CN116442565A - 复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具及其制备方法，属于复合材料耐压壳成型技术领域。采用连续纤维缠绕或者预浸料铺放工艺，制备时，内面板成型模具安装在缠绕机上，芯子成型模具通过螺钉固定在内面板成型模具上，外面板成型模具通过外侧卡箍紧固在芯子成型模具最外侧，最终三种模具组合为一体，在热压罐中共固化制备出可适用于多种载荷条件下的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳。该复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳采用一体制备方式且纤维环向及轴向均连续，厚度一致性好。相较于其他类似制备方法，本发明操作简单、快速，可以根据载荷条件合理分配材料性能，真正实现了减轻结构重量，提升有效载荷的目标。
Description
技术领域
本发明属于复合材料耐压壳成型技术领域，具体涉及一种复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具及其制备方法。
背景技术
传统的复合材料耐压壳体均为单一薄壁结构，使得其在受载时，极易发生屈曲破坏。复合材料夹芯结构由于面-芯-面的多层组合，相较于单一的薄壁面板其拥有更大的截面惯性矩，能够更好地抑制屈曲的发生，符合目前耐压壳体轻质高强的追求目标。相较于其他夹芯结构，波纹夹芯具有孔隙占比大、载荷与质量比值大，承率效率高、可设计性强和易于制备等优点，逐渐成为关注的焦点。
现有的两种复合材料波纹夹芯圆柱壳体制备工艺分别是：1、授权公告号为CN104723579B、授权公告日为2017年03月22日的发明专利公开了“一种全复合材料波纹夹层圆柱壳的组合模具”，面芯模压成型，面板分为多个曲面板，芯子为一个环形整体，而后对面芯进行粘接二次固化，面板接缝处采用曲面窄条补强。缺点：面板环向不连续，受载时会出现较大应力集中导致结构提前破坏，引入胶结层易引入缺陷，降低结构承载性能；另外，胶层和补强部分会增加额外重量，应用时难以做到充分减重的效果。2、授权公告号为CN112549378 B、授权公告日为2021年11月16日的发明专利公开了“一种复合材料波纹夹层筒体的一体化成型模具及其方法”，该工艺采用预浸料铺放模压共固化成型，最终得到一个芯子面板一体成型的结构。但该工艺由于芯子制备时，预浸料采用单独卷制到芯模条的方式造成芯子环向单胞之间纤维不连续，无法设计芯子整体铺层顺序，不利于充分发挥材料性能。
因此需要设计一种可以根据载荷条件合理分配材料性能的新型模具，以便真正实现减轻结构重量，提升有效载荷的目标。
发明内容
本发明的目的在于为解决现有技术存在的上述问题，提供一种复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具及其制备方法。
本发明制备的是一种可用于多向载荷下的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳体，以解决现有方法所制备出的壳体存在面板环向几何不连续，芯子难以灵活设计铺层，结构受载时无法充分发挥材料性能；制备时流程复杂，需要二次固化，面芯容易脱粘，工艺流程复杂，无法采用纤维缠绕等高效工艺制备等缺点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
本发明的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具，包括面板成型模具、芯子成型模具及两个端面圆形挡板；面板成型模具包括内面板成型模具和外面板成型模具，内面板成型模具包括中间芯轴、两个转接轴套和两个分体式轴头，两个转接轴套分别是转接轴套一和转接轴套二，外面板成型模具包括两个端部轴套和两块外面板成型曲面钢板；芯子成型模具包括多个芯模条和两个半圆垫圈，多个芯模条包括多个Ⅰ型芯模条和多个Ⅱ型芯模条；
中间芯轴两端分别与转接轴套一和转接轴套二一端可拆卸固定连接，两个分体式轴头头端分别与转接轴套一和转接轴套二另一端可拆卸固定连接；转接轴套二外壁设有环状台阶；两个端部轴套分别紧固套装在其中一个分体式轴头头端与转接轴套一上，以及另一个分体式轴头头端与转接轴套二上，固化时，拆卸两个分体式轴头，两个端面圆形挡板装在两个端部轴套两端，两个端面圆形挡板与各自对应的转接轴套可拆卸固定连接，两块外面板成型曲面钢板相对扣合紧固装在芯子成型模具外侧，并位于两个端面圆形挡板之间；转接轴套二的环状台阶上对合装有两个半圆垫圈，多个Ⅰ型芯模条沿中间芯轴外圆周面均布设置，每相邻两个Ⅰ型芯模条之间匹配设置有一个Ⅱ型芯模条，多个Ⅰ型芯模条和多个Ⅱ型芯模条一端与对应的半圆垫圈及转接轴套二可拆卸固定连接，多个Ⅰ型芯模条和多个Ⅱ型芯模条另一端与转接轴套一可拆卸固定连接。
进一步的是，中间芯轴设有中空腔，转接轴套一和转接轴套二均设有中心台肩孔，转接轴套一和转接轴套二一端均设有轴套凸台，转接轴套一的轴套凸台和转接轴套二的轴套凸台紧密且可拆卸固定装在中间芯轴内的两端；两个分体式轴头的头端设有轴头凸台，两个分体式轴头的轴头凸台分别紧密固定装在转接轴套一和转接轴套二的台肩孔内。
