单元的净尺寸；

步骤4）安装铺贴面单元，将铺贴面单元胶结在支撑框架栅板上，同时采用连接角片粘接支撑框架栅板与铺贴面单元，待胶水固化后得到复合材料模具。

作为本发明所述一种复合材料模具工装的制作方法的优选技术方案，步骤1）中选用铝合金板料作为金属母模的原材料，由于低温叶片成型、胶接、机加一体化模具工装使用的模具预浸料是60℃固化，设计金属母模时，根据室温至预浸料固化温度的铝合金线性膨胀系数等比缩小金属母模的加工三维数模。

作为本发明所述一种复合材料模具工装的制作方法的优选技术方案，步骤1）碳纤维预浸料铺贴时，选用的预浸料需满足60℃低温固化后能够在200℃下长期使用的碳纤维增强环氧树脂预浸料，树脂含量40%，先铺贴作为表面层的200g/m²纤维面密度斜纹预浸料，再铺贴作为中间层的600g/m²纤维面密度斜纹预浸料，铺贴完所有料片后制作最终真空袋进热压罐低温高压固化成型，固化参数为：60℃、0.6MPa、保温20h，所述温度、密度、树脂含量、压力、时间可在5%上下浮动。

作为本发明所述一种复合材料模具工装的制作方法的优选技术方案，铺贴时，无需要求保证纤维方向的连续性，保证铺贴区域内无缺料、无间隙即可。

作为本发明所述一种复合材料模具工装的制作方法的优选技术方案，铺贴时，每铺贴预设层数的预浸料需制作真空预抽袋预压实料片。

作为本发明所述一种复合材料模具工装的制作方法的优选技术方案，步骤1）铺贴前，需将金属母模利用极性溶剂清洗干净，新模具使用至少涂刷8层脱模剂。

作为本发明所述一种复合材料模具工装的制作方法的优选技术方案，步骤2）中支撑框架方管、支撑框架栅板以及连接角片铺贴时，选用600g/m²纤维面密度斜纹预浸料，树脂含量40%，固化参数为：60℃、0.6MPa、保温20h，所述温度、密度、树脂含量、压力、时间可在5%上下浮动。

作为本发明所述一种复合材料模具工装的制作方法的优选技术方案，步骤3）组装具体包括：将支撑框架方管与支撑框架栅板拼装至大致尺寸，利用测量工具定位，在连接处手糊涂刷耐200℃糊状结构胶，利用G型夹夹紧送入烘箱升温固化，固化参数为：120℃、2h，等待固化后需通过数控加工中心加工至框架外形尺寸，以保证模具工装的基准面。

作为本发明所述一种复合材料模具工装的制作方法的优选技术方案，步骤4）铺贴面单元胶接时，利用激光定位仪定位框架基准，将模具工装铺贴面单元定位放置在支撑框架栅板上，采用连接角片涂刷糊状结构胶粘接支撑框架栅板与铺贴面单元，待其固化即可。

一种复合材料模具工装的应用方法，包括以下步骤：

步骤1）分别在上蒙皮铺贴面单元和下蒙皮铺贴面单元铺贴预浸料，铺贴完后进热压罐固化；

步骤2）固化完成后将带有产品的上蒙皮铺贴面单元与下蒙皮铺贴面单元对接在一起，对接前在对接面上涂刷结构胶；

步骤3）使用金属压杆、长螺杆与螺母将上蒙皮铺贴面单元与下蒙皮铺贴面单元串联固定，长螺杆贯穿金属压杆、上蒙皮铺贴面单元和下蒙皮铺贴面单元设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明制得的复合材料模具工装可一体实现铺贴、固化、机加、胶接，大大减少的不同模具工的数量，降低的制造成本，产品制作时不用更换工装，不用变换基准，确保叶片整个制造过程的精度；

本发明制得的复合材料模具工装的重量较轻，无需使用行车等吊装设备，缩短作业时间，降低作业安全风险，同样提高生产效率；

本发明采用低温固化碳纤维预浸料制作复材模具，其在固化过程中尺寸受热胀冷缩影响小，尺寸稳定性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明制得的复合材料模具工装结构示意图。