进一步的是，Ⅰ型芯模条截面为梯形，Ⅱ型芯模条截面为倒置的梯形，Ⅰ型芯模条和Ⅱ型芯模条的下表面均为向上凹的曲面，上表面均为向上凸的曲面。
进一步的是，所述复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具还包括脱模工装；脱模工装包括脱模后挡板、脱模前挡板、壳体脱模连接器、壳体脱模板及两个脱模转接头；
两个脱模转接头一端中部均设有U形槽，U形槽的两侧壁设有同轴的通孔，两个脱模转接头另一端外壁均沿周向设有工字型嵌槽；脱模时，Ⅰ型芯模条和Ⅱ型芯模条所述一端插装在对应的脱模转接头的U形槽内，且二者可拆卸固定连接，工字型嵌槽与脱模机连接；脱模后挡板和脱模前挡板上均开有U型槽口，脱模时，利用脱模前挡板的U型槽口夹持住脱模转接头，利用脱模后挡板的U型槽口夹持住芯模条；壳体脱模连接器为圆筒形状，壳体脱模连接器两端分别与分体式轴头和脱模机连接；壳体脱模板设有中心孔，复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳紧贴壳体脱模板侧面，中间芯轴紧密穿过壳体脱模板中心孔，壳体脱模板与脱模机连接连接。
本发明的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型方法，所述方法是基于权要求1-4中任一权利要求所述的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具实现的，所述方法包括以下步骤：
步骤一：装配内面板成型模具，并在内面板成型模具外表面涂抹脱模剂或者粘贴脱模布，并将内面板成型模具的两个分体式轴头固定在缠绕机上；
步骤二：在中间芯轴外表面纤维缠绕或者铺设复合材料预浸料，之后，对缠绕纤维或铺设复合材料预浸料后的内面板成型模具进行初步固化处理，完成内面板的制备；
步骤三：初步固化完成后，将内面板成型模具重新安装在缠绕机上，对所有Ⅰ型芯模条、Ⅱ型芯模条及半圆垫圈涂刷脱模剂，之后，将两个半圆垫圈对合装在转接轴套二的环状台阶上，将多个Ⅰ型芯模条均匀排布在中间芯轴外圆周面上，多个Ⅰ型芯模条一端通过螺钉与对应的半圆垫圈及转接轴套二固定连接，多个Ⅰ型芯模条另一端通过螺钉与转接轴套一固定连接；最后将Ⅱ型芯模条和装有Ⅰ型芯模条的内面板成型模具放入烘箱内进行预热，预热温度为80℃，预热时间为30min；
步骤四：将固定有Ⅰ型芯模条的内面板成型模具重新安装在缠绕机上，把剪裁好的复合材料预浸料逐次铺设到Ⅰ型芯模条之上和Ⅱ型芯模条预放置位置处；之后将多个Ⅱ型芯模条一端通过螺钉与对应的半圆垫圈及转接轴套二固定连接，将多个Ⅱ型芯模条另一端通过螺钉与转接轴套一固定连接，组成模具组合体；然后，利用密封胶和耐高温塑料膜进行密封和抽真空，真空度为0.1MPa，最后，将模具组合体放入热压罐中进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min，完成芯子的制备；
步骤五：将模具组合体重新安装在缠绕机上，将两个端部轴套安装在两个转接轴套上，在芯子外侧进行纤维缠绕或者复合材料预浸料铺设，完成后，将两块外面板成型曲面钢板对合安装在纤维缠绕或者复合材料预浸料铺设后的芯子外侧，并卡紧固定，将两个分体式轴头替换成固化用的两个端面圆形挡板，两个端面圆形挡板通过螺杆与两个转接轴套连接，最后将整个模具组合体进行包裹放入热压罐中，先抽真空，真空度为0.1MPa，然后预热30min，预热温度为80℃；而后升压至0.5MPa进行最终固化，固化工艺为：90℃保持2h后，以2℃/min的速率升温至145℃保持2.5h，完成整个复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳的制备；
步骤六：固化完成后将整个模具组合体从热压罐中取出，待温度降低到室温，拆卸外面板成型模具，拧下芯模条与转接轴套连接螺钉，拆卸端面圆形挡板、转接轴套和半圆垫圈，利用与半圆垫圈相连接的芯模条一端上的连接孔与其中一个脱模转接头相连，利用与转接轴套一相连接的芯模条另一端上的连接孔与另一个脱模转接头相连，并利用脱模前挡板的U型槽口夹持住脱模转接头，利用脱模后挡板的U型槽口夹持住芯模条；对所有芯模条进行脱模，而后重新安装转接轴套和分体式轴头，并将壳体脱模连接器与分体式轴头连接，复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳紧贴壳体脱模板侧面，中间芯轴紧密穿过固定在脱模机上的壳体脱模板，将复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳整体与中间芯轴分离，制成复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳1。
进一步的是，步骤二中，纤维缠绕完成后，在最外侧包裹一层聚酯剥离布进行吸胶，随中间芯轴旋转的同时，用电热灯进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min，初步固化完成后，将剥离布揭掉。
进一步的是，步骤二中，复合材料预浸料铺设时，需要事先对中间芯轴进行预热，预热温度为50℃，预热时间为30min，然后拆卸分体式轴头，安装好两个端面圆形挡板，在复合材料预浸料外侧由内至外包裹聚四氟乙烯脱模布和聚酯吸胶垫，包裹完毕后，利用密封胶和耐高温塑料膜进行密封和抽真空，抽空度为0.1MPa，之后，放入热压罐中进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、本发明的方法采用一次成型制备方式，大大缩减制备流程，适合批量化生产，提高了制备效率。
2、制备模具零部件少，不易出现人工失误，结构轻巧、使用灵活，定位精度高，能够很好的保证结构成型质量；可根据需求通过粘贴脱模布等方式改变厚度，当改变芯子环向单胞个数时，除芯子成型模具外其他仍可保留使用，提升了模具利用效率。
3、可采用的制备工艺多，连续纤维缠绕和预浸料铺设均可用于制备内外面板，芯子也可使用单向预浸料叠层铺设或编织预浸料铺设。
此外，本发明还具有以下优点：
1、复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型，避免了因使用胶膜粘接所造成的面芯强度低，提高了面芯粘接性能。
2、结构中面板一体，纤维连续，大大降低了现有制备工艺中多段拼接所造成的应力集中现象。
3、芯子采用连续预浸料铺设，可根据需求灵活设计，拓宽了铺层角度范围，提升了结构的刚度和强度。
4、该复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳采用一体制备方式且纤维环向及轴向均连续，厚度一致性好。
5、由于纤维增强复合材料各向异性的特点，该成型模具可根据外载荷特点，灵活布置材料方向，较现有模具制备的波纹夹芯壳体拥有更加广阔的适用空间。
附图说明
图1是中间芯轴的纵向截面的剖视图；
图2是图1的左视图；
图3是转接轴套一的主视图；
图4是图3的A-A截面的剖视图；
图5是转接轴套一的轴测图；
图6是转接轴套二的主视图；
图7是图6的B-B截面的剖视图；
图8是转接轴套二的轴测图；
图9是分体式轴头的主视图；
图10是图9的左视图；
图11是端部轴套的主剖视图；
图12是图11的俯视图；
图13是半圆形钢板的主视图；
图14是图13的左视图；
图15是Ⅰ型芯模条的主视图；
图16是图15的左视图；
图17是图15的俯视图；
图18是Ⅱ型芯模条的主视图；
图19是图18的左视图；
图20是图18的俯视图；
图21是半圆垫圈的主视图；
图22是端面圆形挡板的主视图；
图23是图22的左剖视图；
图24是脱模转接头的主视图；
图25是图24的C-C截面的剖视图；
图26是脱模转接头的轴测图；
图27是脱模后挡板的主视图；
图28是图27的左视图；
图29是脱模前挡板的主视图；
图30是图29的左视图；
图31是壳体脱模板的主视图；
图32是图31的左视图；
图33是壳体脱模板的轴测图；
图34是壳体脱模连接器的主剖视图；
图35是图34的左视图；
图36是内面板成型模具装配的主视图；
图37是在内面板成型模具上完成内面板缠绕的主视图；
图38是在芯子成型模具上完成芯子铺放的主视图；
图39是完成外面板缠绕的主视图；
图40是利用复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具完成外面板固化的主视图；
图41是图40的左视图；
图42是本发明的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具的轴测图；
图43是芯模条与脱模部件相对位置关系示意图；
图44是复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳脱模前的示意图；
图45是复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳脱模时的示意图。
上述附图中涉及的部件名称及附图标记如下：
中间芯轴1、转接轴套一2、转接轴套二3、分体式轴头4、端部轴套5、外面板成型曲面钢板6、Ⅰ型芯模条7、Ⅱ型芯模条8、半圆垫圈9、端面圆形挡板10、脱模转接头11、脱模后挡板12、脱模前挡板13、壳体脱模连接器14、壳体脱模板15、复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16、内面板成型模具17。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1-图42所示，本实施方式披露了一种复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具，包括面板成型模具、芯子成型模具及两个端面圆形挡板10(固化工装)；面板成型模具包括内面板成型模具17和外面板成型模具，内面板成型模具17包括中间芯轴1、两个转接轴套和两个分体式轴头4，两个转接轴套分别是转接轴套一2和转接轴套二3，外面板成型模具包括两个端部轴套5和两块外面板成型曲面钢板6；芯子成型模具包括多个芯模条和两个半圆垫圈9，多个芯模条包括多个Ⅰ型芯模条7和多个Ⅱ型芯模条8；
中间芯轴1两端分别与转接轴套一2和转接轴套二3一端(通过螺钉)可拆卸固定连接，两个分体式轴头4头端分别与转接轴套一2和转接轴套二3另一端(通过螺钉)可拆卸固定连接；转接轴套二3外壁设有环状台阶；