图2为本发明制得的复合材料模具工装分开状态图。

图3为本发明制得的复合材料模具工装中下蒙皮模具工装示意图。

图4为本发明制得的复合材料模具工装应用状态图。

图5为本发明中选用的制作下蒙皮模具工装用金属母模结构示意图。

图6为本发明中选用的制作上蒙皮模具工装用金属母模结构示意图。

其中，100上蒙皮模具工装，200下蒙皮模具工装，201铺贴面单元，202支撑框架方管，203支撑框架栅板，204连接角片，301上蒙皮，302下蒙皮，401前缘泡沫，402后缘泡沫，500芯轴，600金属压杆，700长螺杆，800螺母。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明制成的复合材料模具工装的主要功能包含了低温叶片的上蒙皮301、下蒙皮302的铺贴、固化成型，上蒙皮301、下蒙皮302的胶接面净尺寸加工，上蒙皮301、下蒙皮302与金属芯轴500以及前缘泡沫401、后缘泡沫402的胶接等工序。

本发明制成的复合材料模具工装结构组成如图1-3所示，包括：

上蒙皮模具工装100、下蒙皮模具工装200分别为两个独立模具，均由上部的铺贴面单元201和下部的支撑框架单元组成，上部的模具铺贴面单元201分别为上蒙皮铺贴面单元和下蒙皮铺贴面单元。

根据设计低温叶片预浸料固化温度为60℃，选用复合材料模具的原材料需耐温180摄氏度以上，本发明选用的碳纤维预浸料要求：60℃低温固化后能够在200℃下长期使用的碳纤维增强环氧树脂预浸料。预浸料规则分为两种，一种是200g/m²纤维面密度斜纹预浸料，另外一种是600g/m²纤维面密度斜纹预浸料，其树脂含量均为40%。

根据复合材料模具工装不同零件采用不同面密度预浸料，主要零件使用对应预浸料如下表：

序号	模具工装零件	原材料
			1	蒙皮铺贴面单元	200g/m²、600g/m²纤维面密度斜纹预浸料
2	支撑框架栅板	600g/m²纤维面密度斜纹预浸料
			3	支撑框架方管	600g/m²纤维面密度斜纹预浸料
4	连接角片	600g/m²纤维面密度斜纹预浸料

。

实施例1

一种复合材料模具工装的制作方法，包括以下步骤：

步骤1）铺贴面单元201制作，包括上蒙皮铺贴面单元201和下蒙皮铺贴面单元201的制作，两者制作过程相同，包括：选用金属板材作为母模（母模结构示意图如图5-6所示），在母模的表面铺贴碳纤维预浸料，铺贴完成后进热压罐固化；

步骤2）支撑框架单元制作，包括支撑框架方管202、支撑框架栅板203以及连接角片204；

支撑框架方管202的制作方法为：直接采用碳纤维预浸料在方形模具的外周铺贴，铺贴完成后进热压罐固化；

支撑框架栅板203的制作方法为：直接采用碳纤维预浸料在平板模具表面铺贴，铺贴完成后进热压罐固化，固化后机加至支撑框架栅板203相互之间插接所需尺寸；

连接角片204的制作方法为：直接采用碳纤维预浸料在方管模具R角处铺贴，铺贴完成后进热压罐固化；

步骤3）支撑框架单元组装，支撑框架栅板203插接好后使用支撑框架方管202串联在一起，并通过结构胶胶结在一起，固化后机加至配合铺贴面单元201的净尺寸；

步骤4）安装铺贴面单元201，将铺贴面单元201胶结在支撑框架栅板203上，同时采用连接角片204粘接支撑框架栅板203与铺贴面单元201，待胶水固化后得到复合材料模具。

具体的，步骤1）中模具工装的制造首先需要设计并加工一套金属母模，在金属母模上翻制叶片铺贴面单元201，选用5085铝合金板料作为金属母模的原材料，由于本发明制得的复合材料模具工装使用的模具预浸料是60℃固化，设计金属母模需考虑室温至60℃的铝合金线性膨胀系数，根据其系数等比缩小金属母模的加工三维数模，以提高精度。