两个端部轴套5分别紧固套装在其中一个分体式轴头4头端与转接轴套一2上，以及另一个分体式轴头4头端与转接轴套二3上(用于保证耐压壳外面板成型质量)，固化时，拆卸两个分体式轴头4，两个端面圆形挡板10装在两个端部轴套5两端，两个端面圆形挡板10与各自对应的转接轴套(通过螺杆)可拆卸固定连接(端面圆形挡板10上沿圆周方向均布开有四个用于与转接轴套可拆卸固定连接的通孔二，转接轴套与通孔二相对应处开有螺纹孔三，通过螺杆使得端面圆形挡板10与转接轴套可拆卸固定连接，进行转运)，两块外面板成型曲面钢板6相对扣合紧固装在芯子成型模具外侧，并位于两个端面圆形挡板10之间；
转接轴套二3的环状台阶上对合装有两个半圆垫圈9，多个Ⅰ型芯模条7沿中间芯轴1外圆周面均布设置，每相邻两个Ⅰ型芯模条7之间匹配设置有一个Ⅱ型芯模条8，多个Ⅰ型芯模条7和多个Ⅱ型芯模条8一端(通过螺钉)与对应的半圆垫圈9及转接轴套二3可拆卸固定连接，多个Ⅰ型芯模条7和多个Ⅱ型芯模条8另一端(通过螺钉)与转接轴套一2可拆卸固定连接(Ⅰ型芯模条7和Ⅱ型芯模条8底面一端均设有缺口，Ⅰ型芯模条7和Ⅱ型芯模条8底面另一端均设有芯模凸台，Ⅰ型芯模条7和Ⅱ型芯模条8缺口一端通过螺钉与对应的半圆垫圈9及转接轴套二3可拆卸固定连接，Ⅰ型芯模条7和Ⅱ型芯模条8芯模凸台一端通过螺钉与转接轴套一2可拆卸固定连接)。
进一步的是，中间芯轴1设有中空腔，转接轴套一2和转接轴套二3均设有中心台肩孔，转接轴套一2和转接轴套二3一端均设有轴套凸台，转接轴套一2的轴套凸台和转接轴套二3的轴套凸台紧密且(分别通过螺钉)可拆卸固定装在中间芯轴1内的两端(中间芯轴1内壁两端分别沿圆周方向均布设有多个螺纹孔一，转接轴套一2的轴套凸台和转接轴套二3的轴套凸台侧壁上分别沿各自的圆周方向均布设有多个通孔一，多个通孔一与多个螺纹孔一一一对应设置，中间芯轴1与转接轴套一2通过穿入通孔一并与螺纹孔一螺纹连接的螺钉固定连接，转接轴套一2与中间芯轴1通过轴套凸台的台肩端面定位；中间芯轴1与转接轴套二3通过穿入通孔一并与螺纹孔一螺纹连接的螺钉固定连接，转接轴套二3与中间芯轴1通过轴套凸台的台肩端面定位)；
两个分体式轴头4的头端设有轴头凸台，两个分体式轴头4的轴头凸台分别紧密固定装在转接轴套一2和转接轴套二3的台肩孔内(两个分体式轴头4的轴头凸台的台肩端面上均布设有多个螺栓孔，转接轴套一2和转接轴套二3所述一端的端面上分别均布设有多个螺纹孔二，多个螺纹孔二与多个螺栓孔一一对应设置，两个分体式轴头4与转接轴套一2和转接轴套二3分别通过穿入螺栓孔并与螺纹孔二螺纹连接的螺钉固定连接，两个分体式轴头4与转接轴套一2和转接轴套二3通过轴头凸台的台肩端面定位)。
进一步的是，Ⅰ型芯模条7截面为梯形，Ⅱ型芯模条8截面为倒置的梯形，Ⅰ型芯模条7和Ⅱ型芯模条8的下表面均为向上凹的曲面，上表面均为向上凸的曲面。
进一步的是，所述复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具还包括脱模工装；脱模工装包括脱模后挡板12、脱模前挡板13、壳体脱模连接器14、壳体脱模板15及两个脱模转接头11；
两个脱模转接头11一端中部均设有U形槽(U形槽通至脱模转接头11外壁)，U形槽的两侧壁设有同轴的通孔，两个脱模转接头11另一端外壁均沿周向设有工字型嵌槽；脱模时，Ⅰ型芯模条7和Ⅱ型芯模条8所述一端插装在对应的脱模转接头11的U形槽内，且二者(通过螺钉)可拆卸固定连接，工字型嵌槽与脱模机连接；
脱模后挡板12和脱模前挡板13上均开有U型槽口，脱模时，利用脱模前挡板13的U型槽口夹持住脱模转接头11(起到限位作用)，利用脱模后挡板12的U型槽口夹持住芯模条(起到限位作用)；
壳体脱模连接器14为圆筒形状，壳体脱模连接器14两端分别与分体式轴头4和脱模机连接(壳体脱模连接器14侧壁两端分别沿径向设有用于与分体式轴头4和脱模机连接的通孔)；
壳体脱模板15设有中心孔，复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16紧贴壳体脱模板15侧面，中间芯轴1紧密穿过壳体脱模板15中心孔，壳体脱模板15与脱模机连接连接(用于分离复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16和中间芯轴1)。
具体实施方式二：如图1-图45所示，本实施方式披露了一种复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型方法，所述方法是基于具体实施方式一至四中任一具体实施方式所述的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具实现的，所述方法包括以下步骤：
步骤一：装配内面板成型模具17(将中间芯轴1、两个转接轴套和两个分体式轴头4依次进行组装固定)，并在内面板成型模具17外表面涂抹脱模剂或者粘贴脱模布(所有螺纹孔也涂抹脱模剂)，并将内面板成型模具17的两个分体式轴头4固定在缠绕机(为已有设备)上；
步骤二：在中间芯轴1外表面纤维缠绕或者铺设复合材料预浸料，之后，对缠绕纤维或铺设复合材料预浸料后的内面板成型模具17(内面板成型模具17已经从缠绕机上拆卸下来)进行初步固化处理，完成内面板的制备；
步骤三：初步固化完成后，将内面板成型模具17重新安装在缠绕机上，对所有Ⅰ型芯模条7、Ⅱ型芯模条8及半圆垫圈9涂刷脱模剂(所有螺纹孔、通孔及所使用的螺钉均涂刷脱模剂)，之后，将两个半圆垫圈9对合装在转接轴套二3的环状台阶上，将多个Ⅰ型芯模条7均匀排布在中间芯轴1外圆周面上，多个Ⅰ型芯模条7一端通过螺钉与对应的半圆垫圈9及转接轴套二3固定连接，多个Ⅰ型芯模条7另一端通过螺钉与转接轴套一2固定连接；最后将Ⅱ型芯模条8(此时Ⅱ型芯模条8还没有装在芯轴1上)和装有Ⅰ型芯模条7的内面板成型模具17(内面板成型模具17已经从缠绕机上拆卸下来)放入烘箱内进行预热，预热温度为80℃，预热时间为30min；
步骤四：将固定有Ⅰ型芯模条7的内面板成型模具17重新安装在缠绕机上，把剪裁好的复合材料预浸料逐次铺设到Ⅰ型芯模条7之上和Ⅱ型芯模条8预放置位置处(即把剪裁好的复合材料预浸料逐次铺设到Ⅰ型芯模条7之上和匹配放置在相邻两个Ⅰ型芯模条7之间的凹槽内)；之后将多个Ⅱ型芯模条8一端通过螺钉与对应的半圆垫圈9及转接轴套二3固定连接，将多个Ⅱ型芯模条8另一端通过螺钉与转接轴套一2固定连接，组成模具组合体；然后，利用密封胶和耐高温塑料膜进行密封和抽真空，真空度为0.1MPa(检查密封袋是否漏气)，最后，将模具组合体(已经从缠绕机上拆卸下来)放入热压罐中进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min，完成芯子的制备；
步骤五：将模具组合体重新安装在缠绕机上，将两个端部轴套5安装在两个转接轴套上，在芯子外侧进行纤维缠绕或者复合材料预浸料铺设，完成后，将两块外面板成型曲面钢板6对合安装在纤维缠绕或者复合材料预浸料铺设后的芯子外侧，并(用不锈钢卡箍进行)卡紧固定，将两个分体式轴头4替换成固化用的两个端面圆形挡板10，两个端面圆形挡板10通过螺杆与两个转接轴套连接，最后将整个模具组合体进行包裹放入热压罐中，先抽真空，真空度为0.1MPa，然后预热30min，预热温度为80℃；而后升压至0.5MPa进行最终固化，固化工艺为：90℃保持2h后，以2℃/min的速率升温至145℃保持2.5h，完成整个复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16的制备；
步骤六：固化完成后将整个模具组合体从热压罐中取出，待温度降低到室温，拆卸外面板成型模具，拧下芯模条与转接轴套连接螺钉，拆卸端面圆形挡板10、转接轴套和半圆垫圈9，利用与半圆垫圈9相连接的芯模条一端上的连接孔与其中一个脱模转接头11相连，利用与转接轴套一2相连接的芯模条另一端上的连接孔与另一个脱模转接头11相连，并利用脱模前挡板13的U型槽口夹持住脱模转接头11，利用脱模后挡板12的U型槽口夹持住芯模条；对所有芯模条进行脱模，而后重新安装转接轴套和分体式轴头4，并将壳体脱模连接器14与分体式轴头4连接，复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16紧贴壳体脱模板15侧面，中间芯轴1紧密穿过固定在脱模机上的壳体脱模板15，将复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16整体与中间芯轴1分离，制成复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16。
进一步的是，步骤二中，纤维缠绕完成后，在最外侧包裹一层聚酯剥离布进行吸胶，随中间芯轴1旋转的同时，用电热灯进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min，初步固化完成后，将剥离布揭掉。
进一步的是，步骤二中，复合材料预浸料铺设时，需要事先对中间芯轴1进行预热，预热温度为50℃，预热时间为30min，然后拆卸分体式轴头4，安装好两个端面圆形挡板10，在复合材料预浸料外侧由内至外包裹聚四氟乙烯脱模布和聚酯吸胶垫，包裹完毕后，利用密封胶和耐高温塑料膜进行密封和抽真空，抽空度为0.1MPa(检查密封袋是否漏气)，之后，放入热压罐中进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min(为了使刚刚铺好的预浸料在真空压力下变软，充分填充在模具相应位置)。
本发明的一种复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型制备方法，旨在制备出一体成型的复合材料波纹夹芯圆柱壳体，结构分为内、外面板和中间芯子，内、外面板可采用预浸料铺设或连续纤维缠绕等多种成型方式，中间芯子采用预浸料铺设的方式完成。
实施例1
采用连续纤维缠绕工艺成型内、外面板时，复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具制备复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳的方法如下：
(1)所述一体成型模具制造；为了保证所述一体成型模具可多次重复利用并且耐受固化时高温，一体成型模具采用45#钢制造，Ⅰ和Ⅱ号芯模条进行淬火处理，减少因内部应力释放导致的变形，外表面镀铬处理，提升耐磨性和方便后续脱模。