在加工好的金属母模表面铺贴翻制铺贴面单元201，根据强度计算，铺贴面单元201的厚度为6mm，为保证低温叶片的外形光滑，铺贴面单元201表层采用200g/m²纤维面密度斜纹预浸料铺贴，低面密度预浸料铺贴孔隙率低，表面质量较好且不易漏气；铺贴面单元201中间全部采用600g/m²纤维面密度斜纹预浸料铺贴，采用高面密度预浸料铺贴制造周期短，生产效率高。

铺贴面单元201铺贴完成后采用热压罐固化成型工艺完成固化，固化参数为：60℃、0.6MPa、保温20h，固化完成后拆除真空袋等辅助材料，检查模具工装表面有无缺树脂区域，制作真空袋系统检测模具工装是否漏气，确保模具工装不漏气方可进行低温叶片产品的铺贴。

进一步的，铺贴时，模具预浸料料铺贴无需像产品铺贴那样要求保证纤维方向的连续性，其主要保证铺贴区域内无缺料、无间隙即可，以保证固化后的模具工装无漏气风险，简化了生产步骤，提高效率。

进一步的，铺贴时，为了保证后期固化后的工装模具无漏气风险，每铺贴4层预浸料需制作真空预抽袋预压实料片。

进一步的，为保证复合材料模具工装的铺贴面单元201光滑，生产前需将金属母模利用极性溶剂清洗干净，新模具使用至少涂刷8层脱模剂，以保证复合模具工装铺贴的平整度和树脂完整性。

进一步的，步骤2）中支撑框架方管202直接采用600g/m2纤维面密度斜纹预浸料铺贴，选用标准50mm×50mm不锈钢方管作为支撑框架方管202的模具；标准方管的采购需保证其外表面无颗粒等多余物，否则会影响复材方管的脱模。

需要说明的是，与所有复合材料零件生产相同，不锈钢方管模具表面需涂刷脱模剂，待脱模剂干燥后开始铺贴模具预浸料，方管为环状结构，每层料片铺贴会出现搭接缝，为保证复材方管外表面的厚度均匀，要求每层料片的搭接缝必须错开，底部方管的壁厚为5mm；铺贴料片过程中同样需每4层制作真空预抽袋预压实料片，铺贴完成后制作最终真空袋进热压罐低温高压固化成型（60℃0.6MPa，保温20h）。

进一步的，步骤2）中支撑框架栅板203同样采用600g/m2纤维面密度斜纹预浸料铺贴制的，利用钢制平板作为支撑框架栅板203的模具直接铺贴，热压罐固化成型后利用数控加工中心加工至所需尺寸，主要加工插接缺口以及外形。

需要说明的是，支撑框架栅板203铺贴无特殊要求，其全部采用料片直接在刚平板表面铺贴，其铺贴过程中同样需每4层制作真空预抽袋预压实料片，铺贴完成后制作最终真空袋进热压罐低温高压固化成型（60℃0.6MPa保温20h）。

进一步的，步骤2）中连接角片204也采用600g/m2纤维面密度斜纹预浸料直接铺贴，采用上述不锈钢方管的R角作为模具，同样采用热压罐工艺固化成型。

需要说明的是，连接角片204截面为L型件，其铺贴厚度为3mm，翻边宽度为40mm，可无需单独制作模具，直接采用复材方管的不锈钢方管模具铺贴即可；铺贴过程中同样需每4层制作真空预抽袋预压实料片，铺贴完成后制作最终真空袋进热压罐低温高压固化成型（60℃0.6MPa保温20h），固化后根据各角件所需长度切割至所需尺寸。

进一步的，步骤3）组装具体包括：将支撑框架栅板203与支撑框架方管202拼装至大致尺寸，利用测量工具定位，在连接处手糊涂刷耐200℃糊状结构胶，利用G型夹夹紧送入烘箱升温固化（120℃2h），等待固化后需通过数控加工中心加工至框架外形尺寸，以保证模具工装的基准面。

进一步的，步骤4）铺贴面单元201胶接时，利用激光定位仪定位框架基准，将模具工装铺贴面单元201定位放置在支撑框架栅板203上，采用连接角片204涂刷糊状结构胶粘接支撑框架栅板203与铺贴面单元201，待其固化即可。