(2)一体成型模具使用前处理；使用无尘布蘸取丙酮或95％酒精对一体成型模具表面进行清洗直至擦拭后表面无任何污渍；使用型号为AC4368的脱模剂涂刷一体成型模具表面和所有螺纹孔，一体成型模具初次使用时脱模剂应涂至少3遍，使表面达到封孔效果，每遍应间隔15分钟以上。
(3)组装内面板成型模具；依次将中间芯轴1、两个转接轴套和两个分体式轴头4组装在一起，如图36所示。
(4)内面板制备；根据铺层要求，采用缠绕方式，将内面板成型模具安装在复合材料缠绕机上，根据铺层厚度进行缠绕，本实施例中选取T700SC-12000-50C纤维和缠绕用的KH9533A/B双组份环氧树脂，调整张力大小，保证沿厚度纤维张力基本一致。
(5)内面板初步固化；采用缠绕工艺制备完内面板后，在内面板外表面包裹一层聚酯剥离布，然后内面板成型模具和内面板的组合体边旋转边用电热灯对聚酯剥离布进行90℃加热，使多余树脂溢出，同时对内面板起到预紧作用，提升力学性能，预热完将聚酯剥离布揭掉，完成内面板制备。
(6)预热芯模条和半圆垫圈9，将两个半圆垫圈9对合装在转接轴套二3的环状台阶上，将多个Ⅰ型芯模条7均匀排布在中间芯轴1外圆周面上，多个Ⅰ型芯模条7一端通过螺钉与对应的半圆垫圈9及转接轴套二3固定连接，多个Ⅰ型芯模条7另一端通过螺钉与转接轴套一2固定连接；最后将Ⅱ型芯模条8和装有Ⅰ型芯模条7的内面板成型模具(内面板成型模具已经从缠绕机上拆卸下来)放入烘箱内进行预热，预热温度为80℃，预热时间为30min；
由于最终脱模需要将芯模条从端面拉出，因此芯模条设计为底面一端设有缺口(缺口处装有半圆垫圈9)，另一端设有芯模凸台。半圆垫圈9主要是用于成型时支撑芯模条缺口区域。固化成型后，半圆垫圈9可以撤出，而后将芯模条缺口侧与脱模工装连接，拉出芯模条完成脱模。一体成型的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳结构分为：内面板+芯子+外面板三部分，在中间芯轴1上缠绕成型完内面板后，下一步进行芯子制备时，需要先把Ⅰ型芯模条7固定在转接轴套二3和转接轴套一2上，固定时是将每个Ⅰ型芯模条7逐次通过螺钉拧到转接轴套二3和转接轴套一2上，这时由于芯模条缺口处悬空，需要先放置半圆垫圈9进行支撑。由于为半圆结构，可以从上方放入，而不必拆卸分体式轴头4从轴向放入半圆垫圈9。放置完半圆垫圈9后，手扶半圆垫圈9，然后将Ⅰ型芯模条7与半圆垫圈9上表面配合，拧紧螺钉完成芯模条的固定。
(7)芯子制备；将固定有Ⅰ型芯模条7的内面板成型模具重新安装在缠绕机上，把剪裁好的合适尺寸T300编织布预浸料或T700单向预浸料逐次铺设到Ⅰ型芯模条7之上和Ⅱ型芯模条8预放置位置处(即把剪裁好的复合材料预浸料逐次铺设到Ⅰ型芯模条7之上和匹配放置在相邻两个Ⅰ型芯模条7之间的凹槽内)；之后将多个Ⅱ型芯模条8一端通过螺钉与对应的半圆垫圈9及转接轴套二3固定连接，将多个Ⅱ型芯模条8另一端通过螺钉与转接轴套一2固定连接，组成模具组合体；然后，利用密封胶和耐高温塑料膜进行密封和抽真空，真空度为0.1MPa(检查密封袋是否漏气)，最后，将模具组合体(已经从缠绕机上拆卸下来)放入热压罐中进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min，完成芯子的制备；
(8)外面板制备；芯子制备完成后，首先重新将两个端面圆形挡板10替换成分体式轴头4，然后将外面板成型模具中的两个端部轴套5分别安装于组合体中间芯轴1两侧，最后重复步骤(4)中的操作。
(9)外面板成型曲面钢板6安装；利用环形卡箍将相对设置的两块外面板成型曲面钢板6卡紧在刚制备完的外面板外侧，然后把组合体中的分体式轴头4替换成端部圆形挡板10，对该组合体进行裹脱模布、裹吸胶垫、放入真空袋中抽气等标准流程，无误后，放入热压罐中，先抽真空，真空度为0.1MPa，预热30min，预热温度为80℃；而后升压至0.5MPa进行最终固化，固化工艺为：90℃保持2h后，以2℃/min的速率升温至145℃保持2.5h，然后在热压罐内自然冷却至室温，完成整个复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16的成型；
(10)芯模条脱模；固化完成后将整个模具组合体从热压罐中取出，待温度降低到室温，拆卸外面板成型模具，拧下芯模条与转接轴套连接螺钉，拆卸端面圆形挡板10、转接轴套和半圆垫圈9，利用与半圆垫圈9相连接的芯模条一端上的连接孔与其中一个脱模转接头11相连，利用与转接轴套一2相连接的芯模条另一端上的连接孔与另一个脱模转接头11相连，并利用脱模前挡板13的U型槽口夹持住脱模转接头11，利用脱模后挡板12的U型槽口夹持住芯模条；对所有芯模条进行脱模；
(11)耐压壳脱模；再次将转接轴套和分体式轴头4安装到位，并将壳体脱模连接器14与分体式轴头4连接，复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16紧贴壳体脱模板15侧面，中间芯轴1紧密穿过固定在脱模机上的壳体脱模板15，将复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16整体与中间芯轴1分离，制成复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳16。
实施例2
采用预浸料铺设工艺成型内、外面板时，复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具制备复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳的方法如下：
步骤(1)至(3)与实施例1相同。
(4)内面板制备；采用预浸料铺设，首先对内面板成型模具进行预热，预热温度为50℃，预热时间为30min，然后裁取合适大小的T700预浸料，根据厚度和铺层事先在加热台上铺好，最后卷制在内面板成型模具之上，其余步骤与实施例1相同。
显然，本发明不限于上述示范性实施例，上述仅是对本发明的举例说明。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具，其特征在于：包括面板成型模具、芯子成型模具及两个端面圆形挡板(10)；面板成型模具包括内面板成型模具(17)和外面板成型模具，内面板成型模具(17)包括中间芯轴(1)、两个转接轴套和两个分体式轴头(4)，两个转接轴套分别是转接轴套一(2)和转接轴套二(3)，外面板成型模具包括两个端部轴套(5)和两块外面板成型曲面钢板(6)；芯子成型模具包括多个芯模条和两个半圆垫圈(9)，多个芯模条包括多个Ⅰ型芯模条(7)和多个Ⅱ型芯模条(8)；
中间芯轴(1)两端分别与转接轴套一(2)和转接轴套二(3)一端可拆卸固定连接，两个分体式轴头(4)头端分别与转接轴套一(2)和转接轴套二(3)另一端可拆卸固定连接；转接轴套二(3)外壁设有环状台阶；两个端部轴套(5)分别紧固套装在其中一个分体式轴头(4)头端与转接轴套一(2)上，以及另一个分体式轴头(4)头端与转接轴套二(3)上，固化时，拆卸两个分体式轴头(4)，两个端面圆形挡板(10)装在两个端部轴套(5)两端，两个端面圆形挡板(10)与各自对应的转接轴套可拆卸固定连接，两块外面板成型曲面钢板(6)相对扣合紧固装在芯子成型模具外侧，并位于两个端面圆形挡板(10)之间；转接轴套二(3)的环状台阶上对合装有两个半圆垫圈(9)，多个Ⅰ型芯模条(7)沿中间芯轴(1)外圆周面均布设置，每相邻两个Ⅰ型芯模条(7)之间匹配设置有一个Ⅱ型芯模条(8)，多个Ⅰ型芯模条(7)和多个Ⅱ型芯模条(8)一端与对应的半圆垫圈(9)及转接轴套二(3)可拆卸固定连接，多个Ⅰ型芯模条(7)和多个Ⅱ型芯模条(8)另一端与转接轴套一(2)可拆卸固定连接。
2.根据权利要求1所述的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具，其特征在于：中间芯轴(1)设有中空腔，转接轴套一(2)和转接轴套二(3)均设有中心台肩孔，转接轴套一(2)和转接轴套二(3)一端均设有轴套凸台，转接轴套一(2)的轴套凸台和转接轴套二(3)的轴套凸台紧密且可拆卸固定装在中间芯轴(1)内的两端；两个分体式轴头(4)的头端设有轴头凸台，两个分体式轴头(4)的轴头凸台分别紧密固定装在转接轴套一(2)和转接轴套二(3)的台肩孔内。
3.根据权利要求1所述的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具，其特征在于：Ⅰ型芯模条(7)截面为梯形，Ⅱ型芯模条(8)截面为倒置的梯形，Ⅰ型芯模条(7)和Ⅱ型芯模条(8)的下表面均为向上凹的曲面，上表面均为向上凸的曲面。
4.根据权利要求1所述的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具，其特征在于：所述复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具还包括脱模工装；脱模工装包括脱模后挡板(12)、脱模前挡板(13)、壳体脱模连接器(14)、壳体脱模板(15)及两个脱模转接头(11)；
两个脱模转接头(11)一端中部均设有U形槽，U形槽的两侧壁设有同轴的通孔，两个脱模转接头(11)另一端外壁均沿周向设有工字型嵌槽；脱模时，Ⅰ型芯模条(7)和Ⅱ型芯模条(8)所述一端插装在对应的脱模转接头(11)的U形槽内，且二者可拆卸固定连接，工字型嵌槽与脱模机连接；脱模后挡板(12)和脱模前挡板(13)上均开有U型槽口，脱模时，利用脱模前挡板(13)的U型槽口夹持住脱模转接头(11)，利用脱模后挡板(12)的U型槽口夹持住芯模条；壳体脱模连接器(14)为圆筒形状，壳体脱模连接器(14)两端分别与分体式轴头(4)和脱模机连接；壳体脱模板(15)设有中心孔，复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳(16)紧贴壳体脱模板(15)侧面，中间芯轴(1)紧密穿过壳体脱模板(15)中心孔，壳体脱模板(15)与脱模机连接连接。
5.一种复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型方法，其特征在于：所述方法是基于权要求1-4中任一权利要求所述的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型模具实现的，所述方法包括以下步骤：