实施例2

如图4所示，一种复合材料模具工装的应用方法，包括以下步骤：

步骤1）分别在上蒙皮铺贴面单元201和下蒙皮铺贴面单元201铺贴预浸料，铺贴完后进热压罐固化；

步骤2）固化完成后放入前后缘泡沫和金属芯轴500，将带有产品的上蒙皮铺贴面单元201与下蒙皮铺贴面单元201对接在一起，对接前在对接面上涂刷结构胶；

步骤3）使用金属压杆600、长螺杆700与螺母800将上蒙皮铺贴面单元201与下蒙皮铺贴面单元201串联固定，长螺杆700贯穿金属压杆600、上蒙皮铺贴面单元201和下蒙皮铺贴面单元201设置。

具体的，金属压杆600采用60mm×60mm的不锈管金属钢管切割开孔即可，长螺栓和螺帽则直接采购，要求螺栓强度10.2级以上即可。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种复合材料模具工装的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

碳纤维预浸料铺贴时，选用的预浸料需满足60℃低温固化后能够在200℃下长期使用的碳纤维增强环氧树脂预浸料，树脂含量40%，先铺贴作为表面层的200g/m²纤维面密度斜纹预浸料，再铺贴作为中间层的600g/m²纤维面密度斜纹预浸料，铺贴完所有料片后制作最终真空袋进热压罐低温高压固化成型，固化参数为：60℃、0.6MPa、保温20h，温度、密度、树脂含量、压力、时间可在5%上下浮动；

步骤2）支撑框架单元制作，包括支撑框架方管（202）、支撑框架栅板（203）以及连接角片（204）；

所述支撑框架方管（202）的制作方法为：直接采用碳纤维预浸料在方形模具的外周铺贴，铺贴完成后进热压罐固化；

所述支撑框架栅板（203）的制作方法为：直接采用碳纤维预浸料在平板模具表面铺贴，铺贴完成后进热压罐固化，固化后机加至支撑框架栅板（203）相互之间插接所需尺寸；

所述连接角片（204）的制作方法为：直接采用碳纤维预浸料在方管模具R角处铺贴，铺贴完成后进热压罐固化；

支撑框架方管（202）、支撑框架栅板（203）以及连接角片（204）铺贴时，选用600g/m2纤维面密度斜纹预浸料，树脂含量40%，固化参数为：60℃、0.6MPa、保温20h，温度、密度、树脂含量、压力、时间可在5%上下浮动；

步骤3）支撑框架单元组装，支撑框架栅板（203）插接好后使用支撑框架方管（202）串联在一起，并通过结构胶胶结在一起，固化后机加至配合铺贴面单元的净尺寸；

具体包括：将支撑框架方管（202）与支撑框架栅板（203）拼装成型，利用测量工具定位，在连接处手糊涂刷耐200℃糊状结构胶，利用G型夹夹紧送入烘箱升温固化，固化参数为：120℃、2h，等待固化后需通过数控加工中心加工至框架外形尺寸，以保证模具工装的基准面；

步骤4）安装铺贴面单元，将铺贴面单元胶结在支撑框架栅板（203）上，同时采用连接角片（204）粘接支撑框架栅板（203）与铺贴面单元，待胶水固化后得到复合材料模具；

铺贴面单元胶接时，利用激光定位仪定位框架基准，将模具工装铺贴面单元定位放置在支撑框架栅板（203）上，采用连接角片（204）涂刷糊状结构胶粘接支撑框架栅板（203）与铺贴面单元，待其固化即可。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料模具工装的制作方法，其特征在于，步骤1）中选用铝合金板料作为金属母模的原材料，由于低温叶片成型、胶接、机加一体化模具工装使用的模具预浸料是60℃固化，设计金属母模时，根据室温至预浸料固化温度的铝合金线性膨胀系数等比缩小金属母模的加工三维数模。

3.根据权利要求1或2所述的一种复合材料模具工装的制作方法，其特征在于，铺贴时，无需要求保证纤维方向的连续性，保证铺贴区域内无缺料、无间隙即可。

4.根据权利要求1或2所述的一种复合材料模具工装的制作方法，其特征在于，铺贴时，每铺贴预设层数的预浸料需制作真空预抽袋预压实料片。

5.根据权利要求1或2所述的一种复合材料模具工装的制作方法，其特征在于，步骤1）铺贴前，需将金属母模利用极性溶剂清洗干净，新模具使用至少涂刷8层脱模剂。