步骤一：装配内面板成型模具(17)，并在内面板成型模具(17)外表面涂抹脱模剂或者粘贴脱模布，并将内面板成型模具(17)的两个分体式轴头(4)固定在缠绕机上；
步骤二：在中间芯轴(1)外表面纤维缠绕或者铺设复合材料预浸料，之后，对缠绕纤维或铺设复合材料预浸料后的内面板成型模具(17)进行初步固化处理，完成内面板的制备；
步骤三：初步固化完成后，将内面板成型模具(17)重新安装在缠绕机上，对所有Ⅰ型芯模条(7)、Ⅱ型芯模条(8)及半圆垫圈(9)涂刷脱模剂，之后，将两个半圆垫圈(9)对合装在转接轴套二(3)的环状台阶上，将多个Ⅰ型芯模条(7)均匀排布在中间芯轴(1)外圆周面上，多个Ⅰ型芯模条(7)一端通过螺钉与对应的半圆垫圈(9)及转接轴套二(3)固定连接，多个Ⅰ型芯模条(7)另一端通过螺钉与转接轴套一(2)固定连接；最后将Ⅱ型芯模条(8)和装有Ⅰ型芯模条(7)的内面板成型模具(17)放入烘箱内进行预热，预热温度为80℃，预热时间为30min；
步骤四：将固定有Ⅰ型芯模条(7)的内面板成型模具(17)重新安装在缠绕机上，把剪裁好的复合材料预浸料逐次铺设到Ⅰ型芯模条(7)之上和Ⅱ型芯模条(8)预放置位置处；之后将多个Ⅱ型芯模条(8)一端通过螺钉与对应的半圆垫圈(9)及转接轴套二(3)固定连接，将多个Ⅱ型芯模条(8)另一端通过螺钉与转接轴套一(2)固定连接，组成模具组合体；然后，利用密封胶和耐高温塑料膜进行密封和抽真空，真空度为0.1MPa，最后，将模具组合体放入热压罐中进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min，完成芯子的制备；
步骤五：将模具组合体重新安装在缠绕机上，将两个端部轴套(5)安装在两个转接轴套上，在芯子外侧进行纤维缠绕或者复合材料预浸料铺设，完成后，将两块外面板成型曲面钢板(6)对合安装在纤维缠绕或者复合材料预浸料铺设后的芯子外侧，并卡紧固定，将两个分体式轴头(4)替换成固化用的两个端面圆形挡板(10)，两个端面圆形挡板(10)通过螺杆与两个转接轴套连接，最后将整个模具组合体进行包裹放入热压罐中，先抽真空，真空度为0.1MPa，然后预热30min，预热温度为80℃；而后升压至0.5MPa进行最终固化，固化工艺为：90℃保持2h后，以2℃/min的速率升温至145℃保持2.5h，完成整个复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳(16)的制备；
步骤六：固化完成后将整个模具组合体从热压罐中取出，待温度降低到室温，拆卸外面板成型模具，拧下芯模条与转接轴套连接螺钉，拆卸端面圆形挡板(10)、转接轴套和半圆垫圈(9)，利用与半圆垫圈(9)相连接的芯模条一端上的连接孔与其中一个脱模转接头(11)相连，利用与转接轴套一(2)相连接的芯模条另一端上的连接孔与另一个脱模转接头(11)相连，并利用脱模前挡板(13)的U型槽口夹持住脱模转接头(11)，利用脱模后挡板(12)的U型槽口夹持住芯模条；对所有芯模条进行脱模，而后重新安装转接轴套和分体式轴头(4)，并将壳体脱模连接器(14)与分体式轴头(4)连接，复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳(16)紧贴壳体脱模板(15)侧面，中间芯轴(1)紧密穿过固定在脱模机上的壳体脱模板(15)，将复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳(16)整体与中间芯轴(1)分离，制成复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳(16)。
6.根据权利要求5所述的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型方法，其特征在于：步骤二中，纤维缠绕完成后，在最外侧包裹一层聚酯剥离布进行吸胶，随中间芯轴(1)旋转的同时，用电热灯进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min，初步固化完成后，将剥离布揭掉。
7.根据权利要求5所述的复合材料波纹夹芯圆柱耐压壳一体成型方法，其特征在于：步骤二中，复合材料预浸料铺设时，需要事先对中间芯轴(1)进行预热，预热温度为50℃，预热时间为30min，然后拆卸分体式轴头(4)，安装好两个端面圆形挡板(10)，在复合材料预浸料外侧由内至外包裹聚四氟乙烯脱模布和聚酯吸胶垫，包裹完毕后，利用密封胶和耐高温塑料膜进行密封和抽真空，抽空度为0.1MPa，之后，放入热压罐中进行初步固化，固化温度为80℃，固化时间为30min。
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| CN117162530B (zh) * | 2023-11-02 | 2024-03-08 | 北京玻钢院复合材料有限公司 | 内置金属环的复合材料耐压壳体、其制备方法及其与法兰密封连接方法 |
